基于激光測(cè)距原理的跳高測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021—2035年）》指出，要在“十四五”時(shí)期實(shí)施青少年科學(xué)素質(zhì)提升行動(dòng)，激發(fā)青少年好奇心和想象力，增強(qiáng)科學(xué)興趣、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，培育一大批具備科學(xué)家潛質(zhì)的青少年群體，為加快建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)夯實(shí)人才基礎(chǔ)[1]。《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出，要?jiǎng)?chuàng)新教學(xué)方式，以真實(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過(guò)程、計(jì)算思維過(guò)程和數(shù)字化工具應(yīng)用過(guò)程，建構(gòu)知識(shí)，提升問(wèn)題解決能力[2]。在小學(xué)課程中開(kāi)展主題式的多學(xué)科創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，可以有效落實(shí)對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，為學(xué)生全面發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。小學(xué)低段學(xué)生具有好奇心強(qiáng)、喜歡從身邊事物出發(fā)提出問(wèn)題的特點(diǎn)?；诖颂攸c(diǎn)，筆者從小學(xué)低段體育課跳高成績(jī)測(cè)量出發(fā)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用數(shù)學(xué)課、科學(xué)課所學(xué)內(nèi)容解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，與學(xué)生共同完成基于激光測(cè)距原理的跳高測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

問(wèn)題的提出

不同于跳遠(yuǎn)，原地垂直跳高的高度值是動(dòng)態(tài)變化的，因此難以定點(diǎn)記錄，無(wú)法靜態(tài)通過(guò)米尺測(cè)量。

一種簡(jiǎn)單的方法是將跳高轉(zhuǎn)換為摸高。在學(xué)生手上抹上石灰粉或顏料，起跳時(shí)在墻面上留下手印，通過(guò)計(jì)算起跳摸高的最高點(diǎn)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(huì)影響成績(jī)發(fā)揮，不易操作。同時(shí)，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(yīng)用的可行性。

另一種方法是以高度標(biāo)尺為背景，通過(guò)高速攝像機(jī)捕捉跳高瞬間畫(huà)面，找到跳高最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圖像，再運(yùn)用事先標(biāo)定好的圖像與高度標(biāo)尺的對(duì)應(yīng)關(guān)系，讀出跳高高度。然而，高速攝像機(jī)價(jià)格高昂，且高速攝像機(jī)與高度標(biāo)尺系統(tǒng)的標(biāo)定、布置對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平要求較高，不利于大規(guī)模推廣使用[4]。

因此，小學(xué)校園迫切需要一種原理簡(jiǎn)單、成本低，易于布置和推廣的跳高測(cè)量系統(tǒng)。

研究意義

本文基于激光測(cè)距模組，構(gòu)建了一套簡(jiǎn)易跳高測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)單、成本較低，且與小學(xué)二年級(jí)數(shù)學(xué)課程中長(zhǎng)度測(cè)量知識(shí)緊密結(jié)合，不僅在技術(shù)上具有創(chuàng)新性，還在教育、社會(huì)、科技推廣和健康促進(jìn)等方面具有重要實(shí)踐意義，具體包括以下幾個(gè)方面。

一是將小學(xué)數(shù)學(xué)測(cè)量概念與現(xiàn)實(shí)生活結(jié)合，體現(xiàn)學(xué)科融合特點(diǎn)，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新興趣。

本研究從體育課程中的跳高練習(xí)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題。與小學(xué)二年級(jí)正在學(xué)習(xí)的長(zhǎng)度測(cè)量知識(shí)點(diǎn)密切結(jié)合，通過(guò)構(gòu)思、搭建、調(diào)試該系統(tǒng)，加深學(xué)生對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量知識(shí)點(diǎn)的理解，提高學(xué)生的跨學(xué)科能力和用數(shù)學(xué)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、科學(xué)、體育知識(shí)，還接觸、理解激光測(cè)量等現(xiàn)代科技，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)的興趣。

二是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)學(xué)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，促進(jìn)學(xué)生體質(zhì)提升。

通過(guò)精確的跳高測(cè)量，學(xué)生可以更好地了解自己的運(yùn)動(dòng)水平，有助于他們?cè)隗w育活動(dòng)中設(shè)定合理的目標(biāo)，從而更積極地參與體育鍛煉，提高身體素質(zhì)。準(zhǔn)確的測(cè)量還可以幫助教師監(jiān)測(cè)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃，預(yù)防過(guò)度訓(xùn)練或不當(dāng)訓(xùn)練引發(fā)的運(yùn)動(dòng)損傷。

三是操作便捷、成本低廉，為其市場(chǎng)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，有助于促進(jìn)教育公平，促進(jìn)全民健身。

該系統(tǒng)利用激光測(cè)距儀的高精度、高效率的特點(diǎn)，能夠提供比傳統(tǒng)米尺等工具更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。同時(shí)，該系統(tǒng)調(diào)試簡(jiǎn)單便捷，且物料成本控制在150元以內(nèi)，在各級(jí)學(xué)校體育測(cè)試、家庭、社區(qū)中具有廣泛的應(yīng)用潛力，有助于縮小教育資源差距，促進(jìn)教育公平和全民健身。

系統(tǒng)工作原理

1.激光測(cè)距原理

激光具有指向性強(qiáng)、能量密度大的特點(diǎn)，非常適合進(jìn)行絕對(duì)距離的測(cè)量。在測(cè)量方法方面，激光測(cè)距包括調(diào)幅、調(diào)頻和直接飛行時(shí)間法等。其中，直接飛行時(shí)間法屬于脈沖測(cè)距，抗陽(yáng)光特性好，不受天氣、場(chǎng)景限制，更具大規(guī)模應(yīng)用潛力。其工作原理是通過(guò)測(cè)量脈沖發(fā)出時(shí)間與被測(cè)物體反射回波的時(shí)間差，乘以光速，計(jì)算被測(cè)距離。具體的公式是[5]

L= c×t ÷2

其中，L是被測(cè)距離，c是光速，t是所測(cè)飛行時(shí)間，除以2是因?yàn)槊}沖一去一回，完成了兩遍被測(cè)距離，如圖1所示。

近年來(lái)，隨著激光測(cè)距應(yīng)用場(chǎng)景日趨多元，如智能駕駛信息采集、掃地機(jī)器人測(cè)距建圖、裝修室內(nèi)空間測(cè)量等，激光測(cè)距模組技術(shù)已比較成熟。5米量程、厘米級(jí)精度的激光測(cè)距模組售價(jià)低于100元，具備大規(guī)模集成應(yīng)用的可行性。

2.跳高測(cè)量原理

原地站立跳高測(cè)量的基本原理是測(cè)量自然站立時(shí)被測(cè)頭頂高度，即身高和原地起跳過(guò)程中被測(cè)頭頂最高高度，通過(guò)求差得出原地起跳高度。其難點(diǎn)是如何準(zhǔn)確判斷并測(cè)量被測(cè)頭頂最高點(diǎn)。結(jié)合前文所述激光測(cè)距原理，利用其高速連續(xù)測(cè)量的特性，可以將激光測(cè)距模組懸于被測(cè)頭頂，記錄被測(cè)自然站立時(shí)頭頂高度，同時(shí)可以連續(xù)記錄起跳過(guò)程中頭頂距離激光模組的變化數(shù)據(jù)，最后通過(guò)篩選出最小值后求差，得出原地起跳高度數(shù)據(jù)。

如圖2所示，起跳高度H2=L2-L3。L1的測(cè)量可作為系統(tǒng)標(biāo)定，確認(rèn)距離測(cè)量系統(tǒng)是否正常工作?？梢钥闯觯撓到y(tǒng)還有一個(gè)附加功能，就是人體身高測(cè)量即H1=L1-L2

圖2的下半部分為激光測(cè)距連續(xù)輸出結(jié)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(xù)距離原始數(shù)據(jù)的圖形化顯示，可以判斷出波形數(shù)據(jù)的最小值就是跳高的最高值。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案

根據(jù)上述工作原理，本跳高測(cè)量系統(tǒng)有如下部分組成：（1）三腳架L型支架；（2）激光測(cè)距儀（模組）；（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接板；（4）計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)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(cè)距模組固定于懸空位置。激光測(cè)距儀提供激光測(cè)距功能，工作頻率為100Hz，其輸出接口為T(mén)TL電平串口。由于計(jì)算機(jī)沒(méi)有串口接口，因此需要用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能。計(jì)算機(jī)及程序提供原始數(shù)據(jù)顯示作用。

系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果分析

調(diào)試好系統(tǒng)后，進(jìn)行了初步跳高測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)物系統(tǒng)如圖4所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

第一步，在三腳架L型支架上固定激光測(cè)距儀，鏈接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)垂直向下測(cè)量。

第三步，測(cè)量對(duì)地距離值，同時(shí)用米尺測(cè)量測(cè)距儀與地面的高度差，判斷系統(tǒng)是否工作正常，測(cè)距值是否準(zhǔn)確。

第四步，被測(cè)人站立于跳高測(cè)量系統(tǒng)正下方，測(cè)量L2數(shù)據(jù)。

第五步，被測(cè)人原地起跳，觀察測(cè)距原始波形，判斷L3數(shù)據(jù)的極小值。

第六步，計(jì)算L3-L2，得到跳高值。

重復(fù)第四至六步5次，結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)工作正常，可以有效實(shí)現(xiàn)跳高測(cè)量功能。

效果與評(píng)價(jià)

綜上，本文所述的跳高測(cè)量系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，易于實(shí)施和推廣，具有測(cè)量準(zhǔn)確、測(cè)量效率高、成本低廉的特點(diǎn)。結(jié)合小學(xué)二年級(jí)同期學(xué)習(xí)的長(zhǎng)度測(cè)量知識(shí)，可以使學(xué)生更加深刻地理解長(zhǎng)度測(cè)量原理，有助于提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)和能力。

但從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到真實(shí)產(chǎn)品，該系統(tǒng)的完成度還有待提高，如測(cè)距頻率目前只有100Hz，測(cè)量精度只有厘米量級(jí)，只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量。后續(xù)可以考慮使用測(cè)距頻率更高、精度更高、多點(diǎn)測(cè)量的激光測(cè)距模組實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。在智能化方面，也可以考慮利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，記錄學(xué)生身高、跳高信息，為學(xué)生體育鍛煉、生長(zhǎng)發(fā)育提供教學(xué)應(yīng)用支持。

參考文獻(xiàn)

國(guó)務(wù)院. 全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021—2035年）[R]. 2021-06-25.

中華人民共和國(guó)教育部. 義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：4-11.

趙林林. 小學(xué)如何開(kāi)展多學(xué)科創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)[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(cè)距數(shù)據(jù)估計(jì)短跑步態(tài)和參數(shù)的方法[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，56（4）： 514-521.

陳羽. 高精度脈沖激光測(cè)距儀的研究[D]. 西安：西安工業(yè)大學(xué)，2014.