多參數(shù)帆船運動監(jiān)測系統(tǒng)研究?

常曉峰， 欒 新， 周麗芹， 李坤乾, 陳叢睿, 石 舵， 麻怡凱， 彭 曦

(1. 中國海洋大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中心，山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 3. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

帆船運動是一項主要依靠風(fēng)作用在帆上產(chǎn)生動力，結(jié)合流、浪等自然環(huán)境因素作用在帆船各部分產(chǎn)生綜合受力，使帆船達(dá)到一定運動狀態(tài)的一項集競技、娛樂和探險于一體的體育運動項目[1]。

帆船帆板項目的制勝規(guī)律是：風(fēng)的利用是根本，體能是基礎(chǔ)，航線是關(guān)鍵，速度是核心，心智是保障[2]。通過帆船運動的定義和項目特征分析，我們可以了解，帆船運動的良好駕駛關(guān)鍵在于利用風(fēng)，其次是流、浪等自然環(huán)境的綜合運用，航行速度是核心。航行速度主要受風(fēng)作用在帆上產(chǎn)生動力和船體的水動阻力影響。帆船的駕駛主要通過副舵柄控制舵葉角度來實現(xiàn)帆船航向角度變化和主繚繩控制帆桿角度來實現(xiàn)帆與風(fēng)迎角的變化，進(jìn)而實現(xiàn)帆船操縱。其中，航向角的變化主要產(chǎn)生船體與流、浪自然環(huán)境的受力變化。帆角的變化主要產(chǎn)生帆與風(fēng)的受力變化。因此，在一定帆船型和風(fēng)流條件下，航向角、帆角變化直接影響航速變化[3-5]。

現(xiàn)在，帆船訓(xùn)練主要依靠運動員本體感受、地形經(jīng)驗判斷、帆船風(fēng)向物判斷航行風(fēng)，同時結(jié)合航海羅經(jīng)進(jìn)一步掌握航向角變化對船速的影響，目前國內(nèi)研究主要運用陀螺儀和多參數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行船傾斜角度和航跡監(jiān)測[6-8],但是結(jié)合實測航向角、帆角對船速的定量分析，以及在一定帆船型和風(fēng)流條件下的航向角、帆角的速度數(shù)據(jù)測量及變化規(guī)律分析仍是空白。為了更好的了解航向角、帆角對船速的影響，指導(dǎo)帆船運動員的精準(zhǔn)操作和運動分析，研發(fā)了一套帆船各部分操作監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行海上訓(xùn)練實測，監(jiān)測有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，形成在某一風(fēng)流條件下的有關(guān)帆船速度變化圖，為更好指導(dǎo)帆船訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)依據(jù)[9-11]。

1 多參數(shù)帆船輔助訓(xùn)練系統(tǒng)功能和設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

多參數(shù)帆船輔助訓(xùn)練及監(jiān)測裝置是集 GPS、雙軸傾角傳感器、角度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器于一體的多功能智能化儀器，它擁有獨立的供電系統(tǒng)，能夠維持整體功能的運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)包括速度、角度、傾角、風(fēng)向、風(fēng)速等，可以智能化的顯示出帆船在運動過程中的航行情況，為運動員提供帆船運動數(shù)據(jù)參考，進(jìn)行實現(xiàn)精準(zhǔn)操作[13-15]。

帆船數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要可實現(xiàn)信號采集，信息轉(zhuǎn)換、信息存儲、顯示等以下幾大功能。包括：

(1)信息采集：對電子羅盤的姿態(tài)數(shù)據(jù)、風(fēng)速風(fēng)向、GPS模塊等傳感器的信號進(jìn)行定時或?qū)崟r的采集。

(2)信息轉(zhuǎn)換：將姿態(tài)數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)及時鐘數(shù)據(jù)通過軟件轉(zhuǎn)換為可以識別的帆角、舵角及船速等數(shù)據(jù)。

(3)信息存儲：存儲傳感器收到的原始數(shù)據(jù)，定時器定時一秒，每一秒接收傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)，并且存儲在TF卡中。

(4)信息顯示：將需要及時顯示的數(shù)據(jù)通過串口屏顯示在屏幕上，便于帆船操作者針對數(shù)據(jù)及時作出反應(yīng)。

多參數(shù)帆船數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1 多參數(shù)帆船數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

具體數(shù)據(jù)采集指標(biāo)要求如表1所示。

表1 多參數(shù)帆船采集的數(shù)據(jù)

所有角度的正負(fù)規(guī)定按照帆船實際操作中人體面向船體縱軸線的右側(cè)定義為正，左側(cè)定義為負(fù)。由于帆桿擺動幅度受到側(cè)支索限制，不能超過70°，所以測量范圍為±75°[16]。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示。

(1)硬件系統(tǒng)由STM32F103充當(dāng)主控，實現(xiàn)信息的整合、驅(qū)動、決策和顯示，各傳感器通過串口與主控實現(xiàn)實時通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

(2)系統(tǒng)時間采用該芯片自帶的RTC實時時鐘功能，外接底板的紐扣電池模塊進(jìn)行供電，記錄數(shù)據(jù)采集時間。

(3)電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計在底板上，提供+12 V的穩(wěn)壓電路，其中12 V為風(fēng)速風(fēng)向傳感器供電，轉(zhuǎn)換后的+5 V為核心板及其他傳感器供電。核心板內(nèi)含5～3.3 V的轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換后為控制芯片供電。

(4)核心板上的串口輸出輸入及地線、電源線由底板引出，分別對應(yīng)各自傳感器引至相應(yīng)的插針上，實現(xiàn)傳感器傳輸模塊化。

(5)存儲模塊主要包含對TF卡的讀寫等操作，實現(xiàn)帆船系統(tǒng)各狀態(tài)信息的存儲。

(6)預(yù)留j-link模式和SW模式的程序下載接口，可實時更新帆船系統(tǒng)程序。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計框架圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分，即主控芯片及外圍電路設(shè)計。

其中主控芯片是整個控制系統(tǒng)的大腦，姿態(tài)控制及整個帆船系統(tǒng)的控制都是接收大腦發(fā)出的指令。主控模塊關(guān)系著整個系統(tǒng)是否能正常工作，考慮系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、開發(fā)周期、成本等方面，本系統(tǒng)采用的ST公司STM32系列中的STM32F107VCT6控制芯片，主要使用其以下的功能：(a)工作頻率最高可達(dá)72 MHz，支持硬件除法及單周期乘法運算，滿足各種運算；(b)片內(nèi)集成512 kB Flash存儲器、64 kB SRAM存儲器，為程序提供了足夠的空間；(c)片內(nèi)集成7個定時器，充分為傳感器提供了定時發(fā)送指令的功能；(d)可通過下載器進(jìn)行在線調(diào)試，有2種下載程序的方法：串行調(diào)試(SWD)和JTAG接口；(e)片內(nèi)集成5個USART接口，為各類傳感器提供了充足的資源；(f)片內(nèi)有2路SPI通信接口，本系統(tǒng)采用的是SPI2接口，將數(shù)據(jù)保存于TF卡中。另外，本系統(tǒng)采用的是核心板，兼具晶振、實時時鐘、各類下載程序模塊、復(fù)位電路等功能[17-18]。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

帆船系統(tǒng)的軟件設(shè)計架構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)功能及設(shè)計目標(biāo)主要是為帆船提供傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)，包括帆角、舵角、風(fēng)速風(fēng)向及GPS定位，并且能直接顯示在屏幕上，便于操作者做出實時動作。具體軟件系統(tǒng)的構(gòu)架如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計框架圖

圖4 軟件系統(tǒng)的架構(gòu)圖

(1)底層驅(qū)動層：考慮到單片機只有5個串口，綜合考慮低功耗與成本，合理利用現(xiàn)行串口，電子羅盤、風(fēng)速風(fēng)向傳感器都是指令發(fā)送模式，所以串口的TX和RX端是必要的，GPS傳感器屬于自動發(fā)回數(shù)據(jù)模式。

(2)傳輸層：電子羅盤及風(fēng)速風(fēng)向，以1 Hz的頻率對傳感器發(fā)出相應(yīng)指令，電子羅盤傳感器傳回的是補碼的heading、pitch、roll，根據(jù)傳感器可測的范圍輸出不同的值，實現(xiàn)轉(zhuǎn)化；風(fēng)速風(fēng)向傳感器傳回的數(shù)據(jù)為4字節(jié)，稍加處理即可得到風(fēng)速風(fēng)向值。由于GPS傳感器是自動發(fā)回數(shù)據(jù)，我們需要利用該模塊現(xiàn)有協(xié)議，利用其上位機對其配置，包括平臺配置、接口配置、傳輸頻率配置等。

(3)應(yīng)用層：存儲方面，從傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)中提取需要的內(nèi)容存儲在SD卡中。串口屏顯示方面，先前預(yù)留的UART4_TX作為串口屏的輸入端，將存儲中的原始數(shù)據(jù)做處理，利用電子羅盤的heading計算帆角、舵角，利用GPS傳感器和實時時鐘RTC計算船行駛的速度，最后呈現(xiàn)在串口屏上[19-21]。

此外，消息的輸出數(shù)據(jù)選擇方面，在默認(rèn)配置下，輸出數(shù)據(jù)如下，且一秒更新一次。

MYMGPGLL,1 824.74 426,N,10 958.018 25,E,021 620.00,A,A*69

MYMGPRMC,021 621.00,A,1 824.744 25,N,10 958.018 24,E,0.130,,151 117,,,A*73

MYMGPVTG,,T,,M,0.130,N,0.241,K,A*26

MYMGPGGA,021 621.00,1 824.744 25,N,10 958.018 24,E,1,05,2.26,26.7,M,-9.3,M,,*78

MYMGPGSA,A,3,17,15,05,13,19,,,,,,,,4.03,2.26,3.34*0A

MYMGPGSV,2,1,06,05,62,306,25,12,34,256,,13,35,175,26,15,13,203,33*7E

MYMGPGSV,2,2,06,17,18,139,40,19,38,133,29*76

對于數(shù)據(jù)輸出接收，一般的默認(rèn)設(shè)置下，GPS模塊不會輸出無效數(shù)據(jù)，它將會以空字符代替其位置，就GPGLL而言，如下所示。

A valid position fix is reported as follows:

MYMGPGLL,4 717.116 34,N,00 833.912 97,E,124 923.00,A,A*6E

An invalid position fix (but time valid) is reported as follows:

MYMGPGLL,,,,,124 924.00,V,N*42

If Time is unknown (e.g. during a cold-start):

MYMGPGLL,,,,,,V,N*6

這種情形往往出現(xiàn)在剛上電時發(fā)生，因為GPS本身有個初始化的過程，且時間根據(jù)天氣來變化，所以在接收這樣的數(shù)據(jù)時必須提前做好區(qū)分，通過中斷中判斷該字符串的長度來區(qū)分有效數(shù)據(jù)和無用數(shù)據(jù)，實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的讀取[22-24]。

2 海上試驗?zāi)康暮土鞒?/h2>

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

(1)進(jìn)行船體的系統(tǒng)搭建、安裝和調(diào)試，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(2)對系統(tǒng)各部分傳感器以及整體系統(tǒng)的可靠性、密封性和數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性進(jìn)行測量和評估。

(3)測量某一風(fēng)流速條件下，一定航向角下，帆船迎角速度數(shù)值，并以此為基礎(chǔ)繪制速度變化圖。

(4)測量某一風(fēng)流速條件下，一定帆船迎角下，航向角速度數(shù)值，并以此為基礎(chǔ)繪制對應(yīng)變化圖。

2.2 實驗流程

(1)對帆船數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行開機試運行，并進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)。

(2)對各個傳感器進(jìn)行安裝，并找到各自的參考零點。具體的傳感器安裝方案如圖5所示。

圖5 器件安裝方案圖

(3)整理采集系統(tǒng)各個模塊以及海上試驗相關(guān)工具后，調(diào)整各個角度，反復(fù)檢查系統(tǒng)是否正常。

(4)試驗人員將帆船航行至風(fēng)場相對穩(wěn)定的海域，關(guān)閉發(fā)動機進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的同時，找準(zhǔn)風(fēng)向基點。

(5)待數(shù)據(jù)穩(wěn)定(風(fēng)向角和航向角基本一致)之后，進(jìn)行起航標(biāo)和1標(biāo)布放，記錄GPS方位(記住上風(fēng)標(biāo)的大體方位)后，用手機端應(yīng)用記錄船的航行距離，將船與風(fēng)成90°方向。以起航標(biāo)志的上風(fēng)標(biāo)為起點進(jìn)行航行，20 m之后停船進(jìn)行第二個浮標(biāo)(下風(fēng)標(biāo))的布放并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)篩選

按照帆船競賽要求，風(fēng)向必須垂直起航標(biāo)和1標(biāo)位置，帆船正式啟航，右舷來風(fēng)，帆船以右舷起航開始記錄具體時間點，船速穩(wěn)定一段時間后，記錄具體時間點。按照此實驗方法，進(jìn)行二次有效試驗。

第一次，通過計算每分鐘平均風(fēng)速為5 m/s左右，控制帆角，改變航向角，從而改變船速。所以從中篩選出帆角在10°左右，航向角與船速的數(shù)據(jù)。

第二次，通過計算每分鐘平均風(fēng)速為5 m/s左右，保持航向角不變，將其控制在-30°左右，改變帆角，從而使船速發(fā)生改變，找出帆角與船速的關(guān)系。

根據(jù)時間節(jié)點采集分析數(shù)據(jù)，選擇數(shù)量多，變量穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，從而做出直角坐標(biāo)系關(guān)系圖。

3.2 數(shù)據(jù)分析

據(jù)第一次數(shù)據(jù)篩選，計算平均風(fēng)速和風(fēng)向(見表2)。測得海流向為南偏西26°,平均流速為32 cm/s；據(jù)第二次數(shù)據(jù)篩選，計算平均風(fēng)速和風(fēng)向(見表2)，測得海流向為南偏西23°,平均流速為25 cm/s。

表2 平均風(fēng)速風(fēng)向

風(fēng)速風(fēng)向是按照每分鐘采集的數(shù)據(jù)計算出來的平均數(shù)值。

第一次航行實驗的地點大致位于(36.04°N，120.42°E)。緯度范圍變化由36.040 249°N～36.042 507°N；經(jīng)度變化由120.427 391°E～120.427 948°E。實驗時間從5月10日15:52:12～15:56:58，共持續(xù)4 min 46 s。經(jīng)篩選數(shù)據(jù)后，應(yīng)作出控制帆角為10°，航向角-船速變化曲線如圖6所示。

圖6 航向角-船速變化曲線圖

在帆角10°左右情況下，我們可以看出，隨著航向角的不斷變大，船速逐步升高又逐步下降。當(dāng)航向角從32°增大到43°時，船速在緩緩波動上升，船速波動范圍從0.8～1.1 m/s。在航向角繼續(xù)增大到43°～53°區(qū)間內(nèi)，船速成迅速上升趨勢最高可達(dá)1.6 m/s。在55°～62°區(qū)間內(nèi)，船速開始波動下降，航向角增大到62°之后，船速呈急劇下降趨勢。

第二次航行實驗的地點大致位于(36.04°N，120.42°E)。緯度范圍變化由36.042 553°N～36.040 287°N；經(jīng)度變化由120.435 089°E～120.427 727°E。實驗時間從5月10日16:34:24～16:41:04，共持續(xù)6 min 40 s。經(jīng)篩選數(shù)據(jù)后，應(yīng)作出控制航向角為-30°，帆角-船速變化曲線圖如圖7所示。

圖7 帆角-船速變化曲線圖

隨著帆角角度不斷增大，總體上呈下降趨勢。第一個階段是帆角在0°～12°之間，船速下降的趨勢比較明顯，整體大幅度下降。第二階段為帆角12°往后，船速多有波動起伏，但總體趨勢還是緩慢下降。

4 結(jié)語

本文搭建了一套多參數(shù)帆船輔助訓(xùn)練監(jiān)測系統(tǒng)，可用于帆船運動的在線監(jiān)測，指導(dǎo)帆船運動更精準(zhǔn)操作，為實現(xiàn)帆船運動采集所需數(shù)據(jù)并進(jìn)行速度分析創(chuàng)造了條件。經(jīng)過對系統(tǒng)實驗測試數(shù)據(jù)的處理分析得出，本文所研發(fā)的多參數(shù)帆船輔助訓(xùn)練監(jiān)測系統(tǒng)可對帆船運行時的航向角、帆角及船速進(jìn)行有效監(jiān)測，測試數(shù)據(jù)能夠正確反映各參量與船速的對應(yīng)關(guān)系，可有效輔助海上帆船運動訓(xùn)練。