動感硅片--在下一代傳感器的作用下,高爾夫球桿、網球拍和 棒球棒會比以往更加智能。
一名高爾夫球手站在危險的沙坑中,正在認真思考如何在盯著高爾夫球的同時平衡自己的身體。為此,他進行了幾次揮桿練習。如果揮桿幅度太大,桿會打在地上,失去另一次推球的機會。這是一次頗有難度的擊球,但是這名球手毫不猶豫地揮動了球桿。事實上,他的球桿里嵌入了一種微電子機械系統(MEMS)設備,這種微型機器中元件的厚度僅相當于人的一根頭發的直徑。這些設備并不會幫助球手揮桿,但球手可以利用它們對揮桿動作進行分析并練習擊球。這一次,球手或許會成功。
智能手機和可穿戴設備的大規模普及降低了MEMS設備的成本。MEMS設備包括加速度計、陀螺儀、磁力計和壓力傳感器。這些微小的芯片有助于計算步數、跟蹤消耗的熱量和監測心率。數據當然是有用的,這些設備可以讓使用者變得更加積極、敏捷,但是實際上它們并沒有提高擊球、出拳或踢球的水平。要做到這一點,意味著要將傳感器從手腕轉移到運動裝備上,這是大勢所趨,很快就將實現。事實上,現在就可以購買那些帶有傳感器的裝備來提高運動時的表現。除高爾夫外,網球、棒球、拳擊和足球等運動同樣適用。
運動員的運動往往十分復雜,與跟蹤步數相比,測量這些運動需要更多的指標。以劃船為例:要判斷槳手在劃船過程中抓、劃、放和復位各階段的效率,需要跟蹤槳手的腿部、后背和胳膊的運動。如果要分析棒球運動員的揮棒動作,則需要考慮旋轉角度和揮棒速度。
載有傳感器的運動器材目前的繁榮是傳感器價格大幅降低和技術發展(多個傳感器數據整合變得容易)的產物。過去,實時合成來自多個傳感器的數據輸出信號簡直是個噩夢。盡管需求很明確,但如何能夠理解飛速傳入通用處理器的數據流(即所謂的傳感器融合),確實是開發這類運動/訓練產品的實際障礙。
過去幾年,許多公司推出了有關傳感器融合的現成技術。目前,設計工程師可以利用第三方線性加速度算法來測量通過x、y和z軸的運動,而無須從頭開始開發一種測量線性加速度(例如測量踢球或打球速度)的算法。
傳感器的軟硬件融合還有另一個棘手的任務:管理功耗。如果想避免頻繁地為智能球、球棒、拳擊手套、網球拍或高爾夫球桿充電,這是一個關鍵問題。例如,這些系統可能會在不使用時關閉一個特別耗電的陀螺儀,同時將工作分配給效率最高的傳感器(如加速度計,或是加速度計和磁力計),以代替陀螺儀(如果替代品可以完成相應工作的話)。
傳感器制造商和制造處理傳感器數據工具的公司均認同傳感器融合是一個不錯的想法。他們以不同的方式解決了實施方面的困難,并創建了一系列從非常專有到基本開放的系統。
在專有化方面,傳感器和MEMS制造商(例如模擬器件公司、博世傳感器公司、飛思卡爾公司、應美盛公司、Kionix公司和意法半導體公司等)都將自己的獨家傳感器融合算法(例如博世傳感器公司的Sensortec BN0055)運行在自己公司開發的包括傳感器和一個微控制器的芯片中。其中一些制造商還提供可以在其他硬件上運行的應用程序接口,但只能與一家公司的傳感器品牌兼容。傳感器-微控制器組合芯片允許數據批處理,這意味著傳感器讀數將被存儲在緩沖器中,直至應用程序處理器被喚醒。這種節能機制是傳感器融合的一大好處。
山頂實驗室、PNI Sensor和QuickLogic公司采取了一種更為靈活的方式,它們開發了獨立的傳感器融合協處理器,可兼容不同傳感器制造商的芯片。這些硬件-軟件系統輪詢傳感器數據,將其推送到自己的低功耗協處理器,并采用專有算法對數據進行管理。
裝 備
下面選取了幾個載有傳感器的運動裝備,顯示了被測量、分析和影響的運動種類。所列產品只是典型示例,并不代表它們是每個運動類別中唯一可用的品牌。后續將定期發布更多來自知名企業和創業公司的產品。
網 球
制造商:索尼公司
裝備:索尼智能網球傳感器
傳感器:三軸運動跟蹤傳感器和振動傳感器
跟蹤內容:擊球類型(發球、扣殺、正手截擊、反手截擊、正手上旋球、反手上旋球、正手削球、反手削球),球速,揮拍速度,球的旋轉和沖擊點;擊球數據可通過視頻方式收錄在智能手機里
原理:附著在與之相兼容的網球拍的手柄端。
商業化情況:2014年5月在日本發布,2015年在美國發布
200美元
拳 擊
制造商:亞禮得
裝備:Corner
傳感器:三軸加速計
跟蹤內容:出拳類型(猛擊、交叉、勾拳,直擊)、速度、力量、命中/錯失率、阻擋、組合、猛擊率、步速
原理:在拳擊手的裹手布上安裝一個小小的芯片,外面套上拳擊手套。其搭載的微處理器負責分析加速度計數據,以檢測出拳并提取每次出拳軌跡的關鍵特征。隨后,設備通過藍牙將數據傳給智能裝置進行展示并存儲,從而創建拳擊手在每個回合、每段時間、每周和每月訓練時的表現影像。
商業化情況:2016年1月發布,將于2016年8月出貨
70美元/雙
籃 球
制造商:威爾遜運動產品公司
裝備:威爾遜X連接籃球
傳感器:三軸加速度計
跟蹤內容:投中的球和未投中的球
原理:機器學習系統所開發的算法會根據加速度計的數據檢測投中和錯失的球。該裝備需要標準高度環網,通過藍牙技術與智能設備進行信息傳遞;電池不可更換,可以追蹤至少1萬個投球。
商業化情況:目前已在美國上市,2016年3月底在加拿大上市
新產品:威爾遜X連接足球
跟蹤內容:投擲距離、速度、螺旋效率以及是否接住球或丟球
200美元
棒 球、壘 球
制造商:Diamond Kinetics tennis
裝備:揮棒追蹤器
傳感器:三軸加速度計和三軸陀螺儀
跟蹤內容:15個不同的揮棒指標,包括力量、速度、效率以及在擊球區域球棒移動的距離
原理:安裝在球棒底部,每秒捕捉1.1萬個數據點,實時分析揮棒相關的數據;同時通過藍牙連接移動設備與教練共享信息。
商業化情況:2014年發布,現已上市
150美元
作者:Karen Lightman