花樣競技跳繩計(jì)數(shù)裝置

馬慶修 龍海珠 黃穩(wěn)城 鄧德才

摘要：在跳繩運(yùn)動中，計(jì)數(shù)大部分采用人工或機(jī)械結(jié)構(gòu)的形式，兩種方式存在人員消耗大，成本貴，計(jì)數(shù)誤差大，不夠便捷等問題。隨著跳繩智能化和信息化的發(fā)展，擬采用慣性傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)一款智能計(jì)數(shù)器。通過慣性單元對跳的狀態(tài)進(jìn)行判斷，確定是否為有效的跳動，核心控制單元進(jìn)行解算，從而將所獲得的跳繩次數(shù)顯示在OLED上，實(shí)現(xiàn)跳繩計(jì)數(shù)的智能化，設(shè)計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小，計(jì)數(shù)高效、誤差小等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：跳繩;智能計(jì)數(shù)器;慣性單元;高效

近幾年來，人們對健康和運(yùn)動越來越重視，跳繩運(yùn)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(yùn)動之一。目前的跳繩考試大多數(shù)依然采用人工計(jì)數(shù)的方式，計(jì)數(shù)時不僅存在誤差，而且每個運(yùn)動員都需要一個人在旁為其計(jì)數(shù)，效率較低。因此實(shí)現(xiàn)跳繩計(jì)數(shù)的高效率成為人們迫切需要解決的問題之一。電子跳繩計(jì)數(shù)器的發(fā)展已有30多年的歷史，計(jì)數(shù)的精度和穩(wěn)定程度作為衡量電子計(jì)數(shù)器性能的重要指標(biāo)[1]。跳繩計(jì)數(shù)器由一開始結(jié)構(gòu)簡單、方便，計(jì)數(shù)較為準(zhǔn)確的跳繩自動計(jì)數(shù)裝置，到具有雙繩遙控控制，可計(jì)時、計(jì)數(shù)、智能制動和終端保護(hù)且可以單、雙繩切換的雙繩聯(lián)動跳繩[2]，以及具有趣味性且環(huán)保的集計(jì)數(shù)裝置、照明裝置、音樂播放裝置和顯示裝置于一體的自發(fā)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(wǎng)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)50人在無人工計(jì)數(shù)的情況下同時考試，且能夠單機(jī)工作和聯(lián)網(wǎng)工作的智能跳繩測評系統(tǒng)[4]。電子跳繩計(jì)數(shù)器隨著電子技術(shù)的發(fā)展而取得不斷的進(jìn)展，其應(yīng)用仍在不斷的擴(kuò)大。

為了滿足人們在進(jìn)行跳繩運(yùn)動時能夠擁有一款體積小，攜帶方便，計(jì)數(shù)精準(zhǔn)的智能跳繩計(jì)數(shù)器的需求，設(shè)計(jì)一款具有定時功能的智能跳繩計(jì)數(shù)裝置，用戶可用該計(jì)數(shù)裝置輕松方便地進(jìn)行跳繩跑步運(yùn)動，亦可根據(jù)自己的喜好設(shè)定運(yùn)動時間，當(dāng)時間到達(dá)設(shè)定值時發(fā)出提示響聲，實(shí)現(xiàn)定時、規(guī)律的運(yùn)動生活。此裝置的設(shè)計(jì)可以改善傳統(tǒng)計(jì)數(shù)誤差大、效率低的缺點(diǎn)，很好地為健身房、學(xué)校、跳繩比賽這些場合提供應(yīng)用。

1 計(jì)數(shù)裝置設(shè)計(jì)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(yùn)動類型以及設(shè)置好運(yùn)動時間，當(dāng)用戶在開始運(yùn)動，MPU6050六軸加速度傳感器獲取運(yùn)動者當(dāng)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?shù)街醒肟刂破鳎惴ǚ治龅贸鲞\(yùn)動者跳繩次數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，跑步/跳繩次數(shù)以及運(yùn)動時間通過OLED顯示，當(dāng)時間到達(dá)設(shè)定值時，蜂鳴器發(fā)出響聲功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

2 計(jì)數(shù)裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

用MPU6050傳感器模塊收集使用者的加速度數(shù)據(jù)，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(shù)字形式輸出6軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)和歐拉角格式的融合演算數(shù)據(jù)[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(dá)到傳送時鐘和數(shù)據(jù)作用，采用的是STM32自帶的IIC外射功能實(shí)現(xiàn)MPU605模塊與STM32單片機(jī)的總線通信[6]，單片機(jī)從傳感器中讀取加速度數(shù)據(jù)。

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(jié)構(gòu)簡單，具體硬件如圖3所示。

3 動態(tài)閾值法

設(shè)計(jì)中使用動態(tài)閾值方法來監(jiān)控使用者在跳繩或跑步過程中的加速度的值，經(jīng)過一系列分析、計(jì)算從而調(diào)整閾值的大小。

通過實(shí)際測試跳繩10次數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的加速度變化值，將上限閾值設(shè)置為0.2，下限閾值設(shè)置為-0.2。當(dāng)STM32中接收到一次上限閾值與一次下限閾值時，即視為產(chǎn)生一次有效數(shù)據(jù)，即記數(shù)加一。當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大波動時，程序會根據(jù)波動的變化大小動態(tài)產(chǎn)生相對應(yīng)的閾值。閾值改變以后有效數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)將會被改變。通過適當(dāng)調(diào)整閾值，就可以使數(shù)據(jù)的采集變得更加準(zhǔn)確，大大減小了計(jì)數(shù)誤差。

4 測試結(jié)果與分析

分別在不同的運(yùn)動狀態(tài)、不同的運(yùn)動類型，獲得實(shí)際的測試數(shù)據(jù)，如表1所示。

分析總結(jié)：對上述的三個表格的測試數(shù)據(jù)可以看出在同一種狀態(tài)下，運(yùn)動類型為跑步效果比跳繩的要好;不同狀態(tài)時在跳繩過程中將計(jì)數(shù)器固定在手上的狀態(tài)是最好的。跑步時將其固定在腳上的狀態(tài)是最好的。但是無論是測試跳繩狀態(tài)還是跑步狀態(tài)，都存在一定的誤差，本裝置的計(jì)數(shù)誤差控制在10%左右，誤差來源可能有：在進(jìn)行跑步和跳繩的過程中動作過快，導(dǎo)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(dǎo)致產(chǎn)生一定的誤差。

5 總結(jié)

設(shè)計(jì)的硬件電路簡單體積小，用戶進(jìn)行運(yùn)動時，可以將計(jì)數(shù)器固定在手上、腳上或者肩上，按照使用者的意愿選擇運(yùn)動類型和定時功能進(jìn)行運(yùn)動，最大程度地滿足用戶的健身意愿需求。實(shí)際測試數(shù)據(jù)表明，該裝置能夠在一定程度上減小計(jì)數(shù)誤差，裝置不僅適用于健身房、學(xué)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(shí)際工程應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]常豐田，陳文超，馬勛舉，王汝家.雙繩聯(lián)動跳繩機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2013，36（04）：57-59.

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

[4]羅云.智能跳繩測評系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶理工大學(xué)，2017.

[5]李臣龍，強(qiáng)俊.基于STM32和MPU6050姿態(tài)解算的研究與實(shí)現(xiàn)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，35（02）：295-298+316.

[6]郭海麗.基于STM32的自平衡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].設(shè)備管理與維修，2019（10）：144-145.