基于距離檢測(cè)的分段式浮動(dòng)平沙沙坑

一、發(fā)明緣由

在去年的校運(yùn)會(huì)上，龔筱予和譚鱇晏負(fù)責(zé)跳遠(yuǎn)項(xiàng)目沙坑整平工作。一天下來(lái)，兩人累得腰酸背痛，在平沙時(shí)譚鱇晏還險(xiǎn)些被沖過(guò)來(lái)的運(yùn)動(dòng)員撞倒。我們思考：可不可以發(fā)明一種適用于學(xué)校跳遠(yuǎn)項(xiàng)目，既能保護(hù)運(yùn)動(dòng)員和工作人員又不需要人工整平沙面的沙坑？

我們查閱各種跳遠(yuǎn)比賽的資料，并請(qǐng)教體育老師和科技輔導(dǎo)員，決定設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)感應(yīng)、快速平沙的沙坑，提高平沙的效率和安全性。

二、設(shè)計(jì)方案

方案一：采用懸浮掃平式的平沙方式，裝置由支架、磁浮軌道、平沙板、懸浮片等構(gòu)成。問(wèn)題在于，勻強(qiáng)磁場(chǎng)只分布在條形磁鐵間的小區(qū)域內(nèi)，輕微的擾動(dòng)都會(huì)讓平沙板側(cè)移或旋轉(zhuǎn)，沙粒容易進(jìn)入軌道。

方案二：平沙板采用耙形設(shè)計(jì)，降低凸起高度，上面安裝振動(dòng)馬達(dá)并粘貼緩沖材料，采用振動(dòng)平沙。磁浮軌道設(shè)置在沙坑側(cè)面，加長(zhǎng)懸浮片的長(zhǎng)度且預(yù)留更小的活動(dòng)空間，在懸浮片上方安裝簧片，利用皮帶傳動(dòng)。

局限性在于，磁鐵之間的排斥力大，現(xiàn)有的材料和工具無(wú)法滿(mǎn)足模型制作需求，且定制不銹鋼框架的成本太高。

方案三：采用圓柱形軌道，將軌道設(shè)置在沙坑上方；平沙板變懸浮為浮動(dòng)支撐；在平沙板下方設(shè)置簧片；皮帶和平沙板采用可分離式設(shè)計(jì)；安裝掌控板、傳感器等元件，作業(yè)方式變手動(dòng)為自動(dòng)。

我們制作出模型并進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)平沙板運(yùn)行不暢、齒輪外滑。分析原因后，我們決定將軸承變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，減小軸距，將其定為54.5 cm，增加支點(diǎn)數(shù)量，減少支點(diǎn)間距。

方案四：方案四為最終設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)的新型沙坑由主體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、平沙系統(tǒng)、語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)、公平保障系統(tǒng)、電源和安全警示裝置等構(gòu)成。

主體結(jié)構(gòu)包括外殼、儲(chǔ)沙室、動(dòng)力艙、電子艙、傳動(dòng)艙、導(dǎo)線(xiàn)槽等。儲(chǔ)沙室居中；動(dòng)力艙位于儲(chǔ)沙室后方，用于安裝減速電機(jī)等動(dòng)力裝置；電子艙位于儲(chǔ)沙室前方，用于安裝電子設(shè)備和安全警示牌；傳動(dòng)艙位于儲(chǔ)沙室兩側(cè)，用于安裝傳動(dòng)裝置；導(dǎo)線(xiàn)槽位于儲(chǔ)沙室左側(cè)。

控制系統(tǒng)包含掌控板、IO擴(kuò)展板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板、距離檢測(cè)傳感器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等。

平沙系統(tǒng)包含動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、支撐裝置、平沙裝置。傳動(dòng)裝置包括4個(gè)齒輪、2條皮帶、2根短軸、8個(gè)帶法蘭軸承、8個(gè)限位環(huán)和2個(gè)自制限位器，其功能是將電機(jī)動(dòng)力傳輸至限位器帶動(dòng)平沙板運(yùn)動(dòng)。支撐裝置包含2根平行且等高的光桿鍍鉻棒。平沙裝置包含內(nèi)嵌振動(dòng)馬達(dá)的自制耙形平沙板、浮動(dòng)簧片、配重桿等，平沙板位于儲(chǔ)沙室上方。

語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)包括語(yǔ)音模塊、處理器等。公平保障系統(tǒng)包含二哈識(shí)圖視覺(jué)傳感器、處理器等，功能是對(duì)選手進(jìn)行面部識(shí)別。電源包括降壓模塊和穩(wěn)壓模塊。安全警示裝置包括舵機(jī)、警示牌等。

三、系統(tǒng)功能

1.平沙功能

先分后平：當(dāng)耙遇到沙堆時(shí)，耙式平沙板會(huì)將沙堆推向兩邊分散，然后振動(dòng)平沙。平沙板不容易被沙堆阻停。

基于距離檢測(cè)的調(diào)速：平沙板的平移速度會(huì)根據(jù)它與沙堆的距離自動(dòng)調(diào)節(jié)，以提高平沙效率。當(dāng)最下端的距離檢測(cè)傳感器檢測(cè)到平沙板與沙堆的距離大于5 cm時(shí)，平沙板快速移動(dòng)；距離小于或等于5 cm時(shí)，平沙板慢速移動(dòng)。

分段式平沙：平沙板的移動(dòng)速度和振動(dòng)頻率會(huì)根據(jù)沙堆高度分三段自動(dòng)調(diào)節(jié)，以增強(qiáng)平沙效果。

2.警示功能

通過(guò)豎立警示牌提醒選手沙坑正在進(jìn)行平沙作業(yè)。警示牌固定在舵機(jī)上，平沙過(guò)程中警示牌豎立，平沙完成后，警示牌隱藏。

3.公平保障功能

如果某個(gè)選手在一場(chǎng)比賽中面部信息錄入達(dá)到4次，系統(tǒng)自動(dòng)提醒他已完成比賽，請(qǐng)下一位選手做準(zhǔn)備。

四、制作模型

我們準(zhǔn)備皮帶、直流減速電機(jī)、不銹鋼彈簧片、掌控板、激光測(cè)距傳感器、菱形底座軸承、碰撞開(kāi)關(guān)等材料，3D打印警示牌、電子艙支架、分段式激光測(cè)距探頭蓋板、振動(dòng)馬達(dá)蓋板及限位器、平沙板限位器等，根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作基于距離檢測(cè)的分段式浮動(dòng)平沙沙坑模型。

其中，平沙板和沙坑采用浮動(dòng)式連接，沙坑壁對(duì)平沙板左右限位，皮帶限位器對(duì)平沙板前后限位，金屬導(dǎo)軌對(duì)平沙板的最下端位置進(jìn)行限制，不銹鋼彈簧片允許平沙板上下運(yùn)動(dòng)。

接下來(lái)，我們利用Mind+編寫(xiě)程序，以實(shí)現(xiàn)沙坑的各項(xiàng)功能。

裝置流程圖如下，在決出前8名后按下復(fù)位鍵。

五、檢測(cè)性能

為了檢驗(yàn)裝置模型的性能，我們對(duì)其進(jìn)行了4項(xiàng)試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)重復(fù)3次。

我們進(jìn)行沙坑工作流程試驗(yàn)，結(jié)果模型沒(méi)有按照預(yù)設(shè)的流程工作。檢查程序后發(fā)現(xiàn)是3個(gè)距離檢測(cè)探頭的I2C地址有沖突，保留一個(gè)距離檢測(cè)探頭進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

在平沙作業(yè)效果試驗(yàn)中，模型平沙效果達(dá)到預(yù)期，沙面凹凸不超過(guò)1 cm。

在進(jìn)行平沙作業(yè)效率試驗(yàn)時(shí)，平沙板移動(dòng)速率過(guò)慢，單次平沙時(shí)間大于10 s。這說(shuō)明電機(jī)的輸出功率過(guò)小，需優(yōu)化程序，換成更大功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和更大行程的觸碰開(kāi)關(guān)。

我們邀請(qǐng)20個(gè)同學(xué)參與人臉識(shí)別準(zhǔn)確率試驗(yàn)，其中有一對(duì)兄弟。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平均人臉識(shí)別正確率能達(dá)到95%，符合預(yù)期。在試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)相相似的同學(xué)可能產(chǎn)生誤判，后期考慮換成正確率更高的人臉識(shí)別系統(tǒng)。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

創(chuàng)新沙坑形式，裝置集成快速整平沙面、安全警示、公平保障、語(yǔ)音播報(bào)等功能。

采用可應(yīng)用于沙坑跳遠(yuǎn)的新型平沙方式和應(yīng)用于平沙作業(yè)的新型調(diào)試方式，實(shí)現(xiàn)分段式浮動(dòng)平沙和基于距離檢測(cè)的調(diào)速。

沙坑主體與平沙板采用浮動(dòng)式連接，平沙板能根據(jù)沙堆的高度自動(dòng)調(diào)節(jié)平移速度和振動(dòng)頻率，增強(qiáng)平沙效果。

七、優(yōu)化設(shè)想

我們將優(yōu)化程序，提高裝置可靠性。在警示牌上增加聲光警示裝置，進(jìn)一步確保賽場(chǎng)安全。添加成績(jī)檢測(cè)功能，并將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。（指導(dǎo)老師：歐镕瑋 " 孔宏 " 陳曉）

專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)

龔筱予、譚鱇晏、寧文軒同學(xué)的基于距離檢測(cè)的分段式浮動(dòng)平沙沙坑，是一件集成式改進(jìn)型創(chuàng)新作品。這是因?yàn)槲覀儚南嚓P(guān)資料中可以看到，有關(guān)沙坑方面的專(zhuān)利與技術(shù)如“一種跳遠(yuǎn)沙坑”“一種體育跳遠(yuǎn)訓(xùn)練用沙坑快速鋪平裝置”“一種跳遠(yuǎn)沙坑整理裝置”“淺析跳遠(yuǎn)沙坑電動(dòng)平整裝置在教學(xué)中的設(shè)計(jì)研究”等已公開(kāi)，它們各自具有某項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但都缺少自動(dòng)測(cè)距功能。三位同學(xué)在該項(xiàng)目中將上述各項(xiàng)目中的優(yōu)勢(shì)技術(shù)集成為一個(gè)整體，同時(shí)增加自動(dòng)測(cè)距技術(shù)，達(dá)到“常規(guī)問(wèn)題精細(xì)化”的發(fā)明要求，使其更具有先進(jìn)性和實(shí)用性，值得大家學(xué)習(xí)與借鑒。

集成式創(chuàng)新不是模仿、抄襲或簡(jiǎn)單復(fù)制，而是一種新的創(chuàng)新方式。它廣泛吸納多種資源為項(xiàng)目所用，把各種簡(jiǎn)單的技術(shù)要素和技術(shù)思路有機(jī)地集成在一起，取得“1+1＞2”的效果。集成式創(chuàng)新方法在現(xiàn)代企業(yè)中已普遍應(yīng)用，同學(xué)們?cè)诳萍紕?chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中不妨大膽嘗試。