棒球测速系统的设计与实现.pdf

刘淑君 严利民 （上海大学微电子中心,上海 200072） 摘 要 介绍了利用加速度传感器芯片设计棒球的测速系统的实现方法，该设计能够准确地实现数据的采集 和处理，最终得出击球者的速度值。 关键词 加速度 传感器 积分 Abstract The implementing method of designing a batting velocity measuring system with an acceleration sensing chip is described. This system can acquire and process data accurately, thus providing batting velocity measurements. Keywords Acceleration Sensor Integration 0 引言 在棒球运动中，通过套在击球棒上的加速度环可以检测新手的举棒和挥棒姿势是否正 确，并通过语音系统给予确认、报速和纠正。该加速环主要通过 mcu 采集加速度值，经处理 后最终输出速度值和帮助信息两部分数据。在这个系统中，我们主要采用积分的思想来完成 速度值的计算。 该测速系统的原理图如图 1 所示。 图 1 测速系统原理图 测速系统首先判断测速环是否摆正，完成击球后输出击球声，1 分钟后没有任何操作则 自动关闭电源。而算法的关键在于速度值的计算以及各个过程的衔接。 1 测速系统建模 2.1 测速原理 在棒球运动中，击球员的挥棒过程是一个多维空间的连续物理运动过程。随着击球员的 迅速加速，到速度达到最大值，直到瞬时停止，该棒上的各点运动状态都不完全相同。但是 普通击球员（非专业人士）的实际挥棒速度一般可维持在 50～90 英里/小时.因此，我们可以 对该运动过程作如下的近似处理： ①忽略该击球棒的长度，将其各点的运动状态看成近似相同的，所以整个棒的运动过程 即为一个点的二维空间运动； ② 因为击球的过程短暂，所以假定速度的最大值发生在加速度为零的时候，并且是水 平加速度为零的时候； ③ 将该击球棒的运动轨迹近似成类似抛物线的曲线，则其最终输出的速度值应该为“加 - 1 - 速度— 时间”函数曲线的X 轴上方的积分； ④速度的最大值还必须是水平与垂直方向的矢量合成。 根据以上的假设，我们可以得到该模型的数学表达式及如图 2 所示的运动轨迹图形。 a a +a ； x y v v +v x y t t a dt + a dt ∫0 x ∫0 y n Δt∑(a xi +a yi ) i 0 图2 击球棒运动轨迹图 （i = 采样的点数） （在本设计中取△t 为 30ms ） 1.2 加速度传感器芯片工作原理 本系统应用的传感器是 MEMSIC 公司的 MXA2050A 。该器件是基于单片CMOS 集成电 路制造工艺而生产出来的一个完整的双轴加速度测量系统。就像其他加速度传感器有重力块 一样，MEMSIC 器件以可移动的热对流小气团作为重力块。器件通过测量由加速度引起的内 部温度的变化来测量加速度。 在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径：一条用于测量 X 轴上所感 应的加速度；另一条则用于测量 Y 轴上所感应的加速度。 另外，该加速度传感器可用于倾角的测量以纠正击球棒的摆放位置。加速度传感器通过 感知地球重力加速度在其测量轴上的份量大小来确定物体的倾斜角度[1] 。 在该棒球测速系统中，加速