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【ADI 工程师博客】差分放大器AD626,助力完成奥赛级的精密测量

ternence 在 2018-7-6 建立的討論區
最後回覆由Vincent CHEN於2018-7-7提供

2018年平昌冬奥会上,德国和加拿大的双人雪橇队以完全相同的时间到达终点而双双获得金牌,这个消息很令人惊讶,因为在这种运动项目中,胜败之差往往只有1/100秒。事实上,排名前五的团队相差仅0.13秒。这大致就是眨眼的工夫

 

对于很多奥运赛事,包括有舵雪橇、俯式冰撬和无舵雪橇,精密测量绝对至关重要。无舵雪橇进一步突破测量极限,计分速度降至1/1000秒。

 

对于精密测量技术,或者为了奥运赛事而发展的精密测量技术,ADI公司并不陌生。ADI公司副设计工程师Tom Westenburg是美国奥委会体育科学部门的首席工程师。他在USOC工作了18年,然后加入凌力尔特公司(LTC),后者现在是ADI公司的一部分。

 

我有机会与Tom谈论他的一些与计时和计分相关的经验,以及如何改善运动成绩。

 

 

您发现了许多滑道使用的计时系统存在缺陷,并提出了解决方案。这个缺陷是什么?

有舵雪橇和无舵雪橇轨道在起点和终点使用光学传感器。它们使用调制光源,因此不会受到周围照明变化的影响,例如当云朵遮住太阳时。

 

这些光源寻找一个特定的调制速率,比如说100 Hz。但是,当运动员中断这一光束时,光源处于闪光周期中的哪个位置非常重要。所以,起点和终点会产生10 ms的随机错误。您可能会想:起点和终点的10 ms会相互抵消。但是,因为误差是随机的,对于一名不幸的运动员,这两个误差可能对其均不利,导致其时间增加10 ms。每个光源的误差是0 ms+10 ms,所以最大值是10 ms,而不是20 ms。无舵雪橇这种运动的成绩要精确是毫秒级,所以要公平地评判每位运动员,测量精度必须比这要高很多。

 

您如何解决这个问题?

我们想尽可能高地提高调制率。我们找到了一些有效的商用光源,并进行了一些实验室测试。其中一个的调制速率为20 kHz,在实验室中看起来不错,但在轨道上误触发太多。调制速率约为9.4 kHz时,整体性能最佳。这比我计划的要低,但仍然比当时大多数轨道使用的200700 Hz光源要好得多。

 

顺便说一下,当光束被中断时,通常须丢失三个脉冲,才会将其算作一次有效中断。随机部分是当运动员进入脉搏周期的时候。第二个和第三个脉冲增加一个很小延迟,这在起点和终点是相等的,所以不会影响精度。

 

有了可以接受的定时光源之后,我想确保其端到端精度。此时,我需要一些专业知识和帮助。我同NIST的时间频率专家取得了联系,并通过卫星访问了NIST Cesium Fountain原子钟,它是世界上最精确的时钟之一。然后,我们构建了一个具有超高速铍快门的系统,这种快门用在手术应用中发射激光脉冲。我们在起点和终点都有一组带卫星接收器的快门。可以设置这些快门以100ns的分辨率中断定时光束。包括快门在内的误差约为50-100us。如果没有卫星装置,要准确测试接近一英里长的轨道将很困难。过去,系统定时器是在校准实验室中进行验证,但不附带定时光源和一英里长的线缆。这比端到端测试容易得多。据我所知,2002年盐湖城冬奥会是唯一开展过此级别测试的赛事。

 

该计时系统在无舵雪橇滑道上取得了良好的应用效果,是吗?

是的,我参与的这些事情很有意思。许多较旧的轨道使用反光定时光源。发射器和接收器位于轨道同一侧,反射器在另一侧。来自发射器的光线会反射回接收器。一旦无舵雪橇运动员的脚穿过并中断光束,计时器就会启动。

 

结果发现,有些运动员穿着高反光材料服装和哑光黑色头盔。服装会将光束反射回接收器,直到运动员的头部穿过,传感器才会记录光束中断。所以运动员基本上抢占了一个身部的先机,时间可能超过200ms(即-250ms + 50ms = -200ms)。在胜败仅相差千分之一秒的比赛中,这是一个巨大的优势。

 

当然,他们必须完全平躺在雪橇上才能使头盔触发光源,他们并不总是这样做。所以有时候会出现定时器未启动的奇怪现象,这引起了一些怀疑。

 

所以他们来找我们,我们进行了仔细研究,经过一段时间的思考之后,我们发现了事情的缘由。现在,几乎所有的轨道都是一侧放置发射器,另一侧放置接收器。

 

 

您也参与了帮助运动员提高成绩的工作。

是的。一个例子是美国有舵雪橇队。就像无舵雪橇一样,运动员们千方百计地希望把成绩提高十分之一秒或更多。起始非常重要,可以决定比赛的胜负。我们重点关注如何将两人和四人团队成员推入并装载到雪橇中。目标是通过干净利落的装载让雪橇以尽可能快的速度进入第一个计时光源,这是比赛时间开始的地方。

 

我们有一具真正的雪橇,但它是旱地雪橇,有轮子而不是滑行装置。我们在轮子上设置光电传感器来测量距离和速度,并在每个推手中用应变计来测量力的大小。事实上,我们使用AD626放大器来放大应变计信号。

 

运动员的兴奋度,尤其是在奥运会这样的比赛中,会让其推动的时间比预期稍长一点。如果四人雪橇队的前三位运动员都这样做,使其载入时间延迟,就可能导致制动员不得不跑远一点,超出其对雪撬施加推进力的地方。然后,他们不得不把自己拉进雪橇中。所有这些都可能导致装载不佳,拖慢雪撬进入第一个定时光源的时间。

 

使用该系统,我们可以计算出他们在赛道上的位置以及装载的时间。该系统将雪橇数据混合到运动员实况视频中,传输到教练的笔记本电脑。我们会在其上显示一个力曲线图,并计算其他指示推力和装载质量的参数。团队知道他们推动和装载的好坏。我们希望每个团队都将最佳起始状态铭记在心,而不出现偏离。这种实时反馈使运动员能够在记忆犹新的时候通过纠正来找到最佳点。以前,处理数据需要几天的时间,但到那时,运动员很难记住他们做过了什么,因此对进行有效的纠正几乎毫无用处。

結果