基于3轴运动传感器的标枪轨迹测绘仪的设计

何航 徐霞 陈新 杨威 杨剑

摘 要：由于标枪运行过程中是一个多轴性旋转体，针对标枪运动中标枪运动轨迹测量的难题，该文提出利用3轴运动传感器mpu6050来测量标枪的空中运行轨迹。该文首先给出了对标枪运动的公式进行推导，接着给出了标枪轨迹测绘仪的硬件原理框图，最后给出了软件实现流程图和实际测量的标枪飞行过程中的俯仰角测试结果。该标枪轨迹测绘仪在训练和教学中有良好的使用前景。

关键词：标枪运动轨迹 3轴运动传感器 mpu6050 标定

中图分类号：G80 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2017）05（a）-0252-02

The Design of Javelin Trajectory Instrument 3 Based on Axis Motion Sensor

He Hang Xu Xia Chen Xin Yang Wei Yang Jian

（Hunan University of Humanities， Science and Technology， Loudi Hu`nan， 417000， China）

Abstract： Aimed at to solve the challenge of measure javelin trajectory， due to the flight process of Javelin is a multi-axial rotator. The paper proposes to take advantage of the three-axial motion sensor （mpu6050） to measure the javelin trajectory in the sky. Firstly， the thesisdeducted the formula on the Javelin movement.Nest the hardware functional block diagram for measuring theJavelintrajectory was offered. Last the paper show software flow chart and the javelin trajectory measure results which are linked to the actual measurement of the angle of pitch. The javelin trajectory measuring instrument has a good prospect in training and teaching process.

Key Words： Javelin trajectory； 3 axis motion sensor； Mpu6050； Calibration

标枪运动是一个比较复杂的多轴性旋转项目，标枪的投掷距离取决于多方面的因素，例如出手角度、速度、加速度、初始俯仰角速度等许多因数。目前对标枪方面的研究主要集中在运动公式推导[1-2]、计算机仿真[3-4]、计算机有限元分析和计算[5-6]等方面，对标枪运动过程中的参数测量基本没有涉及，而标枪运动过程中的参数最能体现运动员投掷过程中的实际情况。

该论文设计的目的就是对整个标枪轨迹进行跟踪并描绘轨迹，对一些影响标枪投掷距离的参数进行测量与显示。该项目可以有效解决在标枪投掷运动过程中的参数测量中的难题，标枪投掷运动过程中的参数可以在终端实时显示与分析，给教学、训练和比赛分析带来极大的方便，更好地指导运动、训练和实践。

1 标枪的力学分析

如果不考虑空气阻力、将标枪简化为理想物体。如图1所示，假设出手速度为V0，出手角度为θ，标槍的空中飞行距离S可以推导如下：

（1）

其中：X 为横向距离，Y 为纵向距离，g 为重力加速度，t 为运行时间。

理论上的最佳出手角度，由公式可知为45°，但是由于空气阻力、标枪自身的旋转等因素，标枪的最佳出手角度从30°～43°。

2 测绘仪原理

出手角度、速度、加速度、初始俯仰角速度和空中飞行姿态等对标枪的投掷距离都起到至关重要的作用。目前市面上的标枪飞行轨迹测量方法有如下几种：（1）高速摄像与图像处理方法。使用高速摄影机将标枪的投掷过程进行拍摄，可获得标枪的轨迹，出手角度等一些参数。该方法需要实现进行标定和校正等步骤，对使用人员技术水平要求较高等原因，目前保证训练、比赛和比赛节目转播中很少使用。（2）倾角传感器。倾角传感器可以精确的测量物体的倾斜角度，但是标枪运动是一个比较复杂的多轴性旋转项目，由于标枪运动过程中产生旋转导致参考坐标系变化，倾角传感器测量的角度不再是标枪的倾角。

标枪轨迹测绘仪的结构图如图1所示，其中（1）CPU处理器；（2）六轴运动传感器；（3）无线传输模块；（4）电池；（5）标枪本体；（6）标定按键；（7）倾角传感器；（8）标枪放置孔槽；（9）标定指示；（10）标定装置支架；（11）平行板；（12）水平调节螺栓。

该文提出使用多轴运动传感器进行标枪运动轨迹的测量。六轴传感器是一种多轴运动处理组件，通过对x、y、z三个方向上的角速度、加速度进行运算得到四元数，最后通过矩阵计算并转换为欧拉角，即被测物体当前的姿态。将多轴传感器与无线模块整合在一起，安装到标枪上，多轴传感器实时记录下标枪投掷运动过程中的参数变化，通过无线模块传输到PC终端进行轨迹描绘和参数显示。

3 轨迹测绘仪硬件设计

如图2所示，根据实际标枪运动轨迹测量的需求，测绘仪硬件设计包括低功耗单片机MSP430 F149，6轴运动传感器mpu6050、nRF24L01无线模块和标定按钮等。

为了满足低功耗的需求，主控选择了TI公司的MSP430F149，6轴运动传感器选择mpu6050，主控MSP430F149通过IIC总线与mpu6050通信。6轴运动处理传感器是指集成了3轴陀螺仪传感器和3轴加速度传感器，通过读取6轴运动处理传感器的3轴角加速度和3轴加速度可以换算成四元数。四元数在飞行器制导与姿态控制中得到日益广泛的应用。对标枪的运动轨迹、加速度等数据通过无线传输方法实时输出到电脑等终端，其中无线传输采用nRF24L01无线模块，其传输距离100 m以上、功耗极低，完全可以满足该设计的无线传输需求。标枪上的标定线与测绘仪标定装置支架上的标线保持一致，标定时保证标枪的投掷前进方向与标枪标定方向保持一致并保持水平，通过测绘仪上按钮确定标枪初始轨迹标定过程。

4 轨迹测绘仪软件设计

标枪轨迹测绘的流程图见图3所示，在标枪投掷前必须对标枪进行标定，保证标枪保持水平和投掷方向保持一致。

由于6轴运动传感器直接读取数据时噪声大，需要进行卡尔曼数字滤波以消除数据中的噪声和干扰的影响。通过电脑、手机等终端可以对无线模块传输过来的数据进行自动处理，绘制成飞行轨迹图，加速度变化图，俯仰角变化图等。用户可以根据绘图进行实时分析与处理，该功能对于平时的训练和比赛结果分析都有良好的效果。如图4所示为两次标槍飞行俯仰角的测试曲线图。

5 结论

6轴运动传感器能测量标枪飞行过程中的多个角度，包括俯仰角、旋转角和偏移角，可以很好地描述标枪飞行时的运动轨迹，表明了使用这种方法研究标枪的飞行特性是可行的。相对其他测量方法，该方法简便、成本低廉，适合训练和教学中使用，以便深入的研究标枪出手参数、运动轨迹与投掷距离之间的关系，为有效提高标枪投掷成绩提供技术指导依据。

参考文献

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