【摘 要】開發(fā)一套三軸向加速度傳感器系統(tǒng)，專門用于人體三維空間技術(shù)運(yùn)動(dòng)的研究。該系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成，其中下位機(jī)部分由加速度傳感器、傳感器拾取單元、數(shù)據(jù)處理單元和無線傳輸模塊構(gòu)成，上位機(jī)部分由計(jì)算機(jī)終端和數(shù)據(jù)處理分析軟件構(gòu)成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了四通道同步采集加速度數(shù)據(jù)，可對(duì)運(yùn)動(dòng)員的肢體關(guān)節(jié)、運(yùn)動(dòng)器械等研究標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行XYZ三軸向加速度特征值的采集與分析。

【關(guān)鍵詞】人體空間運(yùn)動(dòng)；三軸加速度傳感器；

一、引言

傳感器系統(tǒng)作為一種重要的工具已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。在體育科研領(lǐng)域，由于人體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性導(dǎo)致傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)應(yīng)用較少，通常需要針對(duì)不同研究進(jìn)行有針對(duì)性地開發(fā)與試驗(yàn)。運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析作為體育科研工作的重要一環(huán)，一直以來均采用視頻解析的方式進(jìn)行研究，而視頻解析通常較為耗時(shí)，人工量較大，完成分析結(jié)果后運(yùn)動(dòng)員對(duì)當(dāng)時(shí)的技戰(zhàn)術(shù)記憶已經(jīng)產(chǎn)生模糊，反饋效果不佳，因此，我們選用三軸加速度傳感器作為運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析的重要工具，并對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，使其滿足人體運(yùn)動(dòng)研究的需要。

二、研究?jī)?nèi)容

（一）系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì)與研制。基于傳感器的采集與傳輸處理原理，對(duì)系統(tǒng)下位機(jī)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，下位機(jī)主要硬件電路由單片機(jī)、無線傳輸模塊、電源管理模塊、聚合物鋰電池電量監(jiān)測(cè)、加速度傳感器及其拾取單元、數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行優(yōu)化。

（二）系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。依據(jù)下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，開發(fā)一套集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)輸出的上位機(jī)程序軟件，系統(tǒng)軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制下位機(jī)數(shù)據(jù)的采集信息，并自動(dòng)生成多平面及合方向計(jì)算分析數(shù)據(jù)，滿足杠鈴深蹲技術(shù)動(dòng)作研究的需要。

（三）利用加速度傳感器對(duì)杠鈴深蹲技術(shù)的動(dòng)作特征進(jìn)行研究。根據(jù)杠鈴深蹲訓(xùn)練的特點(diǎn)，通過三軸加速度傳感器的采集方法，結(jié)合不同競(jìng)賽項(xiàng)目的技戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)，對(duì)其杠鈴深蹲技術(shù)動(dòng)作特征進(jìn)行研究，并且依據(jù)實(shí)際研究應(yīng)用情況對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、采集與分析算法等進(jìn)行優(yōu)化。

三、研究過程

（一）系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)部分作為一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)，由采樣部分、監(jiān)測(cè)部分、保護(hù)部分、通訊部分構(gòu)成（如圖1所示）。采樣部分由傳感器及其拾取單元、數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成，通訊部分由無線傳輸模塊的發(fā)送端與接收端組成，監(jiān)測(cè)與保護(hù)部分分別由聚合物鋰電池電量監(jiān)測(cè)模塊、電源管理模構(gòu)成。采樣負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度傳感器輸出信號(hào)并采樣，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、先入先出處理后，再由主控芯片（即MCU）對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，生成加速度數(shù)據(jù)和電池電量信息并打包，按照循環(huán)發(fā)送方式經(jīng)通訊部分實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)。

（二）系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

傳感器系統(tǒng)上位機(jī)主要由計(jì)算機(jī)基站及運(yùn)行于計(jì)算機(jī)基站之上的數(shù)據(jù)分析軟件組成，根據(jù)處理流程劃分為六個(gè)程序執(zhí)行部分，分別為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、圖形與數(shù)值顯示、業(yè)務(wù)分析、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

1、數(shù)據(jù)接收程序。主要用于接收下位機(jī)循環(huán)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，參照下位機(jī)無線傳輸模塊數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)范和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，對(duì)于不符合通訊規(guī)范的數(shù)據(jù)包執(zhí)行丟棄操作，符合通訊規(guī)范的數(shù)據(jù)包則交由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序處理。

2、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序。根據(jù)已接受的數(shù)據(jù)包依照數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)規(guī)范提取XYZ三軸加速度數(shù)據(jù)及電量參數(shù)，存儲(chǔ)于上位機(jī)緩存中。

3、圖形與數(shù)值顯示程序。將存儲(chǔ)于上位機(jī)緩存中的加速度和電量參數(shù)以時(shí)間/數(shù)值曲線圖形的形式顯示于上位機(jī)軟件界面中，并且在界面中以數(shù)字形式同步顯示瞬時(shí)對(duì)應(yīng)參數(shù)數(shù)值。

4、數(shù)據(jù)輸出程序。在執(zhí)行圖形與數(shù)字顯示程序同時(shí)，將緩存中數(shù)據(jù)以TXT文本文件的形式同步順序存入磁盤空間中，直至接收操作結(jié)束。

5、數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序。將存儲(chǔ)于磁盤空間中的TXT格式數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到數(shù)據(jù)處理分析軟件中，導(dǎo)入過程按照文本特定格式執(zhí)行，存儲(chǔ)于上位機(jī)緩存中。

6、業(yè)務(wù)分析程序。在執(zhí)行完數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序后，將存儲(chǔ)于緩存中的數(shù)據(jù)按照運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析的業(yè)務(wù)需求生成相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并以圖表的形式顯示于用戶界面中，同時(shí)根據(jù)用戶選擇的業(yè)務(wù)分析選項(xiàng)，按照預(yù)置的業(yè)務(wù)處理類將計(jì)算結(jié)果反饋給用戶。

四、研究成果

基于項(xiàng)目的應(yīng)用需求和系統(tǒng)的前期技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，我們完成了三軸加速度傳感器系統(tǒng)的下位機(jī)和上位機(jī)部分的整體開發(fā)，并在杠鈴深蹲技術(shù)動(dòng)作特征分析領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用。傳感器系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠通過無線傳輸?shù)姆绞酵瓿蒟YZ三軸向加速度數(shù)據(jù)的采集，并且根據(jù)運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究的需要，通過系統(tǒng)上位機(jī)預(yù)置分析算法，對(duì)采集后的數(shù)據(jù)自動(dòng)生成多種分析圖表和報(bào)告，為研究人員分析技術(shù)動(dòng)作特征，找出解決方案提供科學(xué)依據(jù)。

五、系統(tǒng)應(yīng)用情況

三軸加速度傳感器系統(tǒng)自完成開發(fā)后，主要在速度滑冰和舉重兩個(gè)項(xiàng)目上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，相關(guān)設(shè)備和軟件均滿足科研工作的需要。項(xiàng)目組在實(shí)驗(yàn)過程中積累了大量的設(shè)備使用和數(shù)據(jù)分析的工作經(jīng)驗(yàn)?；谠擁?xiàng)目的研究，下一步的工作將主要放在提高設(shè)備性能和功能參數(shù)，為今后開展更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析工作提供有力工具。

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黑龍江省屬科研院所自擬課題，課題編號(hào)：HTK201301