基于加速度传感器的跳伞安全装置设计研究

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安全性-直是跳伞运动中最令人关注的问题，由于跳伞过程中会受到风速气流等各种天气因素影响，再加上跳伞运动员当时的身体状况，心理素质u 以及跳森验等非自然因素，就可能导致降落伞无法顺利打开，引起跳伞事故。故而，如何保证降落砂时打开就成了安全跳伞的关键所在。

考虑到跳伞过程中随着降落高度的变化所引起的人体加速度的变化 ，可以利用加速度传感器设计 出-种新颖的跳刹全装置，间接测量出跳出飞机后人体的下落高度，当检测到下降高度达到了危险设定值时，如果发现仍没有打开降落伞，则自动弹出牲打开降落伞，达到减速下落的目的，保证人身安全。本文主要介绍了该装置的设计原理和结构。

1 跳刹全装置的结构和原理1.1 跳刹全装置的结构跳刹全装置包括电控和机械2个子系统。电控系统包括0g 加速度传感器、微处理器、电机驱动和外围电路，收稿日期：2012-11-15构成高度检测的核心控制系统。机械系统是自行设计的弹簧插销弹出系统。

弹出系统是-种轻便简单的机械装置，如图1所示，包括直流电机、弹簧插销和滑轮。其中，质量块和弹簧固连在- 起；插销通过软绳连接在电机主轴上，软绳 1经过定滑轮；直流电机固连在外壳上；钩环固连在压紧弹簧的质量块上，钩环栓结软绳2，软绳2另-端和阻力伞相栓连，阻力伞位于牲底部，如图2所示，只要拉出阻力伞，就可以弹出降落桑圈1 弹出装置Fig 1 Ejection device当电机收到信号开始转动，电机主轴转动，绕紧绳索将第5期 赵 炯，等：基于加速度传感器的跳刹全装置设计研究 61阻伞图2 阻力伞Fig 2 Resistance parachute插销拉出，弹簧将物块弹出，从而拉出阻力伞，阻力伞鼓风膨胀展开，达到弹出降落伞的目的。

1.2 跳伞的物理运动过程运动员从飞机机舱跳出到完成着陆，从物理上可以分为 4个阶段，如图3所示 ，图3(a)运动员跳出机舱，竖直初速度为0，以重力加速度g 9.8m/s 下落；图3(b)随着下落速度增加，空气阻力增加，速度逐渐减小；图3(C)当重力和空气阻力达到二力平衡，运动员达到终点速度”，约60m/s；图3(d)到达预定高度，打开降落伞，空气阻力增大，减速下降，落地时速度约5 m/s。

图 4 检测原理框 图Fig 4 Block diagramof measurement theory1.3 物理运动过程的分析在实际跳伞运动中，由于空气阻力，跳伞运动员在打开降落伞之前并不是做自由落体运动。在运动员不断下落的过程中，其下落速度逐渐增加，因而所受到的空气阻力也不断增加。所以，根据牛顿第二定律，有，凇 Fo-Fc ， (1)式中 m为运动员及其装备的整体质量；n为下落的瞬时加速度； 为空气阻力；F。为运动员及其装备的整体所受重力。

由于在地表附近，任何自由落体的加速度约为9.8 m/S ，与其质量无关。由式(1)可以看出：随着空气阻力 增大，最终运动员将会达到-个终点速度”(terminal veloci-ty)，约为56m/s。达到该终点速度”受很多因素影响，如，质量、风阻系数、地球表面的位置、足够的下落高度等。

将式(1)变形，代入阻力和重力具体参数，得到方程m 詈 c。A -mg . (2)其中，P为空气密度 ，大气空气密度约为 1.22 ks/m。；cD为风阻系数，跳伞运动员的风阻系数在 1.1～1.3；A为跳伞运动员整体横截面积； 为下落的瞬时速率。

在空气密度-定的情况下，运动员从-定高度由静止下落，速率方程为：-Vtanh (3)其中，u 为终点速度”；g 为重力加速度，9.8 m/s 。

由上面的分析可知，达到终点速度”的条件是- 0. (4)代入 CDA ，FGmg 得：. ， (5) √ ，则位移-时间关系为62 传 感 器 与 微 系 统 第32卷y：h- h 咖 h盟. (6)gn其中，h为跳伞高度；y为瞬时高度。

通常，跳伞高度大约为3000m左右，跳伞达到的终点速度”口 约为56Ih/s，地表重力加速度 9.8m/s ，代入式(6)得 ，，，-30o0 lnc0sh . (7)相应位移-时间曲线如图5所示。

3O002950目 2900蠢 2850避 28o0275027002650时间 /s圈5 位移-时间图像Fig 5 Displacement-time graph例如：在跳伞运动中，若要求运动员在离地面高度760m时必须打开降落伞，则 760，代入式(7)，得到降落到760m时间t43.96 s。即，从3000m高度跳下后，当加速度传感器检测到加 速度变为 0时开始计时，计时到43.96 s时打开降落伞，开始安全减速下降。

1.4 加速度传感器的配置和使用要使用加速度传感器，必须对它进行配置，主要涉及的寄存器有控制寄存器，状态寄存器，数据输出寄存器及中断相关寄存器。

1)控制寄存器控制寄存器CTRL-REG1控制传感器的模式和 ，y，z三轴的启动。为了启动设备读扔速度数据必须写入CTRL-REG1值0xC7 0bl0100111(正常模式，640 Hz，3轴启动)来启用 ，Y，Z3个通道。

裹 1 控制寄存器 CTRL-REG1Tab 1 Control rgisterCTRL-REG17-4位 PD1 PD0 DF1 DF03-0位 ST Zen Yen Xen[PD1：PD0]：00为掉电模式，默认；lx或 x1为正常模式[DFI：DF0]：从o0到 l1分别对应512，128，32，8，也对应了抽取频率40，320，640，2560 Hz。

控制寄存器 CTRL-REG2用于配置量程和数据格式等；控制寄存器CTRL-REG3用于配置外部时钟等。

2)读扔速度值使用状态寄存器STATUS-REG(27 h)表2 状态寄存器 STATUS-REGTab 2 Status register STATU S-REG7-4位 ZYXOR ZOR YOR XOR3-O位 ZYXDA ZDA YDA XDA比特位ZYXOR置位表示 ，y，z轴中有数据溢出；比特位ZOR，YOR，XOR置位分别表示z，y， 轴数据溢出；比特位ZYXDA置位表示 ，l，，z轴数据就绪；比特位ZDA，YDA，XDA置位分别表示 z，Y，X轴数据就绪。所以，读取状态寄存器，就可以判断数据是否就绪。读扔速度值序列如下：a.读状态寄存器STATUS.REG，若STATUS-BEG位3等于0，表示数据未就绪，则返回第1步；b.若STATUS.BEG位7等于1，表示数据已有溢出，可以读取；C.读 轴数据输出寄存器 OUTX.L和 OUTX-H值，由于每轴数据由2个8位寄存器 OUTx-L和OUTx-H组成，故需要读取2个寄存器获得-个维度的加速度；然后读取y，z轴数据输出寄存器OUTY-L，OUTY-H，OUTZ-L，OUTZ-H；d.根据读到的数据，判断加速度是否为0；e.返回第1步。 t通过检查第2步就可以知道数据产生与读取速度是否匹配，如果所有数据被读取且此时新数据还没有产生，则覆盖位 xOR会自动清除。

在第1步中，使用数据就绪”信号来判断是否有新数据可读。该传感器利用HW信号(RDY信号，引脚6)判断新-组数据是否就绪。该信号以STATUS-REG寄存器位3为代表。当所有通道的高位数据被读润该信号由高变为逻辑0。必须将 CTRL.REG2设为 xxxx01xx才可以使用RDY信号。

另外，为了保证-次性读取完整数据 ，要使用块数据更新特性。设置 CRTL-REG2的 BDU(Block Data.Update)位为l，防止通道高(低)位未读取完毕而低(高)位已经更新为新数据，从而保证-个完整数据的顺利读龋3)理解加速度数据控制寄存器CTRL.REG2的 DAS位设定数据是 12位(0)或 l6位(1)模式。

12位模式：右对齐，最有意义位代表符号位；16位模式：左对齐，低位保存在OUTX-L中且可能是随机值。

关于大小尾的选择，控制寄存器CTRL-REG2的BLE位清零(默认)为小尾。

那么，根据上述设置就可以判断数据寄存器的数据格式。当在12位模式下，OUTX-H的XD15-XD12位等于位XDll的值。

表3 otrrx-H寄存器- Tab 3 Register OUTX-H7-4位 XD15 XD14 XD13 XD123-O位 XDII XD10第5期 赵 炯，等：基于加速度传感器的跳刹全装置设计研究 63在l6位模式下，执行左对齐，最右(低)4位为随机值。

下面举个例子，若在小尾(1itle-endian)且为 12位模式下(BLEO，FS2g )：12 bit mode 29H 28H350 mg 01 h 66 hl g 04h 00h- 350mg FEh 9Ah经计算：0x166对应十进制358，即350mg ；0x400对应十进制 1 024，即 lg ；0xE9A对应十进制 -358，即-350mg 。

2 仿真结果与分析由于在3000m以下，大气密度相对变化较小，而人体的风阻系数和截面积相对固定，所以，影响本安全装置的主要因素即为跳伞对象的体重。本文使用Matlab平台，估算不同体重运动员跳伞的打开时间。采用风阻系数 Co1.2，大气密度1.22ks/m3，人体截面积0.5m2，跳伞高度3000m，降落伞打开高度设定760 m，测试对象体重6080 kg，利用 Matlab绘制降落伞打开前经过的时间，如图6所示。

饕芒詈 美53体重 /kg图6 不同体重对象的跳伞打开时间Fig 6 Parachute opening time vs diferent weight object可以看出：体重和时间基本保持线性关系。即在跳伞前，根据跳伞对象的体重，可以准确地设定跳刹全装置的打开时间，保证在到达指定高度时，能够打开降落伞，避免l上接第59页)发生跳伞事故。

3 结 论传统跳伞的安全装置是使用高度计测量高度，高度计是利用不同高度气压高低不同的原理来测算高度的，受天气影响大，如果气压影响因素变化大，需要不断对高度计进行校正，对高度的测量不够简单可靠。

本文提出的安全装置是利用下落时间来测量下落高度，受外界影响主要是来自空气阻力 ，而空气阻力的不确定性仅仅只受风阻系数 c。的影响，人体风阻系数相对固定，所 以，整个测量过程受外接影响小，故而时间的测量也是精确可靠的。所以，可以使用本文叙述的跳刹全装置作为现有跳刹全的附加装置，能够大大加强跳伞的安全性。