快速肢體運(yùn)動測量模塊設(shè)計與實現(xiàn)

一．前言

　　隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的快速發(fā)展[1]，人們已經(jīng)將加速度傳感器應(yīng)用于體育運(yùn)動之中，用于獲取運(yùn)動員的速度和力量等信息［2］。但是在高擺速運(yùn)動場合，比如排球和小球運(yùn)動員揮臂擊球過程，足球運(yùn)動員的射門過程等，還應(yīng)用較少。本文提及的高擺速運(yùn)動場合，無一例外地需要運(yùn)動者將手臂(或足)或球拍在短時間內(nèi)以爆發(fā)力的方式獲得加速度，并且在擊球時得到一個反向加速度。研究此過程的意義在于：1、運(yùn)動員發(fā)力分析，可以評價運(yùn)動的爆發(fā)力大小，獲得定量的分析數(shù)據(jù)；2、可以測量出運(yùn)動員的擺速，作為運(yùn)動水平的評價參數(shù)之一；3、可以分析運(yùn)動員的加速發(fā)力過程，判斷發(fā)力的時機(jī)是否恰當(dāng)，并糾正錯誤動作。

　　最初人們利用攝影膠片攝取運(yùn)動圖像，然后逐張膠片進(jìn)行處理，整個分析過程復(fù)雜、周期長、耗材價格高，而且無法得到擊球時的受力情況。本文采用運(yùn)動傳感器和的無線芯片，設(shè)計出一種實用的運(yùn)動員擺速測量裝置，根據(jù)該裝置，可以分析運(yùn)動員的發(fā)力過程和擊球瞬間的擺速值。

　　二．加速度傳感器的選型

　　高擺速場合下應(yīng)用G傳感器需要考慮以下問題：1、實時性，由于運(yùn)動是在短時間內(nèi)瞬間完成，要求能夠高速采樣，實時處理；2、可靠性，因為在高擺速下?lián)羟蛩查g，受到的沖擊力較大，因此對系統(tǒng)的可靠性要求較高。具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：一，對G傳感器的最大檢測G值有要求，人體的運(yùn)動加速度幅度可高達(dá)±12G［3］，一般而言，采用±10G的加速度傳感器可以滿足需要；二，對G傳感器的檢測軸向有要求，由于裝配和實際使用的需要，最好選擇Z向的G傳感器；三、輕便性，要求整個系統(tǒng)重量輕，體積小，不會對運(yùn)動帶來影響；四、對傳感器內(nèi)部的采樣率有要求，由于系統(tǒng)測量在瞬間完成(0.5秒內(nèi))，因此希望內(nèi)部采樣率足夠高，例如10KHz以上，這樣才能夠體現(xiàn)諸如小球運(yùn)動中撞擊瞬間受力情況。

　　根據(jù)以上因素，考慮選用FREESCALE的MMA7261Q，MMA7261Q由表面微機(jī)械電容性傳感單元(g單元)和一個CMOS信號調(diào)理的ASIC組成的單片集成電路。它可以模型化為兩個靜止的板中間夾一塊活動的板[4]，如圖一所示。由于中間夾板的移動，導(dǎo)致上下電容值的變化，通過測量電容值可以確定中間夾板的移動，從而得出芯片所受到的加速度。

                                        圖一：簡化的加速變換模型

　　三．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖二為發(fā)射系統(tǒng)框圖，其中nRF24E1為NORDIC公司的整合有8051內(nèi)核的2.4GHz RF收發(fā)器，具有10位速度高達(dá)100 kSPS的ADC［5］。整個系統(tǒng)可以采用一顆3V鈕扣電池，例如CR2025(150mAh)，在在以0DB功率發(fā)射情況下，可以連續(xù)使用8-9個小時。

                                     圖二：測量系統(tǒng)發(fā)射端

　　接收端亦采用nRF24E1，通過RS232連接到PC機(jī)（要求裝有實時操作系統(tǒng)），由串口直接供電。

　　考慮到本加速度測量系統(tǒng)的一次測量過程通常在0.5秒(甚至在0.1秒)之內(nèi)完成，而且，在運(yùn)動過程中的某些運(yùn)動參數(shù)，可能需要更短的時間內(nèi)來測量，例如乒乓球運(yùn)動中，重量僅為2.5g，直徑4.0cm球和球拍接角時間最短的僅為千分之一秒，因此要求有較高的采樣率。MMA7261Q內(nèi)部具有11KHz的采樣模擬輸出輸出。

　　nRF24E1的AD轉(zhuǎn)換與CPU時鐘/32同步(125到625kHz)，每個時鐘周期產(chǎn)生2位采樣轉(zhuǎn)換值，完全可以滿足需要。在設(shè)計時，需要將AD采樣率設(shè)置為大于10Ksps。

　　四．測量流程

　　在[6]中給出了手臂運(yùn)動學(xué)模型。其中單手將剛體從某個方位移動到另一方位，此方位具有6個自由度：3個位移自由度和3個旋轉(zhuǎn)自由度。實際中，需要對此作簡化處理，將運(yùn)動手臂或球拍考慮為在一個平面中進(jìn)行，如果將傳感器適當(dāng)安裝，使得其與運(yùn)動方向始終垂直，則可以只考慮Z軸的加速度即可。

　　系統(tǒng)的操作流程如下，上電啟動后，先設(shè)置G傳感器最大值為±10g，然后設(shè)置AD采樣率和通道，并配置nRF2401子系統(tǒng)。為了簡單起見，可以只檢測Z向的加速度。啟動發(fā)射之前，保持Gz=0約1秒鐘，然后揮動手臂，則Gz>0，此時啟動發(fā)射。一般而言，運(yùn)動者一次揮臂時間會在0.3秒之內(nèi)完成，因此只檢測0.3秒，然后再次保持Gz=0約1秒鐘，重新測量。圖三為軟件處理流程圖。其中(a)為發(fā)射系統(tǒng)軟件處理流程，(b)為發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射過程，(c)為接收子系統(tǒng)接收過程。

　　接收到數(shù)據(jù)后，通過串口輸入到PC內(nèi)部，由PC端軟件進(jìn)行處理。

                                                         (a)

                            (b)                                                                     (c)

圖三  軟件處理流程

　　五數(shù)據(jù)處理

　　圖四為某位業(yè)余乒乓球愛好者揮臂擊球過程的曲線擬合圖，圖中的極值點(diǎn)是球與球拍接觸造成，可以看出乒乓球?qū)η蚺漠a(chǎn)生的瞬間沖擊力。根據(jù)此圖，可以較容易地采用Trapezoid方法來求出運(yùn)動者的最大擺速和擊球時的擺速。

                                         圖四 加速度測量結(jié)果

　　六．總結(jié)

　　快速肢體運(yùn)動在體育運(yùn)動界備受關(guān)注，但長期以來都是借助高速攝像進(jìn)行研究，其成本高，且無法分析運(yùn)動者的受力狀況。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于，采用高速采樣的加速度傳感器和射頻芯片進(jìn)行快速肢體運(yùn)動的速度和力量數(shù)據(jù)采集，所設(shè)計的系統(tǒng)采用元件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)簡潔，成本低廉，采樣速率可達(dá)到10Ksps以上，且功耗低，可以同時分析運(yùn)動者的速度和力量狀況，適合于在各種小球運(yùn)動及其他體育運(yùn)動項目中的快速肢體運(yùn)動測量。