花樣競技跳繩計數裝置

馬慶修 龍海珠 黃穩城 鄧德才

摘要：在跳繩運動中，計數大部分采用人工或機械結構的形式，兩種方式存在人員消耗大，成本貴，計數誤差大，不夠便捷等問題。隨著跳繩智能化和信息化的發展，擬采用慣性傳感器技術設計一款智能計數器。通過慣性單元對跳的狀態進行判斷，確定是否為有效的跳動，核心控制單元進行解算，從而將所獲得的跳繩次數顯示在OLED上，實現跳繩計數的智能化，設計的裝置結構簡單、體積小，計數高效、誤差小等優點。

關鍵詞：跳繩;智能計數器;慣性單元;高效

近幾年來，人們對健康和運動越來越重視，跳繩運動對人體的好處頗多，同時對場地的要求又不高，因此成為人們受歡迎的運動之一。目前的跳繩考試大多數依然采用人工計數的方式，計數時不僅存在誤差，而且每個運動員都需要一個人在旁為其計數，效率較低。因此實現跳繩計數的高效率成為人們迫切需要解決的問題之一。電子跳繩計數器的發展已有30多年的歷史，計數的精度和穩定程度作為衡量電子計數器性能的重要指標[1]。跳繩計數器由一開始結構簡單、方便，計數較為準確的跳繩自動計數裝置，到具有雙繩遙控控制，可計時、計數、智能制動和終端保護且可以單、雙繩切換的雙繩聯動跳繩[2]，以及具有趣味性且環保的集計數裝置、照明裝置、音樂播放裝置和顯示裝置于一體的自發電跳繩[3];再到如今采用無線通信，增加無線傳輸距離和組網規模，實現50人在無人工計數的情況下同時考試，且能夠單機工作和聯網工作的智能跳繩測評系統[4]。電子跳繩計數器隨著電子技術的發展而取得不斷的進展，其應用仍在不斷的擴大。

為了滿足人們在進行跳繩運動時能夠擁有一款體積小，攜帶方便，計數精準的智能跳繩計數器的需求，設計一款具有定時功能的智能跳繩計數裝置，用戶可用該計數裝置輕松方便地進行跳繩跑步運動，亦可根據自己的喜好設定運動時間，當時間到達設定值時發出提示響聲，實現定時、規律的運動生活。此裝置的設計可以改善傳統計數誤差大、效率低的缺點，很好地為健身房、學校、跳繩比賽這些場合提供應用。

1 計數裝置設計思路

采用STM32F103VET6作為中央控制器，用戶在開始使用時通過按鍵選擇運動類型以及設置好運動時間，當用戶在開始運動，MPU6050六軸加速度傳感器獲取運動者當前X、Y、Z這三個方向的加速度以及角度的信號;所獲取的加速度與角度信號通過IIC總線傳輸到中央控制器，算法分析得出運動者跳繩次數，實現計數功能，跑步/跳繩次數以及運動時間通過OLED顯示，當時間到達設定值時，蜂鳴器發出響聲功能。系統總體設計框圖如圖1所示：

2 計數裝置硬件設計

2.1數據采集單元設計

用MPU6050傳感器模塊收集使用者的加速度數據，MPU6050慣性傳感器集成了3軸陀螺儀傳感器和3軸加速度傳感器，以數字形式輸出6軸的旋轉矩陣、四元數和歐拉角格式的融合演算數據[5]。MPU6050傳感器的檢測軸及方向如圖2所示，加速度的值Va=V2x+V2y+V2z。

通過傳感器的Pin3和Pin4分別連接到STM32中的PB6和PB7達到傳送時鐘和數據作用，采用的是STM32自帶的IIC外射功能實現MPU605模塊與STM32單片機的總線通信[6]，單片機從傳感器中讀取加速度數據。

2.2 硬件電路圖

硬件電路由OLED液晶顯示部分、MPU6050慣性傳感器部分、核心處理器部分組成，電路結構簡單，具體硬件如圖3所示。

3 動態閾值法

設計中使用動態閾值方法來監控使用者在跳繩或跑步過程中的加速度的值，經過一系列分析、計算從而調整閾值的大小。

通過實際測試跳繩10次數據時產生的加速度變化值，將上限閾值設置為0.2，下限閾值設置為-0.2。當STM32中接收到一次上限閾值與一次下限閾值時，即視為產生一次有效數據，即記數加一。當數據產生較大波動時，程序會根據波動的變化大小動態產生相對應的閾值。閾值改變以后有效數據的標準將會被改變。通過適當調整閾值，就可以使數據的采集變得更加準確，大大減小了計數誤差。

4 測試結果與分析

分別在不同的運動狀態、不同的運動類型，獲得實際的測試數據，如表1所示。

分析總結：對上述的三個表格的測試數據可以看出在同一種狀態下，運動類型為跑步效果比跳繩的要好;不同狀態時在跳繩過程中將計數器固定在手上的狀態是最好的。跑步時將其固定在腳上的狀態是最好的。但是無論是測試跳繩狀態還是跑步狀態，都存在一定的誤差，本裝置的計數誤差控制在10%左右，誤差來源可能有：在進行跑步和跳繩的過程中動作過快，導致加速度的采集存在一定的誤差;MPU6050傳感器在采集加速度和角度時存在一定的誤差;電路中不可避免存在一些噪聲導致產生一定的誤差。

5 總結

設計的硬件電路簡單體積小，用戶進行運動時，可以將計數器固定在手上、腳上或者肩上，按照使用者的意愿選擇運動類型和定時功能進行運動，最大程度地滿足用戶的健身意愿需求。實際測試數據表明，該裝置能夠在一定程度上減小計數誤差，裝置不僅適用于健身房、學校、跳繩比賽這些場合，也適用于個人平時鍛煉所用，具有一定的實際工程應用價值。

參考文獻：

[1]陳冬冬.基于電子計數器測量周期的誤差分析[J].信息系統工程，2016（04）：27.

[2]常豐田，陳文超，馬勛舉，王汝家.雙繩聯動跳繩機的結構與功能設計[J].機電技術，2013，36（04）：57-59.

[3]郭藝璇，唐玉儒，王慧，李世偉.淺談一種自發電跳繩[J].科技創新與應用，2014（33）：46.

[4]羅云.智能跳繩測評系統的設計與實現[D].重慶理工大學，2017.

[5]李臣龍，強俊.基于STM32和MPU6050姿態解算的研究與實現[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2017，35（02）：295-298+316.

[6]郭海麗.基于STM32的自平衡小車系統設計[J].設備管理與維修，2019（10）：144-145.