基于加速度传感器的跳伞安全装置设计研究

赵 炯，屈剑平，朱海涛，张根雷

（同济大学机械工程学院机械电子研究所，上海 201804）

0 引言

安全性一直是跳伞运动中最令人关注的问题，由于跳伞过程中会受到风速气流等各种天气因素影响，再加上跳伞运动员当时的身体状况，心理素质［1］以及跳伞经验等非自然因素，就可能导致降落伞无法顺利打开，引起跳伞事故。故而，如何保证降落伞及时打开就成了安全跳伞的关键所在。

考虑到跳伞过程中随着降落高度的变化所引起的人体加速度的变化，可以利用加速度传感器设计出一种新颖的跳伞安全装置，间接测量出跳出飞机后人体的下落高度，当检测到下降高度达到了危险设定值时，如果发现仍没有打开降落伞，则自动弹出伞包打开降落伞，达到减速下落的目的，保证人身安全。本文主要介绍了该装置的设计原理和结构。

1 跳伞安全装置的结构和原理

1．1 跳伞安全装置的结构

跳伞安全装置包括电控和机械2个子系统。电控系统包括0gn加速度传感器、微处理器、电机驱动和外围电路，构成高度检测的核心控制系统。机械系统是自行设计的弹簧插销弹出系统。

弹出系统是一种轻便简单的机械装置，如图1所示，包括直流电机、弹簧插销和滑轮。其中，质量块和弹簧固连在一起;插销通过软绳连接在电机主轴上，软绳1经过定滑轮;直流电机固连在外壳上;钩环固连在压紧弹簧的质量块上，钩环栓结软绳2，软绳2另一端和阻力伞相栓连，阻力伞位于伞包底部，如图2所示，只要拉出阻力伞，就可以弹出降落伞。

图1 弹出装置Fig 1 Ejection device

图2 阻力伞Fig 2 Resistance parachute

当电机收到信号开始转动，电机主轴转动，绕紧绳索将插销拉出，弹簧将物块弹出，从而拉出阻力伞，阻力伞鼓风膨胀展开，达到弹出降落伞的目的。

1．2 跳伞的物理运动过程

运动员从飞机机舱跳出到完成着陆，从物理上可以分为4个阶段，如图3所示，图3（a）运动员跳出机舱，竖直初速度为0，以重力加速度gn=9．8 m/s2下落;图3（b）随着下落速度增加，空气阻力增加，速度逐渐减小;图3（c）当重力和空气阻力达到二力平衡，运动员达到“终点速度”，约60 m/s;图3（d）到达预定高度，打开降落伞，空气阻力增大，减速下降，落地时速度约5 m/s。

图3 降落的各个物理状态Fig 3 Various physical states of falling

本文利用加速度传感器对物体下落的距离进行检测。检测过程为:a．当运动员在飞机水平飞行时，竖直加速度为0，故而从飞机上跳下时，可以通过加速度传感器检测出加速度由0瞬变到9．8m/s2，然后开始计时;b．由位移—时间关系，经过一定时间后，可以计算出运动员下降的距离，当到达设定的下降距离时，检测装置检测是否已打开降落伞，如果没有，则自动打开，保证跳伞安全。检测过程的框图如图4所示。

由图4可以看出:精确测量预定时间值是决定安全装置测量高度可靠性的关键因素。下面就对跳伞的物理过程进行分析，以获得预定时间的准确值。

图4 检测原理框图Fig 4 Block diagramof measurement theory

1．3 物理运动过程的分析

在实际跳伞运动中，由于空气阻力，跳伞运动员在打开降落伞之前并不是做自由落体运动。在运动员不断下落的过程中，其下落速度逐渐增加，因而所受到的空气阻力FD也不断增加。所以，根据牛顿第二定律，有

式中m为运动员及其装备的整体质量;a为下落的瞬时加速度;FD为空气阻力;FG为运动员及其装备的整体所受重力。

由于在地表附近，任何自由落体的加速度约为9．8 m/s2，与其质量无关。由式（1）可以看出:随着空气阻力FD增大，最终运动员将会达到一个“终点速度”（terminal velocity），约为56 m/s。达到该“终点速度”受很多因素影响，如，质量、风阻系数、地球表面的位置、足够的下落高度等。

将式（1）变形，代入阻力和重力具体参数，得到方程

其中，ρ为空气密度，大气空气密度约为1．22 kg/m3;CD为风阻系数，跳伞运动员的风阻系数在1．1～1．3;A为跳伞运动员整体横截面积;v为下落的瞬时速率。

在空气密度一定的情况下，运动员从一定高度由静止下落，速率方程为

其中，υ∞为“终点速度”;gn为重力加速度，9．8 m/s2。由上面的分析可知，达到“终点速度”的条件是

则位移—时间关系为

其中，h为跳伞高度;y为瞬时高度。

通常，跳伞高度大约为3000 m左右，跳伞达到的“终点速度”v∞约为56 m/s，地表重力加速度gn=9．8 m/s2，代入式（6）得

相应位移—时间曲线如图5所示。

图5 位移—时间图像Fig 5 Displacement-time graph

例如:在跳伞运动中，若要求运动员在离地面高度760 m时必须打开降落伞，则v=760，代入式（7），得到降落到760 m时间t=43．96 s。即，从3000 m高度跳下后，当加速度传感器检测到加速度变为0时开始计时，计时到43．96 s时打开降落伞，开始安全减速下降。

1．4 加速度传感器的配置和使用

要使用加速度传感器，必须对它进行配置，主要涉及的寄存器有控制寄存器，状态寄存器，数据输出寄存器及中断相关寄存器。

1）控制寄存器

控制寄存器CTRL-REG1控制传感器的模式和X，Y，Z三轴的启动。为了启动设备读取加速度数据必须写入CTRL-REG1值 0xC7=0b10100111（正常模式，640 Hz，3 轴启动）来启用X，Y，Z3个通道。

表1 控制寄存器CTRL-REG1Tab 1 Control register CTRL-REG1

［PD1:PD0］:00为掉电模式，默认;1x或x1为正常模式［DF1:DF0］:从00 到11 分别对应512，128，32，8，也对应了抽取频率40，320，640，2560 Hz。

控制寄存器CTRL-REG2用于配置量程和数据格式等;控制寄存器CTRL-REG3用于配置外部时钟等。

2）读取加速度值

使用状态寄存器STATUS-REG（27 h）

表2 状态寄存器STATUS—REGTab 2 Status register STATUS—REG

比特位ZYXOR置位表示X，Y，Z轴中有数据溢出;比特位ZOR，YOR，XOR置位分别表示Z，Y，X轴数据溢出;比特位ZYXDA置位表示X，Y，Z轴数据就绪;比特位ZDA，YDA，XDA置位分别表示Z，Y，X轴数据就绪。所以，读取状态寄存器，就可以判断数据是否就绪。读取加速度值序列如下:

a．读状态寄存器STATUS-REG，若STATUS-REG位3等于0，表示数据未就绪，则返回第1步;

b．若STATUS-REG位7等于1，表示数据已有溢出，可以读取;

c．读X轴数据输出寄存器OUTX-L和OUTX-H值，由于每轴数据由2个8位寄存器OUTx-L和OUTx-H组成，故需要读取2个寄存器获得一个维度的加速度;然后读取Y，Z轴数据输出寄存器OUTY-L，OUTY-H，OUTZ-L，OUTZ-H;

d．根据读到的数据，判断加速度是否为0;

e．返回第1步。

通过检查第2步就可以知道数据产生与读取速度是否匹配，如果所有数据被读取且此时新数据还没有产生，则覆盖位xOR会自动清除。

在第1步中，使用“数据就绪”信号来判断是否有新数据可读。该传感器利用HW信号（RDY信号，引脚6）判断新一组数据是否就绪。该信号以STATUS-REG寄存器位3为代表。当所有通道的高位数据被读取后该信号由高变为逻辑0。必须将 CTRL-REG2设为 xxxx01xx才可以使用RDY信号。

另外，为了保证一次性读取完整数据，要使用块数据更新特性。设置CRTL-REG2的BDU（Block Data Update）位为1，防止通道高（低）位未读取完毕而低（高）位已经更新为新数据，从而保证一个完整数据的顺利读取。

3）理解加速度数据

控制寄存器CTRL-REG2的DAS位设定数据是12位（0）或16位（1）模式。

12位模式:右对齐，最有意义位代表符号位;

16位模式:左对齐，低位保存在OUTX-L中且可能是随机值。

关于大小尾的选择，控制寄存器CTRL-REG2的BLE位清零（默认）为小尾。

那么，根据上述设置就可以判断数据寄存器的数据格式。当在12位模式下，OUTX-H的XD15～XD12位等于位XD11的值。

表3 OUTX-H寄存器Tab 3 Register OUTX-H

在16位模式下，执行左对齐，最右（低）4位为随机值。下面举个例子，若在小尾（little-endian）且为12位模式下（BLE=0，FS=2gn）:

经计算:

0x166 对应十进制358，即350 mgn;

0x400 对应十进制1024，即1gn;

0xE9A对应十进制－358，即－350 mgn。

2 仿真结果与分析

由于在3000m以下，大气密度相对变化较小，而人体的风阻系数和截面积相对固定，所以，影响本安全装置的主要因素即为跳伞对象的体重。本文使用Matlab平台，估算不同体重运动员跳伞的打开时间。采用风阻系数CD=1．2，大气密度1．22kg/m3，人体截面积 0．5 m2，跳伞高度3000m，降落伞打开高度设定760m，测试对象体重60～80 kg，利用Matlab绘制降落伞打开前经过的时间，如图6所示。

图6 不同体重对象的跳伞打开时间Fig 6 Parachute opening time vs different weight object

可以看出:体重和时间基本保持线性关系。即在跳伞前，根据跳伞对象的体重，可以准确地设定跳伞安全装置的打开时间，保证在到达指定高度时，能够打开降落伞，避免发生跳伞事故。

3 结论

传统跳伞的安全装置是使用高度计测量高度，高度计是利用不同高度气压高低不同的原理来测算高度的，受天气影响大，如果气压影响因素变化大，需要不断对高度计进行校正，对高度的测量不够简单可靠。

本文提出的安全装置是利用下落时间来测量下落高度，受外界影响主要是来自空气阻力，而空气阻力的不确定性仅仅只受风阻系数CD的影响，人体风阻系数相对固定，所以，整个测量过程受外接影响小，故而时间的测量也是精确可靠的。所以，可以使用本文叙述的跳伞安全装置作为现有跳伞安全的附加装置，能够大大加强跳伞的安全性。

［1］ 李 敏，汪 涛．跳伞应激对伞兵心理情绪的影响［J］．中国临床康复，2005，40（9）:36 －37．

［2］ 博文网．跳伞运动全接触［DB/OL］．［2010—10—12］．http:∥entertainment．bowenwang．com．cn/skydiving．htm．

［3］ 王立鼎，罗 怡．中国MEMS的研究与开发进程［J］．仪表技术与传感器，2003（1）:1－3．

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［5］ 孙大君．对“自由落体运动”问题的再认识［J］．大学物理，2005，24（1）:25 －27．

［6］ Sloss A N．ARM嵌入式系统开发—软件设计与优化［M］．沈建华，译．北京:北京航空航天大学出版社，2005．

［7］ Wikipedia．空气［DB/OL］．［2012—07—16］．http:∥zh．wikipedia．org/wiki/空气．