基于HC-SR04的競(jìng)走訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)

薛宇，黃藝彥

（延安大學(xué)體育學(xué)院，陜西 延安 716000）

競(jìng)走（Race Walking）是從日常行走的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一項(xiàng)現(xiàn)代競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。競(jìng)走的定義是這樣描述的，“運(yùn)動(dòng)員用雙腳與地面保持接觸，連續(xù)向前邁進(jìn)的過程，沒有可見的騰空，前腿從腳觸地瞬間至垂直部位必須伸直（即膝關(guān)節(jié)不得彎曲）”［1-2］。在傳統(tǒng)的競(jìng)走比賽中，是由競(jìng)走裁判員負(fù)責(zé)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)走動(dòng)作是否規(guī)范進(jìn)行判罰。而這一判罰全部依靠的是裁判員的眼睛以及對(duì)大量比賽的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員比賽過程中表現(xiàn)為肉眼可見的騰空或膝關(guān)節(jié)彎曲時(shí)，即出現(xiàn)明顯的違規(guī)動(dòng)作，裁判員就會(huì)對(duì)其進(jìn)行處罰。但是肉眼觀察的精確性畢竟是有限的，而且裁判員偶爾也有注意不到的時(shí)候，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)稍不明顯的犯規(guī)時(shí)就不能及時(shí)的進(jìn)行處罰［3-4］。所以擁有一個(gè)能夠全程記錄比賽以及全程監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員是否違規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)是非常有必要的。本研究設(shè)計(jì)了一款基于超聲波測(cè)距模塊HC-SR04的競(jìng)走訓(xùn)練檢測(cè)裝置，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流程如圖1所示，主要從2個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)競(jìng)走訓(xùn)練檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)：1）雙腿彎曲違規(guī)檢測(cè)；2）雙腳離地違規(guī)檢測(cè)。這套設(shè)計(jì)不僅可以在比賽幫助裁判員判罰，也可以在運(yùn)動(dòng)員日常訓(xùn)練中幫助運(yùn)動(dòng)員監(jiān)測(cè)動(dòng)作規(guī)范程度。

圖1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流程圖

首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，對(duì)需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)設(shè)定閾值，然后利用紅外傳感器以及超聲波傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)雙腳離地和雙腿彎曲的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)雙腳同時(shí)離地時(shí)，鞋底開關(guān)同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，紅外發(fā)射端發(fā)出信號(hào)，接收端接收信號(hào)從而使蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。該裝置能夠有效地提升競(jìng)走比賽中裁判對(duì)運(yùn)動(dòng)員犯規(guī)行為判罰的準(zhǔn)確性，對(duì)競(jìng)走這項(xiàng)比賽的公平性具有重要意義。

1 競(jìng)走訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)

1.1 雙腿彎曲違規(guī)檢測(cè)設(shè)計(jì)原理

在訓(xùn)練過程中，運(yùn)動(dòng)員腳觸地時(shí)，超聲波測(cè)距裝置工作，若支撐腿出現(xiàn)較明顯彎曲，檢測(cè)到髖關(guān)節(jié)股骨大轉(zhuǎn)子標(biāo)志點(diǎn)距腳踝外踝距離小于正常解剖位距離時(shí)，安裝在鞋幫上的反射式超聲波測(cè)距裝置發(fā)出脈沖信號(hào)，被接收電路接收后，蜂鳴器發(fā)出提示音［5］。

1.2 雙腳離地違規(guī)檢測(cè)設(shè)計(jì)原理

在訓(xùn)練過程中，雙腳離地即為騰空。利用紅外傳感器對(duì)出現(xiàn)雙腳騰空的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦運(yùn)動(dòng)員雙腳同時(shí)離開地面，電路即刻導(dǎo)通，安裝在競(jìng)走鞋腳尖內(nèi)側(cè)上的紅外線發(fā)射電路即時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào)，被紅外接收電路接收，蜂鳴器也發(fā)出提示音，從而提醒競(jìng)走訓(xùn)練隊(duì)員有騰空性質(zhì)的犯規(guī)出現(xiàn)。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員在高速行走時(shí)會(huì)有瞬時(shí)的人眼不可見的騰空出現(xiàn)，因此要對(duì)電路的導(dǎo)通靈敏度進(jìn)行設(shè)置，即當(dāng)雙腳離地時(shí)間不超過0.1 s時(shí)，裝置不會(huì)發(fā)出蜂鳴提示；當(dāng)騰空超過0.1 s電路導(dǎo)通，裝置發(fā)出信號(hào)，蜂鳴器提示犯規(guī)。這樣設(shè)置的原因就是要使設(shè)備使用符合競(jìng)走訓(xùn)練的基本要求，不至于出現(xiàn)因裝置設(shè)置靈敏度太高，造成使用時(shí)不能起到良性輔助的作用。

2 電路模塊設(shè)計(jì)

2.1 555定時(shí)器原理

555定時(shí)器是一種集成電路芯片，常被用于定時(shí)器、脈沖產(chǎn)生器和振蕩電路。555可被作為電路中的延時(shí)器件、觸發(fā)器或起振元件。標(biāo)準(zhǔn)的555芯片集成有25個(gè)晶體管，2個(gè)二極管和15個(gè)電阻并通過8個(gè)引腳引出。它是用內(nèi)部的定時(shí)器來構(gòu)成時(shí)基電路，給其他的電路提供時(shí)序脈沖。由于其易用性、低廉的價(jià)格和良好的可靠性，直至今日仍被廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計(jì)中［6-7］。

2.2 超聲波檢測(cè)電路

超聲波檢測(cè)電路采用HC-SR04，如圖2所示［8］。超聲波測(cè)量距離，不僅測(cè)量的很精確而且測(cè)量范圍較廣。它由接收、發(fā)射和控制部分組成。要得到競(jìng)走時(shí)支撐腳腳踝到髖關(guān)節(jié)股骨大轉(zhuǎn)子的固定距離，只需發(fā)射一個(gè)超聲波，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)碰到障礙物返回時(shí)，立即暫停計(jì)時(shí)，可計(jì)算出兩者的距離。超聲波原理如圖3所示。

圖2 超聲波測(cè)距模塊

圖3 超聲波測(cè)距原理圖

2.2.1 超聲波發(fā)射電路

555是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，可以極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器?？杀蛔鳛殡娐分械难訒r(shí)器件、觸發(fā)器或起振元件［9］。因此在設(shè)計(jì)模塊中，采用NE555電路發(fā)射超聲波。以NE555作為電路核心芯片，連接成多諧振蕩器，NE555的兩個(gè)輸入端接在一起，再與電位器一端相接，通過改變阻值來改變組織大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)頻率，來驅(qū)動(dòng)HC-SR04發(fā)射超聲波。超聲波發(fā)射電路如圖4所示。

超聲波測(cè)距有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）頻率越高，精度也越高；2）輸出功率越高、靈敏度越高，檢測(cè)距離也越遠(yuǎn)；3）輕盈便于攜帶，比較滿足本設(shè)計(jì)的需求；4）采用反射式超聲波，接收裝置與發(fā)射裝置放在一側(cè)，因而計(jì)時(shí)起點(diǎn)已知，電路簡(jiǎn)單。

2.2.2 超聲波接收電路

在設(shè)計(jì)模塊中，接收超聲波信號(hào)采用運(yùn)算放大器。對(duì)超聲波接收電路的原理圖可知，當(dāng)收到返回的超聲波信號(hào)后，被轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，再被放大［10］。超聲波接收電路如圖5所示。

圖4 超聲波發(fā)射電路

圖5 超聲波接收電路

2.3 紅外電路

紅外電路在體積、重量、損耗等方面具有其他電路所不具備的優(yōu)點(diǎn)。紅外線屬于不可見光，與一般的可見光線不一樣，其電磁波長(zhǎng)在950 nm范圍內(nèi)，廣泛應(yīng)用于遙控和傳輸設(shè)備上［11-13］。競(jìng)走過程中須保證兩只腳必須有一只處于與地面接觸的狀態(tài)，一旦兩只腳同時(shí)離開地面，發(fā)射模塊和接收模塊分別導(dǎo)通，接收端接收到發(fā)射端的紅外信號(hào)，并且檢測(cè)到雙腳騰空時(shí)間超過設(shè)定的閾值范圍，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。紅外電路如圖6和圖7所示：

圖6 紅外電路發(fā)射模塊

圖7 紅外電路接收模塊

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝及測(cè)試

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝

紅外發(fā)射和接收裝置分別安裝在兩只競(jìng)走鞋的鞋尖內(nèi)側(cè)部位（圖8A），兩只鞋之間形成一個(gè)交互工作關(guān)系，保證兩只鞋必須有一只處于與地面接觸的狀態(tài)，若雙腳同時(shí)騰空，蜂鳴器即發(fā)出提示音。超聲波裝置發(fā)射模塊安裝在股骨大轉(zhuǎn)子部位，超聲波接收模塊安裝在外踝部位（圖8B），當(dāng)兩點(diǎn)之間的距離縮短至靜態(tài)測(cè)定值95%以下時(shí)，蜂鳴器提示。蜂鳴器安裝在左鞋內(nèi)側(cè)腳踝處。

圖8 監(jiān)測(cè)示意圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試

經(jīng)過對(duì)訓(xùn)練裝置的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)初期預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)靈敏性過高，監(jiān)測(cè)到的犯規(guī)次數(shù)明顯多于裁判員判罰的數(shù)量，數(shù)據(jù)存在顯著差異，見表1。經(jīng)過對(duì)訓(xùn)練專制的靈敏性設(shè)置調(diào)整，測(cè)距離差值得縮小，后期測(cè)試儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與裁判員判罰數(shù)據(jù)差異性縮小，可見，設(shè)備裝置可以幫助監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的犯規(guī)［14］。因此，本裝置的主要用途就是在競(jìng)走訓(xùn)練中幫助教練員監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作規(guī)范性，提示運(yùn)動(dòng)員可能存在的不規(guī)范技術(shù)，加以糾正和改進(jìn)。因此，如果該裝置能夠在基層競(jìng)走訓(xùn)練中廣泛使用，可以大大提升技術(shù)訓(xùn)練效果，幫助初訓(xùn)運(yùn)動(dòng)員快速提高動(dòng)作質(zhì)量。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，當(dāng)違規(guī)競(jìng)走時(shí)髖關(guān)節(jié)到腳腕長(zhǎng)度為95 cm以下時(shí)，該裝置檢測(cè)到違規(guī)24次，教練檢測(cè)到違規(guī)為8次；當(dāng)違規(guī)競(jìng)走時(shí)髖關(guān)節(jié)到腳腕長(zhǎng)度為95~105 cm之間時(shí)，該裝置檢測(cè)到違規(guī)5次，教練檢測(cè)到違規(guī)為1次；當(dāng)違規(guī)競(jìng)走時(shí)髖關(guān)節(jié)到腳腕長(zhǎng)度為105 cm以上時(shí)，該裝置檢測(cè)到違規(guī)1次，教練檢測(cè)到違規(guī)為1次。通過對(duì)表中的測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可知，無論是在運(yùn)動(dòng)員身高相同的前提下，還是在相同競(jìng)走總長(zhǎng)的前提下，本裝置檢測(cè)到的違規(guī)次數(shù)明顯多于教練檢測(cè)到的違規(guī)次數(shù)，所以該裝置對(duì)競(jìng)走違規(guī)的判罰有更高的準(zhǔn)確性，能夠很好地幫助運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練以及裁判執(zhí)裁。

4 結(jié)論與建議

文章設(shè)計(jì)了基于HC-SR04的競(jìng)走訓(xùn)練裝置，通過超聲波測(cè)距模塊和紅外傳感裝置監(jiān)測(cè)的騰空監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)模塊，分別對(duì)競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員在連續(xù)向前行進(jìn)過程中有無雙腿彎曲現(xiàn)象以及雙腳離地現(xiàn)象做出監(jiān)測(cè)。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析與比較，基于HC-SR04的競(jìng)走訓(xùn)練裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練和比賽的監(jiān)測(cè)，幫助裁判更好的判罰比賽的違規(guī)行為。該裝置可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，根據(jù)訓(xùn)練目的或者需求進(jìn)行選擇，能夠在業(yè)余訓(xùn)練中提升運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練技術(shù)動(dòng)作規(guī)范性，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)誤差閾值范圍，幫助運(yùn)動(dòng)員糾正錯(cuò)誤。該裝置的設(shè)計(jì)是在實(shí)驗(yàn)室條件上進(jìn)行的，可能與實(shí)際競(jìng)賽需求存在一定的差距，由于裝備或多或少會(huì)對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定影響，因此，建議使用在訓(xùn)練中幫助運(yùn)動(dòng)員改正錯(cuò)誤，監(jiān)測(cè)犯規(guī)更具有意義。在設(shè)計(jì)裝置不斷優(yōu)化后可以考慮在基層缺乏專業(yè)競(jìng)走裁判員或者青少年競(jìng)走比賽中嘗試輔助監(jiān)測(cè)犯規(guī)。