基于3軸運動傳感器的標槍軌跡測繪儀的設計

何航 徐霞 陳新 楊威 楊劍

摘 要：由于標槍運行過程中是一個多軸性旋轉體，針對標槍運動中標槍運動軌跡測量的難題，該文提出利用3軸運動傳感器mpu6050來測量標槍的空中運行軌跡。該文首先給出了對標槍運動的公式進行推導，接著給出了標槍軌跡測繪儀的硬件原理框圖，最后給出了軟件實現流程圖和實際測量的標槍飛行過程中的俯仰角測試結果。該標槍軌跡測繪儀在訓練和教學中有良好的使用前景。

關鍵詞：標槍運動軌跡 3軸運動傳感器 mpu6050 標定

中圖分類號：G80 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2813（2017）05（a）-0252-02

The Design of Javelin Trajectory Instrument 3 Based on Axis Motion Sensor

He Hang Xu Xia Chen Xin Yang Wei Yang Jian

（Hunan University of Humanities， Science and Technology， Loudi Hu`nan， 417000， China）

Abstract： Aimed at to solve the challenge of measure javelin trajectory， due to the flight process of Javelin is a multi-axial rotator. The paper proposes to take advantage of the three-axial motion sensor （mpu6050） to measure the javelin trajectory in the sky. Firstly， the thesisdeducted the formula on the Javelin movement.Nest the hardware functional block diagram for measuring theJavelintrajectory was offered. Last the paper show software flow chart and the javelin trajectory measure results which are linked to the actual measurement of the angle of pitch. The javelin trajectory measuring instrument has a good prospect in training and teaching process.

Key Words： Javelin trajectory； 3 axis motion sensor； Mpu6050； Calibration

標槍運動是一個比較復雜的多軸性旋轉項目，標槍的投擲距離取決于多方面的因素，例如出手角度、速度、加速度、初始俯仰角速度等許多因數。目前對標槍方面的研究主要集中在運動公式推導[1-2]、計算機仿真[3-4]、計算機有限元分析和計算[5-6]等方面，對標槍運動過程中的參數測量基本沒有涉及，而標槍運動過程中的參數最能體現運動員投擲過程中的實際情況。

該論文設計的目的就是對整個標槍軌跡進行跟蹤并描繪軌跡，對一些影響標槍投擲距離的參數進行測量與顯示。該項目可以有效解決在標槍投擲運動過程中的參數測量中的難題，標槍投擲運動過程中的參數可以在終端實時顯示與分析，給教學、訓練和比賽分析帶來極大的方便，更好地指導運動、訓練和實踐。

1 標槍的力學分析

如果不考慮空氣阻力、將標槍簡化為理想物體。如圖1所示，假設出手速度為V0，出手角度為θ，標槍的空中飛行距離S可以推導如下：

（1）

其中：X 為橫向距離，Y 為縱向距離，g 為重力加速度，t 為運行時間。

理論上的最佳出手角度，由公式可知為45°，但是由于空氣阻力、標槍自身的旋轉等因素，標槍的最佳出手角度從30°～43°。

2 測繪儀原理

出手角度、速度、加速度、初始俯仰角速度和空中飛行姿態等對標槍的投擲距離都起到至關重要的作用。目前市面上的標槍飛行軌跡測量方法有如下幾種：（1）高速攝像與圖像處理方法。使用高速攝影機將標槍的投擲過程進行拍攝，可獲得標槍的軌跡，出手角度等一些參數。該方法需要實現進行標定和校正等步驟，對使用人員技術水平要求較高等原因，目前保證訓練、比賽和比賽節目轉播中很少使用。（2）傾角傳感器。傾角傳感器可以精確的測量物體的傾斜角度，但是標槍運動是一個比較復雜的多軸性旋轉項目，由于標槍運動過程中產生旋轉導致參考坐標系變化，傾角傳感器測量的角度不再是標槍的傾角。

標槍軌跡測繪儀的結構圖如圖1所示，其中（1）CPU處理器；（2）六軸運動傳感器；（3）無線傳輸模塊；（4）電池；（5）標槍本體；（6）標定按鍵；（7）傾角傳感器；（8）標槍放置孔槽；（9）標定指示；（10）標定裝置支架；（11）平行板；（12）水平調節螺栓。

該文提出使用多軸運動傳感器進行標槍運動軌跡的測量。六軸傳感器是一種多軸運動處理組件，通過對x、y、z三個方向上的角速度、加速度進行運算得到四元數，最后通過矩陣計算并轉換為歐拉角，即被測物體當前的姿態。將多軸傳感器與無線模塊整合在一起，安裝到標槍上，多軸傳感器實時記錄下標槍投擲運動過程中的參數變化，通過無線模塊傳輸到PC終端進行軌跡描繪和參數顯示。

3 軌跡測繪儀硬件設計

如圖2所示，根據實際標槍運動軌跡測量的需求，測繪儀硬件設計包括低功耗單片機MSP430 F149，6軸運動傳感器mpu6050、nRF24L01無線模塊和標定按鈕等。

為了滿足低功耗的需求，主控選擇了TI公司的MSP430F149，6軸運動傳感器選擇mpu6050，主控MSP430F149通過IIC總線與mpu6050通信。6軸運動處理傳感器是指集成了3軸陀螺儀傳感器和3軸加速度傳感器，通過讀取6軸運動處理傳感器的3軸角加速度和3軸加速度可以換算成四元數。四元數在飛行器制導與姿態控制中得到日益廣泛的應用。對標槍的運動軌跡、加速度等數據通過無線傳輸方法實時輸出到電腦等終端，其中無線傳輸采用nRF24L01無線模塊，其傳輸距離100 m以上、功耗極低，完全可以滿足該設計的無線傳輸需求。標槍上的標定線與測繪儀標定裝置支架上的標線保持一致，標定時保證標槍的投擲前進方向與標槍標定方向保持一致并保持水平，通過測繪儀上按鈕確定標槍初始軌跡標定過程。

4 軌跡測繪儀軟件設計

標槍軌跡測繪的流程圖見圖3所示，在標槍投擲前必須對標槍進行標定，保證標槍保持水平和投擲方向保持一致。

由于6軸運動傳感器直接讀取數據時噪聲大，需要進行卡爾曼數字濾波以消除數據中的噪聲和干擾的影響。通過電腦、手機等終端可以對無線模塊傳輸過來的數據進行自動處理，繪制成飛行軌跡圖，加速度變化圖，俯仰角變化圖等。用戶可以根據繪圖進行實時分析與處理，該功能對于平時的訓練和比賽結果分析都有良好的效果。如圖4所示為兩次標槍飛行俯仰角的測試曲線圖。

5 結論

6軸運動傳感器能測量標槍飛行過程中的多個角度，包括俯仰角、旋轉角和偏移角，可以很好地描述標槍飛行時的運動軌跡，表明了使用這種方法研究標槍的飛行特性是可行的。相對其他測量方法，該方法簡便、成本低廉，適合訓練和教學中使用，以便深入的研究標槍出手參數、運動軌跡與投擲距離之間的關系，為有效提高標槍投擲成績提供技術指導依據。

參考文獻

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