CN105510533A - 一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪和方法，包含基座、立杆、横杆、固定托架、活动托架和超声波测距模块，测距装置中安放有24V开关电源及测控电路板，在主控单片机的控制下，借助24V电动推杆控制测试机架中活动托架的左右移动，用于夹持或释放被测的标准球体，在球体下落及反弹的过程中，超声波测距模块测出球体的位置，最终据此完成球体反弹系数的计算。利用固定回波抑制、超声波温度补偿及Kalman滤波技术以提高测试精度，本发明给出了一种球体反弹系数的测试仪和方法，实现了对运动地板球体反弹系数的测定，从而可为相关运动地板的生产、测试及使用企业提供了一种简便、有效的测试工具。

Description

一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪和方法

技术领域

本发明涉及一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪和方法，属于运动地板质量检测设备。

背景技术

随着中国竞技体育与全民健身运动的迅猛发展，目前在全国各地，体育场馆的建设数量与日俱增，档次也越来越高，而运动地板作为体育场馆的一个最基本的功能单元，对体育场馆的建设起着至关重要的作用。目前，中国一些体育基础设施与世界先进水准相比还存在不小的差距，运动地板就是其中之一。运动地板在中国尚处于初级发展阶段。其表现在以下几个主要方面：中国至今尚未制订和颁布运动地板国家标准，这就意味着国内的运动地板生产制造厂家在产品的设计开发、生产制造、质量控制和质量检验等重要方面均无标准可依；即使暂时参照或借鉴运动地板的国际标准(如德国DIN18032标准)，生产企业也因缺少十分完善的检测设备和手段，从而会直接影响到运动地板的生产、检验和质量控制。

为了使运动员达到最佳竞技状态，促进体育成绩的提高，运动地板要求具有运动、保护及技术三大基本功能，其检测标准主要包括：球体反弹、能量吸收、振动变形、滚动负荷、摩擦系数、球体反弹等六项指标。上述测试指标中，球体反弹指标涉及到运球时的姿势和力度掌握，以图满足运动的快节奏需要。室内球类运动比赛规则要求：借助地面进行体育比赛或训练，如篮球等球类运动，要求球体在比赛场地地面上的反弹比较系数应大于或等于90％。球体反弹以正确充气的标准篮球在水泥地上回弹的高度为对比标准。即将篮球从6.6英尺(2.012米)的高度落到运动地板或坚硬水泥地上，测试篮球的回弹高度比，并以百分数表示，以反映回弹高度差。因此迫切需要一种运动地板球体反弹系数测试仪。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪和方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪，其特征在于：包括球体反弹测试机架、测距装置，球体反弹测试机架包括测试基座，测试基座上安装有竖向设置的立杆，立杆竖直设置在基座两侧并且立杆下端固定在基座之上，横杆水平设置并且两端固定在立杆上端，超声传感器固定在横杆中间，固定托架和活动托架相对设置在超声传感器下方并且固定托架和活动托架固定在两侧的立杆上，活动托架通过电动推杆驱动能够沿着水平方向伸缩。

进一步地，所述测距装置包含LCD操作显示面板、主控单片机、超声波激励及回波检测模块、测温元件、24V开关电源、电源隔离变换模块、电源变换模块和JTAG下载器模块，主控单片机构成测控系统的控制核心，连接超声波激励及回波检测模块、测温元件、JTAG下载器模块以及测试机架中的24V电动推杆，超声波激励及回波检测模块与测试机架中的超声传感器连接，24V开关电源分别与电动推杆和电源隔离变换模块连接，电源隔离变换模块与3.3V电源变换模块连接，并为超声波检测模块供电，3.3V电源变换模块为msp430f149单片机系统供电，所述测距装置前面板安装有LCD操作显示面板，包含320×64点阵LCD显示屏、操作按键组以及工作状态指示灯组，为测试仪提供用户人机操控界面。

进一步地，所述超声波激励及回波检测模块包含超声波发送电路和超声波接收电路，超声波发送电路包含六反相缓冲器U1和超声发送换能器U2，超声波接收电路包含超声接收换能器U3、NE5532高倍放大器U4，比较器U5的3脚与可调电阻R1连接，可用于调整超声波激励及回波检测模块的工作灵敏度。

进一步地，所述主控单片机采用msp430f149芯片。

进一步地，所述电源隔离变换模块包含A2405SDC-DC转换模块U9，用于将由开关电源提供的24V直流电源隔离变换成+5V直流电源，从而提高系统的抗干扰能力，再经AM1117LDO电源变换模块产生+3.3V直流电源，以便为主控单片机等元件提供工作电源。

进一步地，包含以下测试步骤：电动推杆控制活动托架释放被测标准篮球，该篮球将自由落体到下方的运动地板试件或坚硬水泥地面上，随即产生反弹；超声波传感器基于回波测距原理监测被测球体的高度，所得数据经过固定回波抑制并通过Kalman滤波算法修正距离测试结果；再经过温度补偿校正温度影响计算确定最大反弹高度值；将在运动地板上测得的最大高度值与坚硬水泥地面上测得的最大高度值对比计算即可求得球体反弹系数。

进一步地，所述固定回波抑制是指测试前首先不使用球体，控制超声波模块进行10次预测试，并对其中至少7次以上的固定回波位置进行记录，判定为这些属于测试机架部分的固定回波造成的干扰，以便在正式测试过程中予以消除。

进一步地，所述Kalman滤波过程为：对于作自由反弹运动的被测球体，根据运动方程可确定其状态空间模型，利用Kalman算法进行滤波处理，可大大减少测量误差，并降低因超声波测距采用离散采样对测量过程造成的影响。

进一步地，所述温度补偿校正的方法为：依据超声波速度与温度的对应关系，通过测试环境温度，经过查表内插方法可对超声波速度进行修正，以提高超声波测距精度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明利用精心设计的小型测试机架，借助单片机控制启动测试过程，并采集测试过程中标准球体在被测地板与水泥地面反弹高度的变化，从而可实现对运动地板球体反弹系数的测试；

2、本发明通过固定回波抑制、温度补偿和Kalman滤波处理，从而保证了球体反弹高度测量的准确性，进而保证了最终球体反弹系数测量的精度；

3、本发明结构简单，成本较低，为相关运动地板的生产、测试及使用企业提供了一种方便有效的测试工具。

附图说明

图1是本发明的一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪的测试机架结构示意图。

图2为本发明的一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪的电路结构示意图。

图3为本发明的一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪的测试控制电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

1)测试仪系统组成

如图1、图2所示，本发明的一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪，包括球体反弹测试机架(1)、测距装置(2)。所述的球体反弹测试机架(1)包括测试基座(11)，测试基座(11)上安装有竖向设置的立杆(12)，立杆(12)竖直设置在基座两侧并且立杆下端固定在基座(11)之上，横杆(13)水平设置并且两端固定在立杆(12)上端，超声传感器(16)固定在横杆(13)中间，固定托架(14)和活动托架(15)相对设置在超声传感器(16)下方并且固定托架(14)和活动托架(15)固定在两侧的立杆(12)上，活动托架(15)通过电动推杆(17)驱动能够沿着水平方向伸缩。

测距装置(2)包含LCD操作显示面板(3)、主控单片机(21)、超声波激励及回波检测模块(22)、测温元件(23)、24V开关电源(24)、电源隔离变换模块(25)、电源变换模块(26)和JTAG下载器模块(27)。主控单片机(21)构成测控系统的控制核心，连接超声波激励及回波检测模块(22)、测温元件(23)、JTAG下载器模块(27)以及测试机架(1)中的24V电动推杆(17)，超声波激励及回波检测模块(22)与测试机架(1)中的超声传感器(16)连接，24V开关电源(24)分别与电动推杆(17)和电源隔离变换模块(25)连接，电源隔离变换模块(25)与3.3V电源变换模块(26)连接，并为超声波检测模块(22)供电，3.3V电源变换模块(26)为msp430f149单片机系统供电，所述测距装置(2)前面板安装有LCD操作显示面板(3)，包含320×64点阵LCD显示屏(31)、操作按键组(32)以及工作状态指示灯组(33)，为测试仪提供用户人机操控界面。

超声波激励及回波检测模块(22)包含超声波发送电路和超声波接收电路，超声波发送电路包含六反相缓冲器U1和超声发送换能器U2，超声波接收电路包含超声接收换能器U3、NE5532高倍放大器U4，比较器U5的3脚与可调电阻R1连接，可用于调整超声波激励及回波检测模块的工作灵敏度。

主控单片机(21)采用msp430f149芯片。

电源隔离变换模块(25)包含A2405SDC-DC转换模块U9，用于将由开关电源(24)提供的24V直流电源隔离变换成+5V直流电源，从而提高系统的抗干扰能力，再经AM1117LDO电源变换模块(26)产生+3.3V直流电源，以便为主控单片机等元件提供工作电源。

包括如下测试步骤：电动推杆(17)控制活动托架(15)释放被测标准篮球，该篮球将自由落体到下方的运动地板试件或坚硬水泥地面上，随即产生反弹；超声波传感器基于回波测距原理监测被测球体的高度，所得数据经过固定回波抑制并通过Kalman滤波算法修正距离测试结果；再经过温度补偿校正温度影响计算确定最大反弹高度值；将在运动地板上测得的最大高度值与坚硬水泥地面上测得的最大高度值对比计算即可求得球体反弹系数。

所述固定回波抑制是指测试前首先不使用球体，控制超声波模块进行10次预测试，并对其中至少7次以上的固定回波位置进行记录，判定为这些属于测试机架部分的固定回波造成的干扰，以便在正式测试过程中予以消除。

所述Kalman滤波过程为：对于作自由反弹运动的被测球体，根据运动方程可确定其状态空间模型，利用Kalman算法进行滤波处理，可大大减少测量误差，并降低因超声波测距采用离散采样对测量过程造成的影响。

所述温度补偿校正的方法为：依据超声波速度与温度的对应关系通过测试环境温度T，经过查表内插方法可对超声波速度进行修正，以提高超声波测距精度。

2)测试过程

当控制测试盒2前面板LCD操作显示面板3上的“启动测试”按钮按下后，单片机控制测试机架1上的24V电动推杆17使活动托架15向右运行，释放被测标准球体，开始测试过程。同时超声波测距模块16利用回波测距原理开始对球所在的位置进行监测，特别是球体的反弹过程，采样所得的数据首先经固定回波抑制以避免测试结果受到测试机架各固定部件的影响，再使用Kalman滤波算法修正距离的测试结果，再经温度补偿以校正温度影响，最后给出预期的最大反弹高度值。当得到运动地板及水泥地面的对比数据后，即可最终据此计算出反弹的比值，从而获得待测的球体反弹系数。测试结果使用320×64点阵的LCD进行显示，用户可通过四个按键控制测试仪的工作过程及信息显示，四个LED指示灯则可用于显示仪器的工作状态及报警。

取若干次在被测运动地板及水泥地面上测得的结果进行简单算术平均，再计算其比值，即可得到待测运动地板样本的球体反弹系数值。其计算公式如下所示：

${\mathrm{KH}}_{ref}=\left(\frac{H_{max1}}{H_{max2}}\right)\×100\%---\left(1\right)$

其中：

KH_ref：所测量地板球体反弹参数的计算结果，用百分比％表示

H_max1：被测运动地板上形成的最大反弹高度，用mm表示；

H_max2：坚硬地面(如水泥地面)上形成的最大反弹高度，用mm表示。

LCD操作显示面板还提供了另三个按键：F1，F2及确定按键，用于对LCD显示屏的显示内容进行选择。按确定按键可呼出显示菜单或确认所进行的操作，而F1，F2键则与显示上下文相关，可用于选择各子菜单项或子功能；面板上的4个LED指示灯分别表示：系统开机、球体下落状态、球体反弹状态以及系统报警状态。

3)固定回波抑制

在当按下LCD操作显示面板3上的“启动测试”按钮时，单片机首先控制超声波模块进行10次预测试，并对其中至少7次以上的固定回波位置进行记录，判定为这些属于测试机架部分的固定回波造成的干扰，以便在正式测试过程中予以消除。待完成预测试后，系统才驱动电动推杆使篮球下落，以进行后续的正常测试。

实际球体正常测试过程中，可能由于球体正巧到达所记忆的固定回波位置，则其正常回波信号将受到抑制，导致回波信号消失，此时，单片机程序中将选择上次的测试位置进行近似，由于采用后述的kalman滤波技术，故对测量结果并不会产生严重影响。

4)超声波温度补偿

超声发送换能器产生的超声波在空气中传播，当超声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射，反射波将由超声接收换能器接收。若已知声波在介质中的传播速度v，且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可测为t，即可计算出从声源到目标的距离d为：

d＝v·t/2(2)

此为本系统所采用的脉冲回波法测距的基本原理。

超声波在空气中以纵波方式传播，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，其反抗压缩变化力的作用结果，实现了超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成分的影响，即：

$c=\sqrt{E/\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$

式中：E为气体的弹性模量，ρ为气体的密度。

而理想气体的弹性模量为：

E＝λ·P(4)

式中：λ为气体定压热容与定容热容的比值，空气中λ＝1.40；P为气体的压强。

而理想气体的压强可表示为：

$P=\frac{M\·R\·T}{\mathrm{\μ}V}=\frac{\mathrm{\ρ}\·R\·T}{\mathrm{\μ}}---\left(5\right)$

式中：R＝8.314kg/mol，T、M、V、μ分别为气体的温度、质量、体积及分子量，空气的分子量μ＝28.8*10-3kg/mol。则有：

$c=f\left(\sqrt{T}\right)---\left(6\right)$

由式(6)可知，超声在空气中的传播速度与空气的温度密切相关。表1给出了超声波传播速度与温度的部分对应关系。

表1超声波波速与温度的关系表

温度/℃	-30	-20	-10	0	10	20	30	40
									声速/(m/s)	313	319	325	323	338	344	349	386

本系统中使用DS18B20单线温度传感器在单片机的控制下进行温度测量，并据此查表并内插以修正超声波传播速度，从而提高脉冲回波法测距精度。

根据DS18B20的通讯协议，主控单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送读写RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。DS18B20采用单总线方式和单片机相连，如图3所示，单片机通过单总线接口读取被测温度数据后，即可通过公式对超声波的传输速度进行补偿，以获得更高的测距精度。

6)Kalman滤波算法

Kalman滤波的实质是在巳知系统和量测的数学模型、量测噪声统计特性及系统状态初值的情况下，由量测值重构系统的状态向量。它以“预测-实测-修正”的顺序递推，根据系统的量测值来消除随机干扰，再现系统的状态，或根据系统的量测值从被污染的系统中恢复系统的本来面目。

卡尔曼滤波算法是以最小均方差为最佳估计原则，利用递归的方法解决离散系统线性滤波问题，对于线性系统及高斯噪声，卡尔曼滤波具有无偏、稳定和最优的特点。

设有离散系统：

X(k+1)＝Φ(k+1,k)X(k)+U(k)(7)

Y(k+1)＝H(k+1)X(k+1)+V(k+1)

其中：X为n维状态变量，Y为m维观测向量，Φ,H分别是n维与m维状态方程与观测方程。U(k),V(k)为系统噪声与观测噪声，均为零均值白噪声序列，其统计特性如下：E[U(k)]＝E[V(k)]＝0，E(U(k)U^T(k))＝Q(k)，E(V(k)V^T(k))＝R(k)，且已知X(0)的统计特性。

已知滤波初值：

$\hat{X}\left(0\right|0)EX\left(0\right)$ (8)

P(0|0)＝var[X(0)]＝P₀

则其Kalman滤波公式或表述为：

一步预测：

$\hat{X}(k+1|k)=\mathrm{\Φ}(k+1,k)\hat{X}\left(k\right|k)+U\left(k\right)$ (9)

P(k+1|k)＝Φ(k+1,k)P(k|k)Φ^T(k+1,k)

滤波增益：

K(k+1)＝P(k+1|k)H^T(k+1)[H(k+1)P(k+1|k)H^T(k+1)+R(k+1)]^-1(10)

滤波计算：

$\hat{X}(k+1|k+1)=\hat{X}(k+1|k)+K(k+1)\[Y(k+1)-H(k+1)\hat{X}(k+1|k)\]$ (11)

P(k+1|k+1)＝[I-K(k+1)H(k+1)]P(k+1|k)

对于作自由反弹运动的篮球，其运动规律满足加速度为-g的匀减速运动形态，即：

$H_t=V_0\·t-\frac{1}{2}{\mathrm{gt}}^2---\left(12\right)$

V_t＝V₀-gt(13)

若设其位置及速度的离散值分别用h(k),v(k)表示，取状态变量观测变量Y(k)＝h(k)，取采样周期T_s＝1s，重力加速度为g＝9.80m/s²，则其状态空间表达式比照式(7)可表示为：

$\mathrm{\Φ}(k+1,k)=\left[\begin{array}{cc}1& t_s\\ 0& 1\end{array}\right],U\left(k\right)=\[{\begin{array}{c}-0.5gt\\ -gt\end{array}}^2\],H\left(k\right)=\[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\],V\left(k\right)=0---\left(14\right)$

则若已知EX(0),P₀,R(k),Q(k)，即可由式(9)-(11)完成滤波计算。

7)反弹最高点预估

由于超声波模块采用离散时间采样方式，这对准确捕捉反弹最高点的位置带来一定的困难，但可使用以下基于物理机制进行预估。

设在某特定时刻，篮球的反弹高度已至H_t，向上速度为V_t，则按重力加速度g匀减速上升，满足以下运动方程：

$H_m=H_t+V_t\·t-\frac{1}{2}{\mathrm{gt}}^2---\left(15\right)$

V_m＝V_t-gt(16)

至最高点，其对应的V_m＝0，则所需的时间由式(16)可得，t_m＝V_t/g，将该结果代入式(15)，可得此时的最大高度：

$H_m=H_t+V_t\·t_m-\frac{1}{2}{{\mathrm{gt}}_m}^2=H_t+\frac{{V_t}^2}{2g}---\left(17\right)$

可见，即使球体末到达最高点，也可由式(17)作出估计，上式中的H_t,V_t即为前述6)所述的状态变量，可由前述方法计算确定。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪，其特征在于：包括球体反弹测试机架(1)、测距装置(2)，所述球体反弹测试机架(1)包括测试基座(11)，测试基座(11)上安装有竖向设置的立杆(12)，立杆(12)竖直设置在基座两侧并且立杆下端固定在基座(11)之上，横杆(13)水平设置并且两端固定在立杆(12)上端，超声传感器(16)固定在横杆(13)中间，固定托架(14)和活动托架(15)相对设置在超声传感器(16)下方并且固定托架(14)和活动托架(15)固定在两侧的立杆(12)上，活动托架(15)通过电动推杆(17)驱动能够沿着水平方向伸缩。

2.按照权利要求1所述的一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪，其特征在于：所述测距装置(2)包含LCD操作显示面板(3)、主控单片机(21)、超声波激励及回波检测模块(22)、测温元件(23)、24V开关电源(24)、电源隔离变换模块(25)、电源变换模块(26)和JTAG下载器模块(27)，主控单片机(21)构成测控系统的控制核心，连接超声波激励及回波检测模块(22)、测温元件(23)、JTAG下载器模块(27)以及测试机架(1)中的24V电动推杆(17)，超声波激励及回波检测模块(22)与测试机架(1)中的超声传感器(16)连接，24V开关电源(24)分别与电动推杆(17)和电源隔离变换模块(25)连接，电源隔离变换模块(25)与3.3V电源变换模块(26)连接，并为超声波检测模块(22)供电，3.3V电源变换模块(26)为msp430f149单片机系统供电，所述测距装置(2)前面板安装有LCD操作显示面板(3)，包含320×64点阵LCD显示屏(31)、操作按键组(32)以及工作状态指示灯组(33)，为测试仪提供用户人机操控界面。

3.按照权利要求1，2所述的一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪，其特征在于：所述超声波激励及回波检测模块(22)包含超声波发送电路和超声波接收电路，超声波发送电路包含六反相缓冲器U1和超声发送换能器U2，超声波接收电路包含超声接收换能器U3、NE5532高倍放大器U4，比较器U5的3脚与可调电阻R1连接，可用于调整超声波激励及回波检测模块的工作灵敏度。

4.按照权利要求2所述的一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪，其特征在于：所述主控单片机(21)采用msp430f149芯片。

5.按照权利要求2所述的一种基于单片机的运动地板球体反弹系数测试仪，其特征在于：所述电源隔离变换模块(25)包含A2405SDC-DC转换模块U9，用于将由开关电源(24)提供的24V直流电源隔离变换成+5V直流电源，提高系统的抗干扰能力，再经AM1117LDO电源变换模块(26)产生+3.3V直流电源，为主控单片机等元件提供工作电源。

6.一种使用权利要求1～5所述测试仪的运动地板球体反弹系数测试方法，其特征在于：包含以下步骤：电动推杆(17)控制活动托架(15)释放被测标准篮球，该篮球将自由落体到下方的运动地板试件或坚硬水泥地面上，随即产生反弹；超声波传感器基于回波测距原理监测被测球体的高度，所得数据经过固定回波抑制并通过Kalman滤波算法修正距离测试结果；再经过温度补偿校正温度影响计算确定最大反弹高度值；将在运动地板上测得的最大高度值与坚硬水泥地面上测得的最大高度值对比计算即可求得球体反弹系数。

7.按照权利要求6所述的运动地板球体反弹系数测试方法，其特征在于：所述固定回波抑制是指测试前首先不使用球体，控制超声波模块进行10次预测试，并对其中至少7次以上的固定回波位置进行记录，判定为这些属于测试机架部分的固定回波造成的干扰，以便在正式测试过程中予以消除。

8.按照权利要求6所述的运动地板球体反弹系数测试方法其特征在于：所述Kalman滤波过程为：对于作自由反弹运动的被测球体，根据运动方程可确定其状态空间模型，利用Kalman算法进行滤波处理，可大大减少测量误差，并降低因超声波测距采用离散采样对测量过程造成的影响。

9.按照权利要求6所述的运动地板球体反弹系数测试方法其特征在于：所述温度补偿校正的方法为：依据超声波速度与温度的对应关系通过测试环境温度T，经过查表内插方法可对超声波速度进行修正，以提高超声波测距精度。