基于視覺識(shí)別的智能網(wǎng)球撿入裝置設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】針對(duì)打網(wǎng)球過程中撿球不便的問題，設(shè)計(jì)出一種基于視覺識(shí)別技術(shù)的智能網(wǎng)球撿入設(shè)備。【方法】該設(shè)備集成了高清攝像頭、太陽(yáng)能充電模塊及視覺識(shí)別算法、路徑規(guī)劃系統(tǒng)、多傳感器避障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)球的快速識(shí)別、精確定位、高效撿取及智能避障等功能。【結(jié)果】通過有限元分析，驗(yàn)證了關(guān)鍵部件（前叉）的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性，確保該設(shè)備應(yīng)用的可靠性?！窘Y(jié)論】該智能網(wǎng)球撿入設(shè)備的應(yīng)用不僅提高了撿球效率，還減少了運(yùn)動(dòng)員體力消耗，為網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)設(shè)備的智能化做出有益嘗試。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)球撿入設(shè)備；視覺識(shí)別技術(shù)；路徑規(guī)劃；多傳感器避障

中圖分類號(hào)：TH137.5" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）23-0023-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.005

Design of Intelligent Tennis Pick-in Device Based on Visual Recognition

ZHANG Deng WANG Yuqin SUN Hanbing HAN Xin ZUO Mengqiang

（School of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238024， China）

Abstract： [Purposes] Aiming at the inconvenience of picking up the ball in the process of playing tennis， an intelligent tennis picking-up device based on visual recognition technology is designed. [Methods] The equipment integrates high-definition camera， visual recognition algorithm， path planning system， multi-sensor obstacle avoidance technology and solar charging module， which realizes the rapid identification， accurate positioning， efficient picking and intelligent obstacle avoidance of tennis. [Findings] Through finite element analysis， the structural strength and safety of the key component front fork were verified， which ensured the reliability of the equipment in practical application. [Conclusions] The intelligent tennis picking-up equipment in this study not only improves the picking-up efficiency， but also reduces the physical consumption of athletes， making beneficial attempts for the intelligentization of tennis equipment.

Keywords： intelligent tennis picking-up equipment; visual recognition technology; path planning; multi-sensor obstacle avoidance

0 引言

隨著我國(guó)網(wǎng)球競(jìng)技水平不斷提高，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的參與者也逐漸增多。然而，大眾參與網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)通常要攜帶多個(gè)網(wǎng)球。此外，球場(chǎng)上的網(wǎng)球如果未能及時(shí)清理，可能會(huì)形成安全隱患。傳統(tǒng)的機(jī)械撿球裝置的應(yīng)用雖能提高撿球效率，但通常需要人工操作，且攜帶不便。為了解決這些問題，研究人員已開發(fā)出多種自動(dòng)化撿球裝置。張強(qiáng)志等［1］設(shè)計(jì)了一款撿網(wǎng)球機(jī)器人，該機(jī)器人使用單個(gè)機(jī)械爪抓取網(wǎng)球，且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。賈遠(yuǎn)鵬等［2］開發(fā)出一款自動(dòng)撿網(wǎng)球小車，用真空泵產(chǎn)生的吸力來?yè)烨?，撿球效率顯著提高。陳龍等［3］設(shè)計(jì)的網(wǎng)球收集機(jī)器人是利用葉輪撥動(dòng)小車進(jìn)入儲(chǔ)球裝置，能高效拾取一定范圍內(nèi)的網(wǎng)球。陳明尚等［4］提出智能撿球設(shè)備結(jié)合視覺識(shí)別技術(shù)，不僅能降低設(shè)備成本和開發(fā)難度，還能滿足消費(fèi)者需求。

為解決網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中撿球不便及現(xiàn)有智能撿球設(shè)備存在的局限，本研究提出一種基于視覺識(shí)別技術(shù)的智能網(wǎng)球撿拾設(shè)備設(shè)計(jì)方案。該設(shè)備采用先進(jìn)的視覺識(shí)別技術(shù)和耐用且設(shè)計(jì)合理的撿球結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)球的高效撿拾。此外，該設(shè)備還能根據(jù)撿拾情況和場(chǎng)上的網(wǎng)球分布密度，評(píng)估并反饋當(dāng)前網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，能幫助運(yùn)動(dòng)員更合理地規(guī)劃訓(xùn)練和比賽時(shí)間，提高網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的舒適度和整體體驗(yàn)。

1 工作原理

本研究設(shè)計(jì)的基于視覺識(shí)別的智能網(wǎng)球撿入設(shè)備集成了高清攝像頭、先進(jìn)的視覺識(shí)別算法和路徑規(guī)劃系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)精確控制。該設(shè)備利用視覺識(shí)別算法分析攝像頭捕捉到的圖像，并識(shí)別網(wǎng)球的顏色和形狀特征，從而能高效定位網(wǎng)球［5］。該設(shè)備不僅能精確計(jì)算出網(wǎng)球的數(shù)量和位置，還能通過路徑規(guī)劃算法，自主規(guī)劃撿球路徑，引導(dǎo)設(shè)備移動(dòng)至網(wǎng)球所在位置。

此外，該設(shè)備配備了先進(jìn)的避障系統(tǒng)，利用傳感器識(shí)別周圍障礙物，并將這些信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，指導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行路徑調(diào)整或暫停撿球，以免與障礙物或運(yùn)動(dòng)人員發(fā)生碰撞，從而降低安全風(fēng)險(xiǎn)。撿球完成后，該設(shè)備通過集成的收集和儲(chǔ)存裝置收集網(wǎng)球，并根據(jù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃的路徑返回預(yù)設(shè)位置，便于用戶取球。裝置工作流程如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于視覺識(shí)別技術(shù)的智能網(wǎng)球撿入裝置由多個(gè)關(guān)鍵模塊組成，包括撿球模塊、視覺識(shí)別模塊、傳感器模塊、控制模塊、太陽(yáng)能充電模塊及動(dòng)力模塊，整體模型如圖2所示。該設(shè)備不僅撿球效率高，還能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，操作智能化，且用戶界面簡(jiǎn)潔直觀。智能網(wǎng)球撿入裝置通過鎖定網(wǎng)球的相對(duì)位置，能自主規(guī)劃撿球路徑，不僅能提高撿球效率，還能減少人工撿球所需的時(shí)間和勞動(dòng)力。此外，該設(shè)備的自主運(yùn)行能力有助于降低網(wǎng)球場(chǎng)館的運(yùn)營(yíng)和管理成本。通過應(yīng)用智能網(wǎng)球撿入裝置，極大地提高了網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的便利性和運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

2.2 撿球模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

撿球模塊是智能網(wǎng)球撿入設(shè)備核心組成部分，該模塊由滾輪、前叉和液壓桿構(gòu)成，無需復(fù)雜的儲(chǔ)球裝置或強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)，即可撿拾網(wǎng)球。前叉采用1060鋁合金材質(zhì)，不僅堅(jiān)固耐用，且便于維修。得益于其簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)，撿球模塊能無損收集網(wǎng)球，避免卡球問題。與吸球式撿球方式相比，該模塊能在較低功率消耗下實(shí)現(xiàn)高效率撿球。

此外，撿球裝置還配備了升降系統(tǒng)，通過液壓桿伸縮來控制撿球裝置的升降。當(dāng)撿球裝置上升離開地面時(shí)，可減少與地面的摩擦，不僅減少了小車在非撿球狀態(tài)下的能量消耗，還減輕了小車在撿球過程中的能源負(fù)擔(dān)。升降系統(tǒng)的引入能有效提高小車在非撿球行進(jìn)時(shí)的能源使用效率，延長(zhǎng)了小車的續(xù)航能力，并在一定程度上加快小車在返回和撿球前的移動(dòng)速度，進(jìn)一步提高整體運(yùn)行效率。

2.3 視覺識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)球撿入裝置的視覺識(shí)別裝置配備有高清雙目攝像頭，能精確捕捉外部圖像，并提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)。與普通攝像頭相比，雙目攝像頭捕捉到的圖像更清晰，從而確保了數(shù)據(jù)處理的精確性。

當(dāng)小車啟動(dòng)后，視覺模塊隨即激活。雙目攝像頭先對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、二值化處理，并提取圖像特征；再利用幾何特征匹配法進(jìn)行多目標(biāo)球類物體識(shí)別。在識(shí)別出網(wǎng)球后，系統(tǒng)會(huì)從左右兩個(gè)攝像頭拍攝的圖像中提取對(duì)應(yīng)球體的中心點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)球的精確定位，并計(jì)算出其在三維空間中的坐標(biāo)，再將這些坐標(biāo)信息上傳至控制箱，由控制箱負(fù)責(zé)計(jì)算，并規(guī)劃出撿球的最佳路徑［6］。

為了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備性能，小車的攝像頭支架采用鏤空材料，能顯著減輕小車重量，有效減輕動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，從而提高小車的整體運(yùn)行效率。

2.4 傳感器模塊設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)球撿入裝置集成了先進(jìn)的傳感器系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)全方位的環(huán)境感知。特別是，車載的紅外線傳感器能接收周圍物體和人體發(fā)出的紅外信號(hào)。通過對(duì)這些反射信號(hào)進(jìn)行解析，傳感器能精確定位障礙物的位置，并分析其位置變化，進(jìn)而預(yù)測(cè)障礙物的移動(dòng)軌跡。這種360°的傳感器布局確保了小車能無死角感知其周圍環(huán)境，從而能有效避免來自各個(gè)方向的潛在碰撞，實(shí)現(xiàn)了高度自主的避障功能。這一設(shè)計(jì)不僅避免碰撞事故的發(fā)生，也極大提小車操作的安全性和實(shí)用性。

2.5 控制模塊設(shè)計(jì)

以一款高性能的核心控制器芯片作為智能網(wǎng)球撿入裝置的控制模塊，該芯片通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電流來精確控制小車的移動(dòng)速度和路徑［7］?？刂破鞅话惭b在設(shè)備的控制箱內(nèi)，控制箱內(nèi)還集成了一套成熟的智能定位和路徑規(guī)劃系統(tǒng)，使該系統(tǒng)能鎖定已識(shí)別的網(wǎng)球，并通過攝像頭、紅外傳感器等高精度傳感器來感知并定位網(wǎng)球的坐標(biāo)。根據(jù)這些坐標(biāo)信息，系統(tǒng)會(huì)規(guī)劃出撿球的最佳路徑，并在移動(dòng)過程中同步啟動(dòng)避障系統(tǒng)。

為了應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的碰撞，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩套避障方案：一是在檢測(cè)到障礙物后，小車會(huì)立即停止運(yùn)動(dòng)，當(dāng)障礙物不再構(gòu)成威脅時(shí)返回起始點(diǎn)，重新定位網(wǎng)球，并規(guī)劃新路徑；二是設(shè)備根據(jù)捕捉到的物體運(yùn)行軌跡來預(yù)測(cè)障礙物的移動(dòng)路徑，動(dòng)態(tài)調(diào)整小車的移動(dòng)，以避開障礙物，并在安全后重新規(guī)劃路徑，繼續(xù)執(zhí)行撿球任務(wù)。

此外，該裝置允許用戶設(shè)置一個(gè)初始位置。如果未設(shè)置，則默認(rèn)起始點(diǎn)為初始位置。撿球作業(yè)完成后，控制箱會(huì)指導(dǎo)小車沿最短路徑返回初始位置，從而實(shí)現(xiàn)智能化撿球。

2.6 太陽(yáng)能發(fā)電模塊

智能網(wǎng)球撿入裝置的小車支架上安裝有太陽(yáng)能板，用來吸收太陽(yáng)能，并將其轉(zhuǎn)換為電能，可在光照條件下為電池充電。在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能板時(shí)，允許調(diào)節(jié)其與車架頂面的夾角，這樣可根據(jù)太陽(yáng)的位置調(diào)整角度，以實(shí)現(xiàn)最大化接收太陽(yáng)能。

正常光照下，設(shè)備能穩(wěn)定補(bǔ)充電能，有助于提高設(shè)備續(xù)航能力。由于設(shè)備并不是連續(xù)進(jìn)行撿球作業(yè)，太陽(yáng)能板可在設(shè)備閑置時(shí)為小車持續(xù)充電，通過太陽(yáng)能板可顯著延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間，增強(qiáng)其在實(shí)際應(yīng)用中的靈活性和自給自足的能力。

2.7 動(dòng)力模塊

由內(nèi)置電機(jī)提供智能網(wǎng)球撿入裝置所需的動(dòng)力，其不僅為撿球裝置的運(yùn)作提供所需的動(dòng)力，還能驅(qū)動(dòng)小車進(jìn)行轉(zhuǎn)彎和前進(jìn)等動(dòng)作。電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速足以支持小車在場(chǎng)地內(nèi)靈活地執(zhí)行撿球任務(wù)。此外，小車有三個(gè)速度擋位，允許用戶根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整運(yùn)行速度和功率消耗。隨著擋位提升，小車最大速度和功率消耗也會(huì)相應(yīng)增加。這種多擋位設(shè)計(jì)使得小車能適應(yīng)不同速度和節(jié)奏的網(wǎng)球訓(xùn)練及比賽場(chǎng)景，滿足不同用戶群體的特定需求。

3 關(guān)鍵部件有限元分析

收集裝置的前進(jìn)動(dòng)力來源于小車，其中，前叉是關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件。為確保前叉的材料和結(jié)構(gòu)能承受工作時(shí)的最大負(fù)載，通過有限元分析計(jì)算其屈服極限和應(yīng)力應(yīng)變，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足使用要求。

前叉的結(jié)構(gòu)材料選用1060鋁合金，在連接撿球滾輪的區(qū)域施加400 N的載荷。為了進(jìn)行精確分析，對(duì)前叉模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格密度設(shè)置為“良好”，雅可比點(diǎn)設(shè)置為16，確保分析的準(zhǔn)確性。前叉網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

利用SolidWorks軟件對(duì)前叉進(jìn)行有限元分析，獲得前叉位移和應(yīng)力云圖，如圖4所示。

由圖4可知，前叉的最大位移發(fā)生在前端連接滾輪處，該零件的最大位移量測(cè)量為0.000 384 8 mm（位于1060鋁合金材料正常使用時(shí)允許的彈性變形范圍內(nèi)）。應(yīng)力云圖顯示，前叉的最大應(yīng)力同樣集中在前端滾輪連接處（2.005 MPa），顯著低于1060鋁合金的抗拉強(qiáng)度（68.9 MPa）和屈服強(qiáng)度（27.5 MPa）。

有限元分析結(jié)果表明，前叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能承受正常使用條件下的載荷。設(shè)計(jì)滿足了零件所需的強(qiáng)度要求，確保在不發(fā)生永久變形或損壞的前提下，前叉能穩(wěn)定可靠地工作。

4 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)出的基于視覺識(shí)別技術(shù)的智能網(wǎng)球撿入設(shè)備，通過集成高清攝像頭、先進(jìn)的視覺識(shí)別算法、路徑規(guī)劃系統(tǒng)和多傳感器避障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化撿球。該設(shè)備不僅顯著提高了撿球效率，減輕了運(yùn)動(dòng)員的體力負(fù)擔(dān)，還能通過太陽(yáng)能充電模塊增強(qiáng)自給自足的能力，并通過有限元分析確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)使得智能網(wǎng)球撿入設(shè)備在提高網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)便利性和整體體驗(yàn)方面具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力，同時(shí)也為未來智能運(yùn)動(dòng)設(shè)備的發(fā)展提供了新思路。

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