基于距離檢測的分段式浮動平沙沙坑

一、發明緣由

在去年的校運會上，龔筱予和譚鱇晏負責跳遠項目沙坑整平工作。一天下來，兩人累得腰酸背痛，在平沙時譚鱇晏還險些被沖過來的運動員撞倒。我們思考：可不可以發明一種適用于學校跳遠項目，既能保護運動員和工作人員又不需要人工整平沙面的沙坑？

我們查閱各種跳遠比賽的資料，并請教體育老師和科技輔導員，決定設計一種能夠自動感應、快速平沙的沙坑，提高平沙的效率和安全性。

二、設計方案

方案一：采用懸浮掃平式的平沙方式，裝置由支架、磁浮軌道、平沙板、懸浮片等構成。問題在于，勻強磁場只分布在條形磁鐵間的小區域內，輕微的擾動都會讓平沙板側移或旋轉，沙粒容易進入軌道。

方案二：平沙板采用耙形設計，降低凸起高度，上面安裝振動馬達并粘貼緩沖材料，采用振動平沙。磁浮軌道設置在沙坑側面，加長懸浮片的長度且預留更小的活動空間，在懸浮片上方安裝簧片，利用皮帶傳動。

局限性在于，磁鐵之間的排斥力大，現有的材料和工具無法滿足模型制作需求，且定制不銹鋼框架的成本太高。

方案三：采用圓柱形軌道，將軌道設置在沙坑上方；平沙板變懸浮為浮動支撐；在平沙板下方設置簧片；皮帶和平沙板采用可分離式設計；安裝掌控板、傳感器等元件，作業方式變手動為自動。

我們制作出模型并進行試驗，在試驗過程中發現平沙板運行不暢、齒輪外滑。分析原因后，我們決定將軸承變滑動摩擦為滾動摩擦，減小軸距，將其定為54.5 cm，增加支點數量，減少支點間距。

方案四：方案四為最終設計方案。設計的新型沙坑由主體結構、控制系統、平沙系統、語音播報系統、公平保障系統、電源和安全警示裝置等構成。

主體結構包括外殼、儲沙室、動力艙、電子艙、傳動艙、導線槽等。儲沙室居中；動力艙位于儲沙室后方，用于安裝減速電機等動力裝置；電子艙位于儲沙室前方，用于安裝電子設備和安全警示牌；傳動艙位于儲沙室兩側，用于安裝傳動裝置；導線槽位于儲沙室左側。

控制系統包含掌控板、IO擴展板、電機驅動擴展板、距離檢測傳感器、微動開關等。

平沙系統包含動力裝置、傳動裝置、支撐裝置、平沙裝置。傳動裝置包括4個齒輪、2條皮帶、2根短軸、8個帶法蘭軸承、8個限位環和2個自制限位器，其功能是將電機動力傳輸至限位器帶動平沙板運動。支撐裝置包含2根平行且等高的光桿鍍鉻棒。平沙裝置包含內嵌振動馬達的自制耙形平沙板、浮動簧片、配重桿等，平沙板位于儲沙室上方。

語音播報系統包括語音模塊、處理器等。公平保障系統包含二哈識圖視覺傳感器、處理器等，功能是對選手進行面部識別。電源包括降壓模塊和穩壓模塊。安全警示裝置包括舵機、警示牌等。

三、系統功能

1.平沙功能

先分后平：當耙遇到沙堆時，耙式平沙板會將沙堆推向兩邊分散，然后振動平沙。平沙板不容易被沙堆阻停。

基于距離檢測的調速：平沙板的平移速度會根據它與沙堆的距離自動調節，以提高平沙效率。當最下端的距離檢測傳感器檢測到平沙板與沙堆的距離大于5 cm時，平沙板快速移動；距離小于或等于5 cm時，平沙板慢速移動。

分段式平沙：平沙板的移動速度和振動頻率會根據沙堆高度分三段自動調節，以增強平沙效果。

2.警示功能

通過豎立警示牌提醒選手沙坑正在進行平沙作業。警示牌固定在舵機上，平沙過程中警示牌豎立，平沙完成后，警示牌隱藏。

3.公平保障功能

如果某個選手在一場比賽中面部信息錄入達到4次，系統自動提醒他已完成比賽，請下一位選手做準備。

四、制作模型

我們準備皮帶、直流減速電機、不銹鋼彈簧片、掌控板、激光測距傳感器、菱形底座軸承、碰撞開關等材料，3D打印警示牌、電子艙支架、分段式激光測距探頭蓋板、振動馬達蓋板及限位器、平沙板限位器等，根據設計方案制作基于距離檢測的分段式浮動平沙沙坑模型。

其中，平沙板和沙坑采用浮動式連接，沙坑壁對平沙板左右限位，皮帶限位器對平沙板前后限位，金屬導軌對平沙板的最下端位置進行限制，不銹鋼彈簧片允許平沙板上下運動。

接下來，我們利用Mind+編寫程序，以實現沙坑的各項功能。

裝置流程圖如下，在決出前8名后按下復位鍵。

五、檢測性能

為了檢驗裝置模型的性能，我們對其進行了4項試驗，每項試驗重復3次。

我們進行沙坑工作流程試驗，結果模型沒有按照預設的流程工作。檢查程序后發現是3個距離檢測探頭的I2C地址有沖突，保留一個距離檢測探頭進行后續試驗。

在平沙作業效果試驗中，模型平沙效果達到預期，沙面凹凸不超過1 cm。

在進行平沙作業效率試驗時，平沙板移動速率過慢，單次平沙時間大于10 s。這說明電機的輸出功率過小，需優化程序，換成更大功率的電機驅動板和更大行程的觸碰開關。

我們邀請20個同學參與人臉識別準確率試驗，其中有一對兄弟。實驗結果表明，平均人臉識別正確率能達到95%，符合預期。在試驗中，我們發現系統對長相相似的同學可能產生誤判，后期考慮換成正確率更高的人臉識別系統。

六、創新點

創新沙坑形式，裝置集成快速整平沙面、安全警示、公平保障、語音播報等功能。

采用可應用于沙坑跳遠的新型平沙方式和應用于平沙作業的新型調試方式，實現分段式浮動平沙和基于距離檢測的調速。

沙坑主體與平沙板采用浮動式連接，平沙板能根據沙堆的高度自動調節平移速度和振動頻率，增強平沙效果。

七、優化設想

我們將優化程序，提高裝置可靠性。在警示牌上增加聲光警示裝置，進一步確保賽場安全。添加成績檢測功能，并將數據上傳至云平臺。（指導老師：歐镕瑋 " 孔宏 " 陳曉）

專家點評

龔筱予、譚鱇晏、寧文軒同學的基于距離檢測的分段式浮動平沙沙坑，是一件集成式改進型創新作品。這是因為我們從相關資料中可以看到，有關沙坑方面的專利與技術如“一種跳遠沙坑”“一種體育跳遠訓練用沙坑快速鋪平裝置”“一種跳遠沙坑整理裝置”“淺析跳遠沙坑電動平整裝置在教學中的設計研究”等已公開，它們各自具有某項技術優勢，但都缺少自動測距功能。三位同學在該項目中將上述各項目中的優勢技術集成為一個整體，同時增加自動測距技術，達到“常規問題精細化”的發明要求，使其更具有先進性和實用性，值得大家學習與借鑒。

集成式創新不是模仿、抄襲或簡單復制，而是一種新的創新方式。它廣泛吸納多種資源為項目所用，把各種簡單的技術要素和技術思路有機地集成在一起，取得“1+1＞2”的效果。集成式創新方法在現代企業中已普遍應用，同學們在科技創新實踐活動中不妨大膽嘗試。