尹 伊

（西安財(cái)經(jīng)學(xué)院體育部，西安,710100）

慣性傳感器在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用探究

尹 伊

（西安財(cái)經(jīng)學(xué)院體育部，西安,710100）

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器向著體積微型化、無線網(wǎng)絡(luò)化、集成化與多功能化、智能化的方面發(fā)展，同時(shí)傳感器技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用也越來越多。本文分析了慣性傳感器的定義分類、慣性傳感器的工作原理及數(shù)據(jù)分析，并分析了其在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用。

慣性傳感器；MEMS；體育運(yùn)動(dòng)；研究

傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展促進(jìn)了工業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展，使其得到了極大地進(jìn)步，對(duì)于慣性傳感器來說，其應(yīng)用前景更加廣闊，能夠改善系統(tǒng)的總體性能或者是功能，應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，慣性傳感器提供的運(yùn)動(dòng)信息非?？煽?，不僅能改善系統(tǒng)的性能，而且還能夠提高可靠性和安全性并且降低成本。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，體育運(yùn)動(dòng)中所使用的產(chǎn)品也正逐步向著高科技改變，傳感器技術(shù)在體育科技事業(yè)的應(yīng)用也將越來越廣泛，只有不斷地采用新原理和新材料，研發(fā)出多功能的、高精度的、集成化的、智能化的新型傳感器，才能推進(jìn)體育事業(yè)的快速發(fā)展，滿足運(yùn)動(dòng)員和教練員對(duì)于儀器的需要。

1 慣性傳感器定義及分類

慣性傳感器是檢測以及測量傾斜、加速度、沖擊、旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)、多自由度運(yùn)動(dòng)的一類傳感器，它是解決定向、導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)載體控制的重要部件。慣性傳感器分為角速率陀螺和線加速度計(jì)兩大類。角速率陀螺可分為機(jī)械式干式角速率陀螺﹑液浮角速率陀螺﹑半液浮角速率陀螺﹑氣浮角速率陀螺、撓性角速率陀螺、MEMS角速率陀螺﹑石英角速率陀螺、光纖角速率陀螺、激光角速率陀螺等、其中石英角速率陀螺包含半球諧振角速率陀螺等；線加速度計(jì)可分為機(jī)械式線加速度計(jì)、撓性線加速度計(jì)、MEMS線加速度計(jì)﹑石英線加速度計(jì)、石英撓性線加速度計(jì)等，其中石英線加速度計(jì)包含壓阻﹑壓電線加速度計(jì)。

2 慣性傳感器工作原理

2.1 角速率陀螺的工作原理

角速率陀螺的工作原理一般應(yīng)用科里奧利力原理，它是對(duì)在旋轉(zhuǎn)體系中，進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性而相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)偏移的一種描述。角速率陀螺的工作原理還有薩格納原理，也可以稱為薩氏效應(yīng)，它一般應(yīng)用在光纖角速率陀螺和激光角速率陀螺等，科里奧利力現(xiàn)象如圖1所示。

在本文中以MEMS角速率陀螺為例子，詳細(xì)介紹角速率陀螺科里奧利力原理，MEMS角速率陀螺是根據(jù)諧振器陀螺原理來工作，在其陀螺的內(nèi)部有兩個(gè)多晶硅敏感結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)中都含有一個(gè)高頻振動(dòng)的框架，這個(gè)框架由于靜電式地驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生諧振，因此形成了必要的速率元件，當(dāng)有角速率時(shí)，在正交于諧振運(yùn)動(dòng)的方向，就會(huì)產(chǎn)生科里奧利力，這個(gè)科里奧利力的大小與輸入的角速率成比例。框架的兩個(gè)外端分別有一個(gè)可動(dòng)的指狀機(jī)械手，

與固定的指狀機(jī)械手三者之間組成一個(gè)電容式敏感結(jié)構(gòu)，當(dāng)敏感有輸入角速率時(shí)，就會(huì)按照科里奧利原理運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)被信號(hào)處理電路如放大解調(diào)濾波信號(hào)處理電路，就會(huì)輸出正比于角速率的直流電壓信號(hào)，MEMS陀螺儀內(nèi)部構(gòu)造的傳感部分如圖2所示。

圖1 科里奧利力現(xiàn)象

如圖1所示，當(dāng)圖中運(yùn)動(dòng)的物體M 沿X軸方向做周期性的振動(dòng)或者是其他運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)物體M運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，X軸和Y軸所組成的平面坐標(biāo)系會(huì)繞Z軸做角速度為Ωz的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在這時(shí)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體M就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿Y軸方向的科里奧利力，科里奧利力的計(jì)算公式如下所示：

F(t)= -2mΩz×X(t) (1)

在上面的計(jì)算公式（1）中，F(xiàn)(t)是科里奧利力，m是這個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量，Ωz是平面坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的角速度，X(t)是這個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的矢量速度。

圖2 MEMS陀螺儀內(nèi)部構(gòu)造的的傳感部分

2.2 線加速度計(jì)的工作原理

線加速度計(jì)的工作原理就是利用牛頓第二定律，即F=mA，牛頓第二定律適用于各種線加速度計(jì)。在本文中以撓性加速度計(jì)為例，詳細(xì)地介紹了線加速度計(jì)的工作原理。

撓性線加速度計(jì)的工作原理是將質(zhì)塊（該質(zhì)塊用合金制成的撓性桿支撐）置于供電線圈的磁場中，在沒有線加速度的情況下，該質(zhì)塊處于中立的位置，在這時(shí)，輸出感應(yīng)圈上的磁通量為零，也沒有輸出信號(hào)，在有正線加速度的情況下，根據(jù)牛頓第二定律F=mA，有正加速度A，就會(huì)產(chǎn)生正向力F，力和加速度成正比，力根據(jù)加速度的大小產(chǎn)生變化，當(dāng)有力產(chǎn)生時(shí)，撓性桿上的質(zhì)塊就會(huì)在力的作用下偏離中立地位置，輸出的感應(yīng)線圈Ⅰ上的磁通量就會(huì)增加，感應(yīng)線圈Ⅱ上的磁通量就會(huì)減小，輸出的感應(yīng)線圈上總磁通量方向就是正方向，感應(yīng)的輸出電壓或者是電流就會(huì)有對(duì)應(yīng)的正加速度，當(dāng)有負(fù)加速度時(shí)，過程也同上面一樣，感應(yīng)輸出的電壓或者是電流經(jīng)過放大解調(diào)濾波等信號(hào)處理電路，輸出正比于輸入加速度的直流電壓信號(hào)，線加速度計(jì)的信號(hào)檢測圖如圖3所示。

圖3 加速度計(jì)的信號(hào)檢測圖

3 慣性傳感器的數(shù)據(jù)處理

慣性傳感器的數(shù)據(jù)處理過程，以MEMS慣性傳感器的數(shù)據(jù)處理為例，進(jìn)行詳細(xì)說明，其數(shù)據(jù)處理的過程主要包括對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)作檢測、偏移量的更新、校準(zhǔn)、傳感器的融合等，然后再將這些數(shù)據(jù)傳給外置的設(shè)備，最終外置接收器將數(shù)據(jù)映射為X和Y坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理過程如下圖4所示：

圖4 MEMS慣性傳感器數(shù)據(jù)處理流程

3.1 慣性傳感器動(dòng)作檢測

在對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前，首先我們要判斷傳感器的運(yùn)動(dòng)是否處在工作區(qū)域，如果在，才會(huì)進(jìn)行下一步的偏移量校準(zhǔn)等，首先要將讀取到的數(shù)據(jù)緩存中的三軸MEMS加速度計(jì)和三軸MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，數(shù)據(jù)融合方法是基于分批估計(jì)理論的算法，對(duì)數(shù)據(jù)輸出的處理以加速度計(jì)為例，作如下處理：

設(shè)加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)為X1，X2， X3，…，Xn，數(shù)據(jù)分為K批，每一批測量數(shù)據(jù)可記為Xp1，Xp2， Xp3，…，Xpn（p=1,2，…，k）。計(jì)算各批數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，記為，則

相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差記為

由于每批的測量數(shù)據(jù)之間與測量的統(tǒng)計(jì)消息無關(guān)，鑒于此，在此之前測量結(jié)果的方差可以認(rèn)為根據(jù)分批估計(jì)理論分批估計(jì)后數(shù)據(jù)融合結(jié)果如下：

根據(jù)數(shù)據(jù)融合算法公式，可以計(jì)算出融合后加速度計(jì)的數(shù)據(jù)。

計(jì)算所得的數(shù)據(jù)與設(shè)定的工作區(qū)的值進(jìn)行比較，從而判斷出傳感器是否在工作，若小于，則不工作，若大于，則進(jìn)行下一步的工作。

3.2 數(shù)據(jù)偏移量校準(zhǔn)

由于MEMS陀螺儀固有的特性，隨著長時(shí)間的偏移會(huì)產(chǎn)生誤差，漂移量的數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)按如下步驟進(jìn)行：

讀取偏移量的數(shù)據(jù)，建立一個(gè)3×3的方向矩陣A；獲取偏移向量根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)偏移向量，因此將現(xiàn)在計(jì)算所得的偏移量與前面的偏移量數(shù)據(jù)累加求和，最后，在陀螺儀的有效數(shù)據(jù)中將偏移量的累加求和減去。

3.3 傳感器的融合

傳感器融合就是將從多個(gè)信號(hào)源處得到的信號(hào)整合到一起，得到一個(gè)單一的信號(hào)信息。陀螺儀和加速度計(jì)傳感器數(shù)據(jù)融合之后，數(shù)據(jù)就會(huì)按照原先設(shè)定的格式填充到數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包發(fā)送后，可在主機(jī)端的外置接收器就會(huì)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)映射為X軸和Y軸的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

4 慣性傳感器在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

4.1 跳水現(xiàn)場應(yīng)用

跳板或者是跳臺(tái)上裝入微型嵌入式MEMS加速度測試裝置，可以實(shí)時(shí)測量和采集分析跳水運(yùn)動(dòng)員壓板時(shí)侯其壓力的大小，在雙人跳板時(shí)還可以分析他們的動(dòng)作是否同步。

4.2 舉重現(xiàn)場應(yīng)用

杠鈴上安裝微型嵌入式MEMS加速度測試裝置，可以實(shí)時(shí)采集分析運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練時(shí)的發(fā)力時(shí)機(jī)、平均功率、最大功率、最大力、杠鈴和速度的空間位移，可以科學(xué)的指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練。

4.3 體操現(xiàn)場應(yīng)用

在體操的訓(xùn)練中，可安裝微型嵌入式MEMS加速度測試裝置測量體操運(yùn)動(dòng)員觸板或者是觸器械時(shí)的加速度信號(hào)，從而得到出運(yùn)動(dòng)員的受力情況，這些數(shù)據(jù)可以分析該運(yùn)動(dòng)員發(fā)力時(shí)機(jī)和力量大小是否合理。

[1] 丁君.基于微慣性傳感器的姿態(tài)算法研究[D].上海交通大學(xué),2013.

[2] 王艷秀.傳感器技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究[J].當(dāng)代體育科技,2013,34:179+181.

尹伊，女，1977.12，遼寧沈陽人，講師，碩士，工作單位，研究方向，體育教學(xué)與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練

Research on Application of inertial sensor in sports

Yin Yi
(The Department of physical education of Xi'an Institute of Finance and Economics,Xi'an,710100)

With the development of sensor technology,micro sensor to volume,wireless networking,integration and multifunction,intelligent aspects of development,and application of sensor technology in sports more and more.This paper analyses the working principle and data definitions,inertial sensors of inertial sensors,and analyses its application in sports.

inertial sensor;MEMS;sports;research