赛艇船桨力学建模分析与测量系统实现

田 香，郭书军

（北方工业大学 信息学院，北京 100144）

0 引言

赛艇是一个多体相互作用的复杂的动力系统，其运动技术的好坏体现在能否最有效地利用体能驱使船体前进。运用当前先进的传感采集以及无线通信技术，能够将运动数据采集下来并进行船桨力学建模分析，帮助运动员更好的训练。

本研究根据赛艇水上能力评价训练的信息化需求，设计基于多传感器数据融合技术的水上训练监控系统，便于运动员和教练实时监测，为评价提供相应的科学依据。

图1 应变片摆放图Fig.1 Strain gauge placement

1 船桨力学建模

在赛艇运动过程中，存在多个力的共同作用，这些力来自于脚踏板、座椅、桨柄、桨板等。但是在运动员与赛艇之间，这些力多为内力。虽然它们对于赛艇运动员的技术分析是重要的，但是只有桨板与水的作用力，才能产生直接的前进推力，推动赛艇前进。

1.1 船桨力概述

桨力是促使赛艇向前运动的主要因素。力是一个矢量，这意味着它既有方向也有大小。力的单位是牛顿（N）=kg×m/s2,代表1 牛顿力可以给1kg 物体1m/s2的速度。

在划水运动中，船桨可以抽象成一个杠杆，桨栓是支点，所以桨板、桨柄、桨栓上的力是相互联系的。运动中，桨板与水的作用点不固定，且与水接触面积大小也不固定，这使得桨板与水之间的力测量的难度较大，且稳定性差。本系统选取测量船桨与桨栓间的作用力，进而通过力学模型推导出桨对船体的作用力。

1.2 船桨力测量

应变片测量力的原理是：将应变片贴在被测定物体上，它会随着被测定对象的应变一起伸缩，这样使得应变片里面的金属箔材随着应变伸长或缩短，通过测量应变片的阻值变化而对应变进行测力的变化。本设备利用上述原理在桨柄上放置应变片，用来测量船桨、桨栓间的作用力。

本设计中，在桨杆上相对的两个方向分别摆放两组应变片，组成两个惠斯通全桥电路，测量船桨由于划动而产生的应变力，如图1 所示。

两组全桥电路，其测量的力角度如图2（a）所示（另外3 组全桥电路分别与其成90°、180°、270°）。其中，力F1 和力F2 分别由两组电桥采集测量所得，根据力的平行四边形定则可以形成合力F12合。图2（b）中合力F12合经过平行四边形定则分解后，分解出与船行进方向平行的有效力F有用。

图2 (a) 力的合成方向Fig.2 (a) Direction of force synthesis

图2 (b) 合力分解图Fig.2 (b) Resultant decomposition diagram

图3 力的平面分解图Fig.3 Flat breakdown of forces

力的平面解析图如图3 所示，船桨作用力的模型及力的计算公式如下：

2 系统硬件设计

本系统终端采用STM32 芯片作为核心处理器，外部由测力模块、加速度测量模块、无线通信模块、电源模块、键控模块等组成。

图5 测力模块电路图Fig.5 The circuit diagram of the force-measuring module

图4 系统终端硬件框图Fig.4 Hardware block diagram of system terminal

当启动按键触发后，测力模块以每秒10 次的频率进行采集，加速度模块以每秒100 次的速率进行采集，采集到的数据通过无线通信模块发送到服务器。当按键被再次触发时，传感器停止数据采集，系统进入休眠状态。系统终端硬件框图如图4 所示。

2.1 船桨力测量模块

测力模块由惠斯通全桥电路、5V 电源、放大电路模块组成。测力模块电路图如图5 所示。

本系统在船桨上搭建两组测力模块。两组测力模块的输出信号被主控模块STM32 进行ADC 采集。采集到的两路电压值，分别经过电压-压力转换得到压力值后，带入公式（1）中，计算其有用力。

2.2 加速度采集模块

加速度模块采用的是MPU6050，该模块整合了六轴运动处理组件（三轴加速度和三轴陀螺仪）。与多组件相比，避免了加速度计和陀螺仪之间的时差问题，并为小型化设备提供了更优化的选择。

通过加速度模块进行角度采集。角度数据格式如表1所示。

根据公式（2）计算桨角pitch，并将角度代入公式（1）中计算桨力。

表1 角度数据格式Table 1 Angle data format

3 系统软件

系统软件主要包括无线通信模块的数据通信程序，加速度模块的角度采集、计算程序、测力模块程序、按键控制程序等。

系统上电后先进行系统函数的初始化，包括时钟配置，延时函数，ADC 采集端口初始化，调试程序时所需串口，以及加速度模块等初始化。循环等待按键key 开始、结束采集信号。当按键key 按下，主控模块开始对测力模块进行ADC 数据集采，对加速度模块进行数据采集，主控模块将采集到的数据进行计算整合后通过无线通信模块上传至云端服务器。当按键key 再次按下，主控模块停止数据采集、无线模块停止上传数据。系统的程序如图6 所示。

4 测试指标及分析

本系统的终端设备安装在赛艇船桨桨柄处，压力传感器安装在桨柄与桨栓连接处，安装实物图如图7 所示。测试中得到的典型测试数据曲线如图8 所示。划桨周期可以采集到整个拉桨、回桨过程中各时间点的桨角、力量等数据，以便运动员赛后查看。

1）在桨叶入水后，拉力迅速上升，桨角值不断增大，当桨叶运行至与赛艇相垂直时，拉力到达最大值。

2）回桨时，桨叶处于水面上方，没有在水中产生前进的推力，此时桨力相对平稳较小。

图6 硬件程序流程图Fig.6 Hardware program flowchart

测试曲线符合赛艇划桨的运动规律，为训练提供数据支撑与科学依据。教练与运动员通过查看运动后数据，了解自身技术特征，并作出有针对性的改进，提高自身竞技水平。

图7 测试安装实物图Fig.7 Test installation physical map

图8 桨角、压力曲线图Fig.8 Oar angle, pressure graph