专利名称：用于碰撞位置和幅度传感器的系统和方法
技术领域：
本发明涉及碰撞感测。更具体地，本发明涉及生成关于碰撞力的位置和幅度的信肩、O
背景技术：
感测碰撞的能力在大量设备中非常重要。例如，碰撞感测可用于机动车中气囊的部署。计算机键盘感测对按键的碰撞，以向计算机输入文本信息。同样，大部分控制器机构 (包括电视装备控制器、音乐键盘或游戏控制器)需要一定等级的碰撞感测。目前，设备中的碰撞感测的使用典型地受到经济和计算逻辑约束的限制。典型的碰撞感测机构包括传感器阵列，例如键盘的各个按键。接收碰撞力的传感器输出信号。因此，传感器的位置指示碰撞的位置。因此，对于较大碰撞表面，可能需要很大的传感器阵列以精确感测碰撞的位置。对于许多应用来说，这样的阵列可能成本过高。还已知确定碰撞点的其他方法。这样的方法可包括抛射跟踪。跟踪可以是视觉、 热跟踪，或可包括无线电信号跟踪。对于许多应用来说，跟踪虽然有效，但通常是不经济的或不可行的。同样，经由跟踪方法可能难以确定碰撞力的幅度。由于在感测碰撞位置中的这些限制，从期望碰撞感测的许多表面省略了碰撞感测系统。实例包括游戏表面和期望控制或反馈的表面。特定实例可包括彩蛋防弹衣、乒乓球表面、壁球或短网拍墙球球场壁、和拳击假人。因此，需要改进的碰撞位置和幅度感测系统和方法。这样的系统可提供用于虚拟地任意先前存在的对象的经济的碰撞数据。这样的系统可实现在先前不可行的大量装置和应用中的碰撞测量。
发明内容
为了实现以上内容并根据本发明，提供碰撞位置和幅度传感器。这样的碰撞位置和幅度传感器可与游戏、教育结合使用，作为虚拟的任意表面的控制和反馈机构。碰撞感测系统的一个实施例可被设计用于感测对象上的碰撞。碰撞感测系统可包括至少一个传感器和信号处理器。传感器(多个)可耦合至对象。传感器(多个)接收来自对于对象的碰撞的碰撞波。传感器(多个)可响应于感测的碰撞波产生碰撞信号。信号处理器可耦合至传感器(多个)。信号处理器可包括前置放大器、碰撞三角测量器、和输出器。前置放大器可放大接收的碰撞信号。碰撞三角测量器可从碰撞信号识别碰撞的位置。输出器可随后输出关于碰撞位置的数据。在一些实施例中，所述信号处理器还包括信号幅度校正器，其通过参照碰撞信号和碰撞位置来识别碰撞的力。碰撞传感器(多个)可以是麦克风、加速计、或组合。麦克风可感测音频波。当传感器是麦克风时，碰撞三角测量器使用对象的波传播模型来识别碰撞的位置。使用来自所述传感器的碰撞信号的延迟来识别碰撞的位置。所述信号处理器还包括带通滤波器，用于从碰撞信号排除麦克风的共振频率。当传感器是加速计时，可感测对象的加速度。信号处理器可包括信号偏移检测器， 用于测量从对象的自然频率的相移。所述相移源自碰撞。所述碰撞三角测量器使用测量的相移来识别碰撞的位置。在一些实施例中，所述碰撞感测系统集成到足球响应系统中。这样的足球响应系统可包括至少一个感测板。这些板可形成玩家可在其中踢足球的环。感测板包括传感器 (多个)，用于接收来自球在所述板上的碰撞的碰撞波。注意，本发明的各个特征可单独或组合地实践。以下，将在本发明的具体实施方式
并结合附图详细描述本发明的这些和其他特征。
在附图中通过示例而非限制的方式示出本发明，其中类似标号表示类似元素，其中图1示出根据本发明实施例的碰撞位置和幅度感测系统的框图的实施例；图2A示出根据本发明实施例的碰撞位置和幅度感测系统的信号处理器的框图的实施例；图2B示出根据本发明实施例的碰撞位置和幅度感测系统的信号处理器的框图的另一实施例；图2C示出根据本发明实施例的碰撞位置和幅度感测系统的信号处理器的框图的又一实施例；图3示出根据本发明实施例的用于感测碰撞位置和幅度的示例性流程图；图4示出根据本发明实施例的用于校正对于被感测的对象的波传播特征的示例性流程图；图5A示出根据本发明实施例的利用碰撞位置和幅度感测系统的棒球响应系统的示例性示图；图5B示出根据本发明实施例的利用碰撞位置和幅度感测系统的拳击响应系统的示例性示图；图6A示出根据本发明实施例的利用碰撞位置和幅度感测系统的足球响应系统的示例性示图；图6B示出根据本发明实施例的利用碰撞位置和幅度感测系统的足球响应系统的另一示例性示图；图6C示出根据本发明实施例的利用碰撞位置和幅度感测系统的足球响应系统的板的示例性示图；图7示出根据本发明实施例的感测足球响应系统的操作的示例性流程图；图8示出根据本发明实施例的用于感测足球响应系统的初始化的示例性流程图；图9示出根据本发明实施例的用于提供感测足球响应系统的用户指令的示例性流程图；图10示出根据本发明实施例的用于通过感测足球响应系统处理碰撞数据的示例性流程图；以及
图11示出根据本发明实施例的用于更新感测足球响应系统的表现分数的示例性流程图。
具体实施例方式现在参照附图中示出的几个优选实施例详细描述本发明。在以下描述中，阐述了几个特定细节，以提供本发明的全面理解。然而，对于本领域技术人员明显地，本发明可在不需要这些特定细节中的一些或全部的情况下实践。在其他实例中，没有详细描述已知的处理步骤和/或结构，从而不会不必要地掩盖本发明。本发明的特点和优点可参照随后的附图和讨论更好地理解。为了便于讨论，图1示出碰撞位置和幅度感测系统100的框图的实施例。对象102 可见耦合至一个或多个传感器10 至传感器l(Mm。对象102可以是任意对象，包括预先存在的对象。因此，在一些实施例中，传感器10 至l(Mm可耦合至旧对象。在一些实施例中，优选地，对象102可以是已知尺度和组成的对象，因为通过对象 102的波传播被用来确定碰撞发起位置和碰撞力的幅度。例如，针对碰撞发起的检测，常规形状的木头、金属或其他稳固材料可能是理想的。当然，本发明涵盖了不稳固的组成或形状的对象102。可存在耦合至对象102的任意数目的传感器10 至l(Mm。单独传感器10 可提供关于是否发生碰撞的信息，然而可能缺乏位置或幅度信息。在一些实施例中，两个传感器10 和104b可耦合至对象102。两个传感器10 和104b可提供关于线上的碰撞位置和幅度的足够信息。因此，如果对象102较窄，或倾向于沿着线被撞击，则两个传感器10 和104b可完全足够用于感测碰撞位置和/或幅度。为了碰撞位置的更高精度，可利用3个传感器10 至10細。可使用传播至3个传感器10 至10 !的每个的波来三角测量碰撞的位置。在一些实施例中，可使用多于3个传感器10 至l(Mm以充分地确认碰撞位置。在通常条件下，不是必须具有多于3个传感器10 至l(Mm ；然而，对于高度不规则形状的对象102，希望具有多于3个传感器10 至 10細。同样，当对象102具有不均勻组成时，或在精度极为重要时，多于3个传感器10 至 l(Mm可能是有利的。在一些实施例中，传感器10 至l(Mm可能是压电传感器，用于感测传播通过对象102的声波。这些波沿着对象102的主轴在纵向通过对象102行进。因此，例如，在条状 (bar)材料中，这些纵波可沿着条的长度传播。尽管压电传感器公开为用于收集声波信号， 但是本发明还可考虑额外传感器类型，包括膜和磁类型的麦克风和变换器。在一些备选实施例中，传感器10 至l(Mm可以是加速计，用于测量对象102中的振动改变。这些振动是在对象102中自然发生的横向波。对象上的碰撞引起自然横向振动的移动，该移动可被测量并用于生成位置数据。使用上述条的实例，横向波是垂直于其长度的条的自然振动。同样，传感器10 至l(Mm可包括压电传感器和加速计的一些组合。传感器10 至l(Mm可粘附至对象102的表面。粘附可利用粘着剂、焊接、或集成外壳。在一些备选实施例中，传感器10 至KMm可嵌入至对象102的主体中。由传感器10 至l(Mm感测的碰撞波可转换成电信号，并发送至信号处理器106。信号处理器106可执行确定碰撞位置所必要的所有操作，并且在一些实施例中，可额外地感测碰撞力的幅度。信号处理器106可生成用于下游系统的数据，其可输出至在108处的那些下游系统/应用。应注意，信号处理器106可包括专用硬件，或可包括在计算机或游戏控制台系统上的仿真软件。图2A示出碰撞位置和幅度感测系统100的信号处理器106的框图的实施例。来自传感器10 至KMm的信号可通过一个或多个输入20 至20 !接收。在一些实施例中， 输入20 至20 !可逐一对应于传感器10 至l(Mm。所示的信号处理器106可特别地与作为传感器10 至l(Mm的压电变换器或麦克风一起使用。来自输入20 至20 !的信号可随后发送至带通滤波器204。典型的压电传感器具有自然共振。在一些实施例中，这个自然共振可干扰输入信号。典型地，压电以相对高的频率，通常在20，000至30，OOOHz或更高频率共振。带通滤波器204可以是低通滤波器，设计为滤出压电共振频率的频率范围内的任意信号。过滤的信号可随后发送至前置放大器 206用于放大。在一些实施例中，额外信号调节可通过带通滤波器204和前置放大器206来执行。调节的信号可随后发送至碰撞三角测量器210，用于碰撞位置的三角测量。当使用一个传感器10 时，位置可能难以确定。尽管在本申请中考虑到信号中的相位改变、回声效应和混响可以被模型化以通过单个传感器生成位置数据，但是典型地，多个传感器更加适应于生成碰撞位置数据。通过知晓对象102中的波传播的速度，并且通过比较信号登记于每个传感器10 至10 !上的时间，可通过碰撞三角测量器210确定碰撞的位置。利用两个传感器，依据对象102的形状和组成，可将碰撞位置确定为有选择的几个位置。对于在几个已知位置撞击的对象102，两个传感器足以精确地识别碰撞点。在一些备选实施例中，可使用3个或更多个传感器10 至10細来执行碰撞点的真实三角测量。在确定位置之后，信号幅度校正器212可确定碰撞信号的幅度。这个幅度值可随后与碰撞的力相关联。可通过将传感器10 至l(Mm接收的信号与校正因子相乘，由信号幅度校正器212确定幅度。这个校正因子可取决于对象102属性，例如其衰减特征，以及取决于碰撞三角测量器210生成的碰撞位置数据。来自碰撞三角测量器210和信号幅度校正器212的信息可发送至数据输出器214， 用于输出。数据输出器214可将数据转换成下游系统可理解的格式。这个输出可在108中看到。图2B示出碰撞位置和幅度感测系统100的信号处理器106的框图的另一实施例。 类似于图2A的实施例，本示图具有来自传感器10 至l(Mm的信号，其通过一个或多个输入20 至20 !接收。在一些实施例中，输入20 至20 !可逐一对应于传感器10 至 l(Mm。这个示出的信号处理器106特别地可用于作为传感器10 至l(Mm的加速计。来自输入20 至20 !的信号可随后发送至前置放大器206。不同于需要过滤特定波长的压电，加速计传感器10 至KMm信号仅发送至前置放大器206，用于放大。在一些实施例中，额外信号调节可通过前置放大器206来执行。放大的信号可随后发送至信号相移检测器208，以分析每个信号的相移。每个对象102具有自然共振的振动，已知为横向波。传感器10 至l(Mm能够登记这个振动。当发生碰撞时，对象102的自然振动被破坏；从而导致对象102振动的相移。
7这些振动相移可用于确定碰撞时机和位置。关于由每个传感器10 至l(Mm感测的碰撞时机和碰撞的位置的数据可随后发送至碰撞三角测量器210，用于碰撞位置的三角测量。同样，当使用一个传感器10 时，位置可能难以确定。典型地，多个传感器更加适应于生成碰撞位置数据。通过两个传感器，依据对象102的形状和组成，可将碰撞位置确定为有选择的几个位置。对于在几个已知位置撞击的对象102，两个传感器足以精确地识别碰撞点。在一些备选实施例中，可使用3个或更多个传感器10 至l(Mm来执行碰撞点的真实三角测量。在确定位置之后，信号幅度校正器212可确定碰撞信号的幅度。这个幅度值可随后与碰撞的力相关联。在一些实施例中，可通过信号幅度校正器212查看共振频率的相移的度来确定幅度。来自碰撞三角测量器210和信号幅度校正器212的信息可发送至数据输出器214， 用于输出。数据输出器214可将数据转换成下游系统可理解的格式。这个输出可在108中看到。图2C示出碰撞位置和幅度感测系统100的信号处理器106的框图的另一实施例。 这个本实施例可特别地用于当压电麦克风和加速计用作传感器10 至KMm时。本示图具有来自传感器10 至l(Mm的信号，其通过一个或多个输入20 至20 !接收。在一些实施例中，输入20 至20 !可逐一对应于传感器10 至l(Mm。来自输入20 至20 !的信号可随后发送至带通滤波器204，用于从压电传感器 104a至l(Mm过滤输入。来自加速计传感器10 至l(Mm的信号可省略这个步骤。所有信号可随后发送至前置放大器206，用于放大。在一些实施例中，额外信号调节可通过前置放大器206和/或带通滤波器204来执行。放大的信号可随后发送至信号相移检测器208，以分析源自加速计传感器10 至l(Mm的每个信号的相移。每个对象102具有自然共振的振动。加速计传感器10 至l(Mm能够登记这个振动。当发生碰撞时，对象102的自然振动被破坏；从而导致对象102振动的相移。这些振动相移可用于以上述方式确定碰撞时机和位置。关于由每个加速计传感器10 至KMm感测的碰撞时机和碰撞的位置的数据可随后发送至碰撞三角测量器210，用于碰撞位置的三角测量。类似地，通过知晓对象102中的波传播的速度，并通过比较信号登记于每个压电传感器10 至l(Mm上的时间，同样可由碰撞三角测量器210确定碰撞的位置。来自加速计和压电传感器10 至l(Mm的结果可被交叉引用，以确保碰撞的位置的适当识别。同样，当使用一个传感器10 时，位置可能难以确定。典型地，多个传感器更加适应于生成碰撞位置数据。通过两个传感器，依据对象102的形状和组成，可将碰撞位置确定为有选择的几个位置。对于在几个已知位置撞击的对象102，两个传感器足以精确地识别碰撞点。在一些备选实施例中，可使用3个或更多个传感器10 至l(Mm来执行碰撞点的真
实三角测量。在确定位置之后，信号幅度校正器212可确定碰撞信号的幅度。这个幅度值可随后与碰撞的力相关联。在一些实施例中，可通过信号幅度校正器212查看共振频率的相移的度来确定幅度。同样，可通过将压电传感器10 至l(Mm接收的信号与校正因子相乘，由信号幅度校正器212确定幅度。这个校正因子可取决于对象102属性，例如其衰减特征，以及取决于碰撞三角测量器210生成的碰撞位置数据。来自碰撞三角测量器210和信号幅度校正器212的信息可发送至数据输出器214， 用于输出。数据输出器214可将数据转换成下游系统可理解的格式。这个输出可在108中看到。图3示出用于感测碰撞位置和幅度的示例性流程图，一般地如300所示。该处理开始，并随后进行至步骤302，其中校正对象102的波特征。在一些实施例中，当使用已知对象102时，这可包括预设的选择。当对象102预先存在，并且不知道波模型时，可需要经验测试或校正。一旦知道了对象102的波特征，系统能够在传感器10 至l(Mm处接收碰撞数据。 这个数据可包括含有共振振动的相移的加速计数据，或者可包括通过对象102传播的声波。然后处理进行至步骤306，其中发出一个询问，该询问是关于传感器10 至l(Mm 是否测量加速度，如同加速计是传感器10 至10 !的情况。如果测量加速度，则处理随后进行至步骤308，其中放大信号。然后，在步骤312，执行从对象102的共振频率的相移。然后，在步骤316，可发生碰撞点的三角测量。如先前所述，当发生碰撞时，对象102的自然振动被破坏；从而导致对象102振动的相移。这些振动相移可用于确定碰撞时机和位置。关于由每个加速计传感器10 至l(Mm感测的碰撞时机和碰撞的位置的这个数据可随后发送至碰撞三角测量器210，用于碰撞位置的三角测量。如果在步骤306没有测量加速度，则处理进行至步骤310，其中过滤来自压电传感器10 至10 !的信号。这个过滤可排除源自压电传感器10 至10 !的自然共振波的感知信号的部分。同样，这些原生波倾向于相对高的频率，通常大约20，000至30，000Hz。可使用低通滤波器来过滤信号。在一些实施例中，可使用低通和高通滤波器来选择性地仅过滤由压电传感器生成的特定信号，从而保证在更大范围的信号频率上的感测能力。然后，在步骤314，可放大过滤的信号。然后，处理进行至步骤316，其中可三角测量对象102上的碰撞点的位置。注意，通过知晓对象102中波传播的速度，和通过比较信号登记于每个压电传感器10 至l(Mm上的时间，可通过碰撞三角测量器210确定碰撞的位置。然后，在步骤318，可校正信号幅度。这个幅度值可随后与碰撞的力相关联。在一些实施例中，可通过信号幅度校正器212查看共振频率的相移的度来确定幅度。同样，可通过将压电传感器10 至l(Mm接收的信号与校正因子相乘，由信号幅度校正器212确定幅度。这个校正因子可取决于对象102属性，例如其衰减特征，以及取决于碰撞三角测量器 210生成的碰撞位置数据。该处理随后进行至步骤320，其中作为碰撞力的测量的位置坐标和幅度数据可输出至下游系统。该处理随后结束。图4示出用于校正对于被感测的对象的波传播特征的示例性流程图，一般地如 302所示。该处理开始，并进行至步骤402，其中映射对象102的几何结构。对象102的几何结构包括对象102的形状和尺度。同样，在步骤404，映射对象102的组成。已知地，声波以不同的速率通过不同的介质行进。因此，对象102的非同构组成对于波传播和自然共振频率具有较大影响。
然后，在步骤406，可生成波传播模型。在一些实施例中，传感器10 至l(Mm可耦合至对象102，并且对象102在多个特定位置撞击，以生成波传播模型。在其他实施例中，可参照对象102的形状、尺寸和组成生成预设模型。在一些备选实施例中，可在控制实验室中彻底研究对象102，以生成精确的波特征。波传播模型的精度的级别可取决于其生成的方法，并且根据指定用途而改变。因此，对于期望碰撞感测的精确规格的量产的项目，可期望高度精确的模型。对于唯一、先前存在的项目的无准备的碰撞感测，高精度模型的成本高于潜在利益，因此可使用低精度近似。波传播模型可包括关于以下内容的信息通过对象102的声波的速度。在声波通过对象102时，声波的幅度的减小。对象102的自然共振频率，以及碰撞如何改变这个自然共振频率的相位。该处理随后进行至图3的步骤304，以此结束。接下来的图5A至11及其描述是关于用于实际系统的碰撞位置和幅度感测系统 100的特定实例。图5A示出利用碰撞位置和幅度感测系统100的棒球响应系统570的示例性示图。 在这个实例中，用户502可站在击球平台572上。用户可随后在棒球576处挥动球棍574， 并且向碰撞板578击出棒球。棒球576可被投向用户502，或者可在固定支架上。传感器 10 至l(Mm可感测板578中的碰撞的位置，并将位置和幅度信息发送至计算机508用于处理。随后可为了训练或娱乐的目的而计算击球的距离的位置。这样的系统可容易地集成到先前存在的击球场中，用于提高用户反馈。图5B示出利用碰撞位置和幅度感测系统100的拳击响应系统580的示例性示图。 用户(未示出)可击打拳击假人582。传感器10 至l(Mm可感测碰撞位置和碰撞的力， 并将数据输出至计算机508用于处理。由于拳击假人582的复杂形状，可利用更多传感器 104a至l(Mm来确保精确的击打数据。图6A示出利用碰撞位置和幅度感测系统100的足球响应系统500的示例性示图。 尽管本示图详解了用户502踢足球(或欧式足球)，可设想到，这个系统可适用于任何体育。在这个示图中，用户502与足球504 —起位于一个由一个或多个板506a至50 构成的运动环内。尽管在这个和以下示图中示出8个板506a至50他，但是本发明可设想到更多或更少个板506a至506h。实际上，在一些实施例中，环可以模块化，使得能够增加或移除板506a至50^1，以期望改变布局和/或练习的难度。板506a至506h可耦合至计算机508，其可包括信号处理器106。计算机508可向用户502提供命令，关于要将足球504踢到板506a至50 中哪个板。在一些实施例中，命令可额外地包括距离命令。用户502可随后服从命令并以适当的力将足球504踢到适当板 506a至506h中。板506a至506h均可包括传感器10 至l(Mm，其可随后将碰撞数据中继至计算机508用于处理。计算机508可从用户表现的速度、位置和力精度来生成分数。这个实例可容易地适用于消费者使用的游戏。在这样的实施例中，计算机508可包括例如XBOX 360 的游戏控制台。同样，这个示例性系统可容易地适用于用作训练或治疗系统。图6B示出利用碰撞位置和幅度感测系统100的足球响应系统500的另一示例性示图。为了更加清楚，这个示图提供了足球响应系统500的透视图。在一些实施例中，将板 506a至50 在这里通过数字来标记。这个标记可随后在计算机508给出命令时使用。此外，在一些实施例中，板506a至50 可包括视觉目标(未示出)，以进一步缩窄踢出的足球 504应该击中每个板506a至50 的位置。图6C示出足球响应系统500的板506a的示例性示图。对于这个给定示例性板 506a，可存在两个传感器10 和104b。当然，如果期望，可在板506a中包括更多或更少的传感器10 至l(Mm。然而，由于踢出的足球将一般地在给定高度处击中板506a，对于这个应用，两个传感器10 和104b可能足够。在一些实施例中，板506a可能是同构、规则尺寸的表面，例如夹板、模压塑料或类似材料。这使得板506a的波特征与所有其他板506a至50 相同。同样，标签606可见于示例性板506a上。如先前所述，一个或多个目标(未示出) 还可装饰板506a，以进一步向用户502指示足球504瞄准哪里。在板506a的任一端可具有板耦合器602和604。本领域技术人员已知地，示出的是多个耦合器类型之一。此外，板506a至50 可经由螺丝、焊接、粘接、弹簧锁或其他适当方法彼此直接结合在一起。此外，可以看到电耦合器608。电耦合器608可耦合至下一板50乩，以此类推。在一些实施例中，任意数目个板506a至50 可被耦合，其每个通过电耦合器608彼此连接。 来自传感器10 至l(Mm的信号数据可经由电耦合器608最终发送至计算机508。图7示出足球响应系统500的操作的示例性流程图。该处理开始。该处理随后进行至步骤702，其中初始化该系统。下面将关于图8和以下相关文本详细讨论系统初始化。该处理随后进行至步骤704，其中系统向用户提供指令。这些指令可以是言语暗示，或可包括视觉暗示。例如，适当板506a上的光可照亮，以向用户502指示足球504瞄准哪里。指令可包括位置和力/距离命令两者。此外，在一些实施例中，指令可包括一系列命令。该处理随后进行至步骤706，其中接收足球504击中板506a至50 之一的碰撞的波。在步骤708，传感器10 至l(Mm将碰撞信号发送至计算机508，其包括信号处理器 106用于处理。处理碰撞数据可包括生成碰撞位置数据和力数据。在步骤710，更新对于用户502的表现的分数。这个分数可包括每轮分数和总分数。该处理随后进行至步骤712，其中发出关于该处理是否继续的询问。如果期望继续，则该处理随后进行至步骤704，其中向用户502提供新指令，从而开始另一轮。否则，如果在步骤712期望不继续，则该处理随后进行至步骤714，其中系统关闭。系统关闭可发生在特定数目的预先配置的回合的结尾，以响应于用户502的肯定行为，或响应于超时。该处理随后结束。图8示出用于足球响应系统500的初始化的示例性流程图，一般地如702所示。该处理开始。该处理随后进行至步骤802，其中开启系统。开启可响应于用户502按下开启开关，或可依据板506a至5(Μι的信号电平。因此，如果板506a至5(Μι的传感器10 至 104m感测到碰撞，可启动开启序列。该处理随后进行至步骤804，其中检测和配置板数目。在一些实施例中，在步骤 806，可类似地经由耦合的角度检测板取向。在这样的实施例中，环可在期望时设置成椭圆形或复杂图形。用户指令和得分也可反映不规则环形状。在一些实施例中，在步骤808，可额外地设置难度级别。难度级别可包括在每个板506a上将可接受的击中区域缩窄为特定目标，缩短用户502的可接受响应时间，或发出需要用户502切换方向和/或脚的命令序列。该处理随后进行至图7的步骤704，以此结束。图9示出用于提供足球响应系统500的用户指令的示例性流程图，一般地如704 所示。该处理从图7的步骤702开始。该处理随后进行至步骤902，其中计算机508生成用户502应该对哪个板506a踢足球504的命令。同样，在步骤904，提供对于踢的距离的命令。该处理随后通过进行至图7的步骤706结束。如先前讨论地，命令可包括视觉暗示，例如板亮起或图形用户界面。在一些实施例中，可使用三维眼镜或类似技术用于足球响应系统500。同样，可单独地提供声音暗示，或将其与视觉暗示组合地提供，以指示命令。此外，应注意，命令可包括单独动作命令，或可需要用户502参与一系列动作。因此，可执行“足球存储”类型的练习；其中命令的长度和复杂度随着每回合而增加，用户502 成功完成指令。最后，在一些实施例中，不提供命令。在这些实施例中，用户502可参与模拟游戏， 或可简单地以自由形式使用足球响应系统500。计算机508可随后记录碰撞数据，用于用户 502、教练或训练员稍后浏览。图10示出足球响应系统500处理碰撞数据的示例性流程图，一般地如708所示。 这个处理在许多方面非常类似于图3中概括的一般化碰撞感测处理。该处理从图7的步骤 706开始。该处理随后进行至步骤1006，其中发出一个询问，该询问是关于板传感器10 和 104b是否测量加速度，如同将加速计用于传感器10 和104b的情况。如果测量加速度， 则处理随后进行至步骤1008，其中放大信号。然后，在步骤1012，执行从碰撞的板506a的共振频率的相移。然后，在步骤1016，可发生碰撞点的三角测量。如先前所述，当发生碰撞时，板506a的自然振动被破坏；从而导致板506a振动的相移。这些振动相移可用于确定碰撞时机和位置。关于由每个加速计板传感器10 和104b感测的碰撞时机和碰撞的位置的这个数据可随后发送至计算机508，用于碰撞位置的三角测量。如果在步骤1006没有测量加速度，则处理进行至步骤1010，其中过滤来自压电传感器10 和104b的信号。这个过滤可排除源自压电板传感器10 和104b的自然共振波的感知信号的部分。同样，这些原生波倾向于相对高的频率，通常大约20，000至30，OOOHz0 可使用低通滤波器来过滤信号。在一些实施例中，可使用低通和高通滤波器来选择地仅过滤由压电传感器生成的特定信号，从而保证在更大范围的信号频率上的感测能力。然后，在步骤1014，可放大过滤的信号。然后，处理进行至步骤1016，其中可三角测量板506a上的碰撞点的位置。注意，通过知晓板506a中波传播的速度，和通过比较信号登记于每个压电板传感器10 和104b上的时间，可通过计算机508确定碰撞的位置。由于足球504倾向于在恒定高度击中板506a至50他，实践上仅使用两个板传感器10 和104b。因此，当使用术语“三角测量”时，这个术语扩展为包括，使用来自两个板传感器10 和104b的数据以及逻辑假设来确定精确碰撞位置。然后，在步骤1018，可校正信号幅度。这个幅度值可随后与碰撞的力相关联。在一些实施例中，可通过计算机508查看共振频率的相移的度来确定幅度。同样，可通过将压电板传感器10 和104b接收的信号与校正因子相乘，确定幅度。这个校正因子可取决于板506a属性，例如其衰减特征，以及碰撞位置数据。该处理随后进行至步骤1020，其中作为碰撞力的测量的位置坐标和幅度数据可输出至下游系统。该处理通过进行至图7的步骤710结束。图11示出用于更新足球响应系统500的表现分数的示例性流程图，一般地如710 所示。该处理从图7的步骤708开始。该处理随后进行至步骤1102，其中将板命令与碰撞位置相比较。这个比较可通过设置的难度级别来调制。在一些实施例中，仅击中正确的板就足够。在一些备选实施例中，可需要用户502在特定位置击中板506a。该处理随后进行至步骤1104，其中将距离命令与碰撞幅度相比较。标准足球504 具有已知的摩擦力和质量特征。给定已知的草坪阻力，这可用于生成足球504依据使用的踢力行进的距离的模型。由于测量了碰撞幅度，可计算踢力。因此，可同样计算踢的距离的接近的近似值。最后，尽管未示出，可生成时机分数。时机分数可测量提供命令和碰撞之间的时间差。更大的时间延迟可指示更低的敏捷性，并且将对应于更低的分数。在步骤1106，可生成回合分数。回合分数可包括位置的精度、距离的精度和反应速度分数的任何分数。在一些实施例中，可对这些分数求和，平均，或以某种方式组合。同样， 在一些实施例中，可对精度分数求平均，并且将平均数通过速度分数调节。然后，在步骤1108，可通过生成的回合分数来刷新总分数。总分数可反映用户502 在每个回合的表现。总分数可仅是每个回合分数的总和，或进行中的平均数。总分数可同样跟踪回合分数的改变，并提供其他表现的观察。在步骤1110，可向用户502显示分数。分数显示可包括视觉显示、打印输出、可下载文件、和/或音频声明。在分数显示之后，该处理随后通过进行至图7的步骤712结束。综上，提供用于碰撞感测的系统和方法。尽管对于足球响应系统讨论了公开的碰撞感测，还可理解，该碰撞感测系统有利地用于大范围的游戏、训练和感测应用中。例如，这样的感测系统可用于拳击假人，用以确定击中位置和强度。同样，该系统可用于咖啡桌；从而将表面转换成控制音频和视频设备、灯光、恒温器或任意其他期望应用的输入。尽管在若干优选实施例中描述了本发明，存在落入本发明的范围内的改变、修改、 排列、和替换等同物。还应注意，存在实现本发明的方法和装置的许多备选方法。因此，以下所附权利要求旨在理解为，将所有这样的改变、修改、排列、和替换等同物包括在内，落入本发明的真实精神和范围中。
权利要求
1.一种与对象结合使用的碰撞感测系统，所述碰撞感测系统包括至少一个传感器，被配置为耦合至对象，其中所述至少一个传感器接收来自对于对象的碰撞的碰撞波，并且其中所述至少一个传感器响应于感测的碰撞波生成碰撞信号； 信号处理器，被配置为耦合至所述至少一个传感器，其中所述信号处理器还包括 至少一个输入，被配置为接收来自所述至少一个传感器的碰撞信号； 前置放大器，被配置为放大所接收的碰撞信号； 碰撞三角测量器，被配置为从碰撞信号识别碰撞的位置；以及数据输出器，被配置为输出关于碰撞的位置的数据。
2.如权利要求1所述的碰撞感测系统，其中所述信号处理器还包括信号幅度校正器， 其中所述信号幅度校正器通过参照碰撞信号和碰撞位置来识别碰撞的力。
3.如权利要求2所述的碰撞感测系统，其中所述至少一个传感器包括用于感测音频波的麦克风。
4.如权利要求3所述的碰撞感测系统，其中所述碰撞三角测量器使用对象的波传播模型来识别碰撞的位置。
5.如权利要求4所述的碰撞感测系统，其中所述碰撞三角测量器使用来自所述至少一个传感器的每个的碰撞信号的延迟来识别碰撞的位置。
6.如权利要求3所述的碰撞感测系统，其中所述信号处理器还包括带通滤波器，用于从碰撞信号排除麦克风的共振频率。
7.如权利要求2所述的碰撞感测系统，其中所述至少一个传感器包括用于感测对象加速度的加速计。
8.如权利要求7所述的碰撞感测系统，其中所述信号处理器还包括信号偏移检测器， 用于测量从对象的自然频率的相移，其中所述相移源自碰撞。
9.如权利要求8所述的碰撞感测系统，其中所述碰撞三角测量器使用测量的相移来识别碰撞的位置。
10.如权利要求1所述的碰撞感测系统，其中所述碰撞感测系统集成到足球响应系统中，还包括至少一个感测板，被配置为形成环，其中所述至少一个感测板的每个包括所述至少一个传感器，用于接收来自球在所述板上的碰撞的碰撞波。
11.一种与碰撞感测系统和对象结合使用的用于感测碰撞的方法，该方法包括 感测来自对于对象的碰撞的碰撞波；响应于感测的碰撞波生成至少一个碰撞信号； 放大所述至少一个碰撞信号； 从所述至少一个碰撞信号三角测量碰撞的位置；以及输出关于碰撞的位置的数据。
12.如权利要求11所述的方法，还包括通过参照碰撞信号和碰撞位置来识别碰撞的力。
13.如权利要求12所述的方法，其中感测碰撞波包括感测音频波。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述三角测量碰撞的位置使用对象的波传播模型来识别碰撞的位置。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述三角测量碰撞的位置使用来自感测碰撞波的位置的碰撞信号的延迟来识别碰撞的位置。
16.如权利要求13所述的方法，还包括从碰撞信号滤除共振频率。
17.如权利要求12所述的方法，其中感测碰撞波包括感测对象加速度。
18.如权利要求17所述的方法，还包括测量从对象的自然频率的相移，其中所述相移源自碰撞。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述三角测量碰撞的位置使用测量的相移来识别碰撞的位置。
全文摘要
提供一种碰撞位置和幅度感测系统。这样的碰撞感测系统可与游戏、教育结合使用，作为虚拟的任意表面的控制和反馈机构。碰撞感测系统的一个实施例可包括至少一个传感器和信号处理器。传感器(多个)可耦合至对象。传感器可包括麦克风和加速计中的任意一些。传感器(多个)接收来自对于对象的碰撞的碰撞波，作为传播声波或自然振动中的横向相移。传感器(多个)可响应于感测的碰撞波产生碰撞信号。信号处理器可耦合至传感器(多个)。信号处理器可包括前置放大器、碰撞三角测量器、和输出器。碰撞三角测量器可从碰撞信号识别碰撞的位置。输出器可随后输出关于碰撞的位置的数据。
文档编号A63B63/00GK102395409SQ201080015598
公开日2012年3月28日 申请日期2010年1月29日 优先权日2009年2月3日
发明者J·麦考利 申请人:矩阵运动集团有限公司