ボール計測装置
【課題】天候や明るさの影響を受けにくく且つ精度よく弾道計測が可能なボール計測装置の提供。
【解決手段】打撃位置から着地位置までのボールの弾道、着地位置及び停止位置を計測可能なボール計測装置１００である。このボール計測装置１００は、上記弾道の計測が可能で且つ少なくとも一つの送信アンテナと複数の受信アンテナとを備えたミリ波レーダ装置１と、上記停止位置の計測が可能なＣＣＤカメラ２と、上記複数の受信アンテナにより受信された信号に基づいてボールの三次元座標を算出するレーダ用演算部と、上記ＣＣＤカメラの画像データに基づいて上記停止位置の座標を算出するカメラ用演算部とを有している。ミリ波レーダ装置１とＣＣＤカメラ２とは互いに異なる位置に設置されている。
【解決手段】打撃位置から着地位置までのボールの弾道、着地位置及び停止位置を計測可能なボール計測装置１００である。このボール計測装置１００は、上記弾道の計測が可能で且つ少なくとも一つの送信アンテナと複数の受信アンテナとを備えたミリ波レーダ装置１と、上記停止位置の計測が可能なＣＣＤカメラ２と、上記複数の受信アンテナにより受信された信号に基づいてボールの三次元座標を算出するレーダ用演算部と、上記ＣＣＤカメラの画像データに基づいて上記停止位置の座標を算出するカメラ用演算部とを有している。ミリ波レーダ装置１とＣＣＤカメラ２とは互いに異なる位置に設置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールの弾道や飛距離を計測するための装置、特にゴルフボールの弾道や飛距離の計測に好適なボール計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゴルフボールの弾道計測装置として、従来、ＣＣＤカメラを用いたものが提案されている。特開２００１−１４５７８号公報は、１台以上の最高点検出用のＣＣＤカメラと、１台以上の落下点検出用のＣＣＤカメラとを用いたボール弾道の計測装置を開示する。特開２００３−４２７１６号公報は、打撃位置の後方及び目標位置の前方に設置される少なくとも２台のＣＣＤカメラと、三角測量法的手法でボールの位置座標を演算する演算部とを備えるボール弾道計測措置を開示する。
【０００３】
また、特許第２９５３６７２号公報は、レーダを用いてゴルフボールの初速を測定し、測定されたボール初速からキャリー距離を推定するゴルフ装置を開示する。レーダを用いた計測装置は、物体までの距離や物体の速度などを検知する手段として利用されている。レーダの種類としては、レーザレーダやミリ波レーダなどが用いられている。このうちミリ波レーダは、雨や霧などの悪天候の影響を受けにくいため、いくつかの分野で利用される。特開２００４−２２７１１１号公報は、ミリ波レーダを用いて侵入者を検知するセキュリティシステムを開示する。特開２００２−２０７０７７号公報は、ミリ波レーダを用いて自車前方に位置する物体との距離を検知するレーダ手段を備えた自動車の走行支援装置を開示する。特開平１１−７２５５８号公報は、ミリ波レーダを用いて飛行体を着陸スペースに正確に誘導する際に使用する着陸誘導装置を開示する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４５７８号公報
【特許文献２】特開２００３−４２７１６号公報
【特許文献３】特許第２９５３６７２号公報
【特許文献４】特開２００４−２２７１１１号公報
【特許文献５】特開２００２−２０７０７７号公報
【特許文献６】特開平１１−７２５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
カメラで弾道を計測する計測装置は、雨や霧などの天候による影響や、明るさの影響を受けやすい。ミリ波レーダは、天候の影響をほとんど受けることのない計測を可能とする。更に、ミリ波レーダは、照明無しの状態で夜間に計測することを可能とする。しかし、単にミリ波レーダを用いることによっては、ボールの弾道や飛距離を精度よく計測できないことが判明した。
【０００６】
本発明の目的は、天候や明るさの影響を受けにくく且つ精度よく弾道計測が可能なボール計測装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るボール計測装置は、打撃位置から着地位置までのボールの弾道、着地位置及び停止位置を計測可能なボール計測装置であって、上記弾道の計測が可能で且つ少なくとも一つの送信アンテナと複数の受信アンテナとを備えたミリ波レーダ装置と、上記停止位置の計測が可能なＣＣＤカメラと、上記複数の受信アンテナにより受信された信号に基づいてボールの三次元座標を算出するレーダ用演算部と、上記ＣＣＤカメラの画像データに基づいて上記停止位置の座標を算出するカメラ用演算部とを有し、上記ミリ波レーダ装置と上記ＣＣＤカメラとは互いに異なる位置に設置されているボール計測装置である。
【０００８】
好ましくは、上記ＣＣＤカメラは、地表から２〜２０ｍの高さに設置される。好ましくは、上記ミリ波レーダ装置の水平方向のビーム幅は、１０度以上９０度以下に設定される。好ましくは、上記ミリ波レーダ装置の鉛直方向のビーム幅は、１０度以上９０度以下に設定される。
【発明の効果】
【０００９】
上記ボール計測装置は、天候や明るさの影響を抑えながら精度のよい弾道及び飛距離の計測を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係るボール計測装置１００の概略構成図である。ボール計測装置１００は、ミリ波レーダ装置１と、ＣＣＤカメラ２と、コンピュータ部３と、トリガー部４とを備える。ミリ波レーダ装置１はコンピュータ部３と直結されている。ＣＣＤカメラ２は、必要に応じてケーブル補償器（図示されず）を介しつつコンピュータ部３と連結されている。
【００１２】
図２及び図３は、打撃されるゴルフボールｂの弾道ｄと、レーダ装置１及びＣＣＤカメラ２との配置関係を示す図であり、図２は側面図、図３は上方から見た平面図である。打撃位置ｐ１に静置されたゴルフボールｂが図示されないゴルフクラブにより打撃されると、ゴルフボールｂは所定の弾道ｄを描いて飛ぶ。弾道ｄはボールｂの飛行中の軌跡である。弾道ｄの始点は打撃位置ｐ１であり、弾道ｄの終点は着地位置ｐ２である。着地位置ｐ２で着地したゴルフボールｂは、地表ｇをバウンドしつつ転がり、停止位置ｐ３で停止する。
【００１３】
ボール計測装置１００は、打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２までのボールｂの弾道ｄ、着地位置ｐ２及び停止位置ｐ３を計測可能である。ボール計測装置１００のうち、レーダ装置１は弾道ｄの計測を分担し、ＣＣＤカメラ２は停止位置ｐ３の計測を分担する。レーダ装置１は、打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２までの計測が可能である。レーダ装置１は弾道ｄの全体を計測する。複数のレーダ装置で分担して弾道ｄが計測されてもよい。ＣＣＤカメラ２は、停止位置ｐ３の計測を行う。ＣＣＤカメラ２が停止位置ｐ３に加えて着地位置ｐ２を計測してもよい。ＣＣＤカメラは複数であってもよい。ＣＣＤカメラ２が着地位置ｐ２から停止位置ｐ３までのボールｂの軌跡（バウンドや転がり）を計測してもよい。一のＣＣＤカメラが着地位置ｐ２を計測し、他のＣＣＤカメラが停止位置ｐ３を計測してもよい。
【００１４】
特に重要な計測項目は、弾道ｄ、キャリー及びトータルである。キャリーとは、打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２までの距離である。トータルとは、打撃位置ｐ１から停止位置ｐ３までの距離である。着地位置ｐ２から停止位置ｐ３までのボールｂの動きについては、計測項目としての重要性が比較的低い。本発明のボール計測装置は、着地位置ｐ２から停止位置ｐ３までのボールｂの動き（バウンドや転がりの軌跡）を計測対象から除外しうる。必須の計測項目は、打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２までの弾道ｄの軌跡と、着地位置ｐ２と、停止位置ｐ３である。もちろん、着地位置ｐ２から停止位置ｐ３までのボールｂの動き（バウンドや転がりの軌跡）が計測されてもよい。弾道ｄの計測結果は、具体的には所定時間おきに計測されたボールｂの各時刻における多数の三次元座標データの集合である。
【００１５】
なお、弾道ｄを２台以上のレーダ装置で分担して計測させる場合、複数のレーダ装置の計測可能範囲を少なくとも一部で重複させる。重複した計測可能範囲において弾道ｄが計測されることにより、複数のレーダ装置で得られた計測データが少なくとも一部で重複する。重複した計測データを利用して、一のレーダ装置の計測データと他のレーダ装置の計測データとをつなぎ合わせることができる。つなぎ合わされたデータに基づいて、一本の弾道ｄが描かれる。複数のレーダ装置の計測データをつなぎ合わせるデータ処理部を設けても良い。
【００１６】
レーダ装置１及びＣＣＤカメラ２は、それぞれ計測に適した位置に配置される。図２及び図３に示されるように、好ましくは、レーダ装置１は、打撃位置ｐ１の後方に配置される。レーダ装置１は、打撃位置ｐ１の近傍（例えば打撃位置ｐ１の横）に配置されてもよい。より好ましくは、レーダ装置１は、打撃位置ｐ１と目標位置ｔとを結ぶ直線Ｌ（図３参照）の後方延長線上近傍に配置される。ＣＣＤカメラ２は、打撃位置ｐ１の後方に配置される。ＣＣＤカメラ２は、打撃位置ｐ１の近傍に配置されてもよい。好ましくは、ＣＣＤカメラ２は、打撃位置ｐ１と目標位置ｔとを結ぶ直線Ｌの後方延長線上近傍に配置される。またＣＣＤカメラ２は、レーダ装置１よりも高い位置に配置されてもよい。ＣＣＤカメラ２は、レーダ装置１の上方に配置されてもよい。ＣＣＤカメラ２の光軸は、目標位置ｔ付近に向けられている。
【００１７】
レーダ装置１を打撃位置ｐ１の後方に設置する場合、レーダ装置１は打撃位置ｐ１から１〜１０ｍ後方に設置されるのが好ましい。打撃位置ｐ１との前後方向距離が１ｍ以上とされることにより、打撃位置ｐ１付近での計測可能範囲が拡大され、打ち出し角の変化が許容されやすくなる。打撃位置ｐ１との前後方向距離が１０ｍ以下とされることにより、ボールｂとレーダ装置との距離が近くなり、計測精度が高まる。
【００１８】
レーダ装置１と、打撃位置ｐ１と目標位置ｔとを結ぶ直線Ｌとの左右方向距離は０〜５ｍとされるのが好ましい。５ｍ以下とすることにより、直線Ｌに対してビーム幅が左右均等に配置されやすくなる。より好ましくは、レーダ装置１は直線Ｌの延長線上に配置される。
【００１９】
図５に示すように、レーダ装置１は、送信アンテナ５と受信アンテナ６とを有している。送信アンテナ５から発信された電波（パルス）がボールｂに当たり、ボールｂからの反射波を受信アンテナ６が受信する。受信アンテナ６により受信された信号（電波）に基づいて、ボールｂの三次元座標が算出される。ボールｂの三次元座標は、ボールｂの三次元方位や三次元速度などの三次元的情報に基づいて算出される。ボールｂの三次元座標は、レーダ用演算部１３により算出される。コンピュータ部３は、レーダ用演算部１３を備える。レーダ用演算部１３は、たとえば所定のソフトウエア、このソフトウエアを作動させるコンピュータ部３のＣＰＵ及びメモリを含む。レーダ用演算部１３は、レーダ装置１内に設けられてもよい。
【００２０】
レーダ用演算部１３は、ボールｂの反射波から得られた情報に基づき、ボールｂの各時刻における三次元座標を算出する。各時刻における三次元座標に基づいて得られたボールｂの弾道ｄが表示部１０に表示される。表示部１０の典型例は、モニタである。図１の実施形態では、コンピュータ部３が、表示部１０としてのモニタを備えている。表示部１０がコンピュータ部３とは別に設けられても良い。各時刻におけるボールｂの三次元座標が連続的にプロットされることにより、弾道ｄが描かれる。弾道ｄとして、例えば側面視（図２のように示される）の弾道ｄと平面視（図３のように示される）の弾道ｄとが描かれる。弾道ｄは、ほぼリアルタイムで表示される。
【００２１】
ボールｂの三次元的情報（三次元方位や三次元速度など）を得るためには、受信アンテナ（レシーバー）が複数必要である。このためレーダ装置１は、複数の受信アンテナを備えている。複数の受信アンテナ間での受信電波（受信信号）の相違に基づいてボールｂの三次元的情報が得られる。
【００２２】
ボールｂの三次元的情報からボールｂの三次元座標を得るための方法として、例えば以下の第一及び第二の方法がある。本発明では、下記の第一及び第二の方法がいずれも採用されうる。他の方法によりボールｂの三次元座標を得てもよい。
【００２３】
第一の方法は、ボールｂの三次元的情報としてボールｂの三次元方位を得るとともに、ボールｂとレーダ装置１との距離を得て、得られた三次元方位と距離とからボールｂの三次元座標を得る方法である。
【００２４】
第二の方法は、ボールｂの三次元的情報としてボールｂの三次元速度を得て、得られた三次元速度を逐次積分することによりボールｂの三次元座標を得る方法である。
【００２５】
ボールｂの三次元座標を得るために、複数台のレーダ装置を用いることが考えられる。レーダ装置１は、一台のレーダ装置１のみでボールｂの三次元座標を得ることが可能とされている。レーダ装置１に設けられた複数の受信アンテナは、一台のレーダ装置で三次元座標を取得することを可能とする。
【００２６】
ボールｂの方位を得るために、例えばモノパルス方式が採用されうる。モノパルス方式とすれば、一つの送信アンテナで広範囲の目標物（即ちボールｂ）の検知が可能となる。具体的には、ビーム幅（ビーム角とも称される）が１００度程度にまで広角とされうる。
【００２７】
異なる位置に配置された複数の受信アンテナにより目標物（ボールｂ）の方位の算出が可能となる。図４は、受信アンテナを２台とした場合の、ボールｂの方位角θに対する受信電力パターンを示す。図４中、「Ｓｕｍ」は、第一及び第二の受信アンテナに入力された信号の和信号のパターンを示し、「Ｄｉｆｆ」は、第一及び第二の受信アンテナに入力された信号の差信号のパターンを示す。特定の時刻に得られた受信波の和信号Ｐｓｕｍと差信号Ｐｄｉｆｆとから方位角θが特定される。
【００２８】
ボールｂの三次元方位を得るために、異なる２つの方向の方位角θが必要とされる。２つの異なる方向の方位角θを求めるためのレーダ装置として、第一の方向（例えば上下方向）の異なる位置に配置された受信アンテナと、第二の方向（例えば左右方向）の異なる位置に配置された受信アンテナとを有するレーダ装置が考えられる。この場合少なくとも３台の受信アンテナが必要とされる。送信アンテナは一台でもよい。以下、第一の方向を上下方向とし、第二の方向を左右方向とした場合が説明される。上下方向の異なる位置に配置された受信アンテナの受信信号に基づいて上下方向（鉛直方向）の方位角（即ち仰角）が得られる。左右方向の異なる位置に配置された受信アンテナの受信信号に基づいて左右方向（水平方向）の方位角が得られる。上下方向の方位角と左右方向の方位角とから、三次元方位が得られる。受信アンテナは４台であってもよい。４台の受信アンテナは、例えば上下方向に各１台設けられ、これらとは別個に左右方向に各１台設けられる。受信アンテナは５台以上であってもよい。
【００２９】
レーダ装置１とボールｂとの距離は、送信から受信までに要した時間に基づいて算出されうる。またレーダ装置１とボールｂとの距離は、同じ送信アンテナから送信された２種類の周波数の電波を複数の受信アンテナにより受信することによって得られうる。ボールｂの速度は、ドップラーシフトに基づいて算出されうる。
【００３０】
ボールｂの速度及びボールｂまでの距離を算出しうるボール計測装置の構成の一例が図５により示される。図５に示されるボール計測装置は、送信アンテナ１１、複数の受信アンテナ１２、レーダ用演算部１３、変調器１４及び発信器１５を有する。変調器１４からの変調信号に基づく発信周波数で発信器１５より発信されたミリ波帯の信号が送信アンテナ１１より放射される。ボールｂに反射して返ってきた電波信号は、受信アンテナ１２により受信される。
【００３１】
図５に示されるボール計測装置は、ミキサ回路１７と、アナログ回路１８と、Ａ／Ｄコンバータ１９と、ＦＦＴ処理部２０とを有する。受信アンテナ１２で受信された電波信号は、ミキサ回路１７で周波数変換される。ミキサ回路１７には、受信アンテナ１２で受信された電波信号に加えて、発信器１５からの信号が供給される。ミキサ回路１７は、受信アンテナ１２からの信号と発信器１５からの信号とをミキシングする。ミキシングにより発生する信号がアナログ回路１８に出力される。アナログ回路１８で増幅された信号はＡ／Ｄコンバータ１９に出力される。Ａ／Ｄコンバータ１９によりデジタル信号に変換された信号はＦＦＴ処理部２０に供給される。ＦＦＴ処理部２０は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ；Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を行う。高速フーリエ変換により、信号の周波数スペクトラムから振幅及び位相の情報が得られる。振幅及び位相の情報がレーダ用演算部１３に供給される。ＦＦＴ処理部２０から供給された情報から、レーダ用演算部１３はボールｂまでの距離とボールｂの速度を算出する。
【００３２】
ボールｂの速度（レーダ装置１とボールｂとの相対速度）は、ドップラーシフトを利用することにより算出されうる。ボールｂまでの距離（レーダ装置１からボールｂまでの距離）は、例えば２周波ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式を利用することにより算出されうる。
【００３３】
２周波ＣＷ方式の場合、発信器１５に変調信号が入力され、発信器１５は２つの周波数ｆ１、ｆ２を時間的に切り替えながら送信アンテナ１１に供給する。図６に示すように、送信アンテナ１１は２つの周波数ｆ１、ｆ２を時間的に切り替えながら発信する。送信アンテナ１１から発信された電波はボールｂで反射される。反射信号は複数の受信アンテナ１２で受信される。受信信号と発信器１５の信号とがミキサ回路１７で掛け合わされることにより、ビード信号が得られる。直接ベースバンドに変換するホモダイン方式の場合、ミキサ回路１７から出力されるビート信号がドップラー周波数となる。ドップラー周波数ｆｄは次の式（１）により得られる。
【００３４】
ｆｄ＝（２ｆｃ／ｃ）ｖ ・・・・ （１）
【００３５】
式（１）において、ｆｃは搬送波周波数であり、ｖは相対速度（即ちボールｂの速度）であり、ｃは光速である。それぞれの送信周波数における受信信号は、アナログ回路１８で分離復調され、Ａ／Ｄコンバータ１９でＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換で得られたデジタルのサンプルデータがＦＦＴ処理部２０で高速フーリエ変処理される。高速フーリエ変換処理により、受信されたビート信号の全周波数帯域での周波数スペクトラムが得られる。２周波ＣＷ方式の原理に基づいて、高速フーリエ変換処理の結果得られたピーク信号に対し、送信周波数ｆ１のピーク信号のパワースペクトルと、送信周波数ｆ２のピーク信号のパワースペクトルとが得られる。２つのパワースペクトルの位相差φからボールまでの距離Ｒが次の式（２）により算出される。
【００３６】
Ｒ＝（ｃ・φ）／（４π・Δｆ） ・・・・ （２）
【００３７】
式（２）において、ｃは光速であり、Δｆは（ｆ２−ｆ１）である。
【００３８】
以上のようにしてボールｂまでの距離とボールｂの三次元方位とを把握することにより、ボールｂの三次元座標が一義的に定まる。
【００３９】
前述したように、ボールｂの三次元速度を逐次積分することによりボールｂの三次元座標を算出することも可能である。ボールｂの三次元速度を得るためには、ドップラーシフトの原理が利用される。三次元速度を得るためには、受信アンテナを３つ以上設けるのがよい。好ましくは、全ての受信アンテナがレーダ装置１内に設けられる。３つ以上の受信アンテナは、それぞれ異なる位置に配置される。各受信アンテナは異なる位置に配置されているので、各受信アンテナとボールｂとの相対速度は個々に相違する。各受信アンテナとボールｂとの相対速度に基づき、ボールｂの三次元速度が算出される。三次元速度の積分は、レーダ用演算部によりなされる。積分により得られたボールｂの各時刻における三次元座標を連続的に表示することにより弾道ｄが描かれる。
【００４０】
レーダ装置１は、ミリ波レーダである。ミリ波レーダとは、ミリ波を用いたレーダシステムである。ミリ波とは、波長がミリメートル台の電波である。ミリ波の周波数は、３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚである。距離計測用レーダとして、ミリ波レーダやレーザレーダが知られているが、中でもミリ波レーダは、雨や霧の状態でもターゲット（即ちボール）を安定して捉えることができる。ミリ波レーダは、天候に左右されない計測を可能とする。ミリ波レーダは、照明無しでの夜間の計測を可能とする。
【００４１】
ボール計測装置１００において、レーダ装置１とＣＣＤカメラ２とは互いに異なる位置に設置される。位置を異ならせることは、より広い範囲における高精度の計測を可能とする。図２に示すように、レーダ装置１及びＣＣＤカメラ２は、例えば打撃位置ｐ１の後方に配置される。打撃位置ｐ１の後方への配置は、ボールｂの弾道ｄを広範囲に捉えやすくする。
【００４２】
レーダ装置を打撃位置ｐ１の近傍に設置した場合、停止位置ｐ３付近の計測が困難となりやすい。ボール計測装置１００は、計測をレーダ装置１とＣＣＤカメラ２に分担させている。レーダ装置１は、一台で弾道ｄの全て（打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２まで）を計測可能である。ＣＣＤカメラ２は、少なくとも停止位置ｐ３を計測する。レーダ装置１による計測データとＣＣＤカメラ２による計測データとを合わせると、打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２までのボールの弾道ｄと、着地位置ｐ２及び停止位置ｐ３の計測データが得られる。
【００４３】
図２の実施形態では、レーダ装置１とＣＣＤカメラ２とを打撃位置ｐ１側に配置している。これと異なり、レーダ装置１を打撃位置ｐ１側に配置し、ＣＣＤカメラ２を着地位置ｐ２側に配置してもよい。具体的には、例えばレーダ装置１を打撃位置ｐ１の後方に配置し、ＣＣＤカメラ２を停止位置ｐ３の前方に配置してもよい。
【００４４】
図２に示されるように、ＣＣＤカメラ２は、レーダ装置１よりも高い位置に設置される。比較的高い位置に設置されることにより、ＣＣＤカメラ２による停止位置ｐ３の計測が容易となる。レーダ装置１は、ＣＣＤカメラ２よりも低い位置に設置される。比較的低い位置に設置されることにより、弾道ｄの全体がレーダ装置１の計測可能範囲内に収まりやすくなる。
【００４５】
好ましくは、レーダ装置１の地表ｇからの高さｈ１（図２参照）は０〜５ｍとされる。この高さは、打撃位置ｐ１から飛球していくボールｂの弾道ｄをより広範囲に亘って捉えるのに有利である。高さｈ１は、予想される弾道ｄの形状、高さ、飛距離などによって適宜調整されうる。ＣＣＤカメラ２の地表ｇからの高さｈ２は、２〜２０ｍとされる。この高さは、着地後のボールｂを打撃位置ｐ１近傍から精度よく捉えるのに好適である。高さｈ２は、予想される弾道ｄの形状、高さ、飛距離などによって適宜調整されうる。
【００４６】
レーダ装置１は、打撃前において計測可能状態にセットされる。セットされた状態で打撃がなされると同時に、レーダ装置１は移動するボールｂを計測対象として自動認識し、ボールｂの計測を開始する。レーダ装置１は、計測可能領域内において移動しない物体には反応せず、移動する物体のみを計測対象として自動認識する。レーダ装置１にデータ取り込みのタイミングを制御するトリガー信号を与えることは不要である。
【００４７】
ＣＣＤカメラ２から取り込まれた画像データは、画像記録部（図示されない）に記録される。コンピュータ部３は画像記録部を有している。ＣＣＤカメラ２のデータ取り込みのタイミングは、トリガー部４（図１参照）により制御されている。トリガー部４は、計測開始信号としてのトリガー信号を発生させる。トリガー部４は、遮光性光学センサなどのセンサを備えている。このセンサは、打撃位置ｐ１の近傍に設けられ、ゴルフクラブの通過又は打撃されたボールｂの通過を検知するように構成されている。ボールｂの打撃が検知されると、画像記録部に対して記録の開始が指示される。ボールｂが打撃されてから着地位置ｐ２又は停止位置ｐ３に達するまでには所定の時間を要するので、打撃の検知から記録開始の指示までに適切な間隔をおくことが好ましい。そのためコンピュータ部３は、打撃検知から記録開始の指示までの時間を計測するカウンター（図示されない）と、上記カウンターによる計時に基づき、打撃検知から所定時間経過した後に画像記録部に記録の指示を与える記録制御部（図示されない）とを有する。
【００４８】
ＣＣＤカメラ２により得られた画像データから、停止位置ｐ３などの座標が得られる。コンピュータ部３は、ＣＣＤカメラ２の画像データに基づいて上記停止位置ｐ３の座標を算出するカメラ用演算部（図示されず）を有している。座標既知の基準点をＣＣＤカメラ２で撮影する等により、ＣＣＤカメラ２により得られた二次元画像上の位置と現実の座標位置との関連づけが可能である。カメラ用演算部は、ＣＣＤカメラ２により得られた二次元画像上の位置と現実の座標位置との関連づけに基づいて停止位置ｐ３の三次元座標を算出する。
【００４９】
前述した従来のＣＣＤカメラを用いた計測装置では、弾道ｄの計測をＣＣＤカメラで行っていたため、空が背景となることが避けられなかった。ボール計測装置１００では、空中における弾道ｄの計測はレーダ装置１が行うため、空を背景とする撮像が避けられうる。ＣＣＤカメラ２がボールｂを撮影する際の背景は地表ｇとなる。地表ｇを背景とした画像は、空を背景とした画像よりもボールｂを認識しやすい。そのため、ボール計測装置１００は、ＣＣＤカメラを用いる従来技術と比較して、天候の影響や明るさの影響を低減し、計測精度を向上させる。
【００５０】
ＣＣＤカメラ２により得られるボールｂの画像をより鮮明とするため、コンピュータ部３が画像処理手段を有していてもよい。この画像処理手段は、画像記録部に記録されている画像データをフレーム順に差分ピークホールド演算を行う。具体的には、各フレームメモリの画素のうち変化のあったピークの画素メモリのみをホールドし、変化のないメモリを消去する。ゴルフボール像は背景よりも白く、濃淡判定で最も白い部分となることから、この画像処理によって背景が消去され、ゴルフボール像のみが残存する画像データを生成することができる。
【００５１】
ボールｂと衝突するゴルフクラブヘッドやゴルフクラブシャフトなどは、レーダ装置１の計測可能領域内における移動物体となりうる。よってヘッドやシャフトもレーダ装置１に計測されうる。ボールｂ以外の移動物体（ヘッドなど）の計測データは、ボールｂのデータと区別される。ボール計測装置１００は、計測された移動物体のうちボールｂとボールｂ以外の物体とを区別する処理部（図示されない）を有している。処理部は、所定の弾道を描いて飛球するボールｂの特徴的な動きに基づいて、ボールｂ以外の移動物体とボールｂとを区別する。例えばゴルフクラブヘッドは、スイングされるゴルフクラブの動きに伴いほぼ円運動を行うのに対して、ボールｂは、ヘッドと衝突した後、ヘッドとは明らかに異なる方向及び速度で前方に打ち出される。よってボールｂの弾道ｄは、ヘッドと明らかに区別されうる。処理部は、ヘッドと衝突した直後のボールｂの特徴的な動きを認識しインパクトを判断する。インパクトと判断された時点におけるボールｂの三次元座標が弾道ｄの始点となる。レーダ装置１の計測可能範囲に虫や鳥などが飛行した場合、処理部は虫や鳥などと弾道ｄとを区別しうる。虫や鳥などの飛行軌跡は、通常、ボールｂの弾道ｄと明らかに異なった形状又は速度を有しているからである。処理部は、計測された移動物体のデータのうちボールｂのデータのみを区別し、選択する。処理部は、たとえば所定のソフトウエア、このソフトウエアを作動させるコンピュータ部３のＣＰＵ及びメモリを含む。処理部は、レーダ装置１内に設けられてもよい。処理部は、たとえば所定のソフトウエア、このソフトウエアを作動させるコンピュータ部３のＣＰＵ及びメモリを含む。
【００５２】
レーダ装置１による計測データに基づき着地位置ｐ２を認識させる場合、着地位置ｐ２は、ボールｂの速度が不連続的に変化する点として認識されうる。ＣＣＤカメラによる画像データに基づき着地位置ｐ２を認識させる場合、着地位置ｐ２は、地面ｇにバウンドした瞬間の点として画像的に認識されうる。停止位置ｐ３は、ボールｂの最終到達点として認識されうる。ボール計測装置１００は、ボールｂの速度変化又はや画像に基づいて着地位置ｐ２及び停止位置ｐ３を認識する認識部（図示されない）を有している。認識部は、たとえば所定のソフトウエア、このソフトウエアを作動させるコンピュータ部３のＣＰＵ及びメモリを含む。
【００５３】
レーダ装置１では、アンテナは回転することなく固定されている。レーダ装置１は弾道ｄの全体、着地位置ｐ２及び停止位置ｐ３が全て計測範囲内に収まりやすいように配置される。
【００５４】
レーダ装置１の計測可能領域の広さは、ビーム幅に依存する。ビーム幅内の移動物体は精度よく計測されうる。ビーム幅は、例えば電力の半値幅で表される。半値幅とは、発信アンテナから発信される電力が、レーダー正面で観測される最も強い値に対して半分に低下するまでの角度幅である。
【００５５】
レーダ装置１は、予想される弾道ｄの始点から終点まで（打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２まで）がビーム幅内に収まるように配置される。
【００５６】
レーダ装置１の水平方向のビーム幅θ１（図３参照）は、１０度以上９０度以下に設定されている。レーダ装置１の鉛直方向のビーム幅θ２（図２参照）は、１０度以上９０度以下に設定されている。ビーム幅θ１を１０度以上とすることにより、弾道ｄが左右に曲がった場合でも弾道ｄの全体をビーム幅内に収めやすくなる。より好ましくは、ビーム幅θ１は２０度以上とされる。ビーム幅θ１を９０度以下とすることにより、発信電波の過度の拡散が防止され、計測精度が高まる。より好ましくはビーム幅θ１は８０度以下とされる。
【００５７】
ビーム幅θ２を１０度以上とすることにより、計測可能な弾道ｄの範囲が広くなる。より好ましくは、ビーム幅θ２は２０度以上とされる。ビーム幅θ２を９０度以下とすることにより、発信電波の過度の拡散が防止され、計測精度が高まる。より好ましくはビーム幅θ２は８０度以下とされる。
【００５８】
図３に示すように、レーダ装置１のビーム幅θ１は、打撃位置ｐ１と目標位置ｔとを結ぶ直線Ｌに対してほぼ左右対称となるように配置されている。左右対称に配置されることは、弾道ｄの左右の曲がりに対する計測の許容度を高める。
【００５９】
レーダ装置の設置位置は特に限定されない。レーダ装置の設置位置は、図２のように打撃位置ｐ１の後方に限定されず、目標位置ｔの前方であってもよい。一のレーダ装置が打撃位置ｐ１側に設けられ、他のレーダ装置が目標位置ｔ側に設けられても良い。レーダ装置が打撃位置ｐ１と目標位置ｔとの中間位置に設けても良い。レーダ装置の設置台数は特に限定されない。
【００６０】
ＣＣＤカメラの設置位置は特に限定されない。ＣＣＤカメラの設置位置は、図２のように打撃位置ｐ１の後方に限定されず、目標位置ｔの前方であってもよい。一のＣＣＤカメラが打撃位置ｐ１側に設けられ、他のＣＣＤカメラが目標位置ｔ側に設けられても良い。ＣＣＤカメラが打撃位置ｐ１と目標位置ｔとの中間位置に設けられても良い。ＣＣＤカメラの設置台数は特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るボール計測装置の概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るボール計測装置におけるレーダ装置の配置を示す側面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るボール計測装置におけるレーダ装置の配置を示す平面図である。
【図４】図４は、受信アンテナを２台とした場合の、ボールの方位角に対する受信電力パターンを示すグラフである。
【図５】図５は、ボール計測装置の構成の一例を示す図である。
【図６】図６は、送信アンテナから送信される送信信号周波数と時間との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１・・・レーダ装置
２・・・ＣＣＤカメラ
３・・・コンピュータ部
５・・・送信アンテナ
６・・・受信アンテナ
１０・・・表示部
ｈ１・・・ミリ波レーダ装置の地表からの高さ
ｈ２・・・ＣＣＤカメラの地表からの高さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールの弾道や飛距離を計測するための装置、特にゴルフボールの弾道や飛距離の計測に好適なボール計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゴルフボールの弾道計測装置として、従来、ＣＣＤカメラを用いたものが提案されている。特開２００１−１４５７８号公報は、１台以上の最高点検出用のＣＣＤカメラと、１台以上の落下点検出用のＣＣＤカメラとを用いたボール弾道の計測装置を開示する。特開２００３−４２７１６号公報は、打撃位置の後方及び目標位置の前方に設置される少なくとも２台のＣＣＤカメラと、三角測量法的手法でボールの位置座標を演算する演算部とを備えるボール弾道計測措置を開示する。
【０００３】
また、特許第２９５３６７２号公報は、レーダを用いてゴルフボールの初速を測定し、測定されたボール初速からキャリー距離を推定するゴルフ装置を開示する。レーダを用いた計測装置は、物体までの距離や物体の速度などを検知する手段として利用されている。レーダの種類としては、レーザレーダやミリ波レーダなどが用いられている。このうちミリ波レーダは、雨や霧などの悪天候の影響を受けにくいため、いくつかの分野で利用される。特開２００４−２２７１１１号公報は、ミリ波レーダを用いて侵入者を検知するセキュリティシステムを開示する。特開２００２−２０７０７７号公報は、ミリ波レーダを用いて自車前方に位置する物体との距離を検知するレーダ手段を備えた自動車の走行支援装置を開示する。特開平１１−７２５５８号公報は、ミリ波レーダを用いて飛行体を着陸スペースに正確に誘導する際に使用する着陸誘導装置を開示する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４５７８号公報
【特許文献２】特開２００３−４２７１６号公報
【特許文献３】特許第２９５３６７２号公報
【特許文献４】特開２００４−２２７１１１号公報
【特許文献５】特開２００２−２０７０７７号公報
【特許文献６】特開平１１−７２５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
カメラで弾道を計測する計測装置は、雨や霧などの天候による影響や、明るさの影響を受けやすい。ミリ波レーダは、天候の影響をほとんど受けることのない計測を可能とする。更に、ミリ波レーダは、照明無しの状態で夜間に計測することを可能とする。しかし、単にミリ波レーダを用いることによっては、ボールの弾道や飛距離を精度よく計測できないことが判明した。
【０００６】
本発明の目的は、天候や明るさの影響を受けにくく且つ精度よく弾道計測が可能なボール計測装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るボール計測装置は、打撃位置から着地位置までのボールの弾道、着地位置及び停止位置を計測可能なボール計測装置であって、上記弾道の計測が可能で且つ少なくとも一つの送信アンテナと複数の受信アンテナとを備えたミリ波レーダ装置と、上記停止位置の計測が可能なＣＣＤカメラと、上記複数の受信アンテナにより受信された信号に基づいてボールの三次元座標を算出するレーダ用演算部と、上記ＣＣＤカメラの画像データに基づいて上記停止位置の座標を算出するカメラ用演算部とを有し、上記ミリ波レーダ装置と上記ＣＣＤカメラとは互いに異なる位置に設置されているボール計測装置である。
【０００８】
好ましくは、上記ＣＣＤカメラは、地表から２〜２０ｍの高さに設置される。好ましくは、上記ミリ波レーダ装置の水平方向のビーム幅は、１０度以上９０度以下に設定される。好ましくは、上記ミリ波レーダ装置の鉛直方向のビーム幅は、１０度以上９０度以下に設定される。
【発明の効果】
【０００９】
上記ボール計測装置は、天候や明るさの影響を抑えながら精度のよい弾道及び飛距離の計測を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係るボール計測装置１００の概略構成図である。ボール計測装置１００は、ミリ波レーダ装置１と、ＣＣＤカメラ２と、コンピュータ部３と、トリガー部４とを備える。ミリ波レーダ装置１はコンピュータ部３と直結されている。ＣＣＤカメラ２は、必要に応じてケーブル補償器（図示されず）を介しつつコンピュータ部３と連結されている。
【００１２】
図２及び図３は、打撃されるゴルフボールｂの弾道ｄと、レーダ装置１及びＣＣＤカメラ２との配置関係を示す図であり、図２は側面図、図３は上方から見た平面図である。打撃位置ｐ１に静置されたゴルフボールｂが図示されないゴルフクラブにより打撃されると、ゴルフボールｂは所定の弾道ｄを描いて飛ぶ。弾道ｄはボールｂの飛行中の軌跡である。弾道ｄの始点は打撃位置ｐ１であり、弾道ｄの終点は着地位置ｐ２である。着地位置ｐ２で着地したゴルフボールｂは、地表ｇをバウンドしつつ転がり、停止位置ｐ３で停止する。
【００１３】
ボール計測装置１００は、打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２までのボールｂの弾道ｄ、着地位置ｐ２及び停止位置ｐ３を計測可能である。ボール計測装置１００のうち、レーダ装置１は弾道ｄの計測を分担し、ＣＣＤカメラ２は停止位置ｐ３の計測を分担する。レーダ装置１は、打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２までの計測が可能である。レーダ装置１は弾道ｄの全体を計測する。複数のレーダ装置で分担して弾道ｄが計測されてもよい。ＣＣＤカメラ２は、停止位置ｐ３の計測を行う。ＣＣＤカメラ２が停止位置ｐ３に加えて着地位置ｐ２を計測してもよい。ＣＣＤカメラは複数であってもよい。ＣＣＤカメラ２が着地位置ｐ２から停止位置ｐ３までのボールｂの軌跡（バウンドや転がり）を計測してもよい。一のＣＣＤカメラが着地位置ｐ２を計測し、他のＣＣＤカメラが停止位置ｐ３を計測してもよい。
【００１４】
特に重要な計測項目は、弾道ｄ、キャリー及びトータルである。キャリーとは、打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２までの距離である。トータルとは、打撃位置ｐ１から停止位置ｐ３までの距離である。着地位置ｐ２から停止位置ｐ３までのボールｂの動きについては、計測項目としての重要性が比較的低い。本発明のボール計測装置は、着地位置ｐ２から停止位置ｐ３までのボールｂの動き（バウンドや転がりの軌跡）を計測対象から除外しうる。必須の計測項目は、打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２までの弾道ｄの軌跡と、着地位置ｐ２と、停止位置ｐ３である。もちろん、着地位置ｐ２から停止位置ｐ３までのボールｂの動き（バウンドや転がりの軌跡）が計測されてもよい。弾道ｄの計測結果は、具体的には所定時間おきに計測されたボールｂの各時刻における多数の三次元座標データの集合である。
【００１５】
なお、弾道ｄを２台以上のレーダ装置で分担して計測させる場合、複数のレーダ装置の計測可能範囲を少なくとも一部で重複させる。重複した計測可能範囲において弾道ｄが計測されることにより、複数のレーダ装置で得られた計測データが少なくとも一部で重複する。重複した計測データを利用して、一のレーダ装置の計測データと他のレーダ装置の計測データとをつなぎ合わせることができる。つなぎ合わされたデータに基づいて、一本の弾道ｄが描かれる。複数のレーダ装置の計測データをつなぎ合わせるデータ処理部を設けても良い。
【００１６】
レーダ装置１及びＣＣＤカメラ２は、それぞれ計測に適した位置に配置される。図２及び図３に示されるように、好ましくは、レーダ装置１は、打撃位置ｐ１の後方に配置される。レーダ装置１は、打撃位置ｐ１の近傍（例えば打撃位置ｐ１の横）に配置されてもよい。より好ましくは、レーダ装置１は、打撃位置ｐ１と目標位置ｔとを結ぶ直線Ｌ（図３参照）の後方延長線上近傍に配置される。ＣＣＤカメラ２は、打撃位置ｐ１の後方に配置される。ＣＣＤカメラ２は、打撃位置ｐ１の近傍に配置されてもよい。好ましくは、ＣＣＤカメラ２は、打撃位置ｐ１と目標位置ｔとを結ぶ直線Ｌの後方延長線上近傍に配置される。またＣＣＤカメラ２は、レーダ装置１よりも高い位置に配置されてもよい。ＣＣＤカメラ２は、レーダ装置１の上方に配置されてもよい。ＣＣＤカメラ２の光軸は、目標位置ｔ付近に向けられている。
【００１７】
レーダ装置１を打撃位置ｐ１の後方に設置する場合、レーダ装置１は打撃位置ｐ１から１〜１０ｍ後方に設置されるのが好ましい。打撃位置ｐ１との前後方向距離が１ｍ以上とされることにより、打撃位置ｐ１付近での計測可能範囲が拡大され、打ち出し角の変化が許容されやすくなる。打撃位置ｐ１との前後方向距離が１０ｍ以下とされることにより、ボールｂとレーダ装置との距離が近くなり、計測精度が高まる。
【００１８】
レーダ装置１と、打撃位置ｐ１と目標位置ｔとを結ぶ直線Ｌとの左右方向距離は０〜５ｍとされるのが好ましい。５ｍ以下とすることにより、直線Ｌに対してビーム幅が左右均等に配置されやすくなる。より好ましくは、レーダ装置１は直線Ｌの延長線上に配置される。
【００１９】
図５に示すように、レーダ装置１は、送信アンテナ５と受信アンテナ６とを有している。送信アンテナ５から発信された電波（パルス）がボールｂに当たり、ボールｂからの反射波を受信アンテナ６が受信する。受信アンテナ６により受信された信号（電波）に基づいて、ボールｂの三次元座標が算出される。ボールｂの三次元座標は、ボールｂの三次元方位や三次元速度などの三次元的情報に基づいて算出される。ボールｂの三次元座標は、レーダ用演算部１３により算出される。コンピュータ部３は、レーダ用演算部１３を備える。レーダ用演算部１３は、たとえば所定のソフトウエア、このソフトウエアを作動させるコンピュータ部３のＣＰＵ及びメモリを含む。レーダ用演算部１３は、レーダ装置１内に設けられてもよい。
【００２０】
レーダ用演算部１３は、ボールｂの反射波から得られた情報に基づき、ボールｂの各時刻における三次元座標を算出する。各時刻における三次元座標に基づいて得られたボールｂの弾道ｄが表示部１０に表示される。表示部１０の典型例は、モニタである。図１の実施形態では、コンピュータ部３が、表示部１０としてのモニタを備えている。表示部１０がコンピュータ部３とは別に設けられても良い。各時刻におけるボールｂの三次元座標が連続的にプロットされることにより、弾道ｄが描かれる。弾道ｄとして、例えば側面視（図２のように示される）の弾道ｄと平面視（図３のように示される）の弾道ｄとが描かれる。弾道ｄは、ほぼリアルタイムで表示される。
【００２１】
ボールｂの三次元的情報（三次元方位や三次元速度など）を得るためには、受信アンテナ（レシーバー）が複数必要である。このためレーダ装置１は、複数の受信アンテナを備えている。複数の受信アンテナ間での受信電波（受信信号）の相違に基づいてボールｂの三次元的情報が得られる。
【００２２】
ボールｂの三次元的情報からボールｂの三次元座標を得るための方法として、例えば以下の第一及び第二の方法がある。本発明では、下記の第一及び第二の方法がいずれも採用されうる。他の方法によりボールｂの三次元座標を得てもよい。
【００２３】
第一の方法は、ボールｂの三次元的情報としてボールｂの三次元方位を得るとともに、ボールｂとレーダ装置１との距離を得て、得られた三次元方位と距離とからボールｂの三次元座標を得る方法である。
【００２４】
第二の方法は、ボールｂの三次元的情報としてボールｂの三次元速度を得て、得られた三次元速度を逐次積分することによりボールｂの三次元座標を得る方法である。
【００２５】
ボールｂの三次元座標を得るために、複数台のレーダ装置を用いることが考えられる。レーダ装置１は、一台のレーダ装置１のみでボールｂの三次元座標を得ることが可能とされている。レーダ装置１に設けられた複数の受信アンテナは、一台のレーダ装置で三次元座標を取得することを可能とする。
【００２６】
ボールｂの方位を得るために、例えばモノパルス方式が採用されうる。モノパルス方式とすれば、一つの送信アンテナで広範囲の目標物（即ちボールｂ）の検知が可能となる。具体的には、ビーム幅（ビーム角とも称される）が１００度程度にまで広角とされうる。
【００２７】
異なる位置に配置された複数の受信アンテナにより目標物（ボールｂ）の方位の算出が可能となる。図４は、受信アンテナを２台とした場合の、ボールｂの方位角θに対する受信電力パターンを示す。図４中、「Ｓｕｍ」は、第一及び第二の受信アンテナに入力された信号の和信号のパターンを示し、「Ｄｉｆｆ」は、第一及び第二の受信アンテナに入力された信号の差信号のパターンを示す。特定の時刻に得られた受信波の和信号Ｐｓｕｍと差信号Ｐｄｉｆｆとから方位角θが特定される。
【００２８】
ボールｂの三次元方位を得るために、異なる２つの方向の方位角θが必要とされる。２つの異なる方向の方位角θを求めるためのレーダ装置として、第一の方向（例えば上下方向）の異なる位置に配置された受信アンテナと、第二の方向（例えば左右方向）の異なる位置に配置された受信アンテナとを有するレーダ装置が考えられる。この場合少なくとも３台の受信アンテナが必要とされる。送信アンテナは一台でもよい。以下、第一の方向を上下方向とし、第二の方向を左右方向とした場合が説明される。上下方向の異なる位置に配置された受信アンテナの受信信号に基づいて上下方向（鉛直方向）の方位角（即ち仰角）が得られる。左右方向の異なる位置に配置された受信アンテナの受信信号に基づいて左右方向（水平方向）の方位角が得られる。上下方向の方位角と左右方向の方位角とから、三次元方位が得られる。受信アンテナは４台であってもよい。４台の受信アンテナは、例えば上下方向に各１台設けられ、これらとは別個に左右方向に各１台設けられる。受信アンテナは５台以上であってもよい。
【００２９】
レーダ装置１とボールｂとの距離は、送信から受信までに要した時間に基づいて算出されうる。またレーダ装置１とボールｂとの距離は、同じ送信アンテナから送信された２種類の周波数の電波を複数の受信アンテナにより受信することによって得られうる。ボールｂの速度は、ドップラーシフトに基づいて算出されうる。
【００３０】
ボールｂの速度及びボールｂまでの距離を算出しうるボール計測装置の構成の一例が図５により示される。図５に示されるボール計測装置は、送信アンテナ１１、複数の受信アンテナ１２、レーダ用演算部１３、変調器１４及び発信器１５を有する。変調器１４からの変調信号に基づく発信周波数で発信器１５より発信されたミリ波帯の信号が送信アンテナ１１より放射される。ボールｂに反射して返ってきた電波信号は、受信アンテナ１２により受信される。
【００３１】
図５に示されるボール計測装置は、ミキサ回路１７と、アナログ回路１８と、Ａ／Ｄコンバータ１９と、ＦＦＴ処理部２０とを有する。受信アンテナ１２で受信された電波信号は、ミキサ回路１７で周波数変換される。ミキサ回路１７には、受信アンテナ１２で受信された電波信号に加えて、発信器１５からの信号が供給される。ミキサ回路１７は、受信アンテナ１２からの信号と発信器１５からの信号とをミキシングする。ミキシングにより発生する信号がアナログ回路１８に出力される。アナログ回路１８で増幅された信号はＡ／Ｄコンバータ１９に出力される。Ａ／Ｄコンバータ１９によりデジタル信号に変換された信号はＦＦＴ処理部２０に供給される。ＦＦＴ処理部２０は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ；Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を行う。高速フーリエ変換により、信号の周波数スペクトラムから振幅及び位相の情報が得られる。振幅及び位相の情報がレーダ用演算部１３に供給される。ＦＦＴ処理部２０から供給された情報から、レーダ用演算部１３はボールｂまでの距離とボールｂの速度を算出する。
【００３２】
ボールｂの速度（レーダ装置１とボールｂとの相対速度）は、ドップラーシフトを利用することにより算出されうる。ボールｂまでの距離（レーダ装置１からボールｂまでの距離）は、例えば２周波ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式を利用することにより算出されうる。
【００３３】
２周波ＣＷ方式の場合、発信器１５に変調信号が入力され、発信器１５は２つの周波数ｆ１、ｆ２を時間的に切り替えながら送信アンテナ１１に供給する。図６に示すように、送信アンテナ１１は２つの周波数ｆ１、ｆ２を時間的に切り替えながら発信する。送信アンテナ１１から発信された電波はボールｂで反射される。反射信号は複数の受信アンテナ１２で受信される。受信信号と発信器１５の信号とがミキサ回路１７で掛け合わされることにより、ビード信号が得られる。直接ベースバンドに変換するホモダイン方式の場合、ミキサ回路１７から出力されるビート信号がドップラー周波数となる。ドップラー周波数ｆｄは次の式（１）により得られる。
【００３４】
ｆｄ＝（２ｆｃ／ｃ）ｖ ・・・・ （１）
【００３５】
式（１）において、ｆｃは搬送波周波数であり、ｖは相対速度（即ちボールｂの速度）であり、ｃは光速である。それぞれの送信周波数における受信信号は、アナログ回路１８で分離復調され、Ａ／Ｄコンバータ１９でＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換で得られたデジタルのサンプルデータがＦＦＴ処理部２０で高速フーリエ変処理される。高速フーリエ変換処理により、受信されたビート信号の全周波数帯域での周波数スペクトラムが得られる。２周波ＣＷ方式の原理に基づいて、高速フーリエ変換処理の結果得られたピーク信号に対し、送信周波数ｆ１のピーク信号のパワースペクトルと、送信周波数ｆ２のピーク信号のパワースペクトルとが得られる。２つのパワースペクトルの位相差φからボールまでの距離Ｒが次の式（２）により算出される。
【００３６】
Ｒ＝（ｃ・φ）／（４π・Δｆ） ・・・・ （２）
【００３７】
式（２）において、ｃは光速であり、Δｆは（ｆ２−ｆ１）である。
【００３８】
以上のようにしてボールｂまでの距離とボールｂの三次元方位とを把握することにより、ボールｂの三次元座標が一義的に定まる。
【００３９】
前述したように、ボールｂの三次元速度を逐次積分することによりボールｂの三次元座標を算出することも可能である。ボールｂの三次元速度を得るためには、ドップラーシフトの原理が利用される。三次元速度を得るためには、受信アンテナを３つ以上設けるのがよい。好ましくは、全ての受信アンテナがレーダ装置１内に設けられる。３つ以上の受信アンテナは、それぞれ異なる位置に配置される。各受信アンテナは異なる位置に配置されているので、各受信アンテナとボールｂとの相対速度は個々に相違する。各受信アンテナとボールｂとの相対速度に基づき、ボールｂの三次元速度が算出される。三次元速度の積分は、レーダ用演算部によりなされる。積分により得られたボールｂの各時刻における三次元座標を連続的に表示することにより弾道ｄが描かれる。
【００４０】
レーダ装置１は、ミリ波レーダである。ミリ波レーダとは、ミリ波を用いたレーダシステムである。ミリ波とは、波長がミリメートル台の電波である。ミリ波の周波数は、３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚである。距離計測用レーダとして、ミリ波レーダやレーザレーダが知られているが、中でもミリ波レーダは、雨や霧の状態でもターゲット（即ちボール）を安定して捉えることができる。ミリ波レーダは、天候に左右されない計測を可能とする。ミリ波レーダは、照明無しでの夜間の計測を可能とする。
【００４１】
ボール計測装置１００において、レーダ装置１とＣＣＤカメラ２とは互いに異なる位置に設置される。位置を異ならせることは、より広い範囲における高精度の計測を可能とする。図２に示すように、レーダ装置１及びＣＣＤカメラ２は、例えば打撃位置ｐ１の後方に配置される。打撃位置ｐ１の後方への配置は、ボールｂの弾道ｄを広範囲に捉えやすくする。
【００４２】
レーダ装置を打撃位置ｐ１の近傍に設置した場合、停止位置ｐ３付近の計測が困難となりやすい。ボール計測装置１００は、計測をレーダ装置１とＣＣＤカメラ２に分担させている。レーダ装置１は、一台で弾道ｄの全て（打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２まで）を計測可能である。ＣＣＤカメラ２は、少なくとも停止位置ｐ３を計測する。レーダ装置１による計測データとＣＣＤカメラ２による計測データとを合わせると、打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２までのボールの弾道ｄと、着地位置ｐ２及び停止位置ｐ３の計測データが得られる。
【００４３】
図２の実施形態では、レーダ装置１とＣＣＤカメラ２とを打撃位置ｐ１側に配置している。これと異なり、レーダ装置１を打撃位置ｐ１側に配置し、ＣＣＤカメラ２を着地位置ｐ２側に配置してもよい。具体的には、例えばレーダ装置１を打撃位置ｐ１の後方に配置し、ＣＣＤカメラ２を停止位置ｐ３の前方に配置してもよい。
【００４４】
図２に示されるように、ＣＣＤカメラ２は、レーダ装置１よりも高い位置に設置される。比較的高い位置に設置されることにより、ＣＣＤカメラ２による停止位置ｐ３の計測が容易となる。レーダ装置１は、ＣＣＤカメラ２よりも低い位置に設置される。比較的低い位置に設置されることにより、弾道ｄの全体がレーダ装置１の計測可能範囲内に収まりやすくなる。
【００４５】
好ましくは、レーダ装置１の地表ｇからの高さｈ１（図２参照）は０〜５ｍとされる。この高さは、打撃位置ｐ１から飛球していくボールｂの弾道ｄをより広範囲に亘って捉えるのに有利である。高さｈ１は、予想される弾道ｄの形状、高さ、飛距離などによって適宜調整されうる。ＣＣＤカメラ２の地表ｇからの高さｈ２は、２〜２０ｍとされる。この高さは、着地後のボールｂを打撃位置ｐ１近傍から精度よく捉えるのに好適である。高さｈ２は、予想される弾道ｄの形状、高さ、飛距離などによって適宜調整されうる。
【００４６】
レーダ装置１は、打撃前において計測可能状態にセットされる。セットされた状態で打撃がなされると同時に、レーダ装置１は移動するボールｂを計測対象として自動認識し、ボールｂの計測を開始する。レーダ装置１は、計測可能領域内において移動しない物体には反応せず、移動する物体のみを計測対象として自動認識する。レーダ装置１にデータ取り込みのタイミングを制御するトリガー信号を与えることは不要である。
【００４７】
ＣＣＤカメラ２から取り込まれた画像データは、画像記録部（図示されない）に記録される。コンピュータ部３は画像記録部を有している。ＣＣＤカメラ２のデータ取り込みのタイミングは、トリガー部４（図１参照）により制御されている。トリガー部４は、計測開始信号としてのトリガー信号を発生させる。トリガー部４は、遮光性光学センサなどのセンサを備えている。このセンサは、打撃位置ｐ１の近傍に設けられ、ゴルフクラブの通過又は打撃されたボールｂの通過を検知するように構成されている。ボールｂの打撃が検知されると、画像記録部に対して記録の開始が指示される。ボールｂが打撃されてから着地位置ｐ２又は停止位置ｐ３に達するまでには所定の時間を要するので、打撃の検知から記録開始の指示までに適切な間隔をおくことが好ましい。そのためコンピュータ部３は、打撃検知から記録開始の指示までの時間を計測するカウンター（図示されない）と、上記カウンターによる計時に基づき、打撃検知から所定時間経過した後に画像記録部に記録の指示を与える記録制御部（図示されない）とを有する。
【００４８】
ＣＣＤカメラ２により得られた画像データから、停止位置ｐ３などの座標が得られる。コンピュータ部３は、ＣＣＤカメラ２の画像データに基づいて上記停止位置ｐ３の座標を算出するカメラ用演算部（図示されず）を有している。座標既知の基準点をＣＣＤカメラ２で撮影する等により、ＣＣＤカメラ２により得られた二次元画像上の位置と現実の座標位置との関連づけが可能である。カメラ用演算部は、ＣＣＤカメラ２により得られた二次元画像上の位置と現実の座標位置との関連づけに基づいて停止位置ｐ３の三次元座標を算出する。
【００４９】
前述した従来のＣＣＤカメラを用いた計測装置では、弾道ｄの計測をＣＣＤカメラで行っていたため、空が背景となることが避けられなかった。ボール計測装置１００では、空中における弾道ｄの計測はレーダ装置１が行うため、空を背景とする撮像が避けられうる。ＣＣＤカメラ２がボールｂを撮影する際の背景は地表ｇとなる。地表ｇを背景とした画像は、空を背景とした画像よりもボールｂを認識しやすい。そのため、ボール計測装置１００は、ＣＣＤカメラを用いる従来技術と比較して、天候の影響や明るさの影響を低減し、計測精度を向上させる。
【００５０】
ＣＣＤカメラ２により得られるボールｂの画像をより鮮明とするため、コンピュータ部３が画像処理手段を有していてもよい。この画像処理手段は、画像記録部に記録されている画像データをフレーム順に差分ピークホールド演算を行う。具体的には、各フレームメモリの画素のうち変化のあったピークの画素メモリのみをホールドし、変化のないメモリを消去する。ゴルフボール像は背景よりも白く、濃淡判定で最も白い部分となることから、この画像処理によって背景が消去され、ゴルフボール像のみが残存する画像データを生成することができる。
【００５１】
ボールｂと衝突するゴルフクラブヘッドやゴルフクラブシャフトなどは、レーダ装置１の計測可能領域内における移動物体となりうる。よってヘッドやシャフトもレーダ装置１に計測されうる。ボールｂ以外の移動物体（ヘッドなど）の計測データは、ボールｂのデータと区別される。ボール計測装置１００は、計測された移動物体のうちボールｂとボールｂ以外の物体とを区別する処理部（図示されない）を有している。処理部は、所定の弾道を描いて飛球するボールｂの特徴的な動きに基づいて、ボールｂ以外の移動物体とボールｂとを区別する。例えばゴルフクラブヘッドは、スイングされるゴルフクラブの動きに伴いほぼ円運動を行うのに対して、ボールｂは、ヘッドと衝突した後、ヘッドとは明らかに異なる方向及び速度で前方に打ち出される。よってボールｂの弾道ｄは、ヘッドと明らかに区別されうる。処理部は、ヘッドと衝突した直後のボールｂの特徴的な動きを認識しインパクトを判断する。インパクトと判断された時点におけるボールｂの三次元座標が弾道ｄの始点となる。レーダ装置１の計測可能範囲に虫や鳥などが飛行した場合、処理部は虫や鳥などと弾道ｄとを区別しうる。虫や鳥などの飛行軌跡は、通常、ボールｂの弾道ｄと明らかに異なった形状又は速度を有しているからである。処理部は、計測された移動物体のデータのうちボールｂのデータのみを区別し、選択する。処理部は、たとえば所定のソフトウエア、このソフトウエアを作動させるコンピュータ部３のＣＰＵ及びメモリを含む。処理部は、レーダ装置１内に設けられてもよい。処理部は、たとえば所定のソフトウエア、このソフトウエアを作動させるコンピュータ部３のＣＰＵ及びメモリを含む。
【００５２】
レーダ装置１による計測データに基づき着地位置ｐ２を認識させる場合、着地位置ｐ２は、ボールｂの速度が不連続的に変化する点として認識されうる。ＣＣＤカメラによる画像データに基づき着地位置ｐ２を認識させる場合、着地位置ｐ２は、地面ｇにバウンドした瞬間の点として画像的に認識されうる。停止位置ｐ３は、ボールｂの最終到達点として認識されうる。ボール計測装置１００は、ボールｂの速度変化又はや画像に基づいて着地位置ｐ２及び停止位置ｐ３を認識する認識部（図示されない）を有している。認識部は、たとえば所定のソフトウエア、このソフトウエアを作動させるコンピュータ部３のＣＰＵ及びメモリを含む。
【００５３】
レーダ装置１では、アンテナは回転することなく固定されている。レーダ装置１は弾道ｄの全体、着地位置ｐ２及び停止位置ｐ３が全て計測範囲内に収まりやすいように配置される。
【００５４】
レーダ装置１の計測可能領域の広さは、ビーム幅に依存する。ビーム幅内の移動物体は精度よく計測されうる。ビーム幅は、例えば電力の半値幅で表される。半値幅とは、発信アンテナから発信される電力が、レーダー正面で観測される最も強い値に対して半分に低下するまでの角度幅である。
【００５５】
レーダ装置１は、予想される弾道ｄの始点から終点まで（打撃位置ｐ１から着地位置ｐ２まで）がビーム幅内に収まるように配置される。
【００５６】
レーダ装置１の水平方向のビーム幅θ１（図３参照）は、１０度以上９０度以下に設定されている。レーダ装置１の鉛直方向のビーム幅θ２（図２参照）は、１０度以上９０度以下に設定されている。ビーム幅θ１を１０度以上とすることにより、弾道ｄが左右に曲がった場合でも弾道ｄの全体をビーム幅内に収めやすくなる。より好ましくは、ビーム幅θ１は２０度以上とされる。ビーム幅θ１を９０度以下とすることにより、発信電波の過度の拡散が防止され、計測精度が高まる。より好ましくはビーム幅θ１は８０度以下とされる。
【００５７】
ビーム幅θ２を１０度以上とすることにより、計測可能な弾道ｄの範囲が広くなる。より好ましくは、ビーム幅θ２は２０度以上とされる。ビーム幅θ２を９０度以下とすることにより、発信電波の過度の拡散が防止され、計測精度が高まる。より好ましくはビーム幅θ２は８０度以下とされる。
【００５８】
図３に示すように、レーダ装置１のビーム幅θ１は、打撃位置ｐ１と目標位置ｔとを結ぶ直線Ｌに対してほぼ左右対称となるように配置されている。左右対称に配置されることは、弾道ｄの左右の曲がりに対する計測の許容度を高める。
【００５９】
レーダ装置の設置位置は特に限定されない。レーダ装置の設置位置は、図２のように打撃位置ｐ１の後方に限定されず、目標位置ｔの前方であってもよい。一のレーダ装置が打撃位置ｐ１側に設けられ、他のレーダ装置が目標位置ｔ側に設けられても良い。レーダ装置が打撃位置ｐ１と目標位置ｔとの中間位置に設けても良い。レーダ装置の設置台数は特に限定されない。
【００６０】
ＣＣＤカメラの設置位置は特に限定されない。ＣＣＤカメラの設置位置は、図２のように打撃位置ｐ１の後方に限定されず、目標位置ｔの前方であってもよい。一のＣＣＤカメラが打撃位置ｐ１側に設けられ、他のＣＣＤカメラが目標位置ｔ側に設けられても良い。ＣＣＤカメラが打撃位置ｐ１と目標位置ｔとの中間位置に設けられても良い。ＣＣＤカメラの設置台数は特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るボール計測装置の概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るボール計測装置におけるレーダ装置の配置を示す側面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るボール計測装置におけるレーダ装置の配置を示す平面図である。
【図４】図４は、受信アンテナを２台とした場合の、ボールの方位角に対する受信電力パターンを示すグラフである。
【図５】図５は、ボール計測装置の構成の一例を示す図である。
【図６】図６は、送信アンテナから送信される送信信号周波数と時間との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１・・・レーダ装置
２・・・ＣＣＤカメラ
３・・・コンピュータ部
５・・・送信アンテナ
６・・・受信アンテナ
１０・・・表示部
ｈ１・・・ミリ波レーダ装置の地表からの高さ
ｈ２・・・ＣＣＤカメラの地表からの高さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
打撃位置から着地位置までのボールの弾道、着地位置及び停止位置を計測可能なボール計測装置であって、
上記弾道の計測が可能で且つ少なくとも一つの送信アンテナ及び複数の受信アンテナを備えたミリ波レーダ装置と、
上記停止位置の計測が可能なＣＣＤカメラと、
上記複数の受信アンテナにより受信された信号に基づいてボールの三次元座標を算出するレーダ用演算部と、
上記ＣＣＤカメラの画像データに基づいて上記停止位置の座標を算出するカメラ用演算部とを有し、
上記ミリ波レーダ装置と上記ＣＣＤカメラとは互いに異なる位置に設置されているボール計測装置。
【請求項２】
上記ＣＣＤカメラは、地表から２〜２０ｍの高さに設置されている請求項１に記載のボール計測装置。
【請求項３】
上記ミリ波レーダ装置の水平方向のビーム幅は、１０度以上９０度以下に設定されている請求項１又は２に記載のボール計測装置。
【請求項４】
上記ミリ波レーダ装置の鉛直方向のビーム幅は、１０度以上９０度以下に設定されている請求項１又は２に記載のボール計測装置。
【請求項１】
打撃位置から着地位置までのボールの弾道、着地位置及び停止位置を計測可能なボール計測装置であって、
上記弾道の計測が可能で且つ少なくとも一つの送信アンテナ及び複数の受信アンテナを備えたミリ波レーダ装置と、
上記停止位置の計測が可能なＣＣＤカメラと、
上記複数の受信アンテナにより受信された信号に基づいてボールの三次元座標を算出するレーダ用演算部と、
上記ＣＣＤカメラの画像データに基づいて上記停止位置の座標を算出するカメラ用演算部とを有し、
上記ミリ波レーダ装置と上記ＣＣＤカメラとは互いに異なる位置に設置されているボール計測装置。
【請求項２】
上記ＣＣＤカメラは、地表から２〜２０ｍの高さに設置されている請求項１に記載のボール計測装置。
【請求項３】
上記ミリ波レーダ装置の水平方向のビーム幅は、１０度以上９０度以下に設定されている請求項１又は２に記載のボール計測装置。
【請求項４】
上記ミリ波レーダ装置の鉛直方向のビーム幅は、１０度以上９０度以下に設定されている請求項１又は２に記載のボール計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−１０１３０４（Ｐ２００７−１０１３０４Ａ）
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９００２３（Ｐ２００５−２９００２３）
【出願日】平成１７年１０月３日（２００５．１０．３）
【出願人】（５０４０１７８０９）ＳＲＩスポーツ株式会社 (701)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月３日（２００５．１０．３）
【出願人】（５０４０１７８０９）ＳＲＩスポーツ株式会社 (701)
【Ｆターム（参考）】
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