基于加速度傳感器的跳傘安全裝置設計研究

趙 炯，屈劍平，朱海濤，張根雷

（同濟大學機械工程學院機械電子研究所，上海 201804）

0 引言

安全性一直是跳傘運動中最令人關注的問題，由于跳傘過程中會受到風速氣流等各種天氣因素影響，再加上跳傘運動員當時的身體狀況，心理素質［1］以及跳傘經驗等非自然因素，就可能導致降落傘無法順利打開，引起跳傘事故。故而，如何保證降落傘及時打開就成了安全跳傘的關鍵所在。

考慮到跳傘過程中隨著降落高度的變化所引起的人體加速度的變化，可以利用加速度傳感器設計出一種新穎的跳傘安全裝置，間接測量出跳出飛機后人體的下落高度，當檢測到下降高度達到了危險設定值時，如果發現仍沒有打開降落傘，則自動彈出傘包打開降落傘，達到減速下落的目的，保證人身安全。本文主要介紹了該裝置的設計原理和結構。

1 跳傘安全裝置的結構和原理

1．1 跳傘安全裝置的結構

跳傘安全裝置包括電控和機械2個子系統。電控系統包括0gn加速度傳感器、微處理器、電機驅動和外圍電路，構成高度檢測的核心控制系統。機械系統是自行設計的彈簧插銷彈出系統。

彈出系統是一種輕便簡單的機械裝置，如圖1所示，包括直流電機、彈簧插銷和滑輪。其中，質量塊和彈簧固連在一起;插銷通過軟繩連接在電機主軸上，軟繩1經過定滑輪;直流電機固連在外殼上;鉤環固連在壓緊彈簧的質量塊上，鉤環栓結軟繩2，軟繩2另一端和阻力傘相栓連，阻力傘位于傘包底部，如圖2所示，只要拉出阻力傘，就可以彈出降落傘。

圖1 彈出裝置Fig 1 Ejection device

圖2 阻力傘Fig 2 Resistance parachute

當電機收到信號開始轉動，電機主軸轉動，繞緊繩索將插銷拉出，彈簧將物塊彈出，從而拉出阻力傘，阻力傘鼓風膨脹展開，達到彈出降落傘的目的。

1．2 跳傘的物理運動過程

運動員從飛機機艙跳出到完成著陸，從物理上可以分為4個階段，如圖3所示，圖3（a）運動員跳出機艙，豎直初速度為0，以重力加速度gn=9．8 m/s2下落;圖3（b）隨著下落速度增加，空氣阻力增加，速度逐漸減小;圖3（c）當重力和空氣阻力達到二力平衡，運動員達到“終點速度”，約60 m/s;圖3（d）到達預定高度，打開降落傘，空氣阻力增大，減速下降，落地時速度約5 m/s。

圖3 降落的各個物理狀態Fig 3 Various physical states of falling

本文利用加速度傳感器對物體下落的距離進行檢測。檢測過程為:a．當運動員在飛機水平飛行時，豎直加速度為0，故而從飛機上跳下時，可以通過加速度傳感器檢測出加速度由0瞬變到9．8m/s2，然后開始計時;b．由位移—時間關系，經過一定時間后，可以計算出運動員下降的距離，當到達設定的下降距離時，檢測裝置檢測是否已打開降落傘，如果沒有，則自動打開，保證跳傘安全。檢測過程的框圖如圖4所示。

由圖4可以看出:精確測量預定時間值是決定安全裝置測量高度可靠性的關鍵因素。下面就對跳傘的物理過程進行分析，以獲得預定時間的準確值。

圖4 檢測原理框圖Fig 4 Block diagramof measurement theory

1．3 物理運動過程的分析

在實際跳傘運動中，由于空氣阻力，跳傘運動員在打開降落傘之前并不是做自由落體運動。在運動員不斷下落的過程中，其下落速度逐漸增加，因而所受到的空氣阻力FD也不斷增加。所以，根據牛頓第二定律，有

式中m為運動員及其裝備的整體質量;a為下落的瞬時加速度;FD為空氣阻力;FG為運動員及其裝備的整體所受重力。

由于在地表附近，任何自由落體的加速度約為9．8 m/s2，與其質量無關。由式（1）可以看出:隨著空氣阻力FD增大，最終運動員將會達到一個“終點速度”（terminal velocity），約為56 m/s。達到該“終點速度”受很多因素影響，如，質量、風阻系數、地球表面的位置、足夠的下落高度等。

將式（1）變形，代入阻力和重力具體參數，得到方程

其中，ρ為空氣密度，大氣空氣密度約為1．22 kg/m3;CD為風阻系數，跳傘運動員的風阻系數在1．1～1．3;A為跳傘運動員整體橫截面積;v為下落的瞬時速率。

在空氣密度一定的情況下，運動員從一定高度由靜止下落，速率方程為

其中，υ∞為“終點速度”;gn為重力加速度，9．8 m/s2。由上面的分析可知，達到“終點速度”的條件是

則位移—時間關系為

其中，h為跳傘高度;y為瞬時高度。

通常，跳傘高度大約為3000 m左右，跳傘達到的“終點速度”v∞約為56 m/s，地表重力加速度gn=9．8 m/s2，代入式（6）得

相應位移—時間曲線如圖5所示。

圖5 位移—時間圖像Fig 5 Displacement-time graph

例如:在跳傘運動中，若要求運動員在離地面高度760 m時必須打開降落傘，則v=760，代入式（7），得到降落到760 m時間t=43．96 s。即，從3000 m高度跳下后，當加速度傳感器檢測到加速度變為0時開始計時，計時到43．96 s時打開降落傘，開始安全減速下降。

1．4 加速度傳感器的配置和使用

要使用加速度傳感器，必須對它進行配置，主要涉及的寄存器有控制寄存器，狀態寄存器，數據輸出寄存器及中斷相關寄存器。

1）控制寄存器

控制寄存器CTRL-REG1控制傳感器的模式和X，Y，Z三軸的啟動。為了啟動設備讀取加速度數據必須寫入CTRL-REG1值 0xC7=0b10100111（正常模式，640 Hz，3 軸啟動）來啟用X，Y，Z3個通道。

表1 控制寄存器CTRL-REG1Tab 1 Control register CTRL-REG1

［PD1:PD0］:00為掉電模式，默認;1x或x1為正常模式［DF1:DF0］:從00 到11 分別對應512，128，32，8，也對應了抽取頻率40，320，640，2560 Hz。

控制寄存器CTRL-REG2用于配置量程和數據格式等;控制寄存器CTRL-REG3用于配置外部時鐘等。

2）讀取加速度值

使用狀態寄存器STATUS-REG（27 h）

表2 狀態寄存器STATUS—REGTab 2 Status register STATUS—REG

比特位ZYXOR置位表示X，Y，Z軸中有數據溢出;比特位ZOR，YOR，XOR置位分別表示Z，Y，X軸數據溢出;比特位ZYXDA置位表示X，Y，Z軸數據就緒;比特位ZDA，YDA，XDA置位分別表示Z，Y，X軸數據就緒。所以，讀取狀態寄存器，就可以判斷數據是否就緒。讀取加速度值序列如下:

a．讀狀態寄存器STATUS-REG，若STATUS-REG位3等于0，表示數據未就緒，則返回第1步;

b．若STATUS-REG位7等于1，表示數據已有溢出，可以讀取;

c．讀X軸數據輸出寄存器OUTX-L和OUTX-H值，由于每軸數據由2個8位寄存器OUTx-L和OUTx-H組成，故需要讀取2個寄存器獲得一個維度的加速度;然后讀取Y，Z軸數據輸出寄存器OUTY-L，OUTY-H，OUTZ-L，OUTZ-H;

d．根據讀到的數據，判斷加速度是否為0;

e．返回第1步。

通過檢查第2步就可以知道數據產生與讀取速度是否匹配，如果所有數據被讀取且此時新數據還沒有產生，則覆蓋位xOR會自動清除。

在第1步中，使用“數據就緒”信號來判斷是否有新數據可讀。該傳感器利用HW信號（RDY信號，引腳6）判斷新一組數據是否就緒。該信號以STATUS-REG寄存器位3為代表。當所有通道的高位數據被讀取后該信號由高變為邏輯0。必須將 CTRL-REG2設為 xxxx01xx才可以使用RDY信號。

另外，為了保證一次性讀取完整數據，要使用塊數據更新特性。設置CRTL-REG2的BDU（Block Data Update）位為1，防止通道高（低）位未讀取完畢而低（高）位已經更新為新數據，從而保證一個完整數據的順利讀取。

3）理解加速度數據

控制寄存器CTRL-REG2的DAS位設定數據是12位（0）或16位（1）模式。

12位模式:右對齊，最有意義位代表符號位;

16位模式:左對齊，低位保存在OUTX-L中且可能是隨機值。

關于大小尾的選擇，控制寄存器CTRL-REG2的BLE位清零（默認）為小尾。

那么，根據上述設置就可以判斷數據寄存器的數據格式。當在12位模式下，OUTX-H的XD15～XD12位等于位XD11的值。

表3 OUTX-H寄存器Tab 3 Register OUTX-H

在16位模式下，執行左對齊，最右（低）4位為隨機值。下面舉個例子，若在小尾（little-endian）且為12位模式下（BLE=0，FS=2gn）:

經計算:

0x166 對應十進制358，即350 mgn;

0x400 對應十進制1024，即1gn;

0xE9A對應十進制－358，即－350 mgn。

2 仿真結果與分析

由于在3000m以下，大氣密度相對變化較小，而人體的風阻系數和截面積相對固定，所以，影響本安全裝置的主要因素即為跳傘對象的體重。本文使用Matlab平臺，估算不同體重運動員跳傘的打開時間。采用風阻系數CD=1．2，大氣密度1．22kg/m3，人體截面積 0．5 m2，跳傘高度3000m，降落傘打開高度設定760m，測試對象體重60～80 kg，利用Matlab繪制降落傘打開前經過的時間，如圖6所示。

圖6 不同體重對象的跳傘打開時間Fig 6 Parachute opening time vs different weight object

可以看出:體重和時間基本保持線性關系。即在跳傘前，根據跳傘對象的體重，可以準確地設定跳傘安全裝置的打開時間，保證在到達指定高度時，能夠打開降落傘，避免發生跳傘事故。

3 結論

傳統跳傘的安全裝置是使用高度計測量高度，高度計是利用不同高度氣壓高低不同的原理來測算高度的，受天氣影響大，如果氣壓影響因素變化大，需要不斷對高度計進行校正，對高度的測量不夠簡單可靠。

本文提出的安全裝置是利用下落時間來測量下落高度，受外界影響主要是來自空氣阻力，而空氣阻力的不確定性僅僅只受風阻系數CD的影響，人體風阻系數相對固定，所以，整個測量過程受外接影響小，故而時間的測量也是精確可靠的。所以，可以使用本文敘述的跳傘安全裝置作為現有跳傘安全的附加裝置，能夠大大加強跳傘的安全性。

［1］ 李 敏，汪 濤．跳傘應激對傘兵心理情緒的影響［J］．中國臨床康復，2005，40（9）:36 －37．

［2］ 博文網．跳傘運動全接觸［DB/OL］．［2010—10—12］．http:∥entertainment．bowenwang．com．cn/skydiving．htm．

［3］ 王立鼎，羅 怡．中國MEMS的研究與開發進程［J］．儀表技術與傳感器，2003（1）:1－3．

［4］ 余 莉，史獻林．牽頂傘在降落傘拉直過程中的作用［J］．南京航空航天大學學報，2009，41（2）:198－201．

［5］ 孫大君．對“自由落體運動”問題的再認識［J］．大學物理，2005，24（1）:25 －27．

［6］ Sloss A N．ARM嵌入式系統開發—軟件設計與優化［M］．沈建華，譯．北京:北京航空航天大學出版社，2005．

［7］ Wikipedia．空氣［DB/OL］．［2012—07—16］．http:∥zh．wikipedia．org/wiki/空氣．