一種定位球訓(xùn)練用智能足球的設(shè)計(jì)

張昱軒

摘? 要：在現(xiàn)代足球比賽中，定位球已經(jīng)成為足球比賽的重要得分手段。提出了一種用于定位球訓(xùn)練的智能足球的設(shè)計(jì)方法，包括多層球體和嵌入多層球體的數(shù)據(jù)采集、無線通信、充電系統(tǒng)等模塊。該方法設(shè)計(jì)的智能足球能夠通過數(shù)據(jù)采集裝置記錄踢球的力度、踢球點(diǎn)和踢球的角度，協(xié)助球員在定位球訓(xùn)練時(shí)快速找到球感，改善踢球技巧，最終提高定位球的得分率。

關(guān)鍵詞：智能足球;定位球訓(xùn)練;數(shù)據(jù)采集;無線通信;無線充電

中圖分類號(hào)：TP391.41? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）01-0153-03

Design of an Intelligent Football for Place-kick Training

ZHANG Yuxuan

（Xuzhou NO.1 Middle School，Xuzhou? 221000，China）

Abstract：In modern football game，place-kick has become an important method of scoring in football matches. This paper presents a design method of intelligent football for place-kick training，including multi-layer sphere and embedded multi-layer sphere data acquisition，wireless communication，charging system and other modules. The intelligent football designed by this method can record the kicking intensity，kicking point and kicking angle through data acquisition device，help players find the sense of the ball quickly during the training of place kick，improve the kicking skills and ultimately improve the scoring rate of place kick.

Keywords：intelligent football;place-kick training;data acquisition;wireless communication;wireless charging

0? 引? 言

在被稱為世界第一大運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)代足球中，定位球技術(shù)因?yàn)槌蔀橐环N靈活的進(jìn)攻和得分手段而得到高度的重視。在局面僵持的形勢(shì)下，定位球往往成為關(guān)鍵的得分方式，特別是在世界性高水平大賽中，一粒定位球常常會(huì)影響甚至決定整個(gè)比賽的走勢(shì)。對(duì)球隊(duì)而言，踢好定位球主要靠的是戰(zhàn)術(shù)的策劃、技術(shù)的運(yùn)用和默契的配合。但是，對(duì)于球員個(gè)人而言，踢好定位球需要球員具有良好的定位球的球感，以便能夠?qū)⒍ㄎ磺虬凑疹A(yù)計(jì)的線路踢到預(yù)計(jì)的點(diǎn)位[1]。這就需要球員在日常訓(xùn)練過程中花費(fèi)相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，通過長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃和系統(tǒng)的訓(xùn)練，不斷地去感受和變換踢球的力度、踢球點(diǎn)和踢球方向等以尋找并培養(yǎng)定位球的球感。

考慮設(shè)計(jì)一種智能足球，在足球中嵌入相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集傳感器，在定位球訓(xùn)練中記錄足球的運(yùn)動(dòng)軌跡、飛行速度、加速度和踢球著力方向、力度、著力點(diǎn)等數(shù)據(jù)并反饋給球員[2]，作為下次練習(xí)的參考，幫助球員快速提升定位球的球感，增強(qiáng)訓(xùn)練效果。

1? 基本原理

如圖1所示，智能足球包括多層球體和嵌入多層球體內(nèi)的數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置包括集成有處理器和內(nèi)存的控制電路板以及與控制電路板電連接的壓力傳感器模塊[3]、運(yùn)動(dòng)傳感器模塊、無線通信模塊和GPS定位模塊[4]，其中，壓力傳感器模塊包括設(shè)于多層球體的面層和球囊之間的多個(gè)壓力傳感器單元。通過壓力傳感器單元可以對(duì)踢球的力度進(jìn)行測(cè)量[5]，給出基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的足球最優(yōu)飛行軌跡建議[6]，便于球員在定位球訓(xùn)練時(shí)根據(jù)前一次的力度和定位球的實(shí)際路線調(diào)整下次踢球的力度。

球面層由多塊多邊形的球皮構(gòu)成，其中，每塊球皮下以互不重疊的方式設(shè)置有至少一個(gè)壓力傳感器單元。通過在每塊球皮下設(shè)置至少一個(gè)壓力傳感器單元，結(jié)合運(yùn)動(dòng)傳感器，可以記錄球員進(jìn)行定位球訓(xùn)練時(shí)的踢球點(diǎn)和踢球方向，便于球員在定位球訓(xùn)練時(shí)根據(jù)前一次的踢球力度、踢球點(diǎn)、踢球方向和定位球的實(shí)際路線調(diào)整下一次踢球，以不斷地改善定位球球感。多層球體至少包括由外向內(nèi)依次設(shè)置的面層、防水層、第一纏紗層、第二纏紗層和球囊，其中，壓力傳感器單元設(shè)于第一纏紗層和第二纏紗層之間。由于踢球時(shí)足球受到的沖擊較大，壓力傳感器單元容易受到損壞和移位，導(dǎo)致不能測(cè)量或者測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度下降。壓力傳感器單元設(shè)于第一纏紗層和第二纏紗層之間可以讓第一纏紗層和第二纏紗層對(duì)壓力傳感器單元起保護(hù)作用，還能提高壓力傳感器單元的穩(wěn)固程度。運(yùn)動(dòng)傳感器模塊包括三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)和三軸加速度計(jì)中的至少一種。無線通信模塊至少包括藍(lán)牙模塊、ZigBee模塊和WiFi模塊中的一種。GPS定位模塊是差分GPS定位模塊。

智能足球還包括與之適配的包括至少一個(gè)足球充電位的無線充電器，足球充電位設(shè)有與智能足球的球面弧度相匹配的弧形凹陷部，還包括與相應(yīng)足球充電位對(duì)應(yīng)的充電狀態(tài)指示燈。

2? 詳細(xì)設(shè)計(jì)

如圖2所示，數(shù)據(jù)采集裝置中，處理器選擇君正M200，壓力傳感器單元選用DF9-Z9/0～15柔性壓力傳感器。球皮下兩個(gè)及以上壓力傳感器單元之間互不重疊且與相鄰球皮下的壓力傳感器單元之間也沒有重疊。壓力傳感器單元以外部輪廓不超出球皮外輪廓的方式進(jìn)行設(shè)置。運(yùn)動(dòng)傳感器模塊包括三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)和三軸加速度計(jì)，無線通信使用ZigBee模塊，GPS定位模塊是差分GPS定位模塊。差分GPS定位模塊能夠?qū)崿F(xiàn)智能足球的三維運(yùn)動(dòng)軌跡的精確測(cè)量，能夠結(jié)合運(yùn)動(dòng)傳感器模塊和壓力傳感器模塊的數(shù)據(jù)在顯示裝置上為球員重現(xiàn)智能足球在相應(yīng)的踢球力度、踢球點(diǎn)和踢球方向下的三維運(yùn)動(dòng)軌跡。數(shù)據(jù)采集裝置封裝于由兩半殼體通過卡口密封連接或者螺紋密封連接而成的外殼內(nèi)并電連接于設(shè)于多層球體的面層和球囊之間的無線充電模塊。

如圖3所示，多層球體可以包括由外向內(nèi)依次設(shè)置的面層、防水層、第一纏紗層、第二纏紗層和球囊。壓力傳感器單元可以設(shè)于第一纏紗層和第二纏紗層之間。第一纏紗層和/或第二纏紗層可以為單層或者雙層的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以防止增加過多重量導(dǎo)致足球彈性降低，同時(shí)漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)還能便于布線，降低布線難度。第二纏紗層可以粘接于球囊表面，第一纏紗層可以粘接于第二纏紗層。第一纏紗層粘接完成后，然后將薄膜式的壓力傳感器單元粘接于第一纏紗層表面，然后再粘接第二纏紗層以將壓力傳感器單元設(shè)于第一纏紗層和第二纏紗層之間，以保護(hù)壓力傳感器單元，提高壓力傳感器單元的穩(wěn)固程度。防水層是聚氨酯空心微球泡沫塑料、乳膠或者橡膠。

3? 足球運(yùn)動(dòng)軌跡模型

定位球在空氣中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，足球運(yùn)動(dòng)的軌跡有顯著的馬格努斯效應(yīng)，基于對(duì)足球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)受空氣阻力的考慮，我們采用三維坐標(biāo)與時(shí)間變量的函數(shù)關(guān)系模型，如式（1）[7]描述受空氣阻力的足球在空中的運(yùn)動(dòng)軌跡。

4? 結(jié)? 論

針對(duì)足球定位球訓(xùn)練設(shè)計(jì)了輔助訓(xùn)練的智能足球，通過數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和數(shù)據(jù)處理及模擬分析，給出最優(yōu)踢球建議，提高訓(xùn)練效率。影響足球運(yùn)動(dòng)軌跡的因素很多，也很復(fù)雜，且缺乏對(duì)足球運(yùn)動(dòng)軌跡模型的深入研究，所以在全球范圍內(nèi)采集職業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員，特別是任意球?qū)＜业奶咔驍?shù)據(jù)，對(duì)于優(yōu)化建議的大數(shù)據(jù)分析，將極具意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 茅鵬.論足球技術(shù)訓(xùn)練 [J].體育與科學(xué)，2014，35（5）：77-79.

[2] 王慧玲.智能足球機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 [D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

[3] 李彥芳，楊曉斌，鄭璐，等.一種高精度壓力傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（22）：161-163+167.

[4] 李明峰，馮寶紅，劉三枝.GPS定位技術(shù)及其應(yīng)用 [M].國防工業(yè)出版社，2006.

[5] 呂秀娟.足球定位球射門機(jī)理、建模與仿真研究 [D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[6] 華正春.數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的足球最優(yōu)飛行軌跡估計(jì) [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（19）：123-125+128.

[7] 郝成紅，黃耀清，劉聚坤，等.考慮空氣阻力的足球弧線球運(yùn)動(dòng)軌跡 [J].大學(xué)物理，2018，37（6）：19-21.

[8] 郝成紅.考慮空氣阻力的拋體射程 [J].大學(xué)物理，2008， 27（12）：21-22.