智能調(diào)速轉(zhuǎn)向多功能滑雪板設(shè)計研究

王首發(fā)，高壓峰，劉浡軒，趙健盟，紀宏超

（1.華北理工大學，河北 唐山 063009；2.海軍工程大學，武漢 430033）

0 引言

查閱文獻得知，近期國外某公司已研制出一款新型雪地運動智能滑雪板，被稱為世界上首款智能滑雪板和雪杖。這款智能滑雪板通過與智能手機App相連接，可以計算與分析運動過程中最基本的數(shù)據(jù)，比如速度和距離等參數(shù)，甚至包括一些更專業(yè)的海量運動數(shù)據(jù)，例如轉(zhuǎn)彎角度、時間和力量等。與非智能型的傳感器相比，該滑雪板可迅速利用機器學習語言對運動過程中的海量數(shù)據(jù)進行收集并反饋到終端，進行可視化展示，為滑雪運動者提供最專業(yè)、最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。利用藍牙連接技術(shù)，新型滑雪板可以將運動者運動時的實時速度與位置數(shù)據(jù)實現(xiàn)雙向傳輸，便于教練等人員的研究應(yīng)用。雖然目前該型號的滑雪板還處于原型開發(fā)階段，但可以將一些適用于低溫環(huán)境下的顯示屏、傳感器等器件嵌入到新型滑雪板的智能控制系統(tǒng)中，以實現(xiàn)功能的升級換代與數(shù)據(jù)處理的快速響應(yīng)。在滑雪板質(zhì)量領(lǐng)域，阿托米克品牌一直是世界領(lǐng)先的品牌之一，不僅設(shè)計風格十分前衛(wèi)新穎、充滿動感，而且采用特殊材料與結(jié)構(gòu)，打造出世界一流的滑雪產(chǎn)品，例如：ATOMIC的雙板系列是競技比賽中的中高端產(chǎn)品中一流的領(lǐng)軍運動裝備。但其造價太高，技術(shù)手段復(fù)雜，不利于大范圍的推廣。

隨著科技的發(fā)展和滑雪運動的逐步普及, 滑雪裝備的發(fā)展方向開始向高科技和大眾化轉(zhuǎn)變。其中少量的滑雪裝備產(chǎn)品向高科技、高水準的方向發(fā)展,供世界上專業(yè)的運動員在各種大型賽事中運用；適用于大眾滑雪裝備的產(chǎn)品向功能多樣化、結(jié)構(gòu)簡便化、產(chǎn)品安全化的市場方向邁進,以此帶給滑雪者更美好的滑雪體驗[1]。

根據(jù)市場調(diào)查，目前我國滑雪愛好者普遍使用的滑雪板，按不同劃分方式可分為三大類型：1）根據(jù)地域的不同劃分，滑雪板可分為越野滑雪板和高山滑雪板；2）根據(jù)滑雪樣式劃分，滑雪板可分為花式滑雪板和自由式滑雪板；3）根據(jù)競技方式劃分，滑雪板可分為回轉(zhuǎn)滑雪板和滑降滑雪板。普通類型滑雪板存在不能防水、彈性差、耐磨性差等缺點。而改進的新型滑雪板使用了復(fù)合高分子材料與金屬夾層，進而滑雪板在滑行中減輕損害程度，并增強固定器穩(wěn)定性和減震效果，因此滑雪者具有一定的舒適感和靈活性，但其有不易控制、造價昂貴、后期維修麻煩等缺點。

本試驗通過調(diào)查滑雪運動者使用各種滑雪板在雪上的動作特點，開發(fā)出一款智能調(diào)速轉(zhuǎn)向的多功能滑雪板。該樣板采用智能控制系統(tǒng)，利用滑雪板底面齒輪齒條機械結(jié)構(gòu)的移動，來改變滑雪板底面的部分材料以增加與雪面的摩擦，從而實現(xiàn)滑雪板的調(diào)速和轉(zhuǎn)向功能；同時采用藍牙匹配連接和單片機控制來提高在危險狀態(tài)下滑雪板制動的反應(yīng)速率，實現(xiàn)滑雪板的危險制動和實時調(diào)速性能[2]；滑雪板整個系統(tǒng)由太陽能板、風力發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池模塊共同為其供給電能，實現(xiàn)光電互補和節(jié)能減排的效果，積極響應(yīng)當今時代碳達峰、碳中和的要求。

1 滑雪板結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能調(diào)速轉(zhuǎn)向的多功能滑雪板由滑雪杖、滑雪靴、滑雪板3部分構(gòu)成，利用Rhino 軟件繪出其整體裝置圖，如圖1所示。

圖1 整體裝置圖

滑雪板機械結(jié)構(gòu)由固定器、電動機和機械傳動系統(tǒng)等幾部分組成，滑雪靴主要由滑雪靴主體、前腳掌接觸面、連接扭轉(zhuǎn)彈簧、后腳掌接觸面組成?；┭ネㄟ^固定器與滑雪板連接而成，滑雪板中的腳壓搖桿嵌入到滑雪靴主體與固定器接觸底面開有的縫隙內(nèi)?；┭ヅc滑雪板的裝配結(jié)構(gòu)在整體裝置圖中展示。

1.1 機械結(jié)構(gòu)

1.1.1 機械原理介紹

機械結(jié)構(gòu)傳動裝置的整體機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。固定在滑塊端的腳壓齒條4與圓柱主動齒輪6相嚙合，圓柱主動齒輪6、8、9同軸聯(lián)接，圓柱主動齒輪8與傳動齒條3嚙合，而且軸上另一端還聯(lián)接有圓柱主動齒輪9，圓柱主動齒輪9與雙向轉(zhuǎn)動電動機齒輪嚙合卡緊可防止齒輪的倒轉(zhuǎn)；其中腳壓齒條隨滑塊在滑槽中移動，傳動齒條下端由零件7固定，該零件起到固定與傳動作用，一方面其固定橡膠板，另一方面其隨傳動齒輪使滑雪板上下傳動。當腳壓齒條受到按壓，齒輪6開始轉(zhuǎn)動，同時同軸聯(lián)接的齒輪8通過齒條3帶動底板向下運動，達到減速的目的。減速完成，當腳一旦移開時，齒條通過彈簧5帶動各部件迅速復(fù)位，減速完成。電動機部分通過控制正反轉(zhuǎn)來調(diào)動 齒 輪8、9，然后借助齒條3來實現(xiàn)底板的上升與下降，使得減速動作迅速完成[3]。

圖2 機械傳動裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 機械調(diào)速說明

滑雪板底面開有多個曲形花紋孔，而在橡膠板底面設(shè)置一些凸起的橡膠花紋，與曲形花紋孔一一對應(yīng)，這樣橡膠板在下移過程中其表面凸起的花紋會輕松地進入并透過曲形花紋孔而與雪面接觸，從而增大滑雪板與雪面間的摩擦，達到調(diào)速目的。橡膠板底面凸起花紋穿過曲形花紋孔與雪面接觸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 滑板底面結(jié)構(gòu)示意圖

當滑雪者需要減速時，通過雙后腳掌用力下壓靴底后腳掌接觸面，按壓腳壓齒條，腳壓齒條有齒部分與齒輪嚙合，來帶動連接有凸起花紋橡膠條的硬板通過擠出滑雪板底面的曲形開口（多個曲形開口位于滑雪板下表面中間位置）。當減速時，踩踏腳壓齒條，凸起花紋橡膠條與雪面接觸，增大摩擦，達到減速目的。其中機械傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)彈簧可實現(xiàn)腳壓齒條下壓之后的自動復(fù)位，以實現(xiàn)上下端的移動；因此，減速之后，向上抬起雙后腳掌使硬板向上移動，凸起花紋橡膠條與雪面脫離，開始正?；?。

1.2 基于單片機的智能反饋系統(tǒng)

以STM32單片機為控制核心的智能滑雪板系統(tǒng)，滑雪杖與滑雪板通過藍牙技術(shù)連接，實現(xiàn)滑雪手控制滑雪板的速度、超聲波距離報警、制動與顯示功能[4]。主控芯片應(yīng)用了一款基于ARM系統(tǒng)內(nèi)核的STM32系列的32位微控制器，程序存儲器容量是64 kB，工作溫度適合于常溫儲存與滑雪運動時的低溫條件。選用STM32單片機作為控制芯片，滿足需要功能的同時，具有成本低廉、可靠性高和體積小等優(yōu)點。藍牙模塊選用HC-05主從一體化藍牙模塊，可以實現(xiàn)雙向通信和實時反饋的功能，支持串口通信協(xié)議，并且具有成本低、體積小、收發(fā)效率高、環(huán)境配對穩(wěn)定的優(yōu)點。顯示模塊選用12864的OLED顯示屏作為顯示模塊。該模塊采用分辨率為128×64的點陣，可顯示漢字、圖案，整體美觀，對比度高，同時可視角度大，其功耗遠低于TFT、LCD的功耗。采用SPI或IIC通信方式，I/O口占用少，方便與單片機連接[6]。該系統(tǒng)包括滑雪杖部分和滑雪板部分。滑雪杖部分設(shè)置了3個獨立按鍵、藍牙模塊和OLED顯示屏模塊。3個獨立按鍵分別控制電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和開啟超聲波測距功能。OLED用于顯示藍牙是否連接等狀況及當前超聲波測距的實時距離?；┌宀糠职ǔ暡y距模塊、藍牙技術(shù)模塊、2個雙路繼電器和1個減速電動機[5]。這兩部分通過電源穩(wěn)壓器模塊為系統(tǒng)提供可靠的電源?；┌宀糠衷O(shè)有太陽能板和風力發(fā)電機為電池充電。智能控制系統(tǒng)的信號傳遞流程如圖3所示。

圖4 智能控制系統(tǒng)的信號流程圖

在機械傳動軸上連接有電動機，電動機與單片機控制系統(tǒng)相連。在滑雪過程中遇到有碰撞他人、滑出場地、測距模塊檢測距離小于安全距離等情況時，單片機通過高低電平的翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)觸發(fā)電動機轉(zhuǎn)動的功能（當電動機轉(zhuǎn)動時，主動輪帶動和電動機同軸的齒輪轉(zhuǎn)動，從而使機械傳動部分工作），通過機械傳動使凸起花紋橡膠條與雪面接觸，實現(xiàn)減速。減速后當危險解除（即距離大于安全距離l′）時，同樣原理下單片機控制電動機反向轉(zhuǎn)動，通過機械傳動使凸起花紋橡膠條上移并與雪面脫離接觸，開始正?；衃7]?；┱呶疵媾R撞人的危險但速度過高、容易自己摔倒時，按動位于滑雪杖上的按鍵，通過藍牙技術(shù)模塊接通觸發(fā)電動機轉(zhuǎn)動，使凸起花紋橡膠條與雪面接觸，實現(xiàn)減速，再次按鍵，正?；?。

1.3 光電互補系統(tǒng)的設(shè)計

滑雪板使用的光電互補控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的供電部分，是整個滑雪板系統(tǒng)的能量來源。通過應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)——PWM脈沖型控制電路，可以對太陽能轉(zhuǎn)換成的電能進行模擬量到數(shù)字量的調(diào)節(jié)，從而營造一個穩(wěn)定的供電環(huán)境：1）通過穩(wěn)定的供電環(huán)境可以為蓄電池提供紋波系數(shù)可控的充電環(huán)境，避免蓄電池出現(xiàn)過沖和過放的人為損壞現(xiàn)象，從而有效延遲儲能蓄電池的使用壽命；2）穩(wěn)壓環(huán)境為電動機提供穩(wěn)定的電流輸入，為電動機的安全精確轉(zhuǎn)動提供了可靠的運行環(huán)境。系統(tǒng)采用光電互補控制器，結(jié)合電源時序控制系統(tǒng)可采樣分析電源系統(tǒng)運行下的各種信號，可實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)下的優(yōu)化處理，為有效判斷系統(tǒng)各部分器件提供技術(shù)基礎(chǔ)，保證智能控制系統(tǒng)安全平穩(wěn)地運行。在自然條件良好的情況下，太陽能板不僅可以將轉(zhuǎn)化的電能提供給系統(tǒng)實時供電，還可以將電能儲存在蓄電池中[8]。在陽光照射不佳時，既可利用蓄電池內(nèi)的電流通過控制器為電動機供電，也能通過太陽能板與蓄電池光電互補為電動機供電，達到節(jié)能減排的效果。其中光電互補太陽能驅(qū)動系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 光電互補太陽能驅(qū)動系統(tǒng)圖

1.4 滑雪板其他輔助裝置

整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，手杖握手端聯(lián)接齒輪轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，通過手壓搖桿帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，進而帶動從動大齒輪切割磁感線，產(chǎn)生的電流通過滑雪杖內(nèi)部的導線與手杖下部的照明燈連接，進而在夜間照明滑雪道路。握柄部分可以手壓發(fā)電，通過齒輪齒條傳動，以及齒輪副放大轉(zhuǎn)速，并在棘輪限制下實現(xiàn)發(fā)電機軸單向轉(zhuǎn)動。

圖6 滑雪杖整體設(shè)計圖

滑雪者沒有撞人的危險但速度過高、容易自己摔倒時，按動位于滑雪杖上的按鍵，通過藍牙模塊接通觸發(fā)電動機轉(zhuǎn)動，凸起花紋橡膠條與雪面接觸，實現(xiàn)減速，再次按鍵，正?；?。

2 滑雪板設(shè)計的可行性分析

設(shè)計開發(fā)的可調(diào)速轉(zhuǎn)向的多功能滑雪板成本低廉、功能多樣且安全性能較高，實驗所用實物中包含的具體型號及價格如表1所示。從表1可以直觀看出，整套智能滑雪板控制系統(tǒng)的成本總價為335 元，通過實物實驗，滑雪板轉(zhuǎn)向成功率可提高80%，減速時間至少縮短一半，滑雪事故發(fā)生率可下降40%，因此滑雪板在安全性和功能多樣性方面具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景[9]。

表1 參數(shù)和價格分析表（以單板為例）

3 結(jié)論

多功能滑雪板采用機械結(jié)構(gòu)傳動來實現(xiàn)滑雪板底面部分材料的改變，增大滑雪板與雪面之間的摩擦因數(shù)μ，進而增大摩擦力，實現(xiàn)降速的目的。通過設(shè)計智能控制系統(tǒng)及程序，可實現(xiàn)在非危險狀況下手動按下按鍵減速和危險狀況下智能控制滑雪板自動減速制動兩種工況，實現(xiàn)了機電一體化和智能控制。此外，還可以通過人體自身重力用雙腳按壓機械結(jié)構(gòu)完成相同的工作流程，輔助減速。通過人機配合，充分利用滑雪板的各項功能，充分滿足滑雪者體驗的同時，安全性也得到了有效保證。設(shè)計光電互補裝置，整個系統(tǒng)由太陽能板和蓄電池共同供電，可以充分利用各類能源，實現(xiàn)了節(jié)能減排。設(shè)計開發(fā)智能調(diào)速轉(zhuǎn)向的滑雪板，不僅提高了滑雪者在冰雪運動中的運動體驗，還達到了滑雪體育向大眾普及的良好效果。