具有两维空间对称性光传感器网的高尔夫球训练装置

摘要

一种两维空间对称性光网的高尔夫球训练装置,其包括:装在击球地毯上的传感器;设在球飞行方向一定距离的方形框架,此框架装设了光信号发生器在其一边的垂直与平行框架上,而在另一边对应的框架上装设了光信号的接收探测器;多光源发生器;由一个聚焦的光源而产生多条光信号次光源以组成单一平面两维空间的光网;光信号接收探测器,装设在光信号发生器的对应框架上以形成单一平面两维空间对称性的光网;及数据处理与显示器。

说明书

本发明涉及一种具有两维空间对称光学传感器网的高尔夫球训练装置，应用于高尔夫球训练与娱乐，属于具有平面陈列器件的光电发射与探测系统技术领域。

高尔夫球的乐趣与挑战在于球员对球击出时的预估与控制。由于球击出后其轨迹与距离均可根据动力学原理计算之，故如果能设计一套设备在球击出时能测量其最初的速度及其方位角，则球的运动轨迹与落点均可预测，在本发明之前，有一些别的设计也曾探索朝此方向努力，但其功能均有限制与缺陷，有的发明只能测量球杆的速度而不是球本身的运动，有的能探测球的速度但不能确定其角度与方向，因为它们不能提供一个即简易而又具有对称性及完整性的测量方式。因为高尔夫球的球速极高(超过150公里/时)及其动量极大，故不宜以机械碰撞方式来测量，而较适于利用光学传感(OPTICAL SENSING)，尤其是以光束阵列形成光网的结构以测量高尔夫球的轨迹。但目前的一些光学测量设计均以发散的(DIVERGENT)与非相干(NON-COHERENT)的发光二极管(LED，LIGHT EMITTING DIODE)为光源，在长距离测量上因其发散性与低功率将无可避免的遭遇许多困难，加上发光二极管不象相干(COHERENT)聚焦(FOCUSED)的激光光源，在长距离阵列的应用上各个发光二极管(LED)点光源的投影将重叠因而造成信号探测(SIGNAL DETECTION)的混淆，要改进此一缺陷，必须将各个发光二极管点光源分别聚焦或将每个光源作个别信号的调制(MODULATION)。再者当意图利用多光源组成阵列(ARRAYS)时，必须使用大量的发光二极管，凡此种种均将增加产品的制造成本。

本发明的目的在于利用＂相干的聚焦激光光源＂产生多重光束以克服上述的困难。利用激光产生的多元光束阵列形成单一对称性与完整性的光网(OPTICAL NET)，可以制造出一套精确的高尔夫球训练与游戏设备，此设备可以准确地预测高尔夫球击出后的运动轨迹。

本发明的技术方案在于提供一种关于高尔夫球训练运动与游戏的设备(DEVICE)。其原理在于利用＂单一平面两维空间，对称性与完整性的光网＂来探测高尔夫球击出后的运动，并在显示器(DISPLAY)上预测其轨迹。本发明特征之一在于测量高尔夫球最初击出时(INITIAL IMPACT)的速度与方位角从而预测球的落点与轨迹，本发明的另一特征为利用方形(SQUARE)或U形框架(FRAMES)来构成测量球速与角度的光网，其中一水平及一垂直的框架用以产生激光信号，而对应的另一水平及垂直的框架则用以探测激光信号，如此组合即可形成单一平面，两维空间的对称性光网。为了节省成本与提高经济效益，可使用单一激光光源，然后加以分光，使产生多道次光源以组成激光阵列(或光网)。最有效的方式为利用一系列的薄玻璃片或石英片(QUARTZ SLIDE)放置在固定的距离(小于高尔夫球的直径)与角度上、籍助于玻璃片或石英片的部分反射(PARTIAL REFLECTION)来产生次光源。籍此方式而产生的激光阵列除对高尔夫球空间运动的测量有用以外，还可以应用于触摸式显示屏(TOUCH SCREEN DISPLAY)等领域。在激光的探测上，是由一系列的探测器(DETECTOR)安置在光源对面的固定对应框架上来完成。此光网的距离依各项外在的情形与需要而定，一般而言均在0.6米至2.4米的范围，而不会影响探测激光信号的准确度。光网的尺寸优选为1.2米至2.4米见方。

在球通过光网的远侧，可装置一面挡球的线网或绳网以阻止球的继续前进。当光网取得球的运动数据后，交由一部数据处理机来计算与预测，并将其结果显现在一投射或显示器上，为了提高使用者的兴趣与感受，可进一步的将整座高尔夫球场的场景一起投影出来配合球的运动轨迹，以达到模拟与逼真的情景。由于本发明的两维空间对称性与精确性，对球击出后的运动，球速，水平与垂直的角度均可轻易地计算出来。为了简化与缩小光网的尺寸以求取较高的空间利益，本发明可以除去方形框架(FRAME)的上端而形成＂U＂或＂II＂状，以减少高尔夫球球杆挥动时所需的空间，籍此整个光网的结构可以缩至最小，在此种安排下，原以X-Y座标为准的激光束将旋转45度，而所有的元件如激光次光源产生器玻璃片(GLASS SLIDE)及探测器(DETECTOR)均座落于两根垂直的框架及(或)底座上。

本发明的优选实施方式将参照下列附图进行详细说明：

图1表示本发明的侧视图；

图2说明本发明如何架构两维空间对称性光网的示意图；

图3说明本发明如何安排与装置激光及探测器在光网的框架上的示意图；

图4说明如何利用不同反射率的光学镀膜在玻璃(或石英)片上以获得不同激光的反射强度(INTENSITY)的示意图；

图5说明激光多层反射发散度(DIVERGENCE)与玻璃片厚度的关系示意图；

图6说明光网在X与Y轴上的两维空间对称性的示意图；

图7说明如何决定与计算球运动飞行的角度与速度的原理示意图；

图8说明如何计算球运动飞行的距离与垂直角度的原理示意图；

图9说明如何计算球运动飞行的平行角度及其与目标线的差距的示意图；

图10表示＂U＂形高尔夫球训练装置的侧视图；

图11说明＂U＂形光网能够去掉顶部的框架以避开挥动过程中高尔夫球杆的撞击的示意图；

图12说明激光的反射方向可通过改变玻璃(或石英)片的角度来控制的示意图；

图13说明如何组合一个两维空间的光网而不需要顶部的框架，在测量空间上的任何一点均由一组特殊唯一的(UNIQUE)的两维空间座标(Xi，Yj)来代表，其座标轴相交的角度亦不限于垂直座标的90度；

图14A说明优选的光网架构而不需要顶部的框架，光探测器置于底座框架上；

图14B表示优选的光网架构而不需要顶部的框架，光探测器不置于底座框架上；及

图15说明由于使用＂U＂形光网，其框架间距可以缩小到使用发散性的点光源(DIVERGING POINT SOURCES)如发光二极管(LED)，而不一定必须使用同相位的激光光源。

图1表示本发明的侧视图，一像草地的击球地毯1摆在方形光网框架9之前，而此光网乃由两组平行与垂直的框架(FRAME)组成。装在地毯1上的传感器2(SENSOR)，其目的在于探测球被球杆击中瞬间的信号。3是高尔夫球击球的球座(TEE)、而4是高尔夫球本身。击球的中央目标线5作为球击出后的参考轴线(REFERENCE AXIS)。一方形光网9摆在击球地毯传感器2(SENSOR)的前方。发射出光信号的垂直框架10v与水平框架10h，在其上装置了光源12与产生等距离次光源的发射单元13a至13n。该次光源间的距离i应小于高尔夫球的直径如图2与图3所示的情形。

11v及11h是与射出光源相对的光信号探测(DETECT)的垂直与水平框架，在其中空的部分装置了一系列接收光信号的探测器14，这些探测器14a至14n装在与产生次光源发射单元13a至13n相对应的位置上，以形成一两维空间对称性的光网。在此光网的探测范围内，其光束密度均匀一致(UNIFORM)，故当计算球运动时的准确度将不因球的位置而有任何改变。

15a至15n及16a至16n代表框架上次光源信号发射单元与光信号接收单元的开口。在光网9的后方设有高尔夫球拦截网17。数据处理与显示装置20用以告之测量与预估球的运动情形，以及连接此显示装置与光网及击球地毯传感器间的信号电缆18及19(CABLES)。一影像投影装置21用以将高尔夫球场场景投射在球的拦截网或单独的荧幕上。

图2、3和5说明光信号的产生，分光与探测的方式。设置了激光聚焦光源12和激光分光器12a(OPTICAL SPLITER)、其目的在于将单一激光光源分光成相等强度而垂直的二条光束，其中一光束沿着平行光产生框架10h前进，而另一光束则沿着垂直光产生框架10v前进。13Xa至13Xn是沿着平行框架安装的次光源产生玻璃片，13Ya至13Yn是沿着垂直框架安装的次光源产生玻璃片或棱镜。这些玻璃片或棱镜以可调节的方式安装在框架上，而其安装角度大致以相对于光进行的方向22呈45度角为优先。

图4描述如何利用玻璃片角度与光学镀膜来达到分光激光以形成多光束次光源。图5描述激光通过玻璃片时所造成的多重反射。由于玻璃片的间隔(I)保持一定而各玻璃片的角度亦维持相同，故由此产生次光源的多条激光束能以等强度而平行的方式发射出来。

14Xa至14Xn及14Ya至14Yn代表光信号的接收探测器，其等距离地安装在与光产生框架对应的平行与垂直框架上。这些探测器装在对应于次光源产生的玻璃片对面而形成一个两维空间对称性的光网。如图5所示，此一光网的光束密度由次光源产生的玻璃片及探测器数目与距离来决定，而每一光束之间的距离均小于高尔夫球的直径，由于光网在其探测空间中具有均匀的光束密度，故本发明提供非常精确的方式来探测高尔夫球的运动，不论高尔夫球击在光网的任何探测位置上。

如图4及图5所示，除了次光源产生玻璃片的角度可调整外，也可以利用另一方法来调制(MODULATE)每一玻璃片反射激光的强度。23及24代表着两片玻璃片的表面上镀有不同反射率的光学薄膜(抗反射膜层)(ANTI-REFLECTION COATING)。如23的玻璃片镀着2％的反射膜层，则当强度为Io的激光照射时，有2％的激光将被此玻璃片反射，而有98％的光将透射到达下一层玻璃片。当此98％I_o的激光到达第二片镀有2％反射率的玻璃片时，则将有2％×98％＝1.96％I_o的激光被反射而容许98.04％的光穿透。而24代表着镀有10％反射率的玻璃片，在此种情形下，第一片玻璃片将反射10％I_o的激光，而第二片玻璃片将反射10％×90％＝9％I_o的激光。如此，利用不同反射率玻璃片的排列组合，可以建立一个完整的光网而使每一根次光源的激光束都有近乎相同的强度(INTENSITY)。

为了使激光维持聚焦而减少其发散度(DIVERGENCE)，薄的玻璃片是优于厚的。如图5所示，当激光照射玻璃片时将产生一主反射(PRIMARYREFLECTION)光I₁及次反射(SECONDARY REFLECTION)光I₂。薄的玻璃片25将产生较小的主反射与次反射的间距(h)，以减低光强度的发散，故可容许较强的光信号被探测器所接收。相比之下，较厚的玻璃片26将产生较大的主反射与次反射间距(K)，因而增加了激光的发散度，使激光的可探测单位面积强度降低。另外，还有可以增强光信号强度而减少噪声(NOISE)干扰的方式，如利用特殊滤光器(FILTER)将非光信号的光源过滤掉，或是利用调制(MODULATION)的脉冲激光来增加光信号的探测强度。

图7、8和9说明利用这一两维空间对称光网(图6)对球速、角度与落点预测的计算原理。如图7所示，5代表球击出后的中央目标线，而28代表球击出后的轨迹(TRAJECTORY)。当球被高尔夫球杆击出时，传感器2将记录球被击出的时间t＝0。而当球飞过距传感器2为L＂距离的光网时，高尔夫球将截断至少一道X轴与一道Y轴的光束，因而确定了球通过光网时的空间座标，而此时的时间定为t＝T秒，这样不仅可以知道高尔夫球通过光网的空间座标(X，Y)以及球通过光网的飞行时间T。而且，基于这些数据，球的运动轨迹，起飞速度V_o，垂直起飞角度θ，及水平方位角度ψ(以中央目标线5为参考轴)均可计算与预测。

图7中L’是t＝T时球运动轨迹的水平投影距离，而H是t＝T时球运动轨迹的垂直投影距离，L是传感器2与光网间沿着中央目标线的距离，W是球通过光网时距中央目标线的偏差距离，基于如上的符号定义，可以用如下的数学公式计算出球的初速V_o，垂直角度θ，和水平角度ψ。而球的初速V_o可以表示为和

如图8所示，球的飞行运动轨迹B是由球在X轴和Y轴上的速度分量(COMPONENT)来决定的，其速度分量可以V_x及V_y表示，而V_x＝V_oCosθ和V_y＝V_oSinθ，故在任何球的运动时间t时，其空间之X及Y的位置可以由下列的公式计算之：

X_t＝(V_oCosθ)t                            (5)

Y_t＝(V_oSinθ)t-1/2gt²，(g＝9.80米/秒²)    (6)

假设在t＝T_L时，高尔夫球将落在地上(Y_t＝0)，则

(V_oSinθ)T_L-1/2gT_L²＝0                  (7)

由此方程式可以计算出球的飞行时间T_L $>>>T>L>>=>>>2>>V>o>>Sin\theta >>g>>->->->>(>8>)>>>s>由公式(5)及(8)，球的飞行距离XL可以由下公式表示$ >>>X>L>>=>>>2sup>>V>o>2sup>>Sin\theta Cos\theta >>g>>->->->>(>9>)>>>s>$$

由图9所示，球落点与中央目标线5及目标旗杆29的距离差d可以计算得之。让D_L代表沿中央目标线5由开球球座3(TEE)到目标旗杆29的距离，d_y是由球的落点(t＝T_L)到中央目标线M点的最短距离，d_x是M点与目标旗杆间的距离，而γ是d及d_x间的夹角，这样，球落点与目标旗杆间的差距d在X及Y轴上的分量可以由下面公式得到。

d_x＝D_L-X_L Cosψ             (10)

d_y＝X_L Sinψ                  (11)

由公式(10)及(11)，夹角γ可以由下式得到。

由于X_LSinψ及D_L-X_LCosψ中之各项数值均为已知或测量值，故夹角γ可由(12)式决定，而球落点与目标旗杆间之差距d，可以由下式计算。

以上的简易计算并未考虑到在实际情形下由于空气阻力，球的旋转及风速之影响。但由于这些外在因素在空气动力学(AERODYNAMICS)中已有详细研究并早有定论，故未来这些因素可以带入上述之计算以增进预测球轨迹的精确度。

图10、11、12、13、14和15是描述如何组合一个单一平面两维空间并具高度对称性的光网而不需顶端的框架。如图10所示一个类似于图1，但无顶框的光网可以应用于相同之高尔夫球训练用途，此无顶框之光网可以是＂U＂或＂II＂的形状。此无顶框之光网相对于有顶框之光网具有多项优点。如图11所示，方形光网框架9的顶端框架是造成缩小光网结构的最大障碍，其原因在于顶端框架阻挡由手臂30所持的高尔夫球球杆27挥杆的动作31，故此，有顶之光网也须放在距离开球球座3长度为L的地方以避免挥动中的球杆撞击光网的顶端。这样，光网的尺寸与框架之间的间隔必须加大而增加制造的困难，并排除使用非聚焦或非相干的发散性光源。如果能将顶端框架拿掉如图11所示，则光网与击球点的距离将大幅度地缩小，因而使光网的尺寸缩至最小，而甚至可使用非聚焦的发散性光源而不影响探测球运动的准确度。

为了达到除去顶端框架而仍保持单一平面两维空间对称之光网，则光束的安排必须作一旋转如图13所示。此一旋转可以同时转动光网的X及Y轴(如图13之上部所示)，或利用发散性的点光源配合光轴的转动。图14及15描述一些可能的无顶框架光网的结构。在图13中，每一个空间探测点由一组空间座标(Xi，Yj)来表示。在图1及图6中X及Y座标的角度是垂直90度，但此＂U＂或＂II＂形光网的结构中，其光轴的相交角度将不再限于90度。此角度之安排可通过调整次光源发生器(如玻璃片)的反射角度来达到。如图12所示，如果次光源产生玻璃片是在激光I_o的45度反射角上，则X及Y轴光束将相交于垂直的90度。但如果玻璃片的反射角度是30度，则X及Y轴光束将相交于非垂直的角度。如此则光网的光束结构可利用调整次光源的射出或反射角度来加以变化。

图14A描述一些可能的＂U＂形或近于＂U＂形均匀对称的光网结构。图14B是一由两根直立的框架与一根底部框架形成的＂U＂形结构，其直立的框架以近乎垂直的角度固定在底部的框架上。每个直立的框架提供光信号的发生或射出器X₁，X₂，…X_n，与Y₁，Y₂，…Y_n，及光信号的探测器X_a，X_b…X_x，与Y_a，Y_b…Y_x。如图13的下半部所示在垂直框架上，光信号发生或射出器X₁，X₂，…X_n是以可调节的方式安装在框架上，而光信号探测器X_a，X_b…X_x则被安装在对应之邻近位置上，其间隔距离均小于高尔夫球的直径。此种光信号射出与接收的安排得以在两直立框架之间形成单一平面两维空间对称性的光网结构。

如果我们使用一发散性的光源来构成一大面积两维空间的光网，则如图15所示的其空间座标的解析度(RESOLUTION)及探测空间均将受到影响。不过若因除去顶部框架而使光网尺寸缩小，则此影响将得以降至最小。如果光网的大小可以降至0.6米左右，则利用一系列聚焦(但不同相位)的发光二极管(LEDs)，或甚至非聚焦且非相干的白光(WHITE LIGHT)光源也可组成一两维空间光网而保持其对球运动的探测精确度。如此，可增加此产品未来的成本效益。