一种具有数据监测功能的自发电智能滑雪杖

技术领域

本发明涉及用于监测运动员滑雪数据的辅助工具，涉及滑雪杖，具体为一种具有数据检监测功能的自发电智能滑雪杖。

背景技术

在越野滑雪运动中教练关注运动员的各个阶段的速度变化规律和发力情况，这主要依赖于教练员的观察和经验，传统的可穿戴传感器需要运动员额外穿戴，给运动员带来了额外的麻烦。因此需要设计一套系统依附于运动员滑雪自身设备——滑雪杖，从而简化运动员操作。系统需要考虑供电的问题，由于系统整体重量的限制不能用容量大的电池，电池容量小的话无法采集长时间训练的数据，因此有必要设计一套自发电结构通过收集挥杆的能量为系统供电。

发明内容

本发明旨在解决传统可穿戴传感器给运动员带来了额外麻烦的技术问题，提供了一种具有数据检监测功能的自发电智能滑雪杖。

本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种具有数据检监测功能的自发电智能滑雪杖，包括雪仗本体，还包括安装在雪仗本体上的能量收集管理模块、数据采集模块、微控制器以及控制与无线通信模块，数据采集模块将采集到的数据发送至微控制器，微控制器处理后将数据打包后经过控制与无线通信模块进行发送；能量收集管理模块包括电磁能量收集装置、能量管理芯片和锂电池，电磁能量收集装置包括圆柱形壳体，圆柱形壳体中悬浮设置有圆柱形的第一磁体，圆柱形壳体上绕制有两段线圈，圆柱形壳体的两端固定有用于约束第一磁体沿圆柱形壳体的轴线做往复运动进而切割磁感应线圈的第二磁体，第一磁体切割磁感应线圈，改变线圈内的磁通量，产生感应电动势进而完成对能量的收集，能量经能源管理芯片存储于锂电池中为数据采集模块、微控制器以及控制与无线通信模块供电。在圆柱形壳体两端的第二磁体的约束下，第一磁铁在圆柱形壳体中做往复切割磁感应线圈的运动，电磁能量收集装置收集振动能量，第一磁体来回移动形成共振，改变线圈内的磁通量产生感应电动势，完成对能量的收集。能量收集管理模块为数据采集模块、微控制器以及控制与无线通信模块供电，数据采集模块采集滑雪运动员的各种运动数据，再通过微控制器打包后经无线通信模块发送至手机上，可以在手机上实时查看各种数据。通过手机上软件对数据处理分析后得到运动员撑杆频率、撑杆平均力度(力量)和撑杆平均时间，对于教练员分析运动员运动表现给予了直接的数据支撑。由于采集功率小于系统运行功率，因此并不能直接开始数据测量。一般越野滑雪运动员在正式比赛前会有热身训练，可以利用该阶段收集能量等正式比赛时，采集功率就大于或等于系统运行功率，系统就能正常运行了。

优选的，数据采集模块包括IMU、压力传感器、GPS传感器和气压计，压力传感器的输出端还连接有A/D转换器，数据采集模块的信号输出端与微控制器的信号输入端相连接。IMU用于采集滑雪杖的三轴姿态，可以分析运动员撑杆频率与技术动作；IMU的X轴平行于杆体向上，Z轴垂直于杆体指向运动员前方，GPS传感器可以实现联合定位、导航与授时，具有出色的定位导航功能；气压计可以准确的测量相对高度的变化，分辨率可达到10 cm，压力传感器用于测量推杆与地面之间的力的大小，AD转换器为24位，采集到的原始数据需要与初始值做差值，才能得到准确的数据。

优选的，控制与无线通信模块包括蓝牙模块、用于控制滑雪仗开始工作的数据测量开关和用于指示滑雪者正常工作的数据测量指示灯，微控制器的信号输出端与蓝牙模块的信号输入端相连接，微控制器与数据测量开关、数据测量指示灯相连接。通过数据测量开关控制系统是否开始工作，当系统正常开始工作后，数据测量指示灯亮，起指示作用。

优选的，数据采集模块、微控制器、蓝牙模块、能源管理芯片和锂电池集成在一块PCB板上，PCB板安装在雪仗本体中，数据测量开关、数据测量指示灯嵌装在雪仗本体的侧壁上，电磁能量收集装置固定在雪仗本体外壁上。数据测量开关、数据测量指示灯嵌装在雪仗本体的侧壁上是为了方便和运动员交互，而且便于运动员观察和误触。

优选的，雪仗本体包括从上到下的握把、中空杆体和雪仗尖，PCB板安装至握把内部，数据采集模块的压力传感器通过螺纹扣连接至握把与中空杆体的连接处，数据测量开关、数据测量指示灯嵌装在中空杆体的侧壁上，电磁能量收集装置通过换环形卡扣或者螺丝固定在中空杆体外壁的上部。压力传感器安装在握把与中空杆体的连接处是为了能够更好的监测压力，电磁能量收集装置固定在中空杆体外壁的上部是为了提高发电功率和考虑滑雪杖本身重心，保证不影响运动员运动。

优选的，圆柱形壳体是由聚四氟乙烯制成的，圆柱形壳体与第一磁体同心设置。选择该材料的原因是其较低的摩擦系数，可以有效减少磁体运动时的能量损耗。

优选的，线圈是由0.16毫米的铜丝缠绕而成，两段线圈的长度均为30㎜。第一磁铁为轴向磁化的钕铁硼磁体，两个第二磁体的极性分别与第一磁铁的对应端部的磁性互斥，两个第二磁体分别通过端盖封入圆柱形壳体的两端。电磁能量收集装置的轴线与雪仗本体的轴线平行。IMU采用MPU9250，其内部集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，IMU通过IIC协议与微控制器进行数据交互。

本发明的有益效果是：利用雪杖的周期运动，磁体切割线圈经过能源管理芯片实现供电,可以测量运动员在滑雪过程中的位置信息、滑行轨迹、速度以及挥杆角度、双臂撑杖频率以及施加到地面的推力等参数；对于教练员分析运动员运动表现给予了客观的数据支撑，自发电结构使得使用者省去用前充电的步骤，便于运动员使用。

附图说明

图1为本发明所述一种具有数据检监测功能的自发电智能滑雪杖的监测原理示意图。

图2为本发明所述一种具有数据检监测功能的自发电智能滑雪杖的安装结构示意图。

图3为本发明所述电磁能量收集装置的结构示意图。

图中：1、能量收集管理模块；2、数据采集模块；3、微控制器；4、控制与无线通信模块；5、电磁能量收集装置；6、能量管理芯片；7、锂电池；8、圆柱形壳体；9、第一磁体；10、线圈；11、第二磁体；12、IMU；13、压力传感器；14、GPS传感器；15、气压计；16、蓝牙模块；17、数据测量开关；18、数据测量指示灯；19、握把；20、中空杆体；21、雪仗尖；22、PCB板。

具体实施方式

参照图1、2、3，对本发明所述的一种具有数据检监测功能的自发电智能滑雪杖进行详细说明。

一种具有数据检监测功能的自发电智能滑雪杖，如图1、2、3所示，包括雪仗本体，雪仗本体包括从上到下的握把19、中空杆体20和雪仗尖21，自发电智能滑雪杖还包括安装在雪仗本体上的能量收集管理模块1、数据采集模块2、微控制器3以及控制与无线通信模块4，如图1所示，数据采集模块2包括IMU12为惯性测量单元、压力传感器13、GPS传感器14 和气压计15，压力传感器13的输出端还连接有A/D转换器。数据采集模块2的信号输出端与微控制器3的信号输入端相连接，IMU12采用MPU9250，内部集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，通过IIC协议与微控制器3进行数据交互，采集滑雪杖的三轴姿态，可以分析运动员撑杆频率与技术动作，IMU12的X轴平行于杆体向上，Z轴垂直于杆体指向运动员前方。GPS传感器14采用低功耗GNSS芯片AT6558，支持BDS/GPS传感器14/GLONASS卫星导航系统定位，可以实现联合定位、导航与授时，具有出色的定位导航功能，定位精度为2.5米。气压计15采用MS5611-01BA可以准确的测量相对高度的变化，分辨率可达到10 cm。压力传感器13采用SBT674-200N用于测量雪仗与地面之间的力的大小，AD转换器为HX720，为24位AD采集芯片，压力传感器13通过螺纹扣连接至握把19与中空杆体20的连接处，采集到的原始数据需要与初始值做差值，才能得到准确的数据。微处理器采用低功耗处理器STM32L1，基于ARM® Cortex™-M3内核。控制与无线通信模块4包括蓝牙模块16、用于控制滑雪仗开始工作的数据测量开关17和用于指示滑雪者正常工作的数据测量指示灯18，微控制器3的信号输出端与蓝牙模块16的信号输入端相连接，微控制器3与数据测量开关17、数据测量指示灯18相连接，蓝牙模块1615采用CC2541低功耗蓝牙模块16。数据采集模块2将采集到的数据发送至微控制器3，微控制器3处理后将数据打包后经过控制与无线通信模块4进行发送；能量收集管理模块1包括电磁能量收集装置5、能量管理芯片6和锂电池7，数据采集模块2、微控制器3、蓝牙模块16、能源管理芯片和锂电池7集成在一块PCB板22上，PCB板22安装在雪仗本体中，数据测量开关17、数据测量指示灯18嵌装在雪仗本体的侧壁上，电磁能量收集装置5固定在雪仗本体外壁上，具体的PCB板22安装至握把19内部，数据测量开关17、数据测量指示灯18嵌装在中空杆体20的侧壁上，电磁能量收集装置5通过换环形卡扣或者螺丝固定在中空杆体20外壁的上部。电磁能量收集装置5包括圆柱形壳体8，圆柱形壳体8是由聚四氟乙烯制成的，圆柱形壳体8与第一磁体9同心设置，圆柱形壳体8中悬浮设置有圆柱形的第一磁体9，圆柱形壳体8上绕制有两段线圈10，线圈10是由0.16毫米的铜丝缠绕而成，两段线圈10的长度均为30㎜，圆柱形壳体8的两端固定有用于约束第一磁体9沿圆柱形壳体8的轴线做往复运动进而切割磁感应线圈10的第二磁体11，第一磁铁为轴向磁化的钕铁硼磁体，第一磁铁的直径为10mm，长度为30mm，两个第二磁体11也为钕铁硼磁体，两个第二磁体11的极性分别与第一磁铁的对应端部的磁性互斥，两个第二磁体11分别通过端盖封入圆柱形壳体8的两端，第一磁体9切割磁感应线圈10，改变线圈10内的磁通量，产生感应电动势进而完成对能量的收集，能量经能源管理芯片存储于锂电池7中为数据采集模块2、微控制器3以及控制与无线通信模块4供电。

在圆柱形壳体8两端的第二磁体11的约束下，第一磁铁在圆柱形壳体8中做往复切割磁感应线圈10的运动，电磁能量收集装置5收集振动能量，第一磁体9来回移动形成共振，改变线圈10内的磁通量产生感应电动势，完成对能量的收集。能量收集管理模块1为数据采集模块2、微控制器3以及控制与无线通信模块4供电，数据采集模块2采集滑雪运动员的各种运动数据，再通过微控制器3打包后经蓝牙模块16发送至手机上，可以在手机上实时查看各种数据。通过手机上软件对数据处理分析后得到运动员滑行轨迹、速度以及挥杆角度、双臂撑杖频率以、施加到地面的推力和撑杆平均时间，对于教练员分析运动员运动表现给予了直接的数据支撑。由于采集功率小于系统运行功率，因此并不能直接开始数据测量。一般越野滑雪运动员在正式比赛前会有热身训练，可以利用该阶段收集能量等正式比赛时，采集功率就大于或等于系统运行功率，系统就能正常运行了。

以上具体结构是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。