一種雪地賽道硬度檢測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏 欣，王志豪

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

高山滑雪比賽是冬季奧運(yùn)會(huì)上一項(xiàng)重要的比賽項(xiàng)目。在高山滑雪項(xiàng)目賽道制作實(shí)際應(yīng)用中，為了保證賽道的制作質(zhì)量，首先，制作者需要憑經(jīng)驗(yàn)用電鉆鉆入賽道，感受賽道的松軟度；其次，根據(jù)感受到的硬度，結(jié)合當(dāng)時(shí)的天氣情況，設(shè)定賽道的注水時(shí)間，將水注入賽道內(nèi)部20～40 cm處，使雪質(zhì)硬化，以保證雪道表面平整光滑，讓選手不論第幾個(gè)出場，雪道的狀態(tài)都是一樣相對完美的[1]。然而，賽道整個(gè)制作過程更多地是依靠人工經(jīng)驗(yàn)，不能對滑雪賽道的雪質(zhì)硬化的硬度情況進(jìn)行定量分析，無法保證所制作滑雪賽道硬度的一致性和科學(xué)性。

針對高山滑雪賽道施工驗(yàn)收檢測的需要，本文設(shè)計(jì)一種能檢測滑雪賽道縱剖面硬度的裝置。通過垂直鉆入賽道的探針式壓力傳感器，實(shí)時(shí)采集壓力值，根據(jù)壓力值的大小來反映賽道的硬度。該裝置提供了一種內(nèi)部硬度檢測的新方法，為高山滑雪賽道的制作提供了科學(xué)依據(jù)[2]。

1 檢測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

不同于傳統(tǒng)的金屬壓痕硬度測量方式，本文設(shè)計(jì)的雪地賽道硬度檢測裝置可以檢測賽道縱剖面不同深度的冰層硬度情況。測量時(shí)，探針式壓力傳感器垂直鉆入賽道，在鉆入的過程中實(shí)時(shí)采集壓力數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出和分析，從而計(jì)算出不同深度冰層的硬度值。硬度檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的冰狀雪賽道硬度探測裝置包括滑軌、云臺(tái)、壓力傳感器、探針等部分，如圖2所示，其中，1代表直流電機(jī)，2代表減速機(jī)，3代表平衡架，4代表滑軌，5代表支撐桿，6代表底座，7代表云臺(tái)，8代表壓力傳感器，9代表探針，10代表防偏導(dǎo)引板，11代表固定架，12代表頂片，13代表固定片，14代表云臺(tái)導(dǎo)向孔[3]。

裝置滑軌上安裝有云臺(tái)，如圖2(B)圖所示。云臺(tái)的上端安裝有壓力傳感器，用于攜帶壓力傳感器在滑軌上做上下垂直活動(dòng)；云臺(tái)的下端設(shè)置有云臺(tái)導(dǎo)向孔；探針活動(dòng)套接在云臺(tái)導(dǎo)向孔中。壓力傳感器通過螺絲安裝在云臺(tái)上。探針的頂端設(shè)置有固定片，固定片用于防止探針從云臺(tái)導(dǎo)向孔中脫落；壓力傳感器的下端安裝有頂片，固定片與頂片在同一直線上，拆解方便，可在實(shí)際應(yīng)用中更換型號(hào)，其頂片在正常情況下與探針的固定片不接觸，沒有外部力量作用在壓力傳感器上，減小誤差；工作時(shí)，云臺(tái)向下移動(dòng)，帶動(dòng)頂片和固定片接觸，并將探針頂向冰狀雪賽道[4]。賽道的硬度不同，頂片和固定片之間的壓力就發(fā)生變化，通過壓力傳感器將壓力數(shù)據(jù)采集出來。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)示意

整個(gè)裝置通過滑動(dòng)云臺(tái)運(yùn)動(dòng)將探針垂直壓入冰狀雪賽道中過提取壓入過程中的受力曲線，利用數(shù)值方法提取壓力傳感器承受的負(fù)荷力作為硬度值，以將測量冰狀雪賽道硬度的問題轉(zhuǎn)換為依據(jù)受壓曲線，提取壓力曲線的某幾個(gè)點(diǎn)作為賽道不同雪層的硬度值。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合完整的嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測量系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)

(1)核心控制模塊：選用STM32F103C8T6作為主控芯片，內(nèi)置12位高速模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC) ，能夠滿足壓力傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求。支持I2C，SPI，USART等通信協(xié)議，可方便、可靠地進(jìn)行各種數(shù)據(jù)交互。

(2)數(shù)據(jù)采集模塊：一般，雪地賽道的硬度值為200 N以內(nèi)，而測量中的賽道的測量精度要求達(dá)到1 N。設(shè)計(jì)時(shí)，采用蚌埠大洋傳感系統(tǒng)工程有限公司推出的稱重傳感器，最大量程為50 kg，綜合誤差為0.3% full scale，供電電壓5～15 V，輸出靈敏度為2.0 mV/V，能達(dá)到測量精度、量程的實(shí)際需求。

(3)數(shù)據(jù)輸出部分：能夠顯示當(dāng)前測量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

(4)運(yùn)動(dòng)控制部分：直流電機(jī)控制探針運(yùn)動(dòng)擠壓雪地賽道。

(5)數(shù)據(jù)通信接口：采用RS485通信方式，將裝置的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、無誤地傳給后臺(tái)測量系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)雪地硬度檢測儀的設(shè)計(jì)應(yīng)用需求，整個(gè)硬度檢測軟件包括：主程序、傳感器數(shù)據(jù)采樣、電機(jī)正反轉(zhuǎn)識(shí)別、液晶顯示、RS485通信、USB數(shù)據(jù)保存等。整個(gè)系統(tǒng)采用C語言模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，各功能模塊分別編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)和控制函數(shù)。硬度檢測設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)上電復(fù)位后，主函數(shù)先完成系統(tǒng)上電初始化過程，包括：STM32系統(tǒng)時(shí)鐘配置、各模塊硬件匹配的輸入輸出口(GPIO)管腳功能初始化配置、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊初始化、液晶顯示初始化以及串口工作方式的初始化[5]。

初始化完成后，識(shí)別探針式壓力傳感器的運(yùn)動(dòng)方向，在鉆入雪層的運(yùn)行過程中不斷采集傳感器信號(hào)，并實(shí)時(shí)將每次的測量結(jié)果顯示在液晶顯示器上。在完成一組檢測后，通過U盤將數(shù)據(jù)保存。

5 雪地賽道硬度的測定

項(xiàng)目組于2019年2月14日對亞布力滑雪場進(jìn)行踏勘，并對冰狀雪賽道進(jìn)行了雪坑剖面對照測量。在實(shí)際的情況下，由于探針式壓力傳感器存在位移波動(dòng)、采樣系統(tǒng)受溫度影響等因素的干擾，檢測數(shù)據(jù)的曲線不可能十分平滑，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)，實(shí)際的測量過程典型曲線如圖5所示。結(jié)合理論曲線，可以為實(shí)際測量曲線設(shè)定180 N的閾值，測量值超過180 N就是冰層，不到180 N為雪層。

圖5 冰狀雪賽道雪硬度實(shí)測曲線

6 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需求，基于嵌入式ARM硬件、軟件設(shè)計(jì)雪地賽道硬度檢測裝置，并開發(fā)賽道硬度分析軟件。實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和實(shí)地檢測的結(jié)果表明：該裝置結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、拆解方便、安裝簡單、便于雪地?cái)y帶和測量，可以對不同厚度的冰狀雪賽道進(jìn)行準(zhǔn)確測量，大大保證賽事公平性和安全性。