臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要是運用「微機電加速儀」感測器來研製一套量測人體跳躍系統，檢測彈跳所產生的彈力，傳統方式受限於場地、人為判斷標準不一、測試次數導致肌肉疲勞等因素，造成不夠客觀的測試結果，此系統可改善傳統彈性檢測方式，並提升其彈跳值精度。人體彈跳的能力，代表腿肌力的強度，為體適能檢測項目之一，此系統可量測三軸向加速度、速度、位移、偏向角、俯仰角、最大加速值、最大速度、最高位移量，以及彈力值等…，可透過程式運作，即時顯示相關3D數據與動態圖形，供檢測評估。
本系統主要由一組「MEMS三軸加速儀」感測器模組、接收數據資料與傳輸的Wi-Fi DAQ資料擷取卡，以及進行資料處理的PC與NI LabVIEW軟體。經由NI LabVIEW軟體程式將所收到的Wi-Fi DAQ資料，轉換為對應的物理量，可立即得知其加速度值、速度值以及位移量並以3D圖形繪製，可利用此系統建立國人彈跳能力之常模資料庫，或各項運動所需之彈跳能力常模資料庫。靠著常模資料庫的比對，對於運動方面可以篩選出更好的運動員；對於醫療保健方面，讓訓練人員做出更合適的運動處方籤與體能改善，可做為評估身體健康狀態的一個依據。
關鍵詞：微機電加速儀、感測器、LabVIEW、DAQ、MEMS微機電、系統整合，彈跳，體適能

This thesis is going to develop a fully automatic human body jumping ability measurements system by using a set of 3-axis MEMS accelerometer, associated NI Wi-Fi DAQ (Data Acquisition Device) and LabVIEW system development platform. The main LabVIEW automatic system is a real-time execution program which provides 3-axis acceleration raw data inspection, sensors bias and scale factor errors update, physical data conversion, speed and displacement integration, Azimuth angle, Elevation angle, maximum displacement or jump height, jumping force, jumping reaction time etc. All these process results display on Human Interface Screen in digital and graph form. Specially, 3-D body motion trace in space is included which can explain the jumping performances evaluation. Finally, the measurement results will stored in personal file.
This project mostly concerns the measurement accuracy which judges the jumping ability. The most part this thesis discuss and simulates the 3-axis MEMS Accelerometer Errors effect by using MATLAB Simulink Tools. Dominate error sources to contribute displacement error are come from Bias and Sensitivity of MEMS ADXL335 accelerometer. However, we develop an Error Update Technology can reduces this effect to minimum level and good enough for applications. The 3-axis accelerometer module, power supply and Wi-Fi DAQ module are packaged into a whole set, and strop down this set on body. The real jumping tests are provided and compare with actual height meter. Accuracy is fine.
Using this approach we can improve the measurement system by eliminating the uncertainty from traditional method, includes testing environment, subjective criteria, and muscle fatigue. The collected data could also be used to establish a personal or public database for medical personnel to evaluate or advice testers for better health condition. This database could also help selecting athletics.
Keyword：MEMS Accelerometer, Jumping Ability, LabVIEW Automatic System, NI Wi-Fi DAQ, Error Update Technology, MATLAB Simulink Tools, 3-D body Motion Trace, Error Analysis

目 次
Abstract i
摘 要 iii
目 次 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 前言 1
第一節 研究動機 1
第二節 一般使用者的方法 2
第三節 研究方向概述 3
第四節 論文架構 4
第二章 彈跳力量測與空間運動軌跡原理 5
第一節 物體運動分析與公式 5
第二節 三軸向誤差公式推導 7
第三章 自動化彈跳力與運動軌跡之系統架構 9
第一節 MEMS加速儀誤差源量測與軟體補償 9
第二節 彈跳力自動化檢測系統工作方塊圖 21
第三節 系統LabVIEW量測硬體之Wi-Fi DAQ 23
第四節 系統LabVIEW軟體程式 25
第五節 MEMS慣性加速儀精度驗證 34
第四章 MEMS加速儀誤差分析與測試 43
第一節 對準耦合誤差模擬分析 43
第二節 偏差誤差模擬(Bias Error Simulation) 46
第三節 非線性誤差模擬(Nonlinearity Error) 48
第四章 加速儀ADXL335實際數據值與穩定度分析 51
第五章 實際彈跳動態實驗 53
第一節 系統硬體整合 53
第二節 實際彈跳與數據分析 56
第六章 結論與建議 63
第一節 完成實用型彈跳力自動化量測系統 63
第二節 未來研究方向 63
參考文獻 65
作者簡介 66

[1]謝仁豪，"以微機電加速儀感測器實現彈跳體力檢測系統"，碩士論文，中華科技大學電子工程研究所，2014年。
[2]葉金川，運動與健康，網址: http://blog.udn.com/yestaipei/article。
[3]電子工程專輯：什麼是MEMS？，網址: http://www.eettaiwan.com/SEARCH/ART/mems+%3F%3F_1_3.HTM，2009年11月26日。
[4]牛頓第一運動定理，網址：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%89%9B%E9%A1%BF%E7%AC%AC%E4%B8%80%E8%BF%90%E5%8A%A8%E5%AE%9A%E5%BE%8B。
[5]ADXL335 Data Sheet，Analog Devices.。
[6]惠汝生，"LabVIEW 8.X圖控程式應用"，2008年12月。
[7]美商國家儀器台灣官網，網址: http://taiwan.ni.com，2014年。
[8]洪維恩，"Matlab 7程式設計"，2010年10月。
[9]李宜達，"控制系統設計與模擬"，2006年09月。
[10]段伴虬，李守誠，毛世威，許綜升，洪兆宇，徐守仁，"不同姿態下微機電加速儀對人體跌倒偵測研究"，學術研討會，2007年。