賽艇船槳力學(xué)建模分析與測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

田 香，郭書軍

（北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100144）

0 引言

賽艇是一個(gè)多體相互作用的復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)技術(shù)的好壞體現(xiàn)在能否最有效地利用體能驅(qū)使船體前進(jìn)。運(yùn)用當(dāng)前先進(jìn)的傳感采集以及無線通信技術(shù)，能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集下來并進(jìn)行船槳力學(xué)建模分析，幫助運(yùn)動(dòng)員更好的訓(xùn)練。

本研究根據(jù)賽艇水上能力評(píng)價(jià)訓(xùn)練的信息化需求，設(shè)計(jì)基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的水上訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)，便于運(yùn)動(dòng)員和教練實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為評(píng)價(jià)提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

圖1 應(yīng)變片擺放圖Fig.1 Strain gauge placement

1 船槳力學(xué)建模

在賽艇運(yùn)動(dòng)過程中，存在多個(gè)力的共同作用，這些力來自于腳踏板、座椅、槳柄、槳板等。但是在運(yùn)動(dòng)員與賽艇之間，這些力多為內(nèi)力。雖然它們對(duì)于賽艇運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)分析是重要的，但是只有槳板與水的作用力，才能產(chǎn)生直接的前進(jìn)推力，推動(dòng)賽艇前進(jìn)。

1.1 船槳力概述

槳力是促使賽艇向前運(yùn)動(dòng)的主要因素。力是一個(gè)矢量，這意味著它既有方向也有大小。力的單位是牛頓（N）=kg×m/s2,代表1 牛頓力可以給1kg 物體1m/s2的速度。

在劃水運(yùn)動(dòng)中，船槳可以抽象成一個(gè)杠桿，槳栓是支點(diǎn)，所以槳板、槳柄、槳栓上的力是相互聯(lián)系的。運(yùn)動(dòng)中，槳板與水的作用點(diǎn)不固定，且與水接觸面積大小也不固定，這使得槳板與水之間的力測(cè)量的難度較大，且穩(wěn)定性差。本系統(tǒng)選取測(cè)量船槳與槳栓間的作用力，進(jìn)而通過力學(xué)模型推導(dǎo)出槳對(duì)船體的作用力。

1.2 船槳力測(cè)量

應(yīng)變片測(cè)量力的原理是：將應(yīng)變片貼在被測(cè)定物體上，它會(huì)隨著被測(cè)定對(duì)象的應(yīng)變一起伸縮，這樣使得應(yīng)變片里面的金屬箔材隨著應(yīng)變伸長(zhǎng)或縮短，通過測(cè)量應(yīng)變片的阻值變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)力的變化。本設(shè)備利用上述原理在槳柄上放置應(yīng)變片，用來測(cè)量船槳、槳栓間的作用力。

本設(shè)計(jì)中，在槳桿上相對(duì)的兩個(gè)方向分別擺放兩組應(yīng)變片，組成兩個(gè)惠斯通全橋電路，測(cè)量船槳由于劃動(dòng)而產(chǎn)生的應(yīng)變力，如圖1 所示。

兩組全橋電路，其測(cè)量的力角度如圖2（a）所示（另外3 組全橋電路分別與其成90°、180°、270°）。其中，力F1 和力F2 分別由兩組電橋采集測(cè)量所得，根據(jù)力的平行四邊形定則可以形成合力F12合。圖2（b）中合力F12合經(jīng)過平行四邊形定則分解后，分解出與船行進(jìn)方向平行的有效力F有用。

圖2 (a) 力的合成方向Fig.2 (a) Direction of force synthesis

圖2 (b) 合力分解圖Fig.2 (b) Resultant decomposition diagram

圖3 力的平面分解圖Fig.3 Flat breakdown of forces

力的平面解析圖如圖3 所示，船槳作用力的模型及力的計(jì)算公式如下：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)終端采用STM32 芯片作為核心處理器，外部由測(cè)力模塊、加速度測(cè)量模塊、無線通信模塊、電源模塊、鍵控模塊等組成。

圖5 測(cè)力模塊電路圖Fig.5 The circuit diagram of the force-measuring module

圖4 系統(tǒng)終端硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram of system terminal

當(dāng)啟動(dòng)按鍵觸發(fā)后，測(cè)力模塊以每秒10 次的頻率進(jìn)行采集，加速度模塊以每秒100 次的速率進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)送到服務(wù)器。當(dāng)按鍵被再次觸發(fā)時(shí)，傳感器停止數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。系統(tǒng)終端硬件框圖如圖4 所示。

2.1 船槳力測(cè)量模塊

測(cè)力模塊由惠斯通全橋電路、5V 電源、放大電路模塊組成。測(cè)力模塊電路圖如圖5 所示。

本系統(tǒng)在船槳上搭建兩組測(cè)力模塊。兩組測(cè)力模塊的輸出信號(hào)被主控模塊STM32 進(jìn)行ADC 采集。采集到的兩路電壓值，分別經(jīng)過電壓-壓力轉(zhuǎn)換得到壓力值后，帶入公式（1）中，計(jì)算其有用力。

2.2 加速度采集模塊

加速度模塊采用的是MPU6050，該模塊整合了六軸運(yùn)動(dòng)處理組件（三軸加速度和三軸陀螺儀）。與多組件相比，避免了加速度計(jì)和陀螺儀之間的時(shí)差問題，并為小型化設(shè)備提供了更優(yōu)化的選擇。

通過加速度模塊進(jìn)行角度采集。角度數(shù)據(jù)格式如表1所示。

根據(jù)公式（2）計(jì)算槳角pitch，并將角度代入公式（1）中計(jì)算槳力。

表1 角度數(shù)據(jù)格式Table 1 Angle data format

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要包括無線通信模塊的數(shù)據(jù)通信程序，加速度模塊的角度采集、計(jì)算程序、測(cè)力模塊程序、按鍵控制程序等。

系統(tǒng)上電后先進(jìn)行系統(tǒng)函數(shù)的初始化，包括時(shí)鐘配置，延時(shí)函數(shù)，ADC 采集端口初始化，調(diào)試程序時(shí)所需串口，以及加速度模塊等初始化。循環(huán)等待按鍵key 開始、結(jié)束采集信號(hào)。當(dāng)按鍵key 按下，主控模塊開始對(duì)測(cè)力模塊進(jìn)行ADC 數(shù)據(jù)集采，對(duì)加速度模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主控模塊將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算整合后通過無線通信模塊上傳至云端服務(wù)器。當(dāng)按鍵key 再次按下，主控模塊停止數(shù)據(jù)采集、無線模塊停止上傳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的程序如圖6 所示。

4 測(cè)試指標(biāo)及分析

本系統(tǒng)的終端設(shè)備安裝在賽艇船槳槳柄處，壓力傳感器安裝在槳柄與槳栓連接處，安裝實(shí)物圖如圖7 所示。測(cè)試中得到的典型測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖8 所示。劃槳周期可以采集到整個(gè)拉槳、回槳過程中各時(shí)間點(diǎn)的槳角、力量等數(shù)據(jù)，以便運(yùn)動(dòng)員賽后查看。

1）在槳葉入水后，拉力迅速上升，槳角值不斷增大，當(dāng)槳葉運(yùn)行至與賽艇相垂直時(shí)，拉力到達(dá)最大值。

2）回槳時(shí)，槳葉處于水面上方，沒有在水中產(chǎn)生前進(jìn)的推力，此時(shí)槳力相對(duì)平穩(wěn)較小。

圖6 硬件程序流程圖Fig.6 Hardware program flowchart

測(cè)試曲線符合賽艇劃槳的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)依據(jù)。教練與運(yùn)動(dòng)員通過查看運(yùn)動(dòng)后數(shù)據(jù)，了解自身技術(shù)特征，并作出有針對(duì)性的改進(jìn)，提高自身競(jìng)技水平。

圖7 測(cè)試安裝實(shí)物圖Fig.7 Test installation physical map

圖8 槳角、壓力曲線圖Fig.8 Oar angle, pressure graph