壓電傳感器在射擊輔助訓練系統(tǒng)中的應用

蘇圓 莊建軍 李雅婷 余颯爽 楊詩宇 武秀峰 鄒鳴

摘? 要： 為準確掌握運動員訓練時手部的動作情況，研究和設計一種射擊輔助訓練系統(tǒng)。該系統(tǒng)以聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電薄膜為傳感器，STM32F103C8T6為控制核心，配以放大電路、濾波電路和無線傳輸模塊，用以捕捉射擊運動員擊發(fā)瞬間手部施加在槍體接觸面的壓力波形，并將該信號通過藍牙傳輸至手機端APP，在APP中完成壓力波形的顯示、存儲、計算和分析。經模擬測試，該系統(tǒng)可以實時記錄擊發(fā)瞬間手部相關位置施加的壓力波形，為教練員實施精確的個性化指導提供客觀依據(jù)。

關鍵詞： 射擊訓練; PVDF壓電薄膜; 系統(tǒng)設計; 藍牙傳輸; 模擬測試; 精確指導

中圖分類號： TN384?34; TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）06?0001?04

Application of piezoelectric sensor in assistant shooting training system

SU Yuan1， ZHUANG Jianjun1， LI Yating1， YU Sashuang1， YANG Shiyu1， WU Xiufeng1， ZOU Ming2

（1. Nanjing University， Nanjing 210023， China; 2. Nanjing Forestry Police College， Nanjing 210023， China）

Abstract： An assistant shooting training system is studied and designed to accurately master the athletes′ hand movements during training. In the system， the polyvinylidene fluoride （PVDF） piezoelectric film is taken as sensor， STM32F103C8T6 is used as the control core， to which the amplifier circuit， filter circuit and wireless transmission module are equipped， so as to capture the pressure waveform of the shooter′s hand imposing on his gun′s contact surface at the moment of shooting. The pressure waveform signal is transmitted to mobile App through Bluetooth， and the display， storage， calculation and analysis of the pressure waveform are completed in the App. The simulation testing results show that the system can record the pressure waveform generated at the relevant position of the hand at the moment of firing in real time， and provide objective basis for coaches to implement the precise personalized guidance.

Keywords： shooting training; PVDF piezoelectric film; system design; Bluetooth transmission; simulation test; precise guidance

0? 引? 言

1984年洛杉磯奧運會，許海峰在男子手槍60發(fā)慢射項目上奪得新中國第一枚奧運金牌。此后，我國運動健兒在多項國際射擊比賽中取得了驕人的成績，中國逐漸成為世界射擊運動高水平國家之一。在項群訓練理論中，射擊屬技能類表現(xiàn)準確性運動項目，外在表現(xiàn)并不復雜，但動作的精細程度、動作穩(wěn)定性和一致性方面是其他任何項目所不具備的，由于其“重里不重表”的特點使射擊運動的選材難度之大可謂“眾項”之首。任何外部因素，如各持槍位置的施力情況、槍體的晃動幅度及心率調節(jié)能力等都會影響運動員的發(fā)揮[1]。

目前，射擊訓練主要依賴于教練的主觀經驗，只限于定性的分析，缺乏系統(tǒng)化、數(shù)據(jù)化的訓練指導，遠不能滿足射擊運動員評價和選材的需要。一些定量研究主要通過運動影像、激光瞄準、表面肌電圖、高速錄像、平衡測量、高速紅外掃描等方法分析運動員肌肉活動狀況、動作結構、瞄準軌跡晃動規(guī)律、身體重心穩(wěn)定等情況[2]。但是，射擊運動技術尤其對于高水平運動員，動作精細、重復性高、一致性強，一些運動學參數(shù)的常規(guī)技術診斷測量比較得到的數(shù)據(jù)和信息往往相當有限，難以通過單一的比較法來發(fā)現(xiàn)其中可能存在的問題[3]。

自1969年日本研究者Kawai發(fā)現(xiàn)了極化后的聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）具有良好的壓電特性以來[4]，國際上就開始對其深入研究，相應產品也已經應用在各個領域[5]。理論和事實說明，與常規(guī)的技術診斷方法相比較，PVDF壓電薄膜傳感器從靈敏度、快速反饋等方面都有它獨到的優(yōu)勢。本文以PVDF薄膜壓電傳感器為核心，設計了一款配合手機端使用的射擊輔助訓練系統(tǒng)，可在射擊過程中實時監(jiān)測感知手部持槍部位的壓力變化，并通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸給手機終端。終端APP軟件把日常訓練中的運動員手部持槍部位的壓力波形記錄下來，并在終端產生清晰的數(shù)據(jù)曲線，計算并分析運動員擊發(fā)時手部的發(fā)力特征。將客觀數(shù)據(jù)轉變成直觀的界面，并對有效信息進行儲存，使之與射擊成績進行比對。借助該系統(tǒng)，教練員可以發(fā)現(xiàn)問題，給予運動員更明確的針對性指導，設計個性化的訓練方案，幫助運動員提高成績。

1? PVDF壓電薄膜

PVDF主要是指偏氟乙烯與其他含氟乙烯基單體的共聚體或者偏氟乙烯均聚物[6]，其壓電常數(shù)大，靈敏度高，動態(tài)靈敏度系數(shù)K=32.83 pC/N，長度百萬分率變化，線性度好，質輕柔軟，阻抗與人體皮膚接近，有頻響寬（0～500 MHz），對動態(tài)應力非常敏感，是良好的機電轉換元件，適合于人體皮膚生命信號監(jiān)測，廣泛用于醫(yī)學和仿生領域[7?8]。在無外電場、有外力施加的情況下PVDF壓電薄膜出現(xiàn)極化現(xiàn)象，故而可以通過檢測壓電薄膜的電荷量來獲取施加的外力。選用LDT1?028K薄膜作為本設計的壓電傳感器，鉚接在薄膜上的雙導線引出信號，經調理電路處理后，可以得到所需的壓力信號。

2? 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，分下位機和上位機兩個部分。下位機以壓力傳感器和微控制器為核心，配以其他硬件電路，實現(xiàn)信號的采集、處理和傳輸，上位機是在Android手機平臺上開發(fā)的APP專用軟件，實現(xiàn)壓力信號的顯示、存儲、分析，兩者之間通過藍牙模塊進行數(shù)據(jù)通信。下位機包括模擬和數(shù)字兩部分，其中，模擬部分涉及壓力信號的采集、放大和濾波等模塊，數(shù)字部分即為單片機及其周圍輔助電路。單片機對模擬壓力信號進行模/數(shù)轉化后通過串口傳給藍牙模塊，接著與手機自帶的藍牙進行通信。上位機可以實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)SQLite存儲、壓力波形顯示等功能。

3? 系統(tǒng)硬件設計

硬件電路的設計是整個系統(tǒng)的基礎和決定性部分，包括模擬和數(shù)字部分。模擬部分包括壓力信號采集、放大和濾波等模塊，數(shù)字部分即為單片機及其周圍輔助電路和藍牙模塊。實際應用中PVDF薄膜內阻較大，輸出的是強噪聲環(huán)境下的極微弱的模擬信號，不便于后續(xù)傳輸處理。必須設計精密的硬件電路進行前置放大、濾波、數(shù)字處理等。系統(tǒng)硬件實物圖如圖2所示。

3.1? 前置放大電路

PVDF薄膜上雙導線引出的壓電信號需要首先經過放大處理，要求前置放大電路輸入阻抗高、輸出阻抗低、增益穩(wěn)定、精度高、共模抑制比高且電壓穩(wěn)定。綜上分析，前置放大電路中需要設計兩級，分別實現(xiàn)放大信號和穩(wěn)定電壓的功能。為此，選用OP07作為前置電荷放大器的核心器件。OP07是美國Texas Instruments公司推出的一款運算放大芯片，低靜態(tài)電流、低成本、體積小、精度高，非常適合于高增益測量設備和微弱信號放大傳感的便攜式應用。

前置放大電路第一級采用電荷放大模式的電路設計。放大器由反饋電容Cf和一個高增益運放構成，本質上是一個積分電路，把PVDF壓電傳感器輸出的電荷在積分電容Cf上積累，并以電壓的形式輸出，此方式可以直接得到外力隨時間變化的情況。該電荷放大模式的電路設計頻帶寬，靈敏度高，信噪比高，電路簡單并能實現(xiàn)較高的放大增益，對于載荷變化的響應時間短且工作狀態(tài)穩(wěn)定。

經過第一級放大電路，PVDF薄膜傳感器產生的微弱電荷信號能夠轉換成具一定信噪比和抗干擾能力的電壓信號。為了滿足后續(xù)處理中對信號大小的不同要求，需要在第一級放大后再接一級電壓放大器。為了防止傳感器過載時，產生過高的電壓，需要在集成運放輸入端加上由保護二極管構成的過載放大保護電路。前置放大電路如圖3所示。

3.2? 濾波電路

PVDF壓電傳感器采用前置放大電路從微弱電荷信號放大成電壓信號的過程中，難免會引入噪聲，比如環(huán)境噪聲、集成運放內部噪聲、元器件噪聲、引線噪聲等。其中50 Hz工頻干擾是此實驗信號采集過程的主要干擾。為了將引入系統(tǒng)中的噪聲有效去除，需要在前置放大電路后加上相應的濾波電路。經實驗測試，射擊過程中持槍手擊發(fā)時產生的壓力信號是低頻（≤35 Hz）信號。但低通濾波器幅頻響應存在過渡帶，難以做到頻率特性足夠陡峭，35 Hz的二階反相型低通有源濾波電路在50 Hz處只能得到大約-10 dB的增益，50 Hz強工頻噪聲有必要專門濾除。因此，該濾波電路由35 Hz低通濾波器和50 Hz陷波電路共同組成，如圖4所示。

其中U3和其周圍器件組成二階反相型低通濾波電路，選用C0（由C24，C25，C26，C27并聯(lián)得到）=4 μF，C15=1 μF，R3=1 kΩ，R9=5.1 kΩ。其截止頻率為：

U4和其周圍器件組成50 Hz陷波電路，其中，將R1=47 kΩ，C20=68 nF代入式（1）可得該陷波電路的中心陷波頻率為：

經過兩級濾波電路，可以實現(xiàn)對前置放大電路輸出信號的濾波除噪要求。

3.3? 微控制器選型

本設計的射擊輔助訓練系統(tǒng)是便攜式設備，需要安裝在槍托位置，不能明顯增加裝備的重量，因此要求體積小、質量輕、功耗低的設備。經對比，選擇ST公司的STM32F103C8T6超低功耗單片機作為本系統(tǒng)的控制器。STM32F103C8T6為32位ARM Cortex?M3架構，擁有72 MHz的系統(tǒng)時鐘，具有多種嵌入式接口類型，支持10×12 b數(shù)據(jù)轉換。本設計中MCU需要有壓力數(shù)據(jù)采集和數(shù)/模轉換的功能，而STM32F103C8T6具有超低功耗、喚醒速度快、體積小、自帶溫度傳感器等功能[9]，方便后續(xù)開發(fā)，是本設計的理想選擇。

3.4? 無線通信模塊

除以上主要電路外，該系統(tǒng)還需要實現(xiàn)采集設備與手機APP之間的近距離通信，考慮到手機支持藍牙和WiFi，且藍牙功耗遠小于WiFi，故選擇袖珍易攜帶的HC?05藍牙模塊，設置下位機藍牙模塊工作在從機狀態(tài)，波特率為9 600 b/s，采用交叉直接連接模式，接收微控制器模/數(shù)轉換值，實現(xiàn)與智能手機的藍牙適配器配對通信[10]。

3.5? 電源管理

考慮到低功耗和小體積的要求，采用紐扣式鋰電池供電，電源管理模塊選用Maxim公司的MAX603/604和MAX660，通過 Micro USB接口給鋰電池充電。

4? 系統(tǒng)軟件設計

4.1? 下位機軟件設計

下位機軟件工作流程包括硬件初始化、軟硬件自檢、壓力信號循環(huán)檢測等，包括主程序與數(shù)/模轉換中斷處理程序。主程序中對使用到的硬件資源進行初始化，ADC時鐘頻率12 MHz，由系統(tǒng)時鐘6分頻得到，串口通信波特率設置為9 600 b/s，采用序列通道多次采樣，數(shù)/模轉換后中斷處理，最后結束。中斷程序后將數(shù)/模轉換值通過USART串口發(fā)給HC?05藍牙模塊，實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信。下位機主程序流程如圖5 所示。

4.2? 上位機軟件設計

上位機以Android手機作為開發(fā)平臺，設計功能包括登錄/注冊、藍牙通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲等模塊。各模塊間可以相互啟動，以完成相互關聯(lián)的不同任務。為了提高APP的處理效率，系統(tǒng)通過創(chuàng)建多線程來分別處理各響應和計算[11]。

在實時測量過程中，藍牙通信線程實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，根據(jù)需要選擇是否保存原始數(shù)據(jù);繪圖線程利用Achargenine，繪制多路壓力波形;算法線程實現(xiàn)最值點、變化率和拐點的計算，并將結果存入SQLite 數(shù)據(jù)庫，供后續(xù)統(tǒng)計分析。

5? 結果測試

系統(tǒng)軟硬件調試完成后，將PVDF壓電薄膜黏附在槍托手部握槍位置，如圖6所示。接通電源，手機端登錄APP，進入測量界面，藍牙配對連接。測試者手握槍體，模擬手槍擊發(fā)時扣動板機的動作，用示波器顯示前端模擬電路輸出的壓力波形，同時手機APP界面顯示手部持槍部位的壓力波形，如圖7所示。其中圖7a）是示波器顯示的1路壓力信號，圖7b）是手機端APP界面顯示的4路壓力信號。

6? 結? 語

本文設計一套基于PVDF壓電傳感器的射擊輔助訓練系統(tǒng)。該系統(tǒng)分下位機和上位機兩個組成部分，下位機安裝于槍托底部，壓電薄膜黏附于手部握槍部位，負責采集運動員手部不同部位的壓力信號，并通過藍牙將壓力數(shù)據(jù)上傳給上位機，上位機APP軟件接收前端采集設備發(fā)來的壓力信號，進行顯示、存儲、計算和分析。經模擬測試，系統(tǒng)可以實時捕捉射擊時運動員手部各部位對槍體施加的壓力信號，通過對該信號的分析和計算，可以提取出最大值、變化率等重要參數(shù)，這些參數(shù)可以為教練員實施精確指導提供重要依據(jù)。

接下來的工作將進一步優(yōu)化電路設計，減小采集前端設備的體積;另外，進行運動員射擊訓練的實際測試，以便檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時與教練員、運動員一起探討有效的壓力表征參數(shù)，最終實現(xiàn)科學訓練、客觀評價的目的。

注：本文通訊作者為莊建軍。

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