本發(fā)明涉及健身運(yùn)動(dòng)裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種呼啦圈及其計(jì)數(shù)方法，用于準(zhǔn)確計(jì)算呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。

背景技術(shù)：

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)自身的身體健康更加重視，更愿意進(jìn)行一些有益于身體健康的運(yùn)動(dòng)，也更愿意購買一些具有運(yùn)動(dòng)量化功能的健身設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的運(yùn)動(dòng)情況，與好朋友分享自己的運(yùn)動(dòng)結(jié)果。呼啦圈是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于學(xué)習(xí)的健身器材，轉(zhuǎn)呼啦圈可以提供身體的協(xié)調(diào)性和柔韌性?，F(xiàn)有的呼啦圈形式多樣，功能繁多，如硬環(huán)呼啦圈、軟環(huán)呼啦圈、泡沫呼啦圈、可拼接呼啦圈、按摩呼啦圈等，但其規(guī)格、尺寸與重量均沒有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，在采用呼啦圈進(jìn)行健身時(shí)，若沒有合理的規(guī)劃，盲目使用會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過量，進(jìn)而傷及到人體腹部、背部肌肉或人體臟器，如腎臟、脾臟等。因此，通過計(jì)算呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來合理控制運(yùn)動(dòng)量，有助于科學(xué)的健身。

呼啦圈在使用時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)形式較為復(fù)雜，首先人體在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)周期性的擺動(dòng)；其次是呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是緊貼人體的，兩者呈滾動(dòng)關(guān)系。通常認(rèn)為呼啦圈恢復(fù)到上一次位置為轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，例如呼啦圈兩次離人體正前方最遠(yuǎn)為一圈。但由于人體和呼啦圈直徑的差異，呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，實(shí)際上呼啦圈上的某一特定點(diǎn)，在轉(zhuǎn)一圈后不會(huì)回到原來位置，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)呼啦圈計(jì)數(shù)的一圈不是呼啦圈繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)的一圈。另外，呼啦圈在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度也較快。基于這些原因，導(dǎo)致呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算。

為了能夠有效計(jì)算呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，目前常用的方案是在呼啦圈上安裝一個(gè)傳感器(如加速度傳感器、陀螺儀傳感器、地磁傳感器等)，但這種單純的安裝一個(gè)傳感器，在呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)的一圈時(shí)，其傳感器探測(cè)的值還沒有達(dá)到一圈，因此是無法準(zhǔn)確的對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)呼啦圈進(jìn)行計(jì)數(shù)的。即使采用比例系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償修正，但由于不同的人身體腰圍不一樣，修正系數(shù)不能適應(yīng)所有鍛煉者，也會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)圈數(shù)不準(zhǔn)確。

另外，公告號(hào)為cn103223238a的文獻(xiàn)采用了呼啦圈外部探測(cè)裝置，每次呼啦圈距離外部探測(cè)裝備最近時(shí)計(jì)數(shù)器增加一次計(jì)數(shù)值與轉(zhuǎn)動(dòng)呼啦圈個(gè)數(shù)一致，但是，此裝置復(fù)雜需要另外一人持外部探測(cè)裝置靠近轉(zhuǎn)動(dòng)的呼啦圈操作才能計(jì)數(shù)，設(shè)備操作復(fù)雜，不利于推廣。

進(jìn)一步的，公告號(hào)為cn203425445u的文獻(xiàn)還公開了一種多功能計(jì)數(shù)呼啦圈，其在呼啦圈內(nèi)安裝有可沿其內(nèi)部空間滑動(dòng)的圈數(shù)采集器，圈數(shù)采集器與顯示數(shù)據(jù)的健身終端連接；圈數(shù)采集器包括用于計(jì)數(shù)用的三維電子羅盤，三維電子羅盤與進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的單片機(jī)mcu處理模塊連接，單片機(jī)mcu處理模塊上連接有用于與健身終端通訊用的第一2.4g無線模塊；健身終端包括用于測(cè)量步數(shù)的三軸加速度傳感器，三軸加速度傳感器與單片機(jī)mcu控制電路連接，單片機(jī)mcu控制電路上連接有用于與圈數(shù)采集器通訊用的第二2.4g無線模塊和用于顯示數(shù)據(jù)的oled顯示模塊。該專利文獻(xiàn)的原理是圈數(shù)采集器安裝在呼啦圈內(nèi)部，由于呼啦圈內(nèi)部空間貫通，圈數(shù)采集器可以在進(jìn)行呼啦圈運(yùn)動(dòng)時(shí)自由地在呼啦圈內(nèi)部進(jìn)行滑動(dòng)，由物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心現(xiàn)象可知，當(dāng)人們使用呼啦圈的時(shí)候，由于離心現(xiàn)象，圈數(shù)采集器會(huì)始終處于遠(yuǎn)離人體的一端，因此圈數(shù)采集器的運(yùn)動(dòng)圈數(shù)就會(huì)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)中呼啦圈的運(yùn)動(dòng)圈數(shù)保持一致，通過統(tǒng)計(jì)圈數(shù)采集器的運(yùn)動(dòng)圈數(shù)就可以準(zhǔn)確的得到實(shí)際的運(yùn)動(dòng)圈數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。但在實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)一圈與圈數(shù)采集器在呼啦圈內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)一圈是不一樣的，需要采用兩者轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)比例系數(shù)進(jìn)行修正，而不同運(yùn)動(dòng)員的體型不一樣，修正系數(shù)也不能通用。另外，各個(gè)呼啦圈內(nèi)的摩擦系數(shù)是不同的，各運(yùn)動(dòng)員的轉(zhuǎn)動(dòng)呼啦圈的速度也是不同的。因此通過統(tǒng)計(jì)圈數(shù)采集器的運(yùn)動(dòng)圈數(shù)仍然不能準(zhǔn)確地得出運(yùn)動(dòng)員真正轉(zhuǎn)動(dòng)呼啦圈的圈數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種呼啦圈及其計(jì)數(shù)方法，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地計(jì)算呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，從而有助于人們科學(xué)的健身。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種呼啦圈，其特征在于：所述呼啦圈上固定有信號(hào)處理器、信息播報(bào)器、用于采集轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值的陀螺儀和至少兩套用于采集呼啦圈加速度值的加速度傳感器，所述加速度傳感器以呼啦圈的圓心為中心均勻設(shè)置在呼啦圈上；所述信號(hào)處理器分別與信息播報(bào)器、陀螺儀和加速度傳感器連接，信號(hào)處理器根據(jù)采集的加速度值和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值計(jì)算呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，并將計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)發(fā)送給信息播報(bào)器。

所述呼啦圈上固定有用于測(cè)量地磁信息的磁力計(jì)，磁力計(jì)與信號(hào)處理器連接，信號(hào)處理器通過磁力計(jì)采集的地磁信息對(duì)呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)進(jìn)行誤差校正。

所述加速度傳感器、磁力計(jì)、信號(hào)處理器和陀螺儀均安裝在電路板上，加速度傳感器、磁力計(jì)和陀螺儀均通過電路板與信號(hào)處理器連接。

所述呼啦圈上固定有用于為信號(hào)處理器、信息播報(bào)器和加速度傳感器供電的供電模塊。

所述呼啦圈上固定有用于與信號(hào)處理器電性連接的信號(hào)傳輸模塊，信號(hào)處理器通過信號(hào)傳輸模塊將計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)發(fā)送至移動(dòng)終端。

所述呼啦圈上設(shè)置有用于與信號(hào)處理器連接的按鍵開關(guān)。

所述磁力計(jì)、信號(hào)處理器、供電模塊、信號(hào)傳輸模塊和加速度傳感器均通過螺釘或卡扣固定在呼啦圈內(nèi)，所述信息播報(bào)器和按鍵開關(guān)固定在呼啦圈的外表面上或鑲嵌在呼啦圈上。

所述信息播報(bào)器為用于顯示轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的顯示屏和/或用于播報(bào)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的揚(yáng)聲器。

一種呼啦圈的計(jì)數(shù)方法，其特征在于：

(1)設(shè)定呼啦圈上設(shè)置有信號(hào)處理器、用于采集轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值的陀螺儀和至少兩套均勻布置在呼啦圈上用于采集加速度值的加速度傳感器；設(shè)定陀螺儀和加速度傳感器分別基于自身位置處于一個(gè)自身坐標(biāo)系中，自身坐標(biāo)系隨呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)；

(2)設(shè)定呼啦圈靜置，此時(shí)將陀螺儀的自身坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系；然后設(shè)定此時(shí)陀螺儀自身坐標(biāo)系相對(duì)于基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角為零，將此時(shí)各套加速度傳感器基于自身坐標(biāo)系的加速度值投影至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系后的值設(shè)定為初始加速度；

在上述條件下，所述的計(jì)數(shù)方法包括以下步驟：

s1：由信號(hào)處理器控制加速度傳感器和陀螺儀按周期連續(xù)采集,得到各套加速度傳感器在自身坐標(biāo)系中的加速度值和陀螺儀在自身坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值；

s2：信號(hào)處理器根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值計(jì)算陀螺儀每個(gè)周期內(nèi)自身坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)角，然后將每個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角分別與上一周期得到的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角相加，得到該周期時(shí)陀螺儀自身坐標(biāo)系相對(duì)于靜置時(shí)基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角；

s3：根據(jù)設(shè)定條件中各套加速度傳感器和陀螺儀的位置關(guān)系，由信號(hào)處理器先將步驟s1得到的各套加速度傳感器基于自身坐標(biāo)系中的加速度值投影至陀螺儀自身坐標(biāo)系中；再根據(jù)步驟s2得到的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角，將各套加速度傳感器投影在陀螺儀自身坐標(biāo)系中的加速度值轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度值；然后將各套加速度傳感器在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度值分別減去各套加速度傳感器的初始加速度；再對(duì)各套加速度傳感器在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系的加速度值求矢量和，最后除以加速度傳感器的數(shù)量，得到每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈圓心在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度；

s4：根據(jù)步驟s3的結(jié)果,由信號(hào)處理器計(jì)算每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈圓心的加速度幅值，并計(jì)算該加速度矢量的三個(gè)加速度指向角；

s5：將每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈圓心的加速度幅值依次與設(shè)定閾值比較，若某一周期內(nèi)的加速度幅值大于等于設(shè)定閾值，判定呼啦圈處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，從該周期開始連續(xù)存儲(chǔ)呼啦圈圓心的加速度幅值和加速度指向角，得到一連串加速度幅值數(shù)據(jù)和加速度指向角數(shù)據(jù)；

s6：對(duì)步驟s5存儲(chǔ)的加速度指向角數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若該連串加速度指向角數(shù)據(jù)中的至少一個(gè)方向的加速度指向角以遞增或遞減的方式共變化360°，則判定呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，信號(hào)處理器對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)圈計(jì)數(shù)加1并播報(bào)。

所述步驟s2中陀螺儀基于自身坐標(biāo)系在每個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角由該周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值乘以周期得出。

所述步驟s4中，所述的三個(gè)加速度指向角是指在直角坐標(biāo)系中，滿足右手定則，右手大拇指與坐標(biāo)軸同向，加速度矢量投影在坐標(biāo)軸垂直平面上，該投影與三軸正向形成第一個(gè)平面順著右手四手指指向的夾角，定義為該軸的加速度指向角，角度值為0—360°。

所述步驟s5中，當(dāng)加速度幅值先出現(xiàn)大于等于設(shè)定閾值，再出現(xiàn)小于設(shè)定閾值的情況時(shí)，判定呼啦圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)處理器不再存儲(chǔ)呼啦圈圓心的加速度幅值和加速度指向角，并清除之前存儲(chǔ)的加速度幅值和加速度指向角；當(dāng)再次出現(xiàn)大于等于設(shè)定閾值時(shí)，判定呼啦圈再次開始轉(zhuǎn)動(dòng)，按步驟s5繼續(xù)執(zhí)行，重新存儲(chǔ)呼啦圈圓心的加速度幅值和加速度指向角。

所述步驟s5中，當(dāng)完成呼啦圈一圈的計(jì)數(shù)后，除保留本周期的呼啦圈圓心加速度幅值數(shù)據(jù)和加速度指向角數(shù)據(jù)并作為起始數(shù)據(jù)外，其余數(shù)據(jù)均清除。

所述的計(jì)數(shù)方法中，呼啦圈上安裝有用于測(cè)量地磁信息的磁力計(jì)，設(shè)定磁力計(jì)處于一個(gè)自身坐標(biāo)系中，且磁力計(jì)自身坐標(biāo)系的指向與陀螺儀自身坐標(biāo)系指向一致；呼啦圈靜置時(shí)，將磁力計(jì)基于自身坐標(biāo)系的地磁信息投影至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系后的信息設(shè)定為初始地磁信息；每個(gè)周期信號(hào)處理器根據(jù)采集基于自身坐標(biāo)系的地磁信息和初始地磁信息修正陀螺儀該周期的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的計(jì)算誤差。

采用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明通過設(shè)置在呼啦圈上的陀螺儀能夠采集呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值，通過加速度傳感器能夠采集呼啦圈的加速度值，由于加速度傳感器均勻分布在呼啦圈上，因此加速度傳感器的位置可以為已知。在此基礎(chǔ)上，通過信號(hào)處理器與陀螺儀和加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，就能夠在呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)計(jì)算出每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈圓心的加速度幅值和該加速度矢量的三個(gè)加速度指向角，進(jìn)而依此來精確判定呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。并且，信號(hào)處理器還能夠?qū)⑴卸ńY(jié)果發(fā)送給信息播報(bào)器進(jìn)行播報(bào)，極大地方便了人們了解運(yùn)動(dòng)情況，有助于人們科學(xué)的健身。

2、本發(fā)明在呼啦圈上固定有用于測(cè)量地磁信息的磁力計(jì)，由于磁力計(jì)測(cè)量的是地磁信息，其不會(huì)隨呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，因此根據(jù)磁力計(jì)可以修正計(jì)算過程中的誤差，從而對(duì)呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)進(jìn)行誤差校正，達(dá)到進(jìn)一步提升計(jì)數(shù)精度的目的。

3、本發(fā)明在呼啦圈上固定有用于與信號(hào)處理器電性連接的信號(hào)傳輸模塊，通過信號(hào)傳輸模塊有利于將計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)發(fā)送至移動(dòng)終端進(jìn)行察看等。

4、本發(fā)明在呼啦圈上設(shè)置有用于與信號(hào)處理器連接的按鍵開關(guān)，通過按鍵開關(guān)便于信號(hào)處理器的快速開閉，更加方便使用。

7、本發(fā)明將磁力計(jì)、信號(hào)處理器、供電模塊、信號(hào)傳輸模塊和加速度傳感器均通過螺釘或卡扣固定在呼啦圈內(nèi)，將信息播報(bào)器和按鍵開關(guān)固定在呼啦圈的外表面上或鑲嵌在呼啦圈上。該結(jié)構(gòu)既有利于對(duì)磁力計(jì)、信號(hào)處理器、供電模塊、信號(hào)傳輸模塊等進(jìn)行保護(hù)，又有利于為人們清楚播報(bào)運(yùn)動(dòng)結(jié)果。

8、本發(fā)明中的信息播報(bào)器為用于顯示轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的顯示屏和/或用于播報(bào)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的揚(yáng)聲器，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的播報(bào)方式更加多元化，適用于不同人群。

9、本發(fā)明采用特定的計(jì)數(shù)方法，能夠有效地準(zhǔn)確計(jì)算呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)在其測(cè)量呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的原理。具體而言，多個(gè)加速度傳感器均勻安裝在呼啦圈圈體上，其測(cè)量值包括三部分：垂直向下重力加速度、繞人體轉(zhuǎn)動(dòng)指向人體的呼啦圈圓心加速度和繞呼啦圈圓心轉(zhuǎn)動(dòng)指向呼啦圈圓心的加速度。通過呼啦圈上設(shè)置均勻分布的多路加速度傳感器，該部分加速度矢量和為零，計(jì)算時(shí)通過求和，可消除該部分影響；通過陀螺儀對(duì)加速度傳感器自身坐標(biāo)系累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精確計(jì)算，并結(jié)合初始時(shí)測(cè)量的重力加速度，計(jì)算時(shí)可精確扣除重力加速度，消除該部分影響；最終求得的呼啦圈圓心加速度，呼啦圈圓心加速度始終指向人體，當(dāng)呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，剛好是呼啦圈圓心加速度方向轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，可以精確測(cè)量呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。

10、本發(fā)明將陀螺儀和加速度傳感器分別設(shè)置基于自身位置處于一個(gè)自身坐標(biāo)系，并把所有測(cè)量結(jié)果都投影或變換至和基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中，其優(yōu)點(diǎn)是加速度傳感器和陀螺儀都是基于自身坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量的，方便讀出測(cè)試數(shù)據(jù)，但呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)是基于人體空間來判斷的，通過投影和變換至與人體所在空間的基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系，有利于對(duì)指向人體的呼啦圈圓心加速度轉(zhuǎn)動(dòng)一圈判斷。

11、本發(fā)明將靜置時(shí)各套加速度傳感器基于自身坐標(biāo)系的加速度值投影至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系后的值設(shè)定為初始加速度，其優(yōu)點(diǎn)是可以精確測(cè)量當(dāng)?shù)匚恢玫闹亓铀俣?，有利于呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)精確扣除重力加速度分量。

12、本發(fā)明在整個(gè)計(jì)數(shù)方法中，先根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值計(jì)算累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角，其優(yōu)點(diǎn)是有利于確定陀螺儀自身坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，為后續(xù)所有加速度傳感器測(cè)量值轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系提供參數(shù)。

13、本發(fā)明通過呼啦圈圓心的加速度幅值和該加速度矢量的三個(gè)加速度指向角，并以此來判定呼啦圈的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是不僅可以確認(rèn)呼啦圈是否是在轉(zhuǎn)動(dòng)，減少誤判，還可準(zhǔn)確判斷呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)圓心相對(duì)于人體轉(zhuǎn)動(dòng)角，進(jìn)而確定呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。

14、本發(fā)明不僅適用用于呼啦圈繞人體水平轉(zhuǎn)動(dòng)的記數(shù)，還適用于與水平面有一定斜角的記數(shù)，甚至適用于繞手臂的豎直方向記數(shù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的原理框圖；

圖3為本發(fā)明中呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)前初始位置的示意圖；

圖4為本發(fā)明中呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度時(shí)的示意圖；

圖中標(biāo)記為：1、呼啦圈，2、信號(hào)處理器，3、加速度傳感器，4、陀螺儀，5、磁力計(jì)，6、顯示屏，7、揚(yáng)聲器，8、供電模塊，9、按鍵開關(guān)，10、電路板，11、信號(hào)傳輸模塊。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種呼啦圈1，如圖1、2所示，所述呼啦圈1上固定有信號(hào)處理器2、信息播報(bào)器、供電模塊8、用于采集轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值的陀螺儀4和至少兩套用于采集呼啦圈1加速度值的加速度傳感器3，所述加速度傳感器3以呼啦圈1的圓心為中心均勻設(shè)置在呼啦圈1上；所述信號(hào)處理器2分別與信息播報(bào)器、陀螺儀4和加速度傳感器3連接，信號(hào)處理器2根據(jù)采集的加速度值和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值計(jì)算呼啦圈1的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，并將計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)發(fā)送給信息播報(bào)器進(jìn)行播報(bào)，信息播報(bào)器為用于顯示轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的顯示屏6和/或用于播報(bào)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的揚(yáng)聲器7；所述供電模塊8用于為信號(hào)處理器2、信息播報(bào)器和加速度傳感器3供電。進(jìn)一步的，所述呼啦圈1上固定有用于測(cè)量地磁信息的磁力計(jì)5，磁力計(jì)5與信號(hào)處理器2連接，信號(hào)處理器2通過磁力計(jì)5采集的地磁信息對(duì)呼啦圈1的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)進(jìn)行誤差校正。

本實(shí)施例中，所述加速度傳感器3、磁力計(jì)5、信號(hào)處理器2和陀螺儀4均安裝在電路板10上，加速度傳感器3、磁力計(jì)5和陀螺儀4均通過電路板10與信號(hào)處理器2連接。其中，為了便于準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，優(yōu)選磁力計(jì)5和陀螺儀4與其中一套加速度傳感器3共用一塊電路板10，即磁力計(jì)5和陀螺儀4與其中一套加速度傳感器3安裝在同一塊電路板10上。

本實(shí)施例中，所述呼啦圈1上固定有用于與信號(hào)處理器2電性連接的信號(hào)傳輸模塊11，信號(hào)處理器2通過信號(hào)傳輸模塊11將計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)發(fā)送至諸如平板電腦、手機(jī)等移動(dòng)終端上。

本實(shí)施例中，所述呼啦圈1上設(shè)置有用于與信號(hào)處理器2連接的按鍵開關(guān)9，按下按鍵開關(guān)9，信號(hào)處理器2即控制陀螺儀4、磁力計(jì)5和加速度傳感器3開始采集數(shù)據(jù)，再次按下按鍵開關(guān)9，信號(hào)處理器2即控制陀螺儀4、磁力計(jì)5和加速度傳感器3停止采集數(shù)據(jù)。

本實(shí)施例中，所述磁力計(jì)5、信號(hào)處理器2、供電模塊8、信號(hào)傳輸模塊11和加速度傳感器3均優(yōu)選通過螺釘或卡扣固定在呼啦圈1內(nèi)，所述信息播報(bào)器和按鍵開關(guān)9優(yōu)選固定在呼啦圈1的外表面上或鑲嵌在呼啦圈1上。

本實(shí)施例中，所述信號(hào)處理器2可采用型號(hào)stm32f103，廠家st公司；磁力計(jì)5可采用型號(hào)hmc5883，廠家honeywey公司；加速度傳感器3和陀螺儀4可采用型號(hào)mpu-6050，廠家tdk公司，mpu-6050可集成加速度傳感器3和陀螺儀4，供電模塊8主要包括3.7v鋰離子電池可采用型號(hào)nsc1340，廠家beauty公司；充電管理芯片可采用型號(hào)tp4056，廠家南京拓微公司；穩(wěn)壓芯片可采用型號(hào)lt1963，廠家adi公司；信號(hào)傳輸模塊11可采用型號(hào)hc-05藍(lán)牙模塊。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供了一種呼啦圈1的計(jì)數(shù)方法，先設(shè)定如下條件：

(1)設(shè)定呼啦圈1上設(shè)置有信號(hào)處理器2、用于采集轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值的陀螺儀4和至少兩套均勻布置在呼啦圈1上用于采集加速度值的加速度傳感器3；設(shè)定陀螺儀4和加速度傳感器3分別基于自身位置處于一個(gè)自身坐標(biāo)系中，自身坐標(biāo)系隨呼啦圈1轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)設(shè)定呼啦圈1靜置，此時(shí)將陀螺儀4的自身坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系；然后設(shè)定此時(shí)陀螺儀4自身坐標(biāo)系相對(duì)于基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角為零，將此時(shí)各套加速度傳感器3基于自身坐標(biāo)系的加速度值投影至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系后的值設(shè)定為初始加速度。

在上述條件下，所述的計(jì)數(shù)方法包括以下步驟：

s1：由信號(hào)處理器2控制加速度傳感器3和陀螺儀4按周期連續(xù)采集,得到各套加速度傳感器3在自身坐標(biāo)系中的加速度值和陀螺儀4在自身坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值。

s2：信號(hào)處理器2根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值計(jì)算陀螺儀4每個(gè)周期內(nèi)自身坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)角，然后將每個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角分別與上一周期得到的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角相加，得到該周期時(shí)陀螺儀4自身坐標(biāo)系相對(duì)于靜置時(shí)基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角。

本步驟中，所述的陀螺儀4基于自身坐標(biāo)系在每個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角由該周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值乘以周期得出。

本步驟中，所述的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角是指該周期的轉(zhuǎn)動(dòng)角與之前所有周期的轉(zhuǎn)動(dòng)角之和，例如，第二周期的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角為第一周期的轉(zhuǎn)動(dòng)角與第二周期的轉(zhuǎn)動(dòng)角之和，第三周期的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角為第二周期的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角與第三周期的轉(zhuǎn)動(dòng)角之和，以此類推。

s3：根據(jù)設(shè)定條件中各套加速度傳感器3和陀螺儀4的位置關(guān)系，由信號(hào)處理器2先將步驟s1得到的各套加速度傳感器3基于自身坐標(biāo)系中的加速度值投影至陀螺儀4自身坐標(biāo)系中；再根據(jù)步驟s2得到的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角，將各套加速度傳感器3投影在陀螺儀4自身坐標(biāo)系中的加速度值轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度值；然后將各套加速度傳感器3在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度值分別減去各套加速度傳感器3的初始加速度；再對(duì)各套加速度傳感器3在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系的加速度值求矢量和，最后除以加速度傳感器3的數(shù)量，得到每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈1圓心在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度。

s4：根據(jù)步驟s3的結(jié)果,由信號(hào)處理器2計(jì)算每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈1圓心的加速度幅值，并計(jì)算該加速度矢量的三個(gè)加速度指向角。

本步驟中，所述的三個(gè)加速度指向角是指在直角坐標(biāo)系中，滿足右手定則，右手大拇指與坐標(biāo)軸同向，加速度矢量投影在坐標(biāo)軸垂直平面上，該投影與三軸正向形成第一個(gè)平面順著右手四手指指向的夾角，定義為該軸的加速度指向角，角度值為0—360°。

s5：將每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈1圓心的加速度幅值依次與設(shè)定閾值比較，若某一周期內(nèi)的加速度幅值大于等于設(shè)定閾值，判定呼啦圈1處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，從該周期開始連續(xù)存儲(chǔ)呼啦圈1圓心的加速度幅值和加速度指向角，得到一連串加速度幅值數(shù)據(jù)和加速度指向角數(shù)據(jù)。

本步驟中，當(dāng)加速度幅值先出現(xiàn)大于等于設(shè)定閾值，再出現(xiàn)小于設(shè)定閾值的情況時(shí)，判定呼啦圈1停止轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)處理器2不再存儲(chǔ)呼啦圈1圓心的加速度幅值和加速度指向角，并清除之前存儲(chǔ)的加速度幅值和加速度指向角；當(dāng)再次出現(xiàn)大于等于設(shè)定閾值時(shí)，判定呼啦圈1再次開始轉(zhuǎn)動(dòng)，按步驟s5繼續(xù)執(zhí)行，重新存儲(chǔ)呼啦圈1圓心的加速度幅值和加速度指向角。

本步驟中，當(dāng)完成呼啦圈1一圈的計(jì)數(shù)后，除保留本周期的呼啦圈1圓心加速度幅值數(shù)據(jù)和加速度指向角數(shù)據(jù)并作為起始數(shù)據(jù)外，其余數(shù)據(jù)均清除。

s6：對(duì)步驟s5存儲(chǔ)的加速度指向角數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若該連串加速度指向角數(shù)據(jù)中的至少一個(gè)方向的加速度指向角以遞增或遞減的方式共變化360°，則判定呼啦圈1轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，信號(hào)處理器2對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)圈計(jì)數(shù)加1并通過信息播報(bào)器播報(bào)。

本實(shí)施例中，所述的計(jì)數(shù)方法中，呼啦圈1上安裝有用于測(cè)量地磁信息的磁力計(jì)5，設(shè)定磁力計(jì)5處于一個(gè)自身坐標(biāo)系中，且磁力計(jì)5自身坐標(biāo)系的指向與陀螺儀4自身坐標(biāo)系指向一致；呼啦圈1靜置時(shí)，將磁力計(jì)5基于自身坐標(biāo)系的地磁信息投影至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系后的信息設(shè)定為初始地磁信息；每個(gè)周期信號(hào)處理器2根據(jù)采集基于自身坐標(biāo)系的地磁信息和初始地磁信息修正陀螺儀4該周期的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的計(jì)算誤差。

本實(shí)施例所述的計(jì)數(shù)方法中，所述呼啦圈1上固定有用于為信號(hào)處理器2、信息播報(bào)器和加速度傳感器3供電的供電模塊8，所述呼啦圈1上設(shè)置有用于與信號(hào)處理器2連接的按鍵開關(guān)9。所述呼啦圈1上固定有用于與信號(hào)處理器2電性連接的信號(hào)傳輸模塊11，信號(hào)處理器2可通過信號(hào)傳輸模塊11將計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)發(fā)送至移動(dòng)終端。所述磁力計(jì)5、信號(hào)處理器2、供電模塊8、信號(hào)傳輸模塊11和加速度傳感器3均通過螺釘或卡扣固定在呼啦圈1內(nèi)，所述信息播報(bào)器和按鍵開關(guān)9固定在呼啦圈1的外表面上或鑲嵌在呼啦圈1上。所述信息播報(bào)器為用于顯示轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的顯示屏6和/或用于播報(bào)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的揚(yáng)聲器7。

實(shí)施例3

在實(shí)施例2的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例結(jié)合附圖3-4根據(jù)實(shí)際應(yīng)用過程來說明具體的計(jì)數(shù)方法，具體過程如下：

(1)設(shè)定加速度傳感器的數(shù)量為四套，分別位于圖3中a、b、c和d點(diǎn)，陀螺儀和磁力計(jì)位于a點(diǎn)，陀螺儀、磁力計(jì)和四套加速度傳感器分別基于自身位置處于一個(gè)自身坐標(biāo)系(x,y,z)中，自身坐標(biāo)系隨呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝時(shí)使陀螺儀和四套加速度傳感器的自身坐標(biāo)系(x,y,z)指向相同，如圖3所示,由于陀螺儀、磁力計(jì)和其中一組加速度傳感器都位于a點(diǎn)，因此陀螺儀、磁力計(jì)和該加速度傳感器的自身坐標(biāo)系相同。

(2)設(shè)定呼啦圈靜置，呼啦圈與人體交會(huì)點(diǎn)m1，此時(shí)將陀螺儀的自身坐標(biāo)系(x,y,z)作為基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系(x,y,z)，圖3中為方便觀看進(jìn)行了平移；然后設(shè)定此時(shí)陀螺儀自身坐標(biāo)系相對(duì)于基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系(x,y,z)的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角(ψx,ψy,ψz)為零，將此時(shí)各套加速度傳感器基于自身坐標(biāo)系(x,y,z)的加速度值((aax0,aay0,aaz0)、(abx0,aby0,abz0)、(acx0,acy0,acz0)、(adx0,ady0,adz0))投影至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系后的值設(shè)定為初始加速度((gax,gay,aaz)、(gbx,gby,gbz)、(gcx,gcy,gcz)、(gdx,gdy,gdz)),該值為重力加速度；把磁力計(jì)傳感器基于自身坐標(biāo)系(x,y,z)磁場(chǎng)值(bax0,bay0,baz0)投影至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系后的值設(shè)定為初始磁場(chǎng)值(bax,bay,baz),該值為地磁信息。

本步驟中，呼啦圈圈靜置時(shí)加速度傳感器、磁力計(jì)和陀螺儀自身坐標(biāo)系指向相同，因此計(jì)算公式為：

在上述條件下，所述的計(jì)數(shù)方法包括以下步驟：

s1：由信號(hào)處理器控制加速度傳感器和陀螺儀按周期t連續(xù)采集,得到各套加速度傳感器在自身坐標(biāo)系中的加速度值((aax,aay,aaz)、(abx,aby,abz)、(acx,acy,acz)、(adx,ady,adz))、陀螺儀在自身坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值(ωx,ωy,ωz)和磁場(chǎng)值(bax,bay,baz)。

s2：信號(hào)處理器根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值計(jì)算陀螺儀每個(gè)周期內(nèi)自身坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)角(ψx,ψy,ψz)。然后將每個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角分別與上一周期得到的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角相加，得到該周期時(shí)陀螺儀自身坐標(biāo)系相對(duì)于靜置時(shí)基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角(ψx(t),ψy(t),ψz(t))，如轉(zhuǎn)動(dòng)至圖4位置，呼啦圈與人體交會(huì)點(diǎn)m2。

本步驟中，所述的陀螺儀基于自身坐標(biāo)系在每個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角由該周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值乘以周期得出，即ψx＝ωx*t、ψy＝ωy*t、ψz＝ωz*t。

本步驟中，所述的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角是指該周期的轉(zhuǎn)動(dòng)角與之前所有周期的轉(zhuǎn)動(dòng)角之和，例如，第二周期的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角為第一周期的轉(zhuǎn)動(dòng)角與第二周期的轉(zhuǎn)動(dòng)角之和，第三周期的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角為第二周期的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角與第三周期的轉(zhuǎn)動(dòng)角之和，以此類推,即ψx(i)＝ψx+ψx(i-1),ψy(i)＝ψy+ψy(i-1),ψz(i)＝ψz+ψz(i-1),其中(i)指本周期，(i-1)指上一周期。

s3：根據(jù)設(shè)定條件中各套加速度傳感器、磁力計(jì)和陀螺儀的位置關(guān)系，由信號(hào)處理器先將步驟s1得到的各套加速度傳感器基于自身坐標(biāo)系中的加速度值、磁力計(jì)投影至陀螺儀自身坐標(biāo)系中，計(jì)為((aax',aay',aaz')、(abx',aby',abz')、(acx',acy',acz')、(adx',ady',adz')，(bax',bay',baz'))；再根據(jù)步驟s2得到的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角，將各套加速度傳感器投影在陀螺儀自身坐標(biāo)系中的加速度值轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度值((aax,aay,aaz)、(abx,aby,abz)、(acx,acy,acz)、(adx,ady,adz))，并將磁力計(jì)投影在陀螺儀自身坐標(biāo)系中的磁場(chǎng)值轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的磁場(chǎng)值(bax,bay,baz)；然后將各套加速度傳感器在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度值分別減去各套加速度傳感器的初始加速度；再對(duì)各套加速度傳感器在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系的加速度值求矢量和，最后除以加速度傳感器的數(shù)量，得到每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈圓心在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度(ahz,ahy,ahz)；通過磁場(chǎng)值(bax,bay,baz)與初始磁場(chǎng)值(bax,bay,baz)關(guān)系修正累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角誤差。

本步驟中，各套加速度傳感器基于自身坐標(biāo)系中的加速度值投影至陀螺儀自身坐標(biāo)系中，其中的計(jì)算，根據(jù)步驟(1)加速度傳感器和陀螺儀自身坐標(biāo)系指向相同，因此計(jì)算公式如下：

本步驟中，磁力計(jì)基于自身坐標(biāo)系中的磁場(chǎng)值投影至陀螺儀自身坐標(biāo)系中，其中的計(jì)算，根據(jù)步驟(1)磁力計(jì)和陀螺儀自身坐標(biāo)系指向相同，因此計(jì)算公式如下：

本步驟中，將陀螺儀投影在陀螺儀自身坐標(biāo)系中的磁場(chǎng)值轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度值,計(jì)算公式如下：

其中|ψ|為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣，形式如下：

由于地磁信息不隨在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系保持不變，因此每次測(cè)量磁場(chǎng)值經(jīng)坐標(biāo)變換后結(jié)果與初始磁場(chǎng)值相同，即：

若不相等時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角不準(zhǔn)，通過以下公式解算|ψ|，用于修正坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣，以此修正坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣對(duì)后續(xù)的加速度值變換進(jìn)行計(jì)算，解算|ψ|的公式為：

本步驟中，將各套加速度傳感器投影在陀螺儀自身坐標(biāo)系中的加速度值轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度值,計(jì)算公式為：

本步驟中，將各套加速度傳感器在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度值分別減去各套加速度傳感器的初始加速度；再對(duì)各套加速度傳感器在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系的加速度值求矢量和，最后除以加速度傳感器的數(shù)量，得到每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈圓心在基準(zhǔn)空間坐標(biāo)系中的加速度，其計(jì)算公式為：

s4：根據(jù)步驟s3的結(jié)果,由信號(hào)處理器計(jì)算每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈圓心的加速度幅值|a|h(t)，并計(jì)算該加速度矢量的三個(gè)加速度指向角(φhx(t),φhy(t),φhz(t))。

本步驟中，所述的三個(gè)加速度指向角是指在直角坐標(biāo)系中，滿足右手定則，右手大拇指與坐標(biāo)軸同向，加速度矢量投影在軸垂直平面上，該投影與三軸正向形成第一個(gè)平面順著右手四手指指向的夾角，定義為該軸的加速度指向角，角度值為0—360°。

本步驟中，加速度幅值和三個(gè)加速度指向角的計(jì)算公式分別為：

s5：將每個(gè)周期內(nèi)呼啦圈圓心的加速度幅值依次與設(shè)定閾值比較，若某一周期內(nèi)的加速度幅值大于等于設(shè)定閾值，判定呼啦圈處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，從該周期開始連續(xù)存儲(chǔ)呼啦圈圓心的加速度幅值和加速度指向角，得到一連串加速度幅值數(shù)據(jù)(|a|h(1)，|a|h(2)，…，|a|h(n))和加速度指向角數(shù)據(jù)((φhx(1),φhy(1),φhz(1)),(φhx(2),φhy(2),φhz(2)),…,(φhx(n),φhy(n),φhz(n))),其中n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

本步驟中，當(dāng)加速度幅值先出現(xiàn)大于等于設(shè)定閾值，再出現(xiàn)小于設(shè)定閾值的情況時(shí)，判定呼啦圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)處理器不再存儲(chǔ)呼啦圈圓心的加速度幅值和加速度指向角，并清除之前存儲(chǔ)的加速度幅值和加速度指向角；當(dāng)再次出現(xiàn)大于等于設(shè)定閾值時(shí)，判定呼啦圈再次開始轉(zhuǎn)動(dòng)，按步驟s5繼續(xù)執(zhí)行，清除之前數(shù)據(jù)，重新存儲(chǔ)呼啦圈圓心的加速度幅值和加速度指向角。

本步驟中，當(dāng)完成呼啦圈一圈的計(jì)數(shù)后，除本周期的呼啦圈圓心加速度幅值數(shù)據(jù)和加速度指向角數(shù)保留作為起始數(shù)據(jù)外，其余數(shù)據(jù)均清除。

s6：對(duì)步驟s5存儲(chǔ)的加速度指向角數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若該連串加速度指向角數(shù)據(jù)中的至少一個(gè)方向的加速度指向角((φhx(n)和/或φhy(n)和/或φhz(n)))以遞增或遞減的方式共變化360°，則判定呼啦圈轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，信號(hào)處理器計(jì)數(shù)加1并通過信息播報(bào)器播報(bào)。

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