快速肢体运动测量模块设计与实现

2011-10-31 09:55:55来源: 互联网

  一.前言

  随着微机电系统(MEMS)的快速发展[1],人们已经将加速度传感器应用于体育运动之中,用于获取运动员的速度和力量等信息[2]。但是在高摆速运动场合,比如排球和小球运动员挥臂击球过程,足球运动员的射门过程等,还应用较少。本文提及的高摆速运动场合,无一例外地需要运动者将手臂(或足)或球拍在短时间内以爆发力的方式获得加速度,并且在击球时得到一个反向加速度。研究此过程的意义在于:1、运动员发力分析,可以评价运动的爆发力大小,获得定量的分析数据;2、可以测量出运动员的摆速,作为运动水平的评价参数之一;3、可以分析运动员的加速发力过程,判断发力的时机是否恰当,并纠正错误动作。

  最初人们利用摄影胶片摄取运动图像,然后逐张胶片进行处理,整个分析过程复杂、周期长、耗材价格高,而且无法得到击球时的受力情况。本文采用运动传感器和的无线芯片,设计出一种实用的运动员摆速测量装置,根据该装置,可以分析运动员的发力过程和击球瞬间的摆速值。

  二.加速度传感器的选型

  高摆速场合下应用G传感器需要考虑以下问题:1、实时性,由于运动是在短时间内瞬间完成,要求能够高速采样,实时处理;2、可靠性,因为在高摆速下击球瞬间,受到的冲击力较大,因此对系统的可靠性要求较高。具体体现在以下几点:一,对G传感器的最大检测G值有要求,人体的运动加速度幅度可高达±12G[3],一般而言,采用±10G的加速度传感器可以满足需要;二,对G传感器的检测轴向有要求,由于装配和实际使用的需要,最好选择Z向的G传感器;三、轻便性,要求整个系统重量轻,体积小,不会对运动带来影响;四、对传感器内部的采样率有要求,由于系统测量在瞬间完成(0.5秒内),因此希望内部采样率足够高,例如10KHz以上,这样才能够体现诸如小球运动中撞击瞬间受力情况。

  根据以上因素,考虑选用FREESCALE的MMA7261Q,MMA7261Q由表面微机械电容性传感单元(g单元)和一个CMOS信号调理的ASIC组成的单片集成电路。它可以模型化为两个静止的板中间夹一块活动的板[4],如图一所示。由于中间夹板的移动,导致上下电容值的变化,通过测量电容值可以确定中间夹板的移动,从而得出芯片所受到的加速度。

                 

                                        图一:简化的加速变换模型

  三.系统结构

  图二为发射系统框图,其中nRF24E1为NORDIC公司的整合有8051内核的2.4GHz RF收发器,具有10位速度高达100 kSPS的ADC[5]。整个系统可以采用一颗3V钮扣电池,例如CR2025(150mAh),在在以0DB功率发射情况下,可以连续使用8-9个小时。

                                   

                                     图二:测量系统发射端

  接收端亦采用nRF24E1,通过RS232连接到PC机(要求装有实时操作系统),由串口直接供电。

  考虑到本加速度测量系统的一次测量过程通常在0.5秒(甚至在0.1秒)之内完成,而且,在运动过程中的某些运动参数,可能需要更短的时间内来测量,例如乒乓球运动中,重量仅为2.5g,直径4.0cm球和球拍接角时间最短的仅为千分之一秒,因此要求有较高的采样率。MMA7261Q内部具有11KHz的采样模拟输出输出。

  nRF24E1的AD转换与CPU时钟/32同步(125到625kHz),每个时钟周期产生2位采样转换值,完全可以满足需要。在设计时,需要将AD采样率设置为大于10Ksps。

  四.测量流程

  在[6]中给出了手臂运动学模型。其中单手将刚体从某个方位移动到另一方位,此方位具有6个自由度:3个位移自由度和3个旋转自由度。实际中,需要对此作简化处理,将运动手臂或球拍考虑为在一个平面中进行,如果将传感器适当安装,使得其与运动方向始终垂直,则可以只考虑Z轴的加速度即可。

  系统的操作流程如下,上电启动后,先设置G传感器最大值为±10g,然后设置AD采样率和通道,并配置nRF2401子系统。为了简单起见,可以只检测Z向的加速度。启动发射之前,保持Gz=0约1秒钟,然后挥动手臂,则Gz>0,此时启动发射。一般而言,运动者一次挥臂时间会在0.3秒之内完成,因此只检测0.3秒,然后再次保持Gz=0约1秒钟,重新测量。图三为软件处理流程图。其中(a)为发射系统软件处理流程,(b)为发射子系统发射过程,(c)为接收子系统接收过程。

[1] [2]

关键字:肢体运动测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/1031/article_3825.html
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