花样竞技跳绳计数装置

    马庆修 龙海珠 黄稳城 邓德才

    

    

    

    摘要：在跳绳运动中，计数大部分采用人工或机械结构的形式，两种方式存在人员消耗大，成本贵，计数误差大，不够便捷等问题。随着跳绳智能化和信息化的发展，拟采用惯性传感器技术设计一款智能计数器。通过惯性单元对跳的状态进行判断，确定是否为有效的跳动，核心控制单元进行解算，从而将所獲得的跳绳次数显示在OLED上，实现跳绳计数的智能化，设计的装置结构简单、体积小，计数高效、误差小等优点。

    关键词：跳绳;智能计数器;惯性单元;高效

    近几年来，人们对健康和运动越来越重视，跳绳运动对人体的好处颇多，同时对场地的要求又不高，因此成为人们受欢迎的运动之一。目前的跳绳考试大多数依然采用人工计数的方式，计数时不仅存在误差，而且每个运动员都需要一个人在旁为其计数，效率较低。因此实现跳绳计数的高效率成为人们迫切需要解决的问题之一。电子跳绳计数器的发展已有30多年的历史，计数的精度和稳定程度作为衡量电子计数器性能的重要指标[1]。跳绳计数器由一开始结构简单、方便，计数较为准确的跳绳自动计数装置，到具有双绳遥控控制，可计时、计数、智能制动和终端保护且可以单、双绳切换的双绳联动跳绳[2]，以及具有趣味性且环保的集计数装置、照明装置、音乐播放装置和显示装置于一体的自发电跳绳[3];再到如今采用无线通信，增加无线传输距离和组网规模，实现50人在无人工计数的情况下同时考试，且能够单机工作和联网工作的智能跳绳测评系统[4]。电子跳绳计数器随着电子技术的发展而取得不断的进展，其应用仍在不断的扩大。

    为了满足人们在进行跳绳运动时能够拥有一款体积小，携带方便，计数精准的智能跳绳计数器的需求，设计一款具有定时功能的智能跳绳计数装置，用户可用该计数装置轻松方便地进行跳绳跑步运动，亦可根据自己的喜好设定运动时间，当时间到达设定值时发出提示响声，实现定时、规律的运动生活。此装置的设计可以改善传统计数误差大、效率低的缺点，很好地为健身房、学校、跳绳比赛这些场合提供应用。

    1 计数装置设计思路

    采用STM32F103VET6作为中央控制器，用户在开始使用时通过按键选择运动类型以及设置好运动时间，当用户在开始运动，MPU6050六轴加速度传感器获取运动者当前X、Y、Z这三个方向的加速度以及角度的信号;所获取的加速度与角度信号通过IIC总线传输到中央控制器，算法分析得出运动者跳绳次数，实现计数功能，跑步/跳绳次数以及运动时间通过OLED显示，当时间到达设定值时，蜂鸣器发出响声功能。系统总体设计框图如图1所示：

    2 计数装置硬件设计

    2.1数据采集单元设计

    用MPU6050传感器模块收集使用者的加速度数据，MPU6050惯性传感器集成了3轴陀螺仪传感器和3轴加速度传感器，以数字形式输出6轴的旋转矩阵、四元数和欧拉角格式的融合演算数据[5]。MPU6050传感器的检测轴及方向如图2所示，加速度的值Va=V2x+V2y+V2z。

    通过传感器的Pin3和Pin4分别连接到STM32中的PB6和PB7达到传送时钟和数据作用，采用的是STM32自带的IIC外射功能实现MPU605模块与STM32单片机的总线通信[6]，单片机从传感器中读取加速度数据。

    2.2 硬件电路图

    硬件电路由OLED液晶显示部分、MPU6050惯性传感器部分、核心处理器部分组成，电路结构简单，具体硬件如图3所示。

    3 动态阈值法

    设计中使用动态阈值方法来监控使用者在跳绳或跑步过程中的加速度的值，经过一系列分析、计算从而调整阈值的大小。

    通过实际测试跳绳10次数据时产生的加速度变化值，将上限阈值设置为0.2，下限阈值设置为-0.2。当STM32中接收到一次上限阈值与一次下限阈值时，即视为产生一次有效数据，即记数加一。当数据产生较大波动时，程序会根据波动的变化大小动态产生相对应的阈值。阈值改变以后有效数据的标准将会被改变。通过适当调整阈值，就可以使数据的采集变得更加准确，大大减小了计数误差。

    4 测试结果与分析

    分别在不同的运动状态、不同的运动类型，获得实际的测试数据，如表1所示。

    分析总结：对上述的三个表格的测试数据可以看出在同一种状态下，运动类型为跑步效果比跳绳的要好;不同状态时在跳绳过程中将计数器固定在手上的状态是最好的。跑步时将其固定在脚上的状态是最好的。但是无论是测试跳绳状态还是跑步状态，都存在一定的误差，本装置的计数误差控制在10%左右，误差来源可能有：在进行跑步和跳绳的过程中动作过快，导致加速度的采集存在一定的误差;MPU6050传感器在采集加速度和角度时存在一定的误差;电路中不可避免存在一些噪声导致产生一定的误差。

    5 总结

    设计的硬件电路简单体积小，用户进行运动时，可以将计数器固定在手上、脚上或者肩上，按照使用者的意愿选择运动类型和定时功能进行运动，最大程度地满足用户的健身意愿需求。实际测试数据表明，该装置能够在一定程度上减小计数误差，装置不仅适用于健身房、学校、跳绳比赛这些场合，也适用于个人平时锻炼所用，具有一定的实际工程应用价值。

    参考文献：

    [1]陈冬冬.基于电子计数器测量周期的误差分析[J].信息系统工程，2016（04）：27.

    [2]常丰田，陈文超，马勋举，王汝家.双绳联动跳绳机的结构与功能设计[J].机电技术，2013，36（04）：57-59.

    [3]郭艺璇，唐玉儒，王慧，李世伟.浅谈一种自发电跳绳[J].科技创新与应用，2014（33）：46.

    [4]罗云.智能跳绳测评系统的设计与实现[D].重庆理工大学，2017.

    [5]李臣龙，强俊.基于STM32和MPU6050姿态解算的研究与实现[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2017，35（02）：295-298+316.

    [6]郭海丽.基于STM32的自平衡小车系统设计[J].设备管理与维修，2019（10）：144-145.