一种雪地赛道硬度检测装置的设计与实现

魏 欣，王志豪

(南京信息职业技术学院 电子信息学院，江苏 南京 210023)

0 引言

高山滑雪比赛是冬季奥运会上一项重要的比赛项目。在高山滑雪项目赛道制作实际应用中，为了保证赛道的制作质量，首先，制作者需要凭经验用电钻钻入赛道，感受赛道的松软度；其次，根据感受到的硬度，结合当时的天气情况，设定赛道的注水时间，将水注入赛道内部20～40 cm处，使雪质硬化，以保证雪道表面平整光滑，让选手不论第几个出场，雪道的状态都是一样相对完美的[1]。然而，赛道整个制作过程更多地是依靠人工经验，不能对滑雪赛道的雪质硬化的硬度情况进行定量分析，无法保证所制作滑雪赛道硬度的一致性和科学性。

针对高山滑雪赛道施工验收检测的需要，本文设计一种能检测滑雪赛道纵剖面硬度的装置。通过垂直钻入赛道的探针式压力传感器，实时采集压力值，根据压力值的大小来反映赛道的硬度。该装置提供了一种内部硬度检测的新方法，为高山滑雪赛道的制作提供了科学依据[2]。

1 检测系统方案设计

不同于传统的金属压痕硬度测量方式，本文设计的雪地赛道硬度检测装置可以检测赛道纵剖面不同深度的冰层硬度情况。测量时，探针式压力传感器垂直钻入赛道，在钻入的过程中实时采集压力数据。系统将采集的数据进行输出和分析，从而计算出不同深度冰层的硬度值。硬度检测系统总体结构如图1所示。

2 传动机构设计

本项目设计的冰状雪赛道硬度探测装置包括滑轨、云台、压力传感器、探针等部分，如图2所示，其中，1代表直流电机，2代表减速机，3代表平衡架，4代表滑轨，5代表支撑杆，6代表底座，7代表云台，8代表压力传感器，9代表探针，10代表防偏导引板，11代表固定架，12代表顶片，13代表固定片，14代表云台导向孔[3]。

装置滑轨上安装有云台，如图2(B)图所示。云台的上端安装有压力传感器，用于携带压力传感器在滑轨上做上下垂直活动；云台的下端设置有云台导向孔；探针活动套接在云台导向孔中。压力传感器通过螺丝安装在云台上。探针的顶端设置有固定片，固定片用于防止探针从云台导向孔中脱落；压力传感器的下端安装有顶片，固定片与顶片在同一直线上，拆解方便，可在实际应用中更换型号，其顶片在正常情况下与探针的固定片不接触，没有外部力量作用在压力传感器上，减小误差；工作时，云台向下移动，带动顶片和固定片接触，并将探针顶向冰状雪赛道[4]。赛道的硬度不同，顶片和固定片之间的压力就发生变化，通过压力传感器将压力数据采集出来。

图2 装置结构示意

整个装置通过滑动云台运动将探针垂直压入冰状雪赛道中过提取压入过程中的受力曲线，利用数值方法提取压力传感器承受的负荷力作为硬度值，以将测量冰状雪赛道硬度的问题转换为依据受压曲线，提取压力曲线的某几个点作为赛道不同雪层的硬度值。

3 数据采集系统的硬件设计

根据设计要求，结合完整的嵌入式硬件系统设计需求，本文所设计的数据采集系统基本结构如图3所示。

图3 测量系统硬件基本结构

(1)核心控制模块：选用STM32F103C8T6作为主控芯片，内置12位高速模拟数据转换器(ADC) ，能够满足压力传感器数据转换精度的要求。支持I2C，SPI，USART等通信协议，可方便、可靠地进行各种数据交互。

(2)数据采集模块：一般，雪地赛道的硬度值为200 N以内，而测量中的赛道的测量精度要求达到1 N。设计时，采用蚌埠大洋传感系统工程有限公司推出的称重传感器，最大量程为50 kg，综合误差为0.3% full scale，供电电压5～15 V，输出灵敏度为2.0 mV/V，能达到测量精度、量程的实际需求。

(3)数据输出部分：能够显示当前测量数据和历史数据。

(4)运动控制部分：直流电机控制探针运动挤压雪地赛道。

(5)数据通信接口：采用RS485通信方式，将装置的测量数据准确、无误地传给后台测量系统。

4 系统软件设计

根据雪地硬度检测仪的设计应用需求，整个硬度检测软件包括：主程序、传感器数据采样、电机正反转识别、液晶显示、RS485通信、USB数据保存等。整个系统采用C语言模块化思想进行设计，各功能模块分别编写相应的驱动函数和控制函数。硬度检测设备的软件结构如图4所示。

图4 系统软件总体结构

系统上电复位后，主函数先完成系统上电初始化过程，包括：STM32系统时钟配置、各模块硬件匹配的输入输出口(GPIO)管脚功能初始化配置、数模转换模块初始化、液晶显示初始化以及串口工作方式的初始化[5]。

初始化完成后，识别探针式压力传感器的运动方向，在钻入雪层的运行过程中不断采集传感器信号，并实时将每次的测量结果显示在液晶显示器上。在完成一组检测后，通过U盘将数据保存。

5 雪地赛道硬度的测定

项目组于2019年2月14日对亚布力滑雪场进行踏勘，并对冰状雪赛道进行了雪坑剖面对照测量。在实际的情况下，由于探针式压力传感器存在位移波动、采样系统受温度影响等因素的干扰，检测数据的曲线不可能十分平滑，会产生相应的波动，实际的测量过程典型曲线如图5所示。结合理论曲线，可以为实际测量曲线设定180 N的阈值，测量值超过180 N就是冰层，不到180 N为雪层。

图5 冰状雪赛道雪硬度实测曲线

6 结语

本文结合实际应用的需求，基于嵌入式ARM硬件、软件设计雪地赛道硬度检测装置，并开发赛道硬度分析软件。实验室验证和实地检测的结果表明：该装置结构坚固、拆解方便、安装简单、便于雪地携带和测量，可以对不同厚度的冰状雪赛道进行准确测量，大大保证赛事公平性和安全性。