基于激光測距原理的跳高測量系統開發

《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》指出，要在“十四五”時期實施青少年科學素質提升行動，激發青少年好奇心和想象力，增強科學興趣、創新意識和創新能力，培育一大批具備科學家潛質的青少年群體，為加快建設科技強國夯實人才基礎[1]。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》提出，要創新教學方式，以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用過程、計算思維過程和數字化工具應用過程，建構知識，提升問題解決能力[2]。在小學課程中開展主題式的多學科創新實踐活動，可以有效落實對學生核心素養的培養，為學生全面發展奠定堅實的基礎[3]。小學低段學生具有好奇心強、喜歡從身邊事物出發提出問題的特點。基于此特點，筆者從小學低段體育課跳高成績測量出發，創設真實情境，引導學生思考如何利用數學課、科學課所學內容解決現實問題，與學生共同完成基于激光測距原理的跳高測量系統開發。

問題的提出

不同于跳遠，原地垂直跳高的高度值是動態變化的，因此難以定點記錄，無法靜態通過米尺測量。

一種簡單的方法是將跳高轉換為摸高。在學生手上抹上石灰粉或顏料，起跳時在墻面上留下手印，通過計算起跳摸高的最高點痕跡和自然站立手臂上舉手掌位置的高度差，確定跳高高度。然而，緊貼墻面起跳會影響成績發揮，不易操作。同時，由于該方法需要在墻壁上留下痕跡，影響墻壁整潔美觀，不具備廣泛應用的可行性。

另一種方法是以高度標尺為背景，通過高速攝像機捕捉跳高瞬間畫面，找到跳高最高點對應的圖像，再運用事先標定好的圖像與高度標尺的對應關系，讀出跳高高度。然而，高速攝像機價格高昂，且高速攝像機與高度標尺系統的標定、布置對專業技術水平要求較高，不利于大規模推廣使用[4]。

因此，小學校園迫切需要一種原理簡單、成本低，易于布置和推廣的跳高測量系統。

研究意義

本文基于激光測距模組，構建了一套簡易跳高測量系統。該系統的工作原理簡單、成本較低，且與小學二年級數學課程中長度測量知識緊密結合，不僅在技術上具有創新性，還在教育、社會、科技推廣和健康促進等方面具有重要實踐意義，具體包括以下幾個方面。

一是將小學數學測量概念與現實生活結合，體現學科融合特點，提高學生解決問題的能力，激發學生科學創新興趣。

本研究從體育課程中的跳高練習出發，引導學生提出問題。與小學二年級正在學習的長度測量知識點密切結合，通過構思、搭建、調試該系統，加深學生對長度測量知識點的理解，提高學生的跨學科能力和用數學解決實際問題的能力。通過開發系統，學生不僅學習數學、科學、體育知識，還接觸、理解激光測量等現代科技，激發學生對科學技術的興趣。

二是準確監測學生運動狀態，促進學生體質提升。

通過精確的跳高測量，學生可以更好地了解自己的運動水平，有助于他們在體育活動中設定合理的目標，從而更積極地參與體育鍛煉，提高身體素質。準確的測量還可以幫助教師監測學生的運動狀態，及時調整訓練計劃，預防過度訓練或不當訓練引發的運動損傷。

三是操作便捷、成本低廉，為其市場化應用奠定了基礎，有助于促進教育公平，促進全民健身。

該系統利用激光測距儀的高精度、高效率的特點，能夠提供比傳統米尺等工具更準確的測量結果。同時，該系統調試簡單便捷，且物料成本控制在150元以內，在各級學校體育測試、家庭、社區中具有廣泛的應用潛力，有助于縮小教育資源差距，促進教育公平和全民健身。

系統工作原理

1.激光測距原理

激光具有指向性強、能量密度大的特點，非常適合進行絕對距離的測量。在測量方法方面，激光測距包括調幅、調頻和直接飛行時間法等。其中，直接飛行時間法屬于脈沖測距，抗陽光特性好，不受天氣、場景限制，更具大規模應用潛力。其工作原理是通過測量脈沖發出時間與被測物體反射回波的時間差，乘以光速，計算被測距離。具體的公式是[5]

L= c×t ÷2

其中，L是被測距離，c是光速，t是所測飛行時間，除以2是因為脈沖一去一回，完成了兩遍被測距離，如圖1所示。

近年來，隨著激光測距應用場景日趨多元，如智能駕駛信息采集、掃地機器人測距建圖、裝修室內空間測量等，激光測距模組技術已比較成熟。5米量程、厘米級精度的激光測距模組售價低于100元，具備大規模集成應用的可行性。

2.跳高測量原理

原地站立跳高測量的基本原理是測量自然站立時被測頭頂高度，即身高和原地起跳過程中被測頭頂最高高度，通過求差得出原地起跳高度。其難點是如何準確判斷并測量被測頭頂最高點。結合前文所述激光測距原理，利用其高速連續測量的特性，可以將激光測距模組懸于被測頭頂，記錄被測自然站立時頭頂高度，同時可以連續記錄起跳過程中頭頂距離激光模組的變化數據，最后通過篩選出最小值后求差，得出原地起跳高度數據。

如圖2所示，起跳高度H2=L2-L3。L1的測量可作為系統標定，確認距離測量系統是否正常工作。可以看出，該系統還有一個附加功能，就是人體身高測量即H1=L1-L2

圖2的下半部分為激光測距連續輸出結果的圖形化顯示，可以清晰地看出跳高的不同階段；利用其連續距離原始數據的圖形化顯示，可以判斷出波形數據的最小值就是跳高的最高值。

系統開發方案

根據上述工作原理，本跳高測量系統有如下部分組成：（1）三腳架L型支架；（2）激光測距儀（模組）；（3）數據轉接板；（4）計算機及數據顯示軟件。鏈接方式如圖3所示。

其中，三腳架L型支架的作用是將激光測距模組固定于懸空位置。激光測距儀提供激光測距功能，工作頻率為100Hz，其輸出接口為TTL電平串口。由于計算機沒有串口接口，因此需要用數據轉接板實現USB轉串口功能。計算機及程序提供原始數據顯示作用。

系統測試和結果分析

調試好系統后，進行了初步跳高測量實驗，實物系統如圖4所示，實驗步驟如下。

第一步，在三腳架L型支架上固定激光測距儀，鏈接數據轉接板。需要注意的是，如果使用金屬三腳架，需做好與電路板的絕緣處理，避免短路。

第二步，將三腳架固定在墻面，以實現垂直向下測量。

第三步，測量對地距離值，同時用米尺測量測距儀與地面的高度差，判斷系統是否工作正常，測距值是否準確。

第四步，被測人站立于跳高測量系統正下方，測量L2數據。

第五步，被測人原地起跳，觀察測距原始波形，判斷L3數據的極小值。

第六步，計算L3-L2，得到跳高值。

重復第四至六步5次，結果數據如表1所示。

經實驗驗證，該系統工作正常，可以有效實現跳高測量功能。

效果與評價

綜上，本文所述的跳高測量系統的工作原理和系統構成簡單，易于實施和推廣，具有測量準確、測量效率高、成本低廉的特點。結合小學二年級同期學習的長度測量知識，可以使學生更加深刻地理解長度測量原理，有助于提高學生解決實際問題的意識和能力。

但從實驗設計到真實產品，該系統的完成度還有待提高，如測距頻率目前只有100Hz，測量精度只有厘米量級，只能進行單點測量。后續可以考慮使用測距頻率更高、精度更高、多點測量的激光測距模組實現更高精度的測量。在智能化方面，也可以考慮利用大數據、云計算等技術，記錄學生身高、跳高信息，為學生體育鍛煉、生長發育提供教學應用支持。

參考文獻

國務院. 全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）[R]. 2021-06-25.

中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：4-11.

趙林林. 小學如何開展多學科創新實踐活動[J]. 北京教育（普教版），2018（6）： 85.

王建明，鐘建春，于亞光. 采用激光測距數據估計短跑步態和參數的方法[J]. 北京師范大學學報（自然科學版），2020，56（4）： 514-521.

陳羽. 高精度脈沖激光測距儀的研究[D]. 西安：西安工業大學，2014.