基于3軸運(yùn)動(dòng)傳感器的標(biāo)槍軌跡測繪儀的設(shè)計(jì)

何航 徐霞 陳新 楊威 楊劍

摘 要：由于標(biāo)槍運(yùn)行過程中是一個(gè)多軸性旋轉(zhuǎn)體，針對標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)中標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)軌跡測量的難題，該文提出利用3軸運(yùn)動(dòng)傳感器mpu6050來測量標(biāo)槍的空中運(yùn)行軌跡。該文首先給出了對標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)的公式進(jìn)行推導(dǎo)，接著給出了標(biāo)槍軌跡測繪儀的硬件原理框圖，最后給出了軟件實(shí)現(xiàn)流程圖和實(shí)際測量的標(biāo)槍飛行過程中的俯仰角測試結(jié)果。該標(biāo)槍軌跡測繪儀在訓(xùn)練和教學(xué)中有良好的使用前景。

關(guān)鍵詞：標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)軌跡 3軸運(yùn)動(dòng)傳感器 mpu6050 標(biāo)定

中圖分類號：G80 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2813（2017）05（a）-0252-02

The Design of Javelin Trajectory Instrument 3 Based on Axis Motion Sensor

He Hang Xu Xia Chen Xin Yang Wei Yang Jian

（Hunan University of Humanities， Science and Technology， Loudi Hu`nan， 417000， China）

Abstract： Aimed at to solve the challenge of measure javelin trajectory， due to the flight process of Javelin is a multi-axial rotator. The paper proposes to take advantage of the three-axial motion sensor （mpu6050） to measure the javelin trajectory in the sky. Firstly， the thesisdeducted the formula on the Javelin movement.Nest the hardware functional block diagram for measuring theJavelintrajectory was offered. Last the paper show software flow chart and the javelin trajectory measure results which are linked to the actual measurement of the angle of pitch. The javelin trajectory measuring instrument has a good prospect in training and teaching process.

Key Words： Javelin trajectory； 3 axis motion sensor； Mpu6050； Calibration

標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)是一個(gè)比較復(fù)雜的多軸性旋轉(zhuǎn)項(xiàng)目，標(biāo)槍的投擲距離取決于多方面的因素，例如出手角度、速度、加速度、初始俯仰角速度等許多因數(shù)。目前對標(biāo)槍方面的研究主要集中在運(yùn)動(dòng)公式推導(dǎo)[1-2]、計(jì)算機(jī)仿真[3-4]、計(jì)算機(jī)有限元分析和計(jì)算[5-6]等方面，對標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)過程中的參數(shù)測量基本沒有涉及，而標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)過程中的參數(shù)最能體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員投擲過程中的實(shí)際情況。

該論文設(shè)計(jì)的目的就是對整個(gè)標(biāo)槍軌跡進(jìn)行跟蹤并描繪軌跡，對一些影響標(biāo)槍投擲距離的參數(shù)進(jìn)行測量與顯示。該項(xiàng)目可以有效解決在標(biāo)槍投擲運(yùn)動(dòng)過程中的參數(shù)測量中的難題，標(biāo)槍投擲運(yùn)動(dòng)過程中的參數(shù)可以在終端實(shí)時(shí)顯示與分析，給教學(xué)、訓(xùn)練和比賽分析帶來極大的方便，更好地指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)、訓(xùn)練和實(shí)踐。

1 標(biāo)槍的力學(xué)分析

如果不考慮空氣阻力、將標(biāo)槍簡化為理想物體。如圖1所示，假設(shè)出手速度為V0，出手角度為θ，標(biāo)槍的空中飛行距離S可以推導(dǎo)如下：

（1）

其中：X 為橫向距離，Y 為縱向距離，g 為重力加速度，t 為運(yùn)行時(shí)間。

理論上的最佳出手角度，由公式可知為45°，但是由于空氣阻力、標(biāo)槍自身的旋轉(zhuǎn)等因素，標(biāo)槍的最佳出手角度從30°～43°。

2 測繪儀原理

出手角度、速度、加速度、初始俯仰角速度和空中飛行姿態(tài)等對標(biāo)槍的投擲距離都起到至關(guān)重要的作用。目前市面上的標(biāo)槍飛行軌跡測量方法有如下幾種：（1）高速攝像與圖像處理方法。使用高速攝影機(jī)將標(biāo)槍的投擲過程進(jìn)行拍攝，可獲得標(biāo)槍的軌跡，出手角度等一些參數(shù)。該方法需要實(shí)現(xiàn)進(jìn)行標(biāo)定和校正等步驟，對使用人員技術(shù)水平要求較高等原因，目前保證訓(xùn)練、比賽和比賽節(jié)目轉(zhuǎn)播中很少使用。（2）傾角傳感器。傾角傳感器可以精確的測量物體的傾斜角度，但是標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)是一個(gè)比較復(fù)雜的多軸性旋轉(zhuǎn)項(xiàng)目，由于標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致參考坐標(biāo)系變化，傾角傳感器測量的角度不再是標(biāo)槍的傾角。

標(biāo)槍軌跡測繪儀的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中（1）CPU處理器；（2）六軸運(yùn)動(dòng)傳感器；（3）無線傳輸模塊；（4）電池；（5）標(biāo)槍本體；（6）標(biāo)定按鍵；（7）傾角傳感器；（8）標(biāo)槍放置孔槽；（9）標(biāo)定指示；（10）標(biāo)定裝置支架；（11）平行板；（12）水平調(diào)節(jié)螺栓。

該文提出使用多軸運(yùn)動(dòng)傳感器進(jìn)行標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)軌跡的測量。六軸傳感器是一種多軸運(yùn)動(dòng)處理組件，通過對x、y、z三個(gè)方向上的角速度、加速度進(jìn)行運(yùn)算得到四元數(shù)，最后通過矩陣計(jì)算并轉(zhuǎn)換為歐拉角，即被測物體當(dāng)前的姿態(tài)。將多軸傳感器與無線模塊整合在一起，安裝到標(biāo)槍上，多軸傳感器實(shí)時(shí)記錄下標(biāo)槍投擲運(yùn)動(dòng)過程中的參數(shù)變化，通過無線模塊傳輸?shù)絇C終端進(jìn)行軌跡描繪和參數(shù)顯示。

3 軌跡測繪儀硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，根據(jù)實(shí)際標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)軌跡測量的需求，測繪儀硬件設(shè)計(jì)包括低功耗單片機(jī)MSP430 F149，6軸運(yùn)動(dòng)傳感器mpu6050、nRF24L01無線模塊和標(biāo)定按鈕等。

為了滿足低功耗的需求，主控選擇了TI公司的MSP430F149，6軸運(yùn)動(dòng)傳感器選擇mpu6050，主控MSP430F149通過IIC總線與mpu6050通信。6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器是指集成了3軸陀螺儀傳感器和3軸加速度傳感器，通過讀取6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器的3軸角加速度和3軸加速度可以換算成四元數(shù)。四元數(shù)在飛行器制導(dǎo)與姿態(tài)控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。對標(biāo)槍的運(yùn)動(dòng)軌跡、加速度等數(shù)據(jù)通過無線傳輸方法實(shí)時(shí)輸出到電腦等終端，其中無線傳輸采用nRF24L01無線模塊，其傳輸距離100 m以上、功耗極低，完全可以滿足該設(shè)計(jì)的無線傳輸需求。標(biāo)槍上的標(biāo)定線與測繪儀標(biāo)定裝置支架上的標(biāo)線保持一致，標(biāo)定時(shí)保證標(biāo)槍的投擲前進(jìn)方向與標(biāo)槍標(biāo)定方向保持一致并保持水平，通過測繪儀上按鈕確定標(biāo)槍初始軌跡標(biāo)定過程。

4 軌跡測繪儀軟件設(shè)計(jì)

標(biāo)槍軌跡測繪的流程圖見圖3所示，在標(biāo)槍投擲前必須對標(biāo)槍進(jìn)行標(biāo)定，保證標(biāo)槍保持水平和投擲方向保持一致。

由于6軸運(yùn)動(dòng)傳感器直接讀取數(shù)據(jù)時(shí)噪聲大，需要進(jìn)行卡爾曼數(shù)字濾波以消除數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾的影響。通過電腦、手機(jī)等終端可以對無線模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，繪制成飛行軌跡圖，加速度變化圖，俯仰角變化圖等。用戶可以根據(jù)繪圖進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理，該功能對于平時(shí)的訓(xùn)練和比賽結(jié)果分析都有良好的效果。如圖4所示為兩次標(biāo)槍飛行俯仰角的測試曲線圖。

5 結(jié)論

6軸運(yùn)動(dòng)傳感器能測量標(biāo)槍飛行過程中的多個(gè)角度，包括俯仰角、旋轉(zhuǎn)角和偏移角，可以很好地描述標(biāo)槍飛行時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，表明了使用這種方法研究標(biāo)槍的飛行特性是可行的。相對其他測量方法，該方法簡便、成本低廉，適合訓(xùn)練和教學(xué)中使用，以便深入的研究標(biāo)槍出手參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡與投擲距離之間的關(guān)系，為有效提高標(biāo)槍投擲成績提供技術(shù)指導(dǎo)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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