CN111744134A - 一种精准化木马训练辅助系统 - Google Patents

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尹文刚
郑力明
周梓鑫
吴迪
宋庆欢
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    • A63B5/00—Apparatus for jumping
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
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Abstract

本发明公开了一种精准化木马训练辅助系统，涉及军警训练设备技术领域，其技术方案要点是：包括基座、鞍部、单片机；基座竖向设置有两个步进电机，步进电机的输出轴螺纹配合有升降台，鞍部两端分别与对应的升降台上表面接触；鞍部与升降台的夹角处设置有铰接杆，铰接杆一端与升降台铰接，另一端与鞍部铰接；鞍部的底面设有红外测距传感器、加速度传感器，红外测距传感器、加速度传感器的输出端与单片机的输入端连接，单片机的输出端与步进电机的输入端连接；实时测量鞍部高度并自动将木马调整至最佳水平状态，不同的训练者也能根据自身的需求按动按键自动调整鞍部高度，压缩了以往更换训练者时调整鞍部高度的时间。

Description

一种精准化木马训练辅助系统
技术领域
本发明涉及军警训练设备技术领域，更具体地说，它涉及一种精准化木马训练辅助系统。
背景技术
木马是军事体育体操训练中的重难点科目，木马训练考验参训官兵的力量、敏捷、协调等个人素质。目前木马训练主要使用传统的木马器材，高度调节、水平调整都需要五至六人共同完成，而且依靠目视及经验调节等方式精准度较低。这种方式不利于不同训练者的训练开展，与科学训练的要求有一定的差距。因此，研究设计一种精准化木马训练辅助系统对于提高官兵训练水平具有重要的意义。
发明内容
为解决传统的木马器材使用时高度调节、水平调整都需要五至六人共同完成，而且依靠目视及经验调节等方式精准度较低的问题，本发明的目的是提供一种精准化木马训练辅助系统。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种精准化木马训练辅助系统，包括基座、鞍部、单片机；基座竖向设置有两个步进电机，步进电机的输出轴螺纹配合有升降台，鞍部两端分别与对应的升降台上表面接触；鞍部与升降台的夹角处设置有铰接杆，铰接杆一端与升降台铰接，另一端与鞍部铰接；鞍部的底面设有红外测距传感器、加速度传感器，红外测距传感器、加速度传感器的输出端与单片机的输入端连接，单片机的输出端与步进电机的输入端连接；两个步进电机响应于红外测距传感器输出的距离信号以交替升降动作实现鞍部升降；两个步进电机响应于加速度传感器输出的水平信号以共同动作调整鞍部的水平状态。
进一步的，所述鞍部的上表面设有压力传感器，鞍部的前侧设有摄像头；压力传感器的输出端与单片机的输入端连接，摄像头响应于压力传感器输出的压力信号进行抓拍；摄像头的输出端与单片机的输入端连接。
进一步的，所述单片机的输入端连接有由上升键和下降键组成的按键模块，上升键对鞍部上升高度值进行设置，下降键对鞍部下降高度值进行设置。
进一步的，所述单片机的输出端连接有由驱动器和数码管组成的显示模块，数码管与升降台固定连接。
进一步的，所述单片机的输出端设有USB通信模块，USB通信模块可与上位机通信连接。
进一步的，所述步进电机的工作电路包括驱动电路、逻辑电路和电源电路。
进一步的，所述驱动电路选用TB67S109A电机驱动器，逻辑电路选用SM74HC123D作为组成双重可再触发的单稳态多谐振荡器的核心，电源电路选用XL1509电源管理芯片。
进一步的，两个所述步进电机交替升降时鞍部的倾斜角度值为-15度至15度。
进一步的，所述单片机的型号为STM32F103C8T6。
进一步的，所述加速度传感器的型号为ADXL345BBCZ。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过检测对应上升键和下降键有无按下，并根据检测情况对应控制步进电机上升或降低鞍部的高度；同时通过加速度传感器检测鞍部的水平状况是否出现偏移，单片机根据检测情况控制步进电机工作使鞍部恢复到水平状态；能实时测量鞍部高度并自动将木马调整至最佳水平状态，不同的训练者也能根据自身的需求按动按键自动调整鞍部高度，压缩了以往更换训练者时调整鞍部高度的时间；此外，训练者跳跃时触碰压力传感器，单片机控制摄像头抓拍下跳马腾跃的瞬间状态，给训练者提供训练依据，该系统对于提升训练效果有重要的意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的整体结构示意图；
图2是本发明实施例中的整体工作原理图；
图3是本发明实施例中单片机的电路原理图；
图4是本发明实施例中加速度传感器的电路原理图；
图5是本发明实施例中显示模块的电路原理图；
图6是本发明实施例中驱动电路的电路原理图；
图7是本发明实施例中逻辑电路的电路原理图；
图8是本发明实施例中电源电路的电路原理图。
附图中标记及对应的零部件名称：
101、基座；102、步进电机；103、输出轴；104、升降台；105、鞍部；106、铰接杆；201、压力传感器；202、红外测距传感器；203、加速度传感器；204、摄像头；205、显示模块；206、单片机；207、按键模块；208、USB通信模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-8，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：一种精准化木马训练辅助系统，如图1与图2所示，包括基座101、鞍部105、单片机206。基座101竖向设置有两个42步进电机102，步进电机102的输出轴103螺纹配合有升降台104，鞍部105两端分别与对应的升降台104上表面接触。鞍部105与升降台104的夹角处设置有铰接杆106，铰接杆106一端与升降台104铰接，另一端与鞍部105铰接。鞍部105的底面设有红外测距传感器202、加速度传感器203，红外测距传感器202、加速度传感器203的输出端与单片机206的输入端连接，单片机206的输出端与步进电机102的输入端连接。两个步进电机102响应于红外测距传感器202输出的距离信号以交替升降动作实现鞍部105升降，两个步进电机102交替升降时鞍部105的倾斜角度值为-15度至15度。两个步进电机102响应于加速度传感器203输出的水平信号以共同动作调整鞍部105的水平状态。读取到加速度传感器203检测出的X、Y、Z的加速度值并得到对应的角度值。得到X轴的角度值后先判断角度值是否大于5度，若大于5度则向步进电机102发出使能信号和负方向转动信号。然后再判断角度值是否小于5度，若小于5度则向步进电机102发出使能信号和正方向转动信号。循环此操作直至鞍部105保持在5度左右的水平状况。
如图1与图2所示，鞍部105的上表面设有压力传感器201，鞍部105的前侧设有摄像头204。压力传感器201的输出端与单片机206的输入端连接，摄像头204响应于压力传感器201输出的压力信号进行抓拍。摄像头204的输出端与单片机206的输入端连接。
如图1与图2所示，单片机206的输入端连接有由上升键和下降键组成的按键模块207，上升键对鞍部105上升高度值进行设置，下降键对鞍部105下降高度值进行设置。进入按键检测程序中，当检测到上升键被按下后，单片机206向步进电机102发出使能信号以及正方向转动信号。当检测到下降键被按下后，单片机206向步进电机102发出使能信号以及负方向转动信号。
如图1、2、5所示，单片机206的输出端连接有由TM1637驱动器和SLR0564DBA4BD数码管组成的显示模块205，数码管与升降台104固定连接。将红外测距传感器202输入的模拟量转化为数字量，并通过求整、求余得到十位和个位的两个量，进而控制显示驱动在八段数码管中得以显示。TM1637驱动器的工艺为CMOS，其显示模式为8段×6位，支持的输出模式以共阳数码管为主，选择增强型抗干扰按键安装在识别电路上，并在线路中内置RC振荡，选取振荡模式，对电路上的灰度值按照要求调节，并在电路上内置复位电路与自动消隐电路。单片机206的数据利用总线接口连接TM1637完成通信，这时输入过程中CLK上的状态为高电平，对应的DIO上的信号保持之前状态，在满足CLK上时钟信号为低电平条件下，这时DIO信号才会重新调整。开始的条件是CLK为高电平，表示可以开始正常输入数据，与此同时还要满足DIO从高电平状态降低为低电平状态；在CLK处于高电平状态下DIO电平从低上升为高表示结束。
如图1与图2所示，单片机206的输出端设有USB通信模块208，USB通信模块208可与上位机通信连接。
如图3所示，在本实施例中，单片机206的型号为STM32F103C8T6。STM32F103C8T6配置有电源电路、晶振电路、复位电路、BOOT启动电路以及USB接口电路。
(1)电源电路：电源电路主要有两部分组成，包括系统系统供电电路和系统降压电路。供电电路上使用USB接口电路，输出电源电压为5V。在降压电路上将连接USB接口的5V电压输入下降至在单片机206上可以使用的电源，该电压为3.3V。降压电路中具有输出滤波电容与输入滤波电容，其中输入滤波电容的功能是与电源连接后输入幅值的初始为0，且波动显著，然后添加大容量电容滤波，受到电容放电效应影响，可以转换脉冲直流电为波动较小的直流电。输出滤波电容的作用：稳压电路是从输出采样并根据反馈值实现稳压。假如无输出滤波电容，这时改变后产生的电压波动频率与调节稳压电路后的速率一致的情况下产生振荡效应，从而使得无法控制输出电压，由此可见，要安装滤波电容稳定输出电压，同时滤波电容可以使得输出电压的稳定性加强。
(2)晶振电路：晶振电路的作用是向单片机206提供时钟信号。STM32F103C8T6单片机206的振荡器频率最大值为16MHz，最小值为4MHz，典例值为8MHZ，选取了8MHz的晶振，电路中电容的作用是保证晶振输出的振荡频率更加稳定。
(3)复位电路：复位电路是单片机206正常工作所需条件之一。本申请以拉低NRST引脚后生成外部服务与复位脉冲，促进系统出现复位。
(4)BOOT启动电路：STM32F103C8T6单片机206有三种启动模式，复位过程中根据BOOT1与BOOT0两个引脚所处状态确定。与芯片三种启动方式相对应有三种内置的存储介质。
(5)USB接口电路：USB接口电路主要负责提供5V电源和实现单片机206和电脑之间的通信功能。
如图4所示，在本实施例中，加速度传感器203的型号为ADXL345BBCZ。ADXL345BBCZ加速度传感器203引脚数量为14个，每个引脚实现的功能不同，引脚1、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚6、引脚7、引脚8、引脚9、引脚10、引脚11、引脚12、引脚13、引脚14分别为数字接口的电源电压引脚、接地引脚、断开状态或者与VS连接引脚、接地引脚、接地引脚、电源电压引脚、片选引脚、输出中断1、输出中断2、不连接内部、断开状态或者直接接地、备用I2C地址或者为输出的串行数据、串行数据输出引脚、串行通信时钟。本发明采用I2C通讯模式，可拉高CS引脚到VDD I/O，而ADXL345BBCZ为I2C模式下可以使用2线式连接，ALT ADDRESS引脚保持高电平状态，0x1D为设备的七位I2C地址。ALT ADDRESS引脚接地后再对备用I2C地址0x53选取，对其转化后写入0xA6，再读取0xA7。操作I2C时需要连接引脚到VDD I/O。
如图2所示，在本实施例中，步进电机102的工作电路包括驱动电路、逻辑电路和电源电路。
如图6所示，驱动电路选用TB67S109A电机驱动器。单片机206向驱动器发出脉冲信号、使能信号和方向信号，通过阻隔器进入驱动芯片。阻隔器中的三极管和与门起开关的作用，能提高步进电机102工作的灵敏度，减少反应时间。当一个脉冲信号传递到驱动器后就会使步进电机102旋转一个步距角，脉冲信号的频率决定了步进电机102的转速。系统通过控制脉冲频率就可实现对电机的精确调速，脉冲的个数就可以对电机精确定位。同时步进电机102内部的转轴上有四个电磁铁对应连接A+A-B+B-四个引脚。在工作的过程中通过给不同的电磁铁上电从而发生电流磁效应带动转轴朝不同方向运转，并实现对于方向的控制。
如图7所示，逻辑电路选用SM74HC123D作为组成双重可再触发的单稳态多谐振荡器的核心，在没有接收到脉冲信号时驱动电流降低，防止损坏电路。而M0、M1、M0端口可以对步进电机102的步距进行细分。
如图8所示，电源电路选用XL1509电源管理芯片。电路通过XL1509对电源进行稳压至5V，为启动器供给电压。
工作原理：通过检测对应上升键和下降键有无按下，并根据检测情况对应控制步进电机102上升或降低鞍部105的高度；同时通过加速度传感器203检测鞍部105的水平状况是否出现偏移，单片机206根据检测情况控制步进电机102工作使鞍部105恢复到水平状态；能实时测量鞍部105高度并自动将木马调整至最佳水平状态，不同的训练者也能根据自身的需求按动按键自动调整鞍部105高度，压缩了以往更换训练者时调整鞍部105高度的时间。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种精准化木马训练辅助系统，其特征是，包括基座(101)、鞍部(105)、单片机(206)；基座(101)竖向设置有两个步进电机(102)，步进电机(102)的输出轴(103)螺纹配合有升降台(104)，鞍部(105)两端分别与对应的升降台(104)上表面接触；鞍部(105)与升降台(104)的夹角处设置有铰接杆(106)，铰接杆(106)一端与升降台(104)铰接，另一端与鞍部(105)铰接；鞍部(105)的底面设有红外测距传感器(202)、加速度传感器(203)，红外测距传感器(202)、加速度传感器(203)的输出端与单片机(206)的输入端连接，单片机(206)的输出端与步进电机(102)的输入端连接；两个步进电机(102)响应于红外测距传感器(202)输出的距离信号以交替升降动作实现鞍部(105)升降；两个步进电机(102)响应于加速度传感器(203)输出的水平信号以共同动作调整鞍部(105)的水平状态。
2.根据权利要求1所述的一种精准化木马训练辅助系统，其特征是，所述鞍部(105)的上表面设有压力传感器(201)，鞍部(105)的前侧设有摄像头(204)；压力传感器(201)的输出端与单片机(206)的输入端连接，摄像头(204)响应于压力传感器(201)输出的压力信号进行抓拍；摄像头(204)的输出端与单片机(206)的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种精准化木马训练辅助系统，其特征是，所述单片机(206)的输入端连接有由上升键和下降键组成的按键模块(207)，上升键对鞍部(105)上升高度值进行设置，下降键对鞍部(105)下降高度值进行设置。
4.根据权利要求1所述的一种精准化木马训练辅助系统，其特征是，所述单片机(206)的输出端连接有由驱动器和数码管组成的显示模块(205)，数码管与升降台(104)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种精准化木马训练辅助系统，其特征是，所述单片机(206)的输出端设有USB通信模块(208)，USB通信模块(208)可与上位机通信连接。
6.根据权利要求1所述的一种精准化木马训练辅助系统，其特征是，所述步进电机(102)的工作电路包括驱动电路、逻辑电路和电源电路。
7.根据权利要求6所述的一种精准化木马训练辅助系统，其特征是，所述驱动电路选用TB67S109A电机驱动器，逻辑电路选用SM74HC123D作为组成双重可再触发的单稳态多谐振荡器的核心，电源电路选用XL1509电源管理芯片。
8.根据权利要求1所述的一种精准化木马训练辅助系统，其特征是，两个所述步进电机(102)交替升降时鞍部(105)的倾斜角度值为-15度至15度。
9.根据权利要求1所述的一种精准化木马训练辅助系统，其特征是，所述单片机(206)的型号为STM32F103C8T6。
10.根据权利要求1所述的一种精准化木马训练辅助系统，其特征是，所述加速度传感器(203)的型号为ADXL345BBCZ。
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