薛宇，黃藝彥

（延安大學(xué)體育學(xué)院，陜西 延安 716000）

競走（Race Walking）是從日常行走的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一項現(xiàn)代競技體育運動項目。競走的定義是這樣描述的，“運動員用雙腳與地面保持接觸，連續(xù)向前邁進(jìn)的過程，沒有可見的騰空，前腿從腳觸地瞬間至垂直部位必須伸直（即膝關(guān)節(jié)不得彎曲）”［1-2］。在傳統(tǒng)的競走比賽中，是由競走裁判員負(fù)責(zé)對運動員的競走動作是否規(guī)范進(jìn)行判罰。而這一判罰全部依靠的是裁判員的眼睛以及對大量比賽的經(jīng)驗，當(dāng)運動員比賽過程中表現(xiàn)為肉眼可見的騰空或膝關(guān)節(jié)彎曲時，即出現(xiàn)明顯的違規(guī)動作，裁判員就會對其進(jìn)行處罰。但是肉眼觀察的精確性畢竟是有限的，而且裁判員偶爾也有注意不到的時候，當(dāng)運動員出現(xiàn)稍不明顯的犯規(guī)時就不能及時的進(jìn)行處罰［3-4］。所以擁有一個能夠全程記錄比賽以及全程監(jiān)控運動員是否違規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)是非常有必要的。本研究設(shè)計了一款基于超聲波測距模塊HC-SR04的競走訓(xùn)練檢測裝置，系統(tǒng)監(jiān)測流程如圖1所示，主要從2個方面來實現(xiàn)競走訓(xùn)練檢測裝置的設(shè)計：1）雙腿彎曲違規(guī)檢測；2）雙腳離地違規(guī)檢測。這套設(shè)計不僅可以在比賽幫助裁判員判罰，也可以在運動員日常訓(xùn)練中幫助運動員監(jiān)測動作規(guī)范程度。

圖1 系統(tǒng)監(jiān)測流程圖

首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，對需要檢測的數(shù)據(jù)設(shè)定閾值，然后利用紅外傳感器以及超聲波傳感器對運動員出現(xiàn)雙腳離地和雙腿彎曲的動作進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)雙腳同時離地時，鞋底開關(guān)同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，紅外發(fā)射端發(fā)出信號，接收端接收信號從而使蜂鳴器發(fā)出警報。該裝置能夠有效地提升競走比賽中裁判對運動員犯規(guī)行為判罰的準(zhǔn)確性，對競走這項比賽的公平性具有重要意義。

1 競走訓(xùn)練裝置設(shè)計

1.1 雙腿彎曲違規(guī)檢測設(shè)計原理

在訓(xùn)練過程中，運動員腳觸地時，超聲波測距裝置工作，若支撐腿出現(xiàn)較明顯彎曲，檢測到髖關(guān)節(jié)股骨大轉(zhuǎn)子標(biāo)志點距腳踝外踝距離小于正常解剖位距離時，安裝在鞋幫上的反射式超聲波測距裝置發(fā)出脈沖信號，被接收電路接收后，蜂鳴器發(fā)出提示音［5］。

1.2 雙腳離地違規(guī)檢測設(shè)計原理

在訓(xùn)練過程中，雙腳離地即為騰空。利用紅外傳感器對出現(xiàn)雙腳騰空的情況進(jìn)行監(jiān)測，一旦運動員雙腳同時離開地面，電路即刻導(dǎo)通，安裝在競走鞋腳尖內(nèi)側(cè)上的紅外線發(fā)射電路即時發(fā)出脈沖信號，被紅外接收電路接收，蜂鳴器也發(fā)出提示音，從而提醒競走訓(xùn)練隊員有騰空性質(zhì)的犯規(guī)出現(xiàn)。因為運動員在高速行走時會有瞬時的人眼不可見的騰空出現(xiàn)，因此要對電路的導(dǎo)通靈敏度進(jìn)行設(shè)置，即當(dāng)雙腳離地時間不超過0.1 s時，裝置不會發(fā)出蜂鳴提示；當(dāng)騰空超過0.1 s電路導(dǎo)通，裝置發(fā)出信號，蜂鳴器提示犯規(guī)。這樣設(shè)置的原因就是要使設(shè)備使用符合競走訓(xùn)練的基本要求，不至于出現(xiàn)因裝置設(shè)置靈敏度太高，造成使用時不能起到良性輔助的作用。

2 電路模塊設(shè)計

2.1 555定時器原理

555定時器是一種集成電路芯片，常被用于定時器、脈沖產(chǎn)生器和振蕩電路。555可被作為電路中的延時器件、觸發(fā)器或起振元件。標(biāo)準(zhǔn)的555芯片集成有25個晶體管，2個二極管和15個電阻并通過8個引腳引出。它是用內(nèi)部的定時器來構(gòu)成時基電路，給其他的電路提供時序脈沖。由于其易用性、低廉的價格和良好的可靠性，直至今日仍被廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中［6-7］。

2.2 超聲波檢測電路

超聲波檢測電路采用HC-SR04，如圖2所示［8］。超聲波測量距離，不僅測量的很精確而且測量范圍較廣。它由接收、發(fā)射和控制部分組成。要得到競走時支撐腳腳踝到髖關(guān)節(jié)股骨大轉(zhuǎn)子的固定距離，只需發(fā)射一個超聲波，并對其進(jìn)行計時，當(dāng)碰到障礙物返回時，立即暫停計時，可計算出兩者的距離。超聲波原理如圖3所示。

圖2 超聲波測距模塊

圖3 超聲波測距原理圖

2.2.1 超聲波發(fā)射電路

555是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，可以極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器?？杀蛔鳛殡娐分械难訒r器件、觸發(fā)器或起振元件［9］。因此在設(shè)計模塊中，采用NE555電路發(fā)射超聲波。以NE555作為電路核心芯片，連接成多諧振蕩器，NE555的兩個輸入端接在一起，再與電位器一端相接，通過改變阻值來改變組織大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)頻率，來驅(qū)動HC-SR04發(fā)射超聲波。超聲波發(fā)射電路如圖4所示。

超聲波測距有以下幾個特點：1）頻率越高，精度也越高；2）輸出功率越高、靈敏度越高，檢測距離也越遠(yuǎn)；3）輕盈便于攜帶，比較滿足本設(shè)計的需求；4）采用反射式超聲波，接收裝置與發(fā)射裝置放在一側(cè)，因而計時起點已知，電路簡單。

2.2.2 超聲波接收電路

在設(shè)計模塊中，接收超聲波信號采用運算放大器。對超聲波接收電路的原理圖可知，當(dāng)收到返回的超聲波信號后，被轉(zhuǎn)為電壓信號，再被放大［10］。超聲波接收電路如圖5所示。

圖4 超聲波發(fā)射電路

圖5 超聲波接收電路

2.3 紅外電路

紅外電路在體積、重量、損耗等方面具有其他電路所不具備的優(yōu)點。紅外線屬于不可見光，與一般的可見光線不一樣，其電磁波長在950 nm范圍內(nèi)，廣泛應(yīng)用于遙控和傳輸設(shè)備上［11-13］。競走過程中須保證兩只腳必須有一只處于與地面接觸的狀態(tài)，一旦兩只腳同時離開地面，發(fā)射模塊和接收模塊分別導(dǎo)通，接收端接收到發(fā)射端的紅外信號，并且檢測到雙腳騰空時間超過設(shè)定的閾值范圍，系統(tǒng)就會發(fā)出信號，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警報。紅外電路如圖6和圖7所示：

圖6 紅外電路發(fā)射模塊

圖7 紅外電路接收模塊

3 系統(tǒng)設(shè)計安裝及測試

3.1 系統(tǒng)設(shè)計安裝

紅外發(fā)射和接收裝置分別安裝在兩只競走鞋的鞋尖內(nèi)側(cè)部位（圖8A），兩只鞋之間形成一個交互工作關(guān)系，保證兩只鞋必須有一只處于與地面接觸的狀態(tài)，若雙腳同時騰空，蜂鳴器即發(fā)出提示音。超聲波裝置發(fā)射模塊安裝在股骨大轉(zhuǎn)子部位，超聲波接收模塊安裝在外踝部位（圖8B），當(dāng)兩點之間的距離縮短至靜態(tài)測定值95%以下時，蜂鳴器提示。蜂鳴器安裝在左鞋內(nèi)側(cè)腳踝處。

圖8 監(jiān)測示意圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)計測試

經(jīng)過對訓(xùn)練裝置的測試，發(fā)現(xiàn)初期預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)靈敏性過高，監(jiān)測到的犯規(guī)次數(shù)明顯多于裁判員判罰的數(shù)量，數(shù)據(jù)存在顯著差異，見表1。經(jīng)過對訓(xùn)練專制的靈敏性設(shè)置調(diào)整，測距離差值得縮小，后期測試儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)與裁判員判罰數(shù)據(jù)差異性縮小，可見，設(shè)備裝置可以幫助監(jiān)測運動員的犯規(guī)［14］。因此，本裝置的主要用途就是在競走訓(xùn)練中幫助教練員監(jiān)測運動員的技術(shù)動作規(guī)范性，提示運動員可能存在的不規(guī)范技術(shù)，加以糾正和改進(jìn)。因此，如果該裝置能夠在基層競走訓(xùn)練中廣泛使用，可以大大提升技術(shù)訓(xùn)練效果，幫助初訓(xùn)運動員快速提高動作質(zhì)量。

表1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

由表1可知，當(dāng)違規(guī)競走時髖關(guān)節(jié)到腳腕長度為95 cm以下時，該裝置檢測到違規(guī)24次，教練檢測到違規(guī)為8次；當(dāng)違規(guī)競走時髖關(guān)節(jié)到腳腕長度為95~105 cm之間時，該裝置檢測到違規(guī)5次，教練檢測到違規(guī)為1次；當(dāng)違規(guī)競走時髖關(guān)節(jié)到腳腕長度為105 cm以上時，該裝置檢測到違規(guī)1次，教練檢測到違規(guī)為1次。通過對表中的測試數(shù)據(jù)的分析可知，無論是在運動員身高相同的前提下，還是在相同競走總長的前提下，本裝置檢測到的違規(guī)次數(shù)明顯多于教練檢測到的違規(guī)次數(shù)，所以該裝置對競走違規(guī)的判罰有更高的準(zhǔn)確性，能夠很好地幫助運動員訓(xùn)練以及裁判執(zhí)裁。

4 結(jié)論與建議

文章設(shè)計了基于HC-SR04的競走訓(xùn)練裝置，通過超聲波測距模塊和紅外傳感裝置監(jiān)測的騰空監(jiān)測設(shè)計模塊，分別對競走運動員在連續(xù)向前行進(jìn)過程中有無雙腿彎曲現(xiàn)象以及雙腳離地現(xiàn)象做出監(jiān)測。通過對測試數(shù)據(jù)的分析與比較，基于HC-SR04的競走訓(xùn)練裝置可以實現(xiàn)對競走運動員訓(xùn)練和比賽的監(jiān)測，幫助裁判更好的判罰比賽的違規(guī)行為。該裝置可以單獨使用，也可以組合使用，根據(jù)訓(xùn)練目的或者需求進(jìn)行選擇，能夠在業(yè)余訓(xùn)練中提升運動員訓(xùn)練技術(shù)動作規(guī)范性，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)誤差閾值范圍，幫助運動員糾正錯誤。該裝置的設(shè)計是在實驗室條件上進(jìn)行的，可能與實際競賽需求存在一定的差距，由于裝備或多或少會對實際運動產(chǎn)生一定影響，因此，建議使用在訓(xùn)練中幫助運動員改正錯誤，監(jiān)測犯規(guī)更具有意義。在設(shè)計裝置不斷優(yōu)化后可以考慮在基層缺乏專業(yè)競走裁判員或者青少年競走比賽中嘗試輔助監(jiān)測犯規(guī)。