快速肢体运动测量模块设计与实现

一．前言

　　随着微机电系统（MEMS）的快速发展[1]，人们已经将加速度传感器应用于体育运动之中，用于获取运动员的速度和力量等信息［2］。但是在高摆速运动场合，比如排球和小球运动员挥臂击球过程，足球运动员的射门过程等，还应用较少。本文提及的高摆速运动场合，无一例外地需要运动者将手臂(或足)或球拍在短时间内以爆发力的方式获得加速度，并且在击球时得到一个反向加速度。研究此过程的意义在于：1、运动员发力分析，可以评价运动的爆发力大小，获得定量的分析数据；2、可以测量出运动员的摆速，作为运动水平的评价参数之一；3、可以分析运动员的加速发力过程，判断发力的时机是否恰当，并纠正错误动作。

　　最初人们利用摄影胶片摄取运动图像，然后逐张胶片进行处理，整个分析过程复杂、周期长、耗材价格高，而且无法得到击球时的受力情况。本文采用运动传感器和的无线芯片，设计出一种实用的运动员摆速测量装置，根据该装置，可以分析运动员的发力过程和击球瞬间的摆速值。

　　二．加速度传感器的选型

　　高摆速场合下应用G传感器需要考虑以下问题：1、实时性，由于运动是在短时间内瞬间完成，要求能够高速采样，实时处理；2、可靠性，因为在高摆速下击球瞬间，受到的冲击力较大，因此对系统的可靠性要求较高。具体体现在以下几点：一，对G传感器的最大检测G值有要求，人体的运动加速度幅度可高达±12G［3］，一般而言，采用±10G的加速度传感器可以满足需要；二，对G传感器的检测轴向有要求，由于装配和实际使用的需要，最好选择Z向的G传感器；三、轻便性，要求整个系统重量轻，体积小，不会对运动带来影响；四、对传感器内部的采样率有要求，由于系统测量在瞬间完成(0.5秒内)，因此希望内部采样率足够高，例如10KHz以上，这样才能够体现诸如小球运动中撞击瞬间受力情况。

　　根据以上因素，考虑选用FREESCALE的MMA7261Q，MMA7261Q由表面微机械电容性传感单元(g单元)和一个CMOS信号调理的ASIC组成的单片集成电路。它可以模型化为两个静止的板中间夹一块活动的板[4]，如图一所示。由于中间夹板的移动，导致上下电容值的变化，通过测量电容值可以确定中间夹板的移动，从而得出芯片所受到的加速度。

                                        图一：简化的加速变换模型

　　三．系统结构

　　图二为发射系统框图，其中nRF24E1为NORDIC公司的整合有8051内核的2.4GHz RF收发器，具有10位速度高达100 kSPS的ADC［5］。整个系统可以采用一颗3V钮扣电池，例如CR2025(150mAh)，在在以0DB功率发射情况下，可以连续使用8-9个小时。

                                     图二：测量系统发射端

　　接收端亦采用nRF24E1，通过RS232连接到PC机（要求装有实时操作系统），由串口直接供电。

　　考虑到本加速度测量系统的一次测量过程通常在0.5秒(甚至在0.1秒)之内完成，而且，在运动过程中的某些运动参数，可能需要更短的时间内来测量，例如乒乓球运动中，重量仅为2.5g，直径4.0cm球和球拍接角时间最短的仅为千分之一秒，因此要求有较高的采样率。MMA7261Q内部具有11KHz的采样模拟输出输出。

　　nRF24E1的AD转换与CPU时钟/32同步(125到625kHz)，每个时钟周期产生2位采样转换值，完全可以满足需要。在设计时，需要将AD采样率设置为大于10Ksps。

　　四．测量流程

　　在[6]中给出了手臂运动学模型。其中单手将刚体从某个方位移动到另一方位，此方位具有6个自由度：3个位移自由度和3个旋转自由度。实际中，需要对此作简化处理，将运动手臂或球拍考虑为在一个平面中进行，如果将传感器适当安装，使得其与运动方向始终垂直，则可以只考虑Z轴的加速度即可。

　　系统的操作流程如下，上电启动后，先设置G传感器最大值为±10g，然后设置AD采样率和通道，并配置nRF2401子系统。为了简单起见，可以只检测Z向的加速度。启动发射之前，保持Gz=0约1秒钟，然后挥动手臂，则Gz>0，此时启动发射。一般而言，运动者一次挥臂时间会在0.3秒之内完成，因此只检测0.3秒，然后再次保持Gz=0约1秒钟，重新测量。图三为软件处理流程图。其中(a)为发射系统软件处理流程，(b)为发射子系统发射过程，(c)为接收子系统接收过程。

　　接收到数据后，通过串口输入到PC内部，由PC端软件进行处理。

                                                         (a)

                            (b)                                                                     (c)

图三  软件处理流程

　　五数据处理

　　图四为某位业余乒乓球爱好者挥臂击球过程的曲线拟合图，图中的极值点是球与球拍接触造成，可以看出乒乓球对球拍产生的瞬间冲击力。根据此图，可以较容易地采用Trapezoid方法来求出运动者的最大摆速和击球时的摆速。

                                         图四 加速度测量结果

　　六．总结

　　快速肢体运动在体育运动界备受关注，但长期以来都是借助高速摄像进行研究，其成本高，且无法分析运动者的受力状况。本文作者创新点在于，采用高速采样的加速度传感器和射频芯片进行快速肢体运动的速度和力量数据采集，所设计的系统采用元件数目少，结构简洁，成本低廉，采样速率可达到10Ksps以上，且功耗低，可以同时分析运动者的速度和力量状况，适合于在各种小球运动及其他体育运动项目中的快速肢体运动测量。