仪器化

骨架雪橇

理学学士论文

A、 J.德容

M、 海勒

专注于力和方向感测

仪器化

骨架雪橇

理学学士论文

通过

A、 J.德容

M、 海勒

专注于力和方向感测，

作为学士毕业设计的一部分，

在代尔夫特理工大学。

项目工期：2019年4月22日-7月5日

导师：P.J.French教授

伊尔博士。A、 博斯克

论文委员会：英博士教授。A、 Neto（椅子）

P.J.French教授

伊尔博士。M、 陶伊尔

将于2019年7月3日星期三9:00进行辩护

本论文的电子版本可在http://repository.tudelft.nl/。

摘要

本报告详细介绍了用于雪橇骨架的仪表系统的设计。系统将

使用多个传感器在骨架轨道上测量跑步过程中的数据，并对数据进行处理和可视化

为了缩短运动员的学习曲线并给予定量反馈。

本报告中讨论的子系统涉及人体和

为了分析运动员的转向行为。这是通过薄膜电阻实现的

力传感器。运动员和雪橇上的重力以及雪橇的方向测量如下：

为了更好地了解这是如何影响转向的，并使用IMU（惯性

测量单位）。

数据由ESP32微处理器采集。

三

前言

本论文是在本科毕业设计的背景下撰写的。这个项目是由阿克瓦西委托的

弗林蓬是一名职业骨骼运动员，他的目标是想办法为他提供定量的帮助

关于他的表现的信息，以缩短他的学习曲线。

我们要感谢我们的导师帕迪·弗伦奇博士，艾尔博士。安德烈·博斯克和

惯性导航与制导。Jeroen Bastemeijer在项目期间为他们提供指导。我们要感谢论文委员会，

英博士教授。Andrea Neto教授，Paddy French博士和ir博士。莫塔乔拉·陶伊尔评估我们的防守。

我们想提供ir博士。我们特别感谢他对我们论文的非常有用的反馈。

此外，我们还要感谢Akwasi Frimpong的主题，并祝他在冬天好运

2022年北京奥运会。最后，我们要感谢我们的同事：沃纳·范迪克，威廉·亨特，

TijsMoree和Karen van derWerff合作愉快且富有成效。

简·德容和马蒂金·海勒

代尔夫特，2019年6月

五

目录

1简介1

1.1背景。1

1.2问题定义。1

1.3最先进的分析。三

1.4系统细分。4

1.5论文大纲。5

2需求方案7

2.1一般要求。7

2.2具体要求。8

3力传感器9

3.1传感器的放置。9

3.2力传感器的选择。9

3.2.1压敏膜。10

3.2.2特性描述。11

3.3读出电路。12

3.3.1电流-电压转换器。12

3.3.2负载独立性、过电压保护和噪声过滤。13

3.3.3温度独立性。14

3.4模数转换器。15

4 G力和方向17

4.1加速度计和陀螺仪的选择。17

5讨论19

5.1压敏膜的电阻和电导。19

七

八、内容

5.2读出电路。19

5.3温度依赖性。20

5.4 ADC的测量和特性。20

5.5 IMU的测量和特性。21

5.6 Duinrell的IMU。“骷髅”是一项冬季运动，运动员以俯卧姿势（脸朝下，头朝下）躺在小雪橇上

下面有两个金属滑道，沿着大约1800米长的蜿蜒轨道行进

覆盖着冰。在图1.1中可以看到这样一个轨迹的例子，它描述了一个计算机模型

这条赛道将在2022年北京冬奥会上使用。这项运动有很高的强度：在

一次跑步，运动员承受的重力和速度会超过130公里/小时[1]。方向盘

雪橇是通过将肩膀或膝盖推到雪橇上来完成的：“雪橇会随着运动员的动作而扭曲

转向控制动作。当这种情况发生时，左或右转轮刀被迫进入冰，造成

冰摩擦产生转向力矩的不对称现象。也就是说，当左跑者被迫进入

冰上，雪橇将左转。因此，运动员用他们的肩膀和膝盖来扭曲雪橇；为了更戏剧化

转向运动，他们'轻拍脚趾'冰，创造更大的转向力矩“[2]。

一次跑步的开始是运动员用雪橇从起点冲刺，即所谓的推拉起跑，一次关键的冲刺

跑步的一部分（此功能也出现在雪橇比赛中，但在类似的雪橇运动中没有）。这个

在图1.2中可以看到示意图：大约15到30米后，运动员在

全速行驶，并在所需路径上绕着一系列（通常是）高坡度转弯处操纵，以达到

使他的速度最大化[2]。

1.2条。问题定义

阿克瓦西·弗林蓬是一名奥运会骨骼运动员，他的目标是成为第一位在奥运会上获得奖牌的非洲运动员

冬奥会。他对这项运动比较陌生，他的背景是田径。整齐

为了完成他的目标，他想缩短他在骨骼运动中的学习曲线。目前，

只有视频图像和教练的视觉反馈被用作对他的表现的反馈。因为

关于他在跑步中最大的一段时间内的高速行驶，来自

跑步很难被发现。从图1.3可以明显看出：像这样的颗粒状图像是最好的平均值

运动员必须评估他在雪橇上的表现。除了前面提到的反馈方式，

除了经过的时间，用时间来衡量之外，没有任何定量的元素是容易测量的

在轨道上以固定的间隔安装眼睛。

对于运动员来说，最重要的是他在跑步过程中是如何影响雪橇的。这是特别的

与曲线相关，因为这些曲线的遍历方式是除此之外对运行时间影响最大的因素

一键启动[4]。如第1.1节所述，雪橇的转向是通过使用

肩膀和膝盖。肩膀和膝盖的这些运动实际上是不可能的

1

21。介绍

图1.1:2022年北京冬奥会骨架赛道的计算机模型[3]

图1.2：骨架练习跑道开始处的高度剖面图的概述，说明了推式启动[1]

请参见视频或图像，如图1.3所示。这个问题的解决方案可以通过集成

测量系统安装在雪橇上（形成所谓的“仪器化雪橇”）。这个雪橇可以测量

运动员施加的力，以及其他相关的性能参数。这样就可以把

测量到雪橇在轨道上的位置的力，所有这些测量值都需要

以便于运动员快速进入的方式呈现给运动员。使用仪器化的雪橇将导致

在一个重要的增加有用的反馈，运动员可以用来改善他的运行时间，从而增加

运动员缩短学习曲线的可能性。因此，产品的主要目标是

以对运动员和教练都方便的方式，提供关于运动员跑步的详细、有用的反馈

理解和合作。

1.3条。最新技术分析3

图1.3：骨骼运动员当前可用的视觉反馈示例。这张图片被教练用来说明

瞬间将肩膀抬离雪橇，这被认为是一个坏习惯（图片由Akwasi Frimpong提供）。

1.3条。最新分析

尽管骨骼运动并没有得到广泛的应用，但人们已经对其进行了大量的研究

对运动中所涉及的力、速度和加速度的测量。这些研究主要是

为了更好地理解运动中的动态，而不是

积极提高运动员表现的目标。罗伯茨[1]在他的作品中通过测量显示

雪橇在三个轴上的加速度，可以导出速度和横移距离

可以提供有用的信息