薛宇，黄艺彦
（延安大学体育学院，陕西 延安 716000）
竞走（Race Walking）是从日常行走的基础上发展出来的一项现代竞技体育运动项目。竞走的定义是这样描述的，“运动员用双脚与地面保持接触，连续向前迈进的过程，没有可见的腾空，前腿从脚触地瞬间至垂直部位必须伸直（即膝关节不得弯曲）”［1-2］。在传统的竞走比赛中，是由竞走裁判员负责对运动员的竞走动作是否规范进行判罚。而这一判罚全部依靠的是裁判员的眼睛以及对大量比赛的经验，当运动员比赛过程中表现为肉眼可见的腾空或膝关节弯曲时，即出现明显的违规动作，裁判员就会对其进行处罚。但是肉眼观察的精确性毕竟是有限的，而且裁判员偶尔也有注意不到的时候，当运动员出现稍不明显的犯规时就不能及时的进行处罚［3-4］。所以拥有一个能够全程记录比赛以及全程监控运动员是否违规的监控系统是非常有必要的。本研究设计了一款基于超声波测距模块HC-SR04的竞走训练检测装置，系统监测流程如图1所示，主要从2个方面来实现竞走训练检测装置的设计：1）双腿弯曲违规检测；
2）双脚离地违规检测。这套设计不仅可以在比赛帮助裁判员判罚，也可以在运动员日常训练中帮助运动员监测动作规范程度。
图1 系统监测流程图
首先系统进行初始化，对需要检测的数据设定阈值，然后利用红外传感器以及超声波传感器对运动员出现双脚离地和双腿弯曲的动作进行监测。当双脚同时离地时，鞋底开关同时处于导通状态，红外发射端发出信号，接收端接收信号从而使蜂鸣器发出警报。该装置能够有效地提升竞走比赛中裁判对运动员犯规行为判罚的准确性，对竞走这项比赛的公平性具有重要意义。
1.1 双腿弯曲违规检测设计原理
在训练过程中，运动员脚触地时，超声波测距装置工作，若支撑腿出现较明显弯曲，检测到髋关节股骨大转子标志点距脚踝外踝距离小于正常解剖位距离时，安装在鞋帮上的反射式超声波测距装置发出脉冲信号，被接收电路接收后，蜂鸣器发出提示音［5］。
1.2 双脚离地违规检测设计原理
在训练过程中，双脚离地即为腾空。利用红外传感器对出现双脚腾空的情况进行监测，一旦运动员双脚同时离开地面，电路即刻导通，安装在竞走鞋脚尖内侧上的红外线发射电路即时发出脉冲信号，被红外接收电路接收，蜂鸣器也发出提示音，从而提醒竞走训练队员有腾空性质的犯规出现。因为运动员在高速行走时会有瞬时的人眼不可见的腾空出现，因此要对电路的导通灵敏度进行设置，即当双脚离地时间不超过0.1 s时，装置不会发出蜂鸣提示；
当腾空超过0.1 s电路导通，装置发出信号，蜂鸣器提示犯规。这样设置的原因就是要使设备使用符合竞走训练的基本要求，不至于出现因装置设置灵敏度太高，造成使用时不能起到良性辅助的作用。
2.1 555定时器原理
555定时器是一种集成电路芯片，常被用于定时器、脉冲产生器和振荡电路。555可被作为电路中的延时器件、触发器或起振元件。标准的555芯片集成有25个晶体管，2个二极管和15个电阻并通过8个引脚引出。它是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。由于其易用性、低廉的价格和良好的可靠性，直至今日仍被广泛应用于电子电路的设计中［6-7］。
2.2 超声波检测电路
超声波检测电路采用HC-SR04，如图2所示［8］。超声波测量距离，不仅测量的很精确而且测量范围较广。它由接收、发射和控制部分组成。要得到竞走时支撑脚脚踝到髋关节股骨大转子的固定距离，只需发射一个超声波，并对其进行计时，当碰到障碍物返回时，立即暂停计时，可计算出两者的距离。超声波原理如图3所示。
图2 超声波测距模块
图3 超声波测距原理图
2.2.1 超声波发射电路
555是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，可以极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。可被作为电路中的延时器件、触发器或起振元件［9］。因此在设计模块中，采用NE555电路发射超声波。以NE555作为电路核心芯片，连接成多谐振荡器，NE555的两个输入端接在一起，再与电位器一端相接，通过改变阻值来改变组织大小，进而调节频率，来驱动HC-SR04发射超声波。超声波发射电路如图4所示。
超声波测距有以下几个特点：1）频率越高，精度也越高；
2）输出功率越高、灵敏度越高，检测距离也越远；
3）轻盈便于携带，比较满足本设计的需求；
4）采用反射式超声波，接收装置与发射装置放在一侧，因而计时起点已知，电路简单。
2.2.2 超声波接收电路
在设计模块中，接收超声波信号采用运算放大器。对超声波接收电路的原理图可知，当收到返回的超声波信号后，被转为电压信号，再被放大［10］。超声波接收电路如图5所示。
图4 超声波发射电路
图5 超声波接收电路
2.3 红外电路
红外电路在体积、重量、损耗等方面具有其他电路所不具备的优点。红外线属于不可见光，与一般的可见光线不一样，其电磁波长在950 nm范围内，广泛应用于遥控和传输设备上［11-13］。竞走过程中须保证两只脚必须有一只处于与地面接触的状态，一旦两只脚同时离开地面，发射模块和接收模块分别导通，接收端接收到发射端的红外信号，并且检测到双脚腾空时间超过设定的阈值范围，系统就会发出信号，驱动蜂鸣器发出警报。红外电路如图6和图7所示：
图6 红外电路发射模块
图7 红外电路接收模块
3.1 系统设计安装
红外发射和接收装置分别安装在两只竞走鞋的鞋尖内侧部位（图8A），两只鞋之间形成一个交互工作关系，保证两只鞋必须有一只处于与地面接触的状态，若双脚同时腾空，蜂鸣器即发出提示音。超声波装置发射模块安装在股骨大转子部位，超声波接收模块安装在外踝部位（图8B），当两点之间的距离缩短至静态测定值95%以下时，蜂鸣器提示。蜂鸣器安装在左鞋内侧脚踝处。
图8 监测示意图
3.2 系统设计测试
经过对训练装置的测试，发现初期预设数据灵敏性过高，监测到的犯规次数明显多于裁判员判罚的数量，数据存在显著差异，见表1。经过对训练专制的灵敏性设置调整，测距离差值得缩小，后期测试仪器监测数据与裁判员判罚数据差异性缩小，可见，设备装置可以帮助监测运动员的犯规［14］。因此，本装置的主要用途就是在竞走训练中帮助教练员监测运动员的技术动作规范性，提示运动员可能存在的不规范技术，加以纠正和改进。因此，如果该装置能够在基层竞走训练中广泛使用，可以大大提升技术训练效果，帮助初训运动员快速提高动作质量。
表1 测试数据统计表
由表1可知，当违规竞走时髋关节到脚腕长度为95 cm以下时，该装置检测到违规24次，教练检测到违规为8次；
当违规竞走时髋关节到脚腕长度为95~105 cm之间时，该装置检测到违规5次，教练检测到违规为1次；
当违规竞走时髋关节到脚腕长度为105 cm以上时，该装置检测到违规1次，教练检测到违规为1次。通过对表中的测试数据的分析可知，无论是在运动员身高相同的前提下，还是在相同竞走总长的前提下，本装置检测到的违规次数明显多于教练检测到的违规次数，所以该装置对竞走违规的判罚有更高的准确性，能够很好地帮助运动员训练以及裁判执裁。
文章设计了基于HC-SR04的竞走训练装置，通过超声波测距模块和红外传感装置监测的腾空监测设计模块，分别对竞走运动员在连续向前行进过程中有无双腿弯曲现象以及双脚离地现象做出监测。通过对测试数据的分析与比较，基于HC-SR04的竞走训练装置可以实现对竞走运动员训练和比赛的监测，帮助裁判更好的判罚比赛的违规行为。该装置可以单独使用，也可以组合使用，根据训练目的或者需求进行选择，能够在业余训练中提升运动员训练技术动作规范性，可以根据需要调节误差阈值范围，帮助运动员纠正错误。该装置的设计是在实验室条件上进行的，可能与实际竞赛需求存在一定的差距，由于装备或多或少会对实际运动产生一定影响，因此，建议使用在训练中帮助运动员改正错误，监测犯规更具有意义。在设计装置不断优化后可以考虑在基层缺乏专业竞走裁判员或者青少年竞走比赛中尝试辅助监测犯规。
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