慣性傳感器在體育運動中的應用探究

尹 伊

（西安財經學院體育部，西安,710100）

慣性傳感器在體育運動中的應用探究

尹 伊

（西安財經學院體育部，西安,710100）

隨著傳感器技術的發展，傳感器向著體積微型化、無線網絡化、集成化與多功能化、智能化的方面發展，同時傳感器技術在體育運動中的應用也越來越多。本文分析了慣性傳感器的定義分類、慣性傳感器的工作原理及數據分析，并分析了其在體育運動中的應用。

慣性傳感器；MEMS；體育運動；研究

傳感器技術的迅速發展促進了工業設計系統的發展，使其得到了極大地進步，對于慣性傳感器來說，其應用前景更加廣闊，能夠改善系統的總體性能或者是功能，應用的領域很廣泛，慣性傳感器提供的運動信息非常可靠，不僅能改善系統的性能，而且還能夠提高可靠性和安全性并且降低成本。隨著科學技術日新月異的發展，體育運動中所使用的產品也正逐步向著高科技改變，傳感器技術在體育科技事業的應用也將越來越廣泛，只有不斷地采用新原理和新材料，研發出多功能的、高精度的、集成化的、智能化的新型傳感器，才能推進體育事業的快速發展，滿足運動員和教練員對于儀器的需要。

1 慣性傳感器定義及分類

慣性傳感器是檢測以及測量傾斜、加速度、沖擊、旋轉、振動、多自由度運動的一類傳感器，它是解決定向、導航、運動載體控制的重要部件。慣性傳感器分為角速率陀螺和線加速度計兩大類。角速率陀螺可分為機械式干式角速率陀螺﹑液浮角速率陀螺﹑半液浮角速率陀螺﹑氣浮角速率陀螺、撓性角速率陀螺、MEMS角速率陀螺﹑石英角速率陀螺、光纖角速率陀螺、激光角速率陀螺等、其中石英角速率陀螺包含半球諧振角速率陀螺等；線加速度計可分為機械式線加速度計、撓性線加速度計、MEMS線加速度計﹑石英線加速度計、石英撓性線加速度計等，其中石英線加速度計包含壓阻﹑壓電線加速度計。

2 慣性傳感器工作原理

2.1 角速率陀螺的工作原理

角速率陀螺的工作原理一般應用科里奧利力原理，它是對在旋轉體系中，進行直線運動的質點，由于慣性而相對于旋轉體系產生的直線運動偏移的一種描述。角速率陀螺的工作原理還有薩格納原理，也可以稱為薩氏效應，它一般應用在光纖角速率陀螺和激光角速率陀螺等，科里奧利力現象如圖1所示。

在本文中以MEMS角速率陀螺為例子，詳細介紹角速率陀螺科里奧利力原理，MEMS角速率陀螺是根據諧振器陀螺原理來工作，在其陀螺的內部有兩個多晶硅敏感結構，每個結構中都含有一個高頻振動的框架，這個框架由于靜電式地驅動而產生諧振，因此形成了必要的速率元件，當有角速率時，在正交于諧振運動的方向，就會產生科里奧利力，這個科里奧利力的大小與輸入的角速率成比例。框架的兩個外端分別有一個可動的指狀機械手，

與固定的指狀機械手三者之間組成一個電容式敏感結構，當敏感有輸入角速率時，就會按照科里奧利原理運動來產生電信號，這個電信號被信號處理電路如放大解調濾波信號處理電路，就會輸出正比于角速率的直流電壓信號，MEMS陀螺儀內部構造的傳感部分如圖2所示。

圖1 科里奧利力現象

如圖1所示，當圖中運動的物體M 沿X軸方向做周期性的振動或者是其他運動時，當物體M運動的同時，X軸和Y軸所組成的平面坐標系會繞Z軸做角速度為Ωz的旋轉運動，在這時，這個運動的物體M就會產生一個沿Y軸方向的科里奧利力，科里奧利力的計算公式如下所示：

F(t)= -2mΩz×X(t) (1)

在上面的計算公式（1）中，F(t)是科里奧利力，m是這個運動物體的質量，Ωz是平面坐標系旋轉的角速度，X(t)是這個運動物體的矢量速度。

圖2 MEMS陀螺儀內部構造的的傳感部分

2.2 線加速度計的工作原理

線加速度計的工作原理就是利用牛頓第二定律，即F=mA，牛頓第二定律適用于各種線加速度計。在本文中以撓性加速度計為例，詳細地介紹了線加速度計的工作原理。

撓性線加速度計的工作原理是將質塊（該質塊用合金制成的撓性桿支撐）置于供電線圈的磁場中，在沒有線加速度的情況下，該質塊處于中立的位置，在這時，輸出感應圈上的磁通量為零，也沒有輸出信號，在有正線加速度的情況下，根據牛頓第二定律F=mA，有正加速度A，就會產生正向力F，力和加速度成正比，力根據加速度的大小產生變化，當有力產生時，撓性桿上的質塊就會在力的作用下偏離中立地位置，輸出的感應線圈Ⅰ上的磁通量就會增加，感應線圈Ⅱ上的磁通量就會減小，輸出的感應線圈上總磁通量方向就是正方向，感應的輸出電壓或者是電流就會有對應的正加速度，當有負加速度時，過程也同上面一樣，感應輸出的電壓或者是電流經過放大解調濾波等信號處理電路，輸出正比于輸入加速度的直流電壓信號，線加速度計的信號檢測圖如圖3所示。

圖3 加速度計的信號檢測圖

3 慣性傳感器的數據處理

慣性傳感器的數據處理過程，以MEMS慣性傳感器的數據處理為例，進行詳細說明，其數據處理的過程主要包括對這些數據進行動作檢測、偏移量的更新、校準、傳感器的融合等，然后再將這些數據傳給外置的設備，最終外置接收器將數據映射為X和Y坐標軸數據，其數據處理過程如下圖4所示：

圖4 MEMS慣性傳感器數據處理流程

3.1 慣性傳感器動作檢測

在對傳感器數據進行處理之前，首先我們要判斷傳感器的運動是否處在工作區域，如果在，才會進行下一步的偏移量校準等，首先要將讀取到的數據緩存中的三軸MEMS加速度計和三軸MEMS陀螺儀數據進行融合，數據融合方法是基于分批估計理論的算法，對數據輸出的處理以加速度計為例，作如下處理：

設加速度計的輸出數據為X1，X2， X3，…，Xn，數據分為K批，每一批測量數據可記為Xp1，Xp2， Xp3，…，Xpn（p=1,2，…，k）。計算各批數據的算術平均值，記為，則

相應的標準差記為

由于每批的測量數據之間與測量的統計消息無關，鑒于此，在此之前測量結果的方差可以認為根據分批估計理論分批估計后數據融合結果如下：

根據數據融合算法公式，可以計算出融合后加速度計的數據。

計算所得的數據與設定的工作區的值進行比較，從而判斷出傳感器是否在工作，若小于，則不工作，若大于，則進行下一步的工作。

3.2 數據偏移量校準

由于MEMS陀螺儀固有的特性，隨著長時間的偏移會產生誤差，漂移量的數據的校準按如下步驟進行：

讀取偏移量的數據，建立一個3×3的方向矩陣A；獲取偏移向量根據計算公式計算得到旋轉偏移向量，因此將現在計算所得的偏移量與前面的偏移量數據累加求和，最后，在陀螺儀的有效數據中將偏移量的累加求和減去。

3.3 傳感器的融合

傳感器融合就是將從多個信號源處得到的信號整合到一起，得到一個單一的信號信息。陀螺儀和加速度計傳感器數據融合之后，數據就會按照原先設定的格式填充到數據包中，數據包發送后，可在主機端的外置接收器就會將相應的數據映射為X軸和Y軸的坐標數據。

4 慣性傳感器在體育運動中的應用

4.1 跳水現場應用

跳板或者是跳臺上裝入微型嵌入式MEMS加速度測試裝置，可以實時測量和采集分析跳水運動員壓板時侯其壓力的大小，在雙人跳板時還可以分析他們的動作是否同步。

4.2 舉重現場應用

杠鈴上安裝微型嵌入式MEMS加速度測試裝置，可以實時采集分析運動員在訓練時的發力時機、平均功率、最大功率、最大力、杠鈴和速度的空間位移，可以科學的指導運動員訓練。

4.3 體操現場應用

在體操的訓練中，可安裝微型嵌入式MEMS加速度測試裝置測量體操運動員觸板或者是觸器械時的加速度信號，從而得到出運動員的受力情況，這些數據可以分析該運動員發力時機和力量大小是否合理。

[1] 丁君.基于微慣性傳感器的姿態算法研究[D].上海交通大學,2013.

[2] 王艷秀.傳感器技術在體育領域的應用現狀與研究[J].當代體育科技,2013,34:179+181.

尹伊，女，1977.12，遼寧沈陽人，講師，碩士，工作單位，研究方向，體育教學與運動訓練

Research on Application of inertial sensor in sports

Yin Yi
(The Department of physical education of Xi'an Institute of Finance and Economics,Xi'an,710100)

With the development of sensor technology,micro sensor to volume,wireless networking,integration and multifunction,intelligent aspects of development,and application of sensor technology in sports more and more.This paper analyses the working principle and data definitions,inertial sensors of inertial sensors,and analyses its application in sports.

inertial sensor;MEMS;sports;research