找到底座的方向

通过测量辊，通过测量纵倾来确定坡度。这两个数量都可以通过

用陀螺仪。图4.1说明了这些运动的方向。

图4.1：横摇、横摆和俯仰。在这种情况下，底座前部正x方向。

4.1。加速度计和陀螺仪的选择

可使用分离式三轴加速度计和一个分离陀螺仪来测量上述加速度计

然而，一种称为惯性测量单元（IMU）的装置将这些传感器组合在一起，

还有磁强计。系统中使用的IMU是MPU-9250分接电路，由

斯巴克芬电子公司。该电路包含IMU本身，以及正确的必要组件

17

18 4。G力和方向

从测量值中读取[19]。

MPU-9250允许通过I2C或SPI导出测量数据。在该系统中，I2C用于

ESP32与IMU之间的通信。与SPI类似，如第3.4节所述，I2C允许

多个“从”设备与单个总线的连接。I2C不使用4条数据线，而是只使用2条数据线，

时钟线和双向数据线。从事实看多个“从”装置的区别

每个设备都有自己的地址。使用I2C协议满足S.2d要求。

MPU-9250的实现主要由B组完成，因为他们的系统使用它来实现

为了提高定位精度，卡尔曼滤波器。更多关于这个的信息可以从他们的

论文[9]。所有读取ESP32测量值所需的代码也由B组提供

在他们的论文中可以找到[9]。

MPU-9250的选择是由于设备上有大量的文档，例如

作为连接指南[20]，它还提到了一个可由ESP32使用的预构建arduino库。这个

MPU-9250的实施几乎不需要任何注意，这意味着，主要的重点是

该子系统可用于测量雪橇上的物体力。其他原因

选择MPU-9250的价格是实惠的，其规格符合要求

第S.2节中提到。MPU-9250的测量值高达16 g[21]，即要求

S、 2c和这也满足G.3的要求。

5

讨论

在系统设计过程中，进行了大量的测试。本章将列出测试设置和结果

最重要和最相关的测试。

5.1。压敏膜的电阻和电导

对FSR 406和柔性力A502传感器进行了多次测量，以确定其特征

这两个传感器。对于这两个方面，包括如下测量设置。传感器平放在一个平面上

表面。除此之外，一块空白PCB的面积比传感器的面积小一些

放好的，然后是一个玻璃板。空白印刷电路板和玻璃板的重量合计为201克。这个

包括PCB和玻璃板的原因是均匀地将力分配到传感器上，创建

平台可加载更多权重并在传感器上创建预加载。两个传感器完全

未压缩的电阻为数百兆欧姆。传感器本身连接到

Fluke 177万用表，设置为电阻测量模式。安装程序加载了权重，

将重量增加250克，以测量相应的电阻

每一个质量。现在已知这个质量，力也可以用牛顿第一定律F，m，a来计算。

在这种情况下，重力常数g，因为力被指向地球。

测量FSR 406的电阻时，发现传感器显然需要时间来固定到a

最终电阻值。这使得测量和重复测量变得困难。具有柔性力A502

这种影响几乎不存在。对于较低的质量，它显示出一些沉降行为，但很快

随着质量的增加而消失。FSR 406和Flexiforce A502的测量都进行了两次

为了显示重复性。这两组测量值在FSR 406的最大偏差为5%

然而，该传感器也有沉降特性，因此很难确定这些不准确之处

从。A502的屈伸重复性好，最大偏差在1%左右。这个

电阻和电导测量结果如图3.4a所示。随后，在另外两个附加结果中

Tekcan Flexforce A502传感器的特性。如图所示？？两者有区别

传感器。影响反馈电阻器的选择。但是，选择了同样的选择

所有读出电路的反馈电阻器，并为每个传感器提供读出电路

当所有电阻测量值都可用时，就可以将其转换成

在第3.3.1节中，向期望电压在0到3.3 V之间的ADC提供电路

它可以把输入力转换成电压。使用之前测量的电阻，反馈电阻为

19

2055年。讨论

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

重量[g]

0

0.5

1

1.5

2

2.5

三

电压[V]

不同的Tekscan Flexiforce A502传感器

传感器1

传感器2

传感器3

图5.1：多个Flexiforce A502传感器的特征

对该电路进行计算，以便将传感器的所有信息输入到

可用。这是利用电路的传递函数和已知的最小值和最大值来完成的

抵抗。由于导电性更线性化，所以选择了Flexiforce A502。电路

为了确认传递函数，并观察其他因素是否影响了输出，现在进行了测量。

如前所述，电压跟随器配置中还添加了第二个运算放大器，以保护ADC

第3.3.2节。5V、3.3V和3V由三个Tektronix PWS4205可编程电源提供。

输出由Fluke 177万用表Indc电压测量模式测量。这提供了4个

小数点精度，因此这将超过ADC的12位分辨率。测量结果是

与使用传递函数计算的预期输出进行比较。第一个选择的反馈电阻

不幸的是被选得太高了。这个反馈电阻在电路的输出端产生了电压

下降太快，导致输出电压对于质量仍然在

根据S.1c的要求进行测量。选择一个较低值的电阻器解决了这个问题

在第二个原型中，这个电阻被一个电位计所取代。这些测量的准确性

仍然取决于电源的精确度和房间的温度。

5.3条。温度依赖性

在低温（-18°C）条件下对电路和传感器进行测量。然而，它被发现了

当整个电路被放在冰箱里一晚上，它们会被加热到室温

在30秒内。结论是为了得到一个准确的测量电路和

传感器整个测量装置必须放置在理想温度的环境中。

然而，在项目期间，气候柜或等效环境不可用。

Flexiforce A502手册规定：“每度温度变化的力读数变化=0.36%/°C”

[22]。由于力与电导呈线性相关，因此不清楚这对电阻的影响

特别的。这意味着很难确切知道温度对读数的影响以及如何影响

可以选择反馈电阻来补偿这一点。

5.4.ADC的测量和特性描述

为了描述ADC的特性，无论是ESP32还是MCP3208上的ADC

安装程序已生成。板载ADC的特性描述是通过读取ADC的一些代码完成的

输出，然后通过USB传输到计算机。ADC引脚由一个恒定的电压提供

5.5.IMU的测量和特性描述21

泰克PWS4205可编程电源，设置在不同的电压下，看看对应的电压

到每个ADC值。MCP3208也是如此，但这次，ADC连接到

ESP32的SPI总线，通过USB将数据再次发送到计算机。参考电压和功率

电源由泰克PWS4205可编程电源提供恒定电压。期间

试验发现，尽管电源处于恒压模式，但仍有一些噪声

在屏幕上显示三个错误的位置精度。电压的波动

泰克TDS2022C数字示波器。结果见图3.8b。

5.5.IMU的测量和特性描述

在选择了IMU之后，可以对其进行特征描述。在图书馆的帮助下

Arduino IDE，使用ESP32可以轻松读取IMU。加速度计所有轴的工作

陀螺仪也被检查过了。B组的Karen做了一个测量，其中IMU是

从每个轴的静止位置倾斜。先是45度，然后是90度。这可以在

在图5.2的3个最上面的数字中，重力常数的变化为9.81。在下面的3个数字中这一差异

在角度上也可以看到。测试以10赫兹的更新率进行。

图5.2：加速度计的X、Y和Z轴以及偏航、俯仰和横摇

5.6条。Duinrell的IMU

2019年6月17日星期一下午，使用完整系统进行测量，不包括这些运行也被测量作为参考

带有Matlab移动应用程序的手机，可记录方位、加速度和位置（GNSS）

加速度和方位更新率为100赫兹，位置更新率为1赫兹。但是

系统配置不正确。整个系统的更新速度只有1赫兹

不足以显示有意义的数据。全球导航卫星系统也引入了一些错误，因为

两个数据点之间的时间最多可延迟4秒。目前还不知道

由于更新速度慢或GNSS接收器与IMU之间的交互作用而不正确。

进一步的测试和调整的代码是必要的，以证明完整的更新率的IMU秩序

要求G.6。

6

结论和建议

第2节中的许多要求都得到了满足。本节将讨论哪些要求

我们见过，也没见过。

6.1条。具体要求

S、 1车体与雪橇之间的测力

S、 1a选择的传感器应足够大（5x5 cm）以测量力

由运动员申请。第3.2节对此进行了说明。

S、 1b和S.1c是通过选择Tekscan Flexiforce A502来满足的，它可以测量0-20kg的质量。

在读出电路中选择合适的反馈电阻。这在[22]和

第3.3条。

S、 1d所选的读出电路以MPC3208 12位ADC可以提供的方式映射力

必要的决议。第3.4节对此进行了说明。

S、 1e由于读数器和ADC电路的电源线上存在噪声，因此50克的精度不是

尚未到达。这可以在第3.4节中找到。

S、 1f力传感器的选择应确保这是一个薄膜传感器，且不会妨碍

雪橇上的运动员或他的行为。第3.2节对此进行了说明。

S、 1g为测力系统选择的部件是这样选择的

它们将在温度范围内工作，但系统是否独立还未得到验证

在温度上。第3.3.3节对此进行了说明。

S、 1h读出电路的设计是为了向ADC提供合适的信号。现在是时候了

通过SPI总线成功传输到ESP32。第3.4节对此进行了说明。

S、 2重力和方位测量

S、 2a如第节所述，可使用MPU-9250测量所有三个维度的加速度

4.1和5.5。然而，整个集成系统仍然存在一些问题，如

第5.6条。

S、 2b雪橇的横摇和纵摇可由MPU-9250测量。第4.1节对此进行了说明

并在第5.5节中进行了验证。然而，在整个集成系统中还存在一些问题，如

见第5.6节。

S、 2c选择IMU是为了测量至少5g，但是可以测量到16g。这是描述的

第4.1节。

23

246。结论和建议

S、 2d测量值通过I2C总线提供给ESP32，这在第节中进行了描述

4.1条。

6.2条。一般要求

要求G.1中规定的所有数量可单独计量，但由于规范中存在错误

对于GNSS，采样时间有时会延迟，导致采样时间为几秒钟，这是

在B子群[9]的论文中有更详细的解释。因此，采样率不够高

满足G.6要求。

因为测量产品所处环境温度影响的方法

使用和振动的轨道由于冰表面的不规则性是不可用的，它不能

检查是否满足G.2和G.11的要求。然而，如第5.6节所述

在几次过山车上进行了测试。原型没有安装在专用的

PCB是由B小组[9]设计的，而最终产品就是这样。这意味着

最终产品将更加坚固。

根据要求G.8，产品必须易于拆卸和安装在底座上。内部

底座相当容易接近，因此产品可以很容易地拆卸或安装。如中所述

第3.1节，力传感器用双面胶带固定在雪橇上，它们可以留下一些方便

移除底座上的痕迹。然而，测量应在不接入电路的情况下开始

在雪橇内，如要求G.7所述。就像力传感器和gnssreceiver[9]一样

交换机安装在底座的外侧。此瞬时开关向ESP32发送信号

开始测量。已满足G.5和G.4中列出的尺寸要求，尺寸

应安装在雪橇内的产品部分的重量为11.5英镑12.5英镑1.8厘米，以及总重量

系统是261克。然而，该产品的infl确实很少