蘇圓 莊建軍 李雅婷 余颯爽 楊詩(shī)宇 武秀峰 鄒鳴

摘? 要： 為準(zhǔn)確掌握運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)手部的動(dòng)作情況，研究和設(shè)計(jì)一種射擊輔助訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)以聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電薄膜為傳感器，STM32F103C8T6為控制核心，配以放大電路、濾波電路和無(wú)線傳輸模塊，用以捕捉射擊運(yùn)動(dòng)員擊發(fā)瞬間手部施加在槍體接觸面的壓力波形，并將該信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙傳輸至手機(jī)端APP，在APP中完成壓力波形的顯示、存儲(chǔ)、計(jì)算和分析。經(jīng)模擬測(cè)試，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)記錄擊發(fā)瞬間手部相關(guān)位置施加的壓力波形，為教練員實(shí)施精確的個(gè)性化指導(dǎo)提供客觀依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 射擊訓(xùn)練; PVDF壓電薄膜; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 藍(lán)牙傳輸; 模擬測(cè)試; 精確指導(dǎo)

中圖分類號(hào)： TN384?34; TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）06?0001?04

Application of piezoelectric sensor in assistant shooting training system

SU Yuan1， ZHUANG Jianjun1， LI Yating1， YU Sashuang1， YANG Shiyu1， WU Xiufeng1， ZOU Ming2

（1. Nanjing University， Nanjing 210023， China; 2. Nanjing Forestry Police College， Nanjing 210023， China）

Abstract： An assistant shooting training system is studied and designed to accurately master the athletes′ hand movements during training. In the system， the polyvinylidene fluoride （PVDF） piezoelectric film is taken as sensor， STM32F103C8T6 is used as the control core， to which the amplifier circuit， filter circuit and wireless transmission module are equipped， so as to capture the pressure waveform of the shooter′s hand imposing on his gun′s contact surface at the moment of shooting. The pressure waveform signal is transmitted to mobile App through Bluetooth， and the display， storage， calculation and analysis of the pressure waveform are completed in the App. The simulation testing results show that the system can record the pressure waveform generated at the relevant position of the hand at the moment of firing in real time， and provide objective basis for coaches to implement the precise personalized guidance.

Keywords： shooting training; PVDF piezoelectric film; system design; Bluetooth transmission; simulation test; precise guidance

0? 引? 言

1984年洛杉磯奧運(yùn)會(huì)，許海峰在男子手槍60發(fā)慢射項(xiàng)目上奪得新中國(guó)第一枚奧運(yùn)金牌。此后，我國(guó)運(yùn)動(dòng)健兒在多項(xiàng)國(guó)際射擊比賽中取得了驕人的成績(jī)，中國(guó)逐漸成為世界射擊運(yùn)動(dòng)高水平國(guó)家之一。在項(xiàng)群訓(xùn)練理論中，射擊屬技能類表現(xiàn)準(zhǔn)確性運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，外在表現(xiàn)并不復(fù)雜，但動(dòng)作的精細(xì)程度、動(dòng)作穩(wěn)定性和一致性方面是其他任何項(xiàng)目所不具備的，由于其“重里不重表”的特點(diǎn)使射擊運(yùn)動(dòng)的選材難度之大可謂“眾項(xiàng)”之首。任何外部因素，如各持槍位置的施力情況、槍體的晃動(dòng)幅度及心率調(diào)節(jié)能力等都會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的發(fā)揮[1]。

目前，射擊訓(xùn)練主要依賴于教練的主觀經(jīng)驗(yàn)，只限于定性的分析，缺乏系統(tǒng)化、數(shù)據(jù)化的訓(xùn)練指導(dǎo)，遠(yuǎn)不能滿足射擊運(yùn)動(dòng)員評(píng)價(jià)和選材的需要。一些定量研究主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)影像、激光瞄準(zhǔn)、表面肌電圖、高速錄像、平衡測(cè)量、高速紅外掃描等方法分析運(yùn)動(dòng)員肌肉活動(dòng)狀況、動(dòng)作結(jié)構(gòu)、瞄準(zhǔn)軌跡晃動(dòng)規(guī)律、身體重心穩(wěn)定等情況[2]。但是，射擊運(yùn)動(dòng)技術(shù)尤其對(duì)于高水平運(yùn)動(dòng)員，動(dòng)作精細(xì)、重復(fù)性高、一致性強(qiáng)，一些運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的常規(guī)技術(shù)診斷測(cè)量比較得到的數(shù)據(jù)和信息往往相當(dāng)有限，難以通過(guò)單一的比較法來(lái)發(fā)現(xiàn)其中可能存在的問(wèn)題[3]。

自1969年日本研究者Kawai發(fā)現(xiàn)了極化后的聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）具有良好的壓電特性以來(lái)[4]，國(guó)際上就開始對(duì)其深入研究，相應(yīng)產(chǎn)品也已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域[5]。理論和事實(shí)說(shuō)明，與常規(guī)的技術(shù)診斷方法相比較，PVDF壓電薄膜傳感器從靈敏度、快速反饋等方面都有它獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。本文以PVDF薄膜壓電傳感器為核心，設(shè)計(jì)了一款配合手機(jī)端使用的射擊輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，可在射擊過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知手部持槍部位的壓力變化，并通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)終端。終端APP軟件把日常訓(xùn)練中的運(yùn)動(dòng)員手部持槍部位的壓力波形記錄下來(lái)，并在終端產(chǎn)生清晰的數(shù)據(jù)曲線，計(jì)算并分析運(yùn)動(dòng)員擊發(fā)時(shí)手部的發(fā)力特征。將客觀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成直觀的界面，并對(duì)有效信息進(jìn)行儲(chǔ)存，使之與射擊成績(jī)進(jìn)行比對(duì)。借助該系統(tǒng)，教練員可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，給予運(yùn)動(dòng)員更明確的針對(duì)性指導(dǎo)，設(shè)計(jì)個(gè)性化的訓(xùn)練方案，幫助運(yùn)動(dòng)員提高成績(jī)。

1? PVDF壓電薄膜

PVDF主要是指偏氟乙烯與其他含氟乙烯基單體的共聚體或者偏氟乙烯均聚物[6]，其壓電常數(shù)大，靈敏度高，動(dòng)態(tài)靈敏度系數(shù)K=32.83 pC/N，長(zhǎng)度百萬(wàn)分率變化，線性度好，質(zhì)輕柔軟，阻抗與人體皮膚接近，有頻響寬（0～500 MHz），對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力非常敏感，是良好的機(jī)電轉(zhuǎn)換元件，適合于人體皮膚生命信號(hào)監(jiān)測(cè)，廣泛用于醫(yī)學(xué)和仿生領(lǐng)域[7?8]。在無(wú)外電場(chǎng)、有外力施加的情況下PVDF壓電薄膜出現(xiàn)極化現(xiàn)象，故而可以通過(guò)檢測(cè)壓電薄膜的電荷量來(lái)獲取施加的外力。選用LDT1?028K薄膜作為本設(shè)計(jì)的壓電傳感器，鉚接在薄膜上的雙導(dǎo)線引出信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路處理后，可以得到所需的壓力信號(hào)。

2? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，分下位機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)部分。下位機(jī)以壓力傳感器和微控制器為核心，配以其他硬件電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理和傳輸，上位機(jī)是在Android手機(jī)平臺(tái)上開發(fā)的APP專用軟件，實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的顯示、存儲(chǔ)、分析，兩者之間通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。下位機(jī)包括模擬和數(shù)字兩部分，其中，模擬部分涉及壓力信號(hào)的采集、放大和濾波等模塊，數(shù)字部分即為單片機(jī)及其周圍輔助電路。單片機(jī)對(duì)模擬壓力信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)化后通過(guò)串口傳給藍(lán)牙模塊，接著與手機(jī)自帶的藍(lán)牙進(jìn)行通信。上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)SQLite存儲(chǔ)、壓力波形顯示等功能。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和決定性部分，包括模擬和數(shù)字部分。模擬部分包括壓力信號(hào)采集、放大和濾波等模塊，數(shù)字部分即為單片機(jī)及其周圍輔助電路和藍(lán)牙模塊。實(shí)際應(yīng)用中PVDF薄膜內(nèi)阻較大，輸出的是強(qiáng)噪聲環(huán)境下的極微弱的模擬信號(hào)，不便于后續(xù)傳輸處理。必須設(shè)計(jì)精密的硬件電路進(jìn)行前置放大、濾波、數(shù)字處理等。系統(tǒng)硬件實(shí)物圖如圖2所示。

3.1? 前置放大電路

PVDF薄膜上雙導(dǎo)線引出的壓電信號(hào)需要首先經(jīng)過(guò)放大處理，要求前置放大電路輸入阻抗高、輸出阻抗低、增益穩(wěn)定、精度高、共模抑制比高且電壓穩(wěn)定。綜上分析，前置放大電路中需要設(shè)計(jì)兩級(jí)，分別實(shí)現(xiàn)放大信號(hào)和穩(wěn)定電壓的功能。為此，選用OP07作為前置電荷放大器的核心器件。OP07是美國(guó)Texas Instruments公司推出的一款運(yùn)算放大芯片，低靜態(tài)電流、低成本、體積小、精度高，非常適合于高增益測(cè)量設(shè)備和微弱信號(hào)放大傳感的便攜式應(yīng)用。

前置放大電路第一級(jí)采用電荷放大模式的電路設(shè)計(jì)。放大器由反饋電容Cf和一個(gè)高增益運(yùn)放構(gòu)成，本質(zhì)上是一個(gè)積分電路，把PVDF壓電傳感器輸出的電荷在積分電容Cf上積累，并以電壓的形式輸出，此方式可以直接得到外力隨時(shí)間變化的情況。該電荷放大模式的電路設(shè)計(jì)頻帶寬，靈敏度高，信噪比高，電路簡(jiǎn)單并能實(shí)現(xiàn)較高的放大增益，對(duì)于載荷變化的響應(yīng)時(shí)間短且工作狀態(tài)穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)第一級(jí)放大電路，PVDF薄膜傳感器產(chǎn)生的微弱電荷信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成具一定信噪比和抗干擾能力的電壓信號(hào)。為了滿足后續(xù)處理中對(duì)信號(hào)大小的不同要求，需要在第一級(jí)放大后再接一級(jí)電壓放大器。為了防止傳感器過(guò)載時(shí)，產(chǎn)生過(guò)高的電壓，需要在集成運(yùn)放輸入端加上由保護(hù)二極管構(gòu)成的過(guò)載放大保護(hù)電路。前置放大電路如圖3所示。

3.2? 濾波電路

PVDF壓電傳感器采用前置放大電路從微弱電荷信號(hào)放大成電壓信號(hào)的過(guò)程中，難免會(huì)引入噪聲，比如環(huán)境噪聲、集成運(yùn)放內(nèi)部噪聲、元器件噪聲、引線噪聲等。其中50 Hz工頻干擾是此實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集過(guò)程的主要干擾。為了將引入系統(tǒng)中的噪聲有效去除，需要在前置放大電路后加上相應(yīng)的濾波電路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，射擊過(guò)程中持槍手擊發(fā)時(shí)產(chǎn)生的壓力信號(hào)是低頻（≤35 Hz）信號(hào)。但低通濾波器幅頻響應(yīng)存在過(guò)渡帶，難以做到頻率特性足夠陡峭，35 Hz的二階反相型低通有源濾波電路在50 Hz處只能得到大約-10 dB的增益，50 Hz強(qiáng)工頻噪聲有必要專門濾除。因此，該濾波電路由35 Hz低通濾波器和50 Hz陷波電路共同組成，如圖4所示。

其中U3和其周圍器件組成二階反相型低通濾波電路，選用C0（由C24，C25，C26，C27并聯(lián)得到）=4 μF，C15=1 μF，R3=1 kΩ，R9=5.1 kΩ。其截止頻率為：

U4和其周圍器件組成50 Hz陷波電路，其中，將R1=47 kΩ，C20=68 nF代入式（1）可得該陷波電路的中心陷波頻率為：

經(jīng)過(guò)兩級(jí)濾波電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)前置放大電路輸出信號(hào)的濾波除噪要求。

3.3? 微控制器選型

本設(shè)計(jì)的射擊輔助訓(xùn)練系統(tǒng)是便攜式設(shè)備，需要安裝在槍托位置，不能明顯增加裝備的重量，因此要求體積小、質(zhì)量輕、功耗低的設(shè)備。經(jīng)對(duì)比，選擇ST公司的STM32F103C8T6超低功耗單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制器。STM32F103C8T6為32位ARM Cortex?M3架構(gòu)，擁有72 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，具有多種嵌入式接口類型，支持10×12 b數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中MCU需要有壓力數(shù)據(jù)采集和數(shù)/模轉(zhuǎn)換的功能，而STM32F103C8T6具有超低功耗、喚醒速度快、體積小、自帶溫度傳感器等功能[9]，方便后續(xù)開發(fā)，是本設(shè)計(jì)的理想選擇。

3.4? 無(wú)線通信模塊

除以上主要電路外，該系統(tǒng)還需要實(shí)現(xiàn)采集設(shè)備與手機(jī)APP之間的近距離通信，考慮到手機(jī)支持藍(lán)牙和WiFi，且藍(lán)牙功耗遠(yuǎn)小于WiFi，故選擇袖珍易攜帶的HC?05藍(lán)牙模塊，設(shè)置下位機(jī)藍(lán)牙模塊工作在從機(jī)狀態(tài)，波特率為9 600 b/s，采用交叉直接連接模式，接收微控制器模/數(shù)轉(zhuǎn)換值，實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)的藍(lán)牙適配器配對(duì)通信[10]。

3.5? 電源管理

考慮到低功耗和小體積的要求，采用紐扣式鋰電池供電，電源管理模塊選用Maxim公司的MAX603/604和MAX660，通過(guò) Micro USB接口給鋰電池充電。

4? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1? 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件工作流程包括硬件初始化、軟硬件自檢、壓力信號(hào)循環(huán)檢測(cè)等，包括主程序與數(shù)/模轉(zhuǎn)換中斷處理程序。主程序中對(duì)使用到的硬件資源進(jìn)行初始化，ADC時(shí)鐘頻率12 MHz，由系統(tǒng)時(shí)鐘6分頻得到，串口通信波特率設(shè)置為9 600 b/s，采用序列通道多次采樣，數(shù)/模轉(zhuǎn)換后中斷處理，最后結(jié)束。中斷程序后將數(shù)/模轉(zhuǎn)換值通過(guò)USART串口發(fā)給HC?05藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。下位機(jī)主程序流程如圖5 所示。

4.2? 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)以Android手機(jī)作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)功能包括登錄/注冊(cè)、藍(lán)牙通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊。各模塊間可以相互啟動(dòng)，以完成相互關(guān)聯(lián)的不同任務(wù)。為了提高APP的處理效率，系統(tǒng)通過(guò)創(chuàng)建多線程來(lái)分別處理各響應(yīng)和計(jì)算[11]。

在實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程中，藍(lán)牙通信線程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，根據(jù)需要選擇是否保存原始數(shù)據(jù);繪圖線程利用Achargenine，繪制多路壓力波形;算法線程實(shí)現(xiàn)最值點(diǎn)、變化率和拐點(diǎn)的計(jì)算，并將結(jié)果存入SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)，供后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析。

5? 結(jié)果測(cè)試

系統(tǒng)軟硬件調(diào)試完成后，將PVDF壓電薄膜黏附在槍托手部握槍位置，如圖6所示。接通電源，手機(jī)端登錄APP，進(jìn)入測(cè)量界面，藍(lán)牙配對(duì)連接。測(cè)試者手握槍體，模擬手槍擊發(fā)時(shí)扣動(dòng)板機(jī)的動(dòng)作，用示波器顯示前端模擬電路輸出的壓力波形，同時(shí)手機(jī)APP界面顯示手部持槍部位的壓力波形，如圖7所示。其中圖7a）是示波器顯示的1路壓力信號(hào)，圖7b）是手機(jī)端APP界面顯示的4路壓力信號(hào)。

6? 結(jié)? 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一套基于PVDF壓電傳感器的射擊輔助訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)分下位機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)組成部分，下位機(jī)安裝于槍托底部，壓電薄膜黏附于手部握槍部位，負(fù)責(zé)采集運(yùn)動(dòng)員手部不同部位的壓力信號(hào)，并通過(guò)藍(lán)牙將壓力數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)APP軟件接收前端采集設(shè)備發(fā)來(lái)的壓力信號(hào)，進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、計(jì)算和分析。經(jīng)模擬測(cè)試，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)捕捉射擊時(shí)運(yùn)動(dòng)員手部各部位對(duì)槍體施加的壓力信號(hào)，通過(guò)對(duì)該信號(hào)的分析和計(jì)算，可以提取出最大值、變化率等重要參數(shù)，這些參數(shù)可以為教練員實(shí)施精確指導(dǎo)提供重要依據(jù)。

接下來(lái)的工作將進(jìn)一步優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，減小采集前端設(shè)備的體積;另外，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員射擊訓(xùn)練的實(shí)際測(cè)試，以便檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)與教練員、運(yùn)動(dòng)員一起探討有效的壓力表征參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)科學(xué)訓(xùn)練、客觀評(píng)價(jià)的目的。

注：本文通訊作者為莊建軍。

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