智能调速转向多功能滑雪板设计研究

王首发，高压峰，刘浡轩，赵健盟，纪宏超

（1.华北理工大学，河北 唐山 063009；2.海军工程大学，武汉 430033）

0 引言

查阅文献得知，近期国外某公司已研制出一款新型雪地运动智能滑雪板，被称为世界上首款智能滑雪板和雪杖。这款智能滑雪板通过与智能手机App相连接，可以计算与分析运动过程中最基本的数据，比如速度和距离等参数，甚至包括一些更专业的海量运动数据，例如转弯角度、时间和力量等。与非智能型的传感器相比，该滑雪板可迅速利用机器学习语言对运动过程中的海量数据进行收集并反馈到终端，进行可视化展示，为滑雪运动者提供最专业、最优质的服务。利用蓝牙连接技术，新型滑雪板可以将运动者运动时的实时速度与位置数据实现双向传输，便于教练等人员的研究应用。虽然目前该型号的滑雪板还处于原型开发阶段，但可以将一些适用于低温环境下的显示屏、传感器等器件嵌入到新型滑雪板的智能控制系统中，以实现功能的升级换代与数据处理的快速响应。在滑雪板质量领域，阿托米克品牌一直是世界领先的品牌之一，不仅设计风格十分前卫新颖、充满动感，而且采用特殊材料与结构，打造出世界一流的滑雪产品，例如：ATOMIC的双板系列是竞技比赛中的中高端产品中一流的领军运动装备。但其造价太高，技术手段复杂，不利于大范围的推广。

随着科技的发展和滑雪运动的逐步普及, 滑雪装备的发展方向开始向高科技和大众化转变。其中少量的滑雪装备产品向高科技、高水准的方向发展,供世界上专业的运动员在各种大型赛事中运用；适用于大众滑雪装备的产品向功能多样化、结构简便化、产品安全化的市场方向迈进,以此带给滑雪者更美好的滑雪体验[1]。

根据市场调查，目前我国滑雪爱好者普遍使用的滑雪板，按不同划分方式可分为三大类型：1）根据地域的不同划分，滑雪板可分为越野滑雪板和高山滑雪板；2）根据滑雪样式划分，滑雪板可分为花式滑雪板和自由式滑雪板；3）根据竞技方式划分，滑雪板可分为回转滑雪板和滑降滑雪板。普通类型滑雪板存在不能防水、弹性差、耐磨性差等缺点。而改进的新型滑雪板使用了复合高分子材料与金属夹层，进而滑雪板在滑行中减轻损害程度，并增强固定器稳定性和减震效果，因此滑雪者具有一定的舒适感和灵活性，但其有不易控制、造价昂贵、后期维修麻烦等缺点。

本试验通过调查滑雪运动者使用各种滑雪板在雪上的动作特点，开发出一款智能调速转向的多功能滑雪板。该样板采用智能控制系统，利用滑雪板底面齿轮齿条机械结构的移动，来改变滑雪板底面的部分材料以增加与雪面的摩擦，从而实现滑雪板的调速和转向功能；同时采用蓝牙匹配连接和单片机控制来提高在危险状态下滑雪板制动的反应速率，实现滑雪板的危险制动和实时调速性能[2]；滑雪板整个系统由太阳能板、风力发电系统和蓄电池模块共同为其供给电能，实现光电互补和节能减排的效果，积极响应当今时代碳达峰、碳中和的要求。

1 滑雪板结构设计

智能调速转向的多功能滑雪板由滑雪杖、滑雪靴、滑雪板3部分构成，利用Rhino 软件绘出其整体装置图，如图1所示。

图1 整体装置图

滑雪板机械结构由固定器、电动机和机械传动系统等几部分组成，滑雪靴主要由滑雪靴主体、前脚掌接触面、连接扭转弹簧、后脚掌接触面组成。滑雪靴通过固定器与滑雪板连接而成，滑雪板中的脚压摇杆嵌入到滑雪靴主体与固定器接触底面开有的缝隙内。滑雪靴与滑雪板的装配结构在整体装置图中展示。

1.1 机械结构

1.1.1 机械原理介绍

机械结构传动装置的整体机械结构如图2所示。固定在滑块端的脚压齿条4与圆柱主动齿轮6相啮合，圆柱主动齿轮6、8、9同轴联接，圆柱主动齿轮8与传动齿条3啮合，而且轴上另一端还联接有圆柱主动齿轮9，圆柱主动齿轮9与双向转动电动机齿轮啮合卡紧可防止齿轮的倒转；其中脚压齿条随滑块在滑槽中移动，传动齿条下端由零件7固定，该零件起到固定与传动作用，一方面其固定橡胶板，另一方面其随传动齿轮使滑雪板上下传动。当脚压齿条受到按压，齿轮6开始转动，同时同轴联接的齿轮8通过齿条3带动底板向下运动，达到减速的目的。减速完成，当脚一旦移开时，齿条通过弹簧5带动各部件迅速复位，减速完成。电动机部分通过控制正反转来调动 齿 轮8、9，然后借助齿条3来实现底板的上升与下降，使得减速动作迅速完成[3]。

图2 机械传动装置结构示意图

1.1.2 机械调速说明

滑雪板底面开有多个曲形花纹孔，而在橡胶板底面设置一些凸起的橡胶花纹，与曲形花纹孔一一对应，这样橡胶板在下移过程中其表面凸起的花纹会轻松地进入并透过曲形花纹孔而与雪面接触，从而增大滑雪板与雪面间的摩擦，达到调速目的。橡胶板底面凸起花纹穿过曲形花纹孔与雪面接触的结构示意图如图3所示。

图3 滑板底面结构示意图

当滑雪者需要减速时，通过双后脚掌用力下压靴底后脚掌接触面，按压脚压齿条，脚压齿条有齿部分与齿轮啮合，来带动连接有凸起花纹橡胶条的硬板通过挤出滑雪板底面的曲形开口（多个曲形开口位于滑雪板下表面中间位置）。当减速时，踩踏脚压齿条，凸起花纹橡胶条与雪面接触，增大摩擦，达到减速目的。其中机械传动系统的扭转弹簧可实现脚压齿条下压之后的自动复位，以实现上下端的移动；因此，减速之后，向上抬起双后脚掌使硬板向上移动，凸起花纹橡胶条与雪面脱离，开始正常滑行。

1.2 基于单片机的智能反馈系统

以STM32单片机为控制核心的智能滑雪板系统，滑雪杖与滑雪板通过蓝牙技术连接，实现滑雪手控制滑雪板的速度、超声波距离报警、制动与显示功能[4]。主控芯片应用了一款基于ARM系统内核的STM32系列的32位微控制器，程序存储器容量是64 kB，工作温度适合于常温储存与滑雪运动时的低温条件。选用STM32单片机作为控制芯片，满足需要功能的同时，具有成本低廉、可靠性高和体积小等优点。蓝牙模块选用HC-05主从一体化蓝牙模块，可以实现双向通信和实时反馈的功能，支持串口通信协议，并且具有成本低、体积小、收发效率高、环境配对稳定的优点。显示模块选用12864的OLED显示屏作为显示模块。该模块采用分辨率为128×64的点阵，可显示汉字、图案，整体美观，对比度高，同时可视角度大，其功耗远低于TFT、LCD的功耗。采用SPI或IIC通信方式，I/O口占用少，方便与单片机连接[6]。该系统包括滑雪杖部分和滑雪板部分。滑雪杖部分设置了3个独立按键、蓝牙模块和OLED显示屏模块。3个独立按键分别控制电动机正转、反转和开启超声波测距功能。OLED用于显示蓝牙是否连接等状况及当前超声波测距的实时距离。滑雪板部分包括超声波测距模块、蓝牙技术模块、2个双路继电器和1个减速电动机[5]。这两部分通过电源稳压器模块为系统提供可靠的电源。滑雪板部分设有太阳能板和风力发电机为电池充电。智能控制系统的信号传递流程如图3所示。

图4 智能控制系统的信号流程图

在机械传动轴上连接有电动机，电动机与单片机控制系统相连。在滑雪过程中遇到有碰撞他人、滑出场地、测距模块检测距离小于安全距离等情况时，单片机通过高低电平的翻转，实现触发电动机转动的功能（当电动机转动时，主动轮带动和电动机同轴的齿轮转动，从而使机械传动部分工作），通过机械传动使凸起花纹橡胶条与雪面接触，实现减速。减速后当危险解除（即距离大于安全距离l′）时，同样原理下单片机控制电动机反向转动，通过机械传动使凸起花纹橡胶条上移并与雪面脱离接触，开始正常滑行[7]。滑雪者未面临撞人的危险但速度过高、容易自己摔倒时，按动位于滑雪杖上的按键，通过蓝牙技术模块接通触发电动机转动，使凸起花纹橡胶条与雪面接触，实现减速，再次按键，正常滑行。

1.3 光电互补系统的设计

滑雪板使用的光电互补控制系统是整个系统的供电部分，是整个滑雪板系统的能量来源。通过应用现代电力电子技术——PWM脉冲型控制电路，可以对太阳能转换成的电能进行模拟量到数字量的调节，从而营造一个稳定的供电环境：1）通过稳定的供电环境可以为蓄电池提供纹波系数可控的充电环境，避免蓄电池出现过冲和过放的人为损坏现象，从而有效延迟储能蓄电池的使用寿命；2）稳压环境为电动机提供稳定的电流输入，为电动机的安全精确转动提供了可靠的运行环境。系统采用光电互补控制器，结合电源时序控制系统可采样分析电源系统运行下的各种信号，可实现对系统工作状态下的优化处理，为有效判断系统各部分器件提供技术基础，保证智能控制系统安全平稳地运行。在自然条件良好的情况下，太阳能板不仅可以将转化的电能提供给系统实时供电，还可以将电能储存在蓄电池中[8]。在阳光照射不佳时，既可利用蓄电池内的电流通过控制器为电动机供电，也能通过太阳能板与蓄电池光电互补为电动机供电，达到节能减排的效果。其中光电互补太阳能驱动系统如图5所示。

图5 光电互补太阳能驱动系统图

1.4 滑雪板其他辅助装置

整体结构如图6所示，手杖握手端联接齿轮转动结构，通过手压摇杆带动小齿轮转动，进而带动从动大齿轮切割磁感线，产生的电流通过滑雪杖内部的导线与手杖下部的照明灯连接，进而在夜间照明滑雪道路。握柄部分可以手压发电，通过齿轮齿条传动，以及齿轮副放大转速，并在棘轮限制下实现发电机轴单向转动。

图6 滑雪杖整体设计图

滑雪者没有撞人的危险但速度过高、容易自己摔倒时，按动位于滑雪杖上的按键，通过蓝牙模块接通触发电动机转动，凸起花纹橡胶条与雪面接触，实现减速，再次按键，正常滑行。

2 滑雪板设计的可行性分析

设计开发的可调速转向的多功能滑雪板成本低廉、功能多样且安全性能较高，实验所用实物中包含的具体型号及价格如表1所示。从表1可以直观看出，整套智能滑雪板控制系统的成本总价为335 元，通过实物实验，滑雪板转向成功率可提高80%，减速时间至少缩短一半，滑雪事故发生率可下降40%，因此滑雪板在安全性和功能多样性方面具有广阔的应用发展前景[9]。

表1 参数和价格分析表（以单板为例）

3 结论

多功能滑雪板采用机械结构传动来实现滑雪板底面部分材料的改变，增大滑雪板与雪面之间的摩擦因数μ，进而增大摩擦力，实现降速的目的。通过设计智能控制系统及程序，可实现在非危险状况下手动按下按键减速和危险状况下智能控制滑雪板自动减速制动两种工况，实现了机电一体化和智能控制。此外，还可以通过人体自身重力用双脚按压机械结构完成相同的工作流程，辅助减速。通过人机配合，充分利用滑雪板的各项功能，充分满足滑雪者体验的同时，安全性也得到了有效保证。设计光电互补装置，整个系统由太阳能板和蓄电池共同供电，可以充分利用各类能源，实现了节能减排。设计开发智能调速转向的滑雪板，不仅提高了滑雪者在冰雪运动中的运动体验，还达到了滑雪体育向大众普及的良好效果。