排球智能撿球器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

排球作為一項(xiàng)深受大眾喜愛的競技運(yùn)動項(xiàng)目，提高其訓(xùn)練和比賽效率是該項(xiàng)目研究的重點(diǎn)之一。在排球訓(xùn)練中，頻繁撿球需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力，這不僅影響了訓(xùn)練的連續(xù)性和效果，也增加了教練員和運(yùn)動員的工作負(fù)擔(dān)，在高強(qiáng)度的專業(yè)訓(xùn)練或大型賽事準(zhǔn)備期間，這一問題尤為突出。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)和人工智能（AI）的發(fā)展，智能撿球器作為一種創(chuàng)新性的輔助工具開始進(jìn)入人們的視野。它不僅可以自動識別并收集散落在場地上的目標(biāo)球，還能通過優(yōu)化路徑規(guī)劃減少不必要的移動，從而顯著提高了工作效率。因此，研發(fā)一種高效、智能的排球撿球器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過排球硬件構(gòu)成、軟件構(gòu)成等方面，系統(tǒng)介紹了智能排球撿球器的設(shè)計(jì)原理及功能。排球智能撿球器在專業(yè)賽事中能夠保障比賽的流暢性，提升賽事的整體質(zhì)量；在專業(yè)隊(duì)訓(xùn)練中，可以提高訓(xùn)練效率；在學(xué)校體育教學(xué)中，能讓體育教師將更多精力投入到教學(xué)指導(dǎo)中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；在體育場館運(yùn)營中，可降低人力成本，提升場館的服務(wù)水平。

1、硬件設(shè)計(jì)

為了便于開發(fā)和維護(hù)，整個(gè)系統(tǒng)被劃分為若干個(gè)獨(dú)立但相互關(guān)聯(lián)的功能模塊，這些模塊包括傳感器、控制器、執(zhí)行器、電源管理、通信模塊。為了保證硬件資源的需求和運(yùn)行速度，本文采用STM32F407ZGT6芯片為主芯片，其可高效處理復(fù)雜的圖像識別算法、運(yùn)動控制算法和多傳感器數(shù)據(jù)融合等任務(wù)；在電源方面，選擇鋰離子電池。為了提高排球智能撿球器的運(yùn)行效率，減輕主控芯片STM32F407ZGT6的工作量，攝像頭模塊采用OPENMV模塊。該模塊內(nèi)設(shè)置STM32F407芯片，可以對攝像頭采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的目標(biāo)檢測、識別，同時(shí)其豐富的外設(shè)接口使其可以方便地連接攝像頭模塊。

1.1、傳感器模塊

（1）超聲波傳感器。

超聲波是指聲波頻率在20kHz以上的聲波，是一種機(jī)械波，通過振動介質(zhì)分子而傳播。通過發(fā)射超聲波信號，并接收從物體反射回來的超聲波回波，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間和速度來計(jì)算傳感器與物體之間的距離，本設(shè)計(jì)選用新版HC-SR04超聲波傳感器。

（2）視覺傳感器。

OPENMV攝像頭模塊可快速處理圖像數(shù)據(jù)，滿足實(shí)時(shí)視覺處理需求。該模塊配備OPENMVh7Plus攝像頭，其主控芯片性能較好，使用MicroPython作為開發(fā)語言，能夠更高效地對采集到的排球圖像進(jìn)行處理和分析，準(zhǔn)確識別排球的位置等信息，有利于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)撿球。在圖像的采集、存儲和處理方面，其通過顏色識別、形狀識別、特征點(diǎn)檢測等算法，可以檢測排球的位置和狀態(tài)。

（3）姿態(tài)傳感器。

在排球智能撿球器中，MPU6050傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測撿球器的姿態(tài)變化。當(dāng)撿球器需要在不同地形或運(yùn)動狀態(tài)下準(zhǔn)確地抓取排球時(shí)，通過MPU6050獲取的姿態(tài)信息，控制系統(tǒng)可以及時(shí)調(diào)整撿球器的機(jī)械臂、夾子等部件的位置和角度，確保能夠精準(zhǔn)地?fù)炱鹋徘颉?/p>

1.2、控制器

微控制器是排球智能撿球器控制系統(tǒng)的核心，對信息的采集處理、外部設(shè)備的通信與實(shí)時(shí)的決策起著至關(guān)重要的作用。本設(shè)計(jì)選用STM32F103ZET6芯片，該芯片具有高性能內(nèi)核，能夠快速處理各種復(fù)雜的任務(wù)和數(shù)據(jù)，以確保撿球器的高效運(yùn)行。同時(shí)，其具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可提升傳感器的數(shù)據(jù)處理精度和速度，從而更準(zhǔn)確地控制撿球器。芯片配備多種通信接口，方便與姿態(tài)傳感器MPU6050、視覺傳感器OPENMV等外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信，實(shí)現(xiàn)各部件之間的協(xié)同工作。其內(nèi)置高達(dá)1MB的閃存和256KB的SRAM，可滿足存儲程序代碼、數(shù)據(jù)緩存及中間計(jì)算結(jié)果等需求，為撿球器的復(fù)雜功能實(shí)現(xiàn)提供了充足的內(nèi)存支持。芯片擁有12個(gè)16位通用定時(shí)器和2個(gè)32位通用定時(shí)器，可產(chǎn)生精確的定時(shí)信號，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的PWM控制，精準(zhǔn)控制撿球器的機(jī)械臂、夾子等部件的運(yùn)動速度和位置。此外，芯片提供多個(gè)低功耗模式，如睡眠、待機(jī)和深度睡眠模式，可根據(jù)撿球器的不同工作狀態(tài)靈活切換，降低整體功耗，延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，尤其適用于需要長時(shí)間運(yùn)行的撿球器。

1.3、驅(qū)動電機(jī)

本研究驅(qū)動電機(jī)選擇直流電機(jī)MG513P30_12V作為排球智能撿球器的驅(qū)動電機(jī)，該電機(jī)的額定電壓為12V，工作電壓較為穩(wěn)定，能夠?yàn)閾烨蚱鞯倪\(yùn)行提供持續(xù)可靠的動力支持。驅(qū)動方式可通過單片機(jī)輸入PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號來控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。MG513P30_12V直流電機(jī)具有一定的扭矩輸出能力，能夠滿足撿球器在不同場地條件下的移動需求，帶動撿球器的機(jī)械結(jié)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，完成排球的收集工作，較好地實(shí)現(xiàn)撿球器的基本功能。為了確保抓取力度既能夠牢固抓取排球，又不會對排球造成損壞，在抓夾處安裝壓力傳感器，根據(jù)反饋的壓力值調(diào)整舵機(jī)角度，并且與傳感器和視覺模塊等主控制器進(jìn)行通信，根據(jù)獲取的信息來決定何時(shí)執(zhí)行抓取動作。

1.4、電源模塊

在電池類型上選用鋰離子電池，因其具有較高的能量密度、較輕的重量和相對較小的體積。型號為18650的鋰離子電池，單體電壓為3.7V，通過串聯(lián)和并聯(lián)組合能夠達(dá)到所需的電壓和容量。電池容量綜合考慮撿球器的工作時(shí)間和重量限制，選擇總?cè)萘考s為 4500mAh 的電池組，以確保在一次充電后能夠滿足長時(shí)間的使用需求。

1.5、Wi-Fi模塊

采用HLK-RMO4嵌入式UART-ETH-WIFI（串口—以太網(wǎng)——無線網(wǎng)）模塊，將其作為排球智能撿球器的通信模塊，能夠與不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行良好的通信連接，滿足排球智能撿球器與其他設(shè)備（如控制終端、服務(wù)器等）之間的數(shù)據(jù)傳輸需求。其室內(nèi)最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá) 100m ，室外最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá) 360m 。較大的傳輸距離使得排球智能撿球器在較大的訓(xùn)練場地或比賽場館中也能保持良好的通信，無需頻繁移動控制設(shè)備或增加額外的中繼設(shè)備，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

2、軟件設(shè)計(jì)

2.1、圖像識別算法

在排球智能撿球器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，圖像識別算法是實(shí)現(xiàn)高效撿球的關(guān)鍵技術(shù)。該方法首先通過高性能攝像頭采集排球場地的圖像，然后對圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、增強(qiáng)、灰度化等操作，以提升圖像質(zhì)量。接著，運(yùn)用特征提取技術(shù)，從顏色、形狀、紋理等方面提取排球的顯著特征。利用OPENMVIDE拍攝大量圖像，并將采集到的圖像作為訓(xùn)練集上傳到EDGEIMPULSE在線網(wǎng)站上進(jìn)行訓(xùn)練，從而獲取模型。用戶可以實(shí)時(shí)拍攝圖像，利用算法獲取圖像中與模型匹配的物品信息。這些信息可以作為排球智能撿球器驅(qū)動的相關(guān)數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，排球智能撿球器能夠?qū)崿F(xiàn)辨別物體和判斷物品與撿球器的距離等功能。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對排球運(yùn)動軌跡的持續(xù)跟蹤，采用有效的跟蹤算法一卡爾曼濾波。最后，根據(jù)圖像識別和跟蹤的結(jié)果，系統(tǒng)生成相應(yīng)的控制指令，驅(qū)動撿球器精準(zhǔn)地完成撿球動作。整個(gè)圖像識別算法的流程緊密配合，為排球智能撿球器的穩(wěn)定運(yùn)行和高效撿球提供了有力保障。

2.2、路徑規(guī)劃算法

在排球智能撿球器系統(tǒng)軟件中，路徑規(guī)劃算法作為智能撿球器的“導(dǎo)航系統(tǒng)”，在實(shí)現(xiàn)高效撿球方面發(fā)揮著核心作用。其通過精心計(jì)算，確定從撿球器當(dāng)前所處位置到目標(biāo)排球所在位置的最佳行進(jìn)路線。其中，撿球器自身的當(dāng)前位置提供起始參考；場地環(huán)境中的障礙物分布情況直接影響著路徑的可行方向；而運(yùn)動約束條件，如撿球器的最大速度、轉(zhuǎn)向角度限制等，則為路徑規(guī)劃設(shè)定了實(shí)際的操作邊界。在整個(gè)路徑規(guī)劃的過程中，撿球器不僅要力求以最短的距離和最快的速度抵達(dá)排球位置，還必須巧妙地避開各種可能的障礙物，杜絕任何不必要的碰撞和遷回，以保障撿球過程的流暢與高效。尤為關(guān)鍵的是，路徑規(guī)劃算法必須具備出色的實(shí)時(shí)性和強(qiáng)大的適應(yīng)性。它需要能夠?qū)討B(tài)變化的環(huán)境信息迅速做出反應(yīng)，比如排球的意外移動、新出現(xiàn)的障礙物等。一旦環(huán)境發(fā)生變化，路徑規(guī)劃算法需要即刻調(diào)整策略，重新規(guī)劃路徑，確保撿球器始終能夠沿著最合理、最有效的路徑去完成撿球任務(wù)，從而極大地提高排球智能撿球器的工作效率和智能化水平。

2.3、避障算法

排球智能撿球器的避障算法是確保其高效、安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。在復(fù)雜多變的排球場地環(huán)境中，撿球器需要能夠迅速且準(zhǔn)確地感知障礙物并做出相應(yīng)的規(guī)避動作。避障算法通過傳感器收集周圍環(huán)境信息，利用超聲波傳感器探測距離、感知物體存在。這些傳感器的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)輸入到算法中，經(jīng)算法迅速分析處理，計(jì)算出與障礙物的相對位置和距離；然后，根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則和策略，決定撿球器的移動方向和速度調(diào)整。當(dāng)檢測到前方有障礙物且距離較近時(shí)，算法會控制撿球器減速或轉(zhuǎn)向以避開障礙物，確保撿球器在不碰撞障礙物的前提下，以最快的速度和最短的路徑完成撿球任務(wù)，提高工作效率和可靠性。

2.4、運(yùn)動控制模塊

排球智能撿球器的運(yùn)動控制模塊負(fù)責(zé)精準(zhǔn)控制撿球器的移動和撿球動作。該模塊需根據(jù)路徑規(guī)劃模塊提供的目標(biāo)位置和姿態(tài)信息，生成電機(jī)和機(jī)械臂的運(yùn)動指令。對于直線運(yùn)動，計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間，使撿球器沿直線移動到指定位置；對于轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑和角度，計(jì)算左右電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑轉(zhuǎn)彎。控制機(jī)械臂撿球時(shí)，依據(jù)排球位置和機(jī)械臂當(dāng)前姿態(tài)，生成各關(guān)節(jié)的角度變化指令，使機(jī)械臂準(zhǔn)確抓取排球。控制速度時(shí)，通過編碼器實(shí)時(shí)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較后計(jì)算速度偏差，經(jīng)過PID算法調(diào)整電機(jī)輸出；控制位置時(shí)，通過編碼器脈沖換算撿球器的實(shí)時(shí)位置，與目標(biāo)位置比較后，同樣通過PID算法調(diào)整電機(jī)運(yùn)動，確保撿球器準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。

2.5、人機(jī)交互軟件

智能排球撿球器的人機(jī)交互軟件是連接用戶與撿球器的關(guān)鍵橋梁，為用戶提供便捷操作與信息獲取途徑。界面采用簡潔直觀的界面布局，便于用戶快速理解和操作。主界面突出顯示撿球器工作狀態(tài)（如運(yùn)行中、暫停、故障等）、電量信息、撿球數(shù)量統(tǒng)計(jì)等關(guān)鍵信息。設(shè)置大字體、高對比度圖標(biāo)和清晰的操作按鈕，方便在不同環(huán)境下查看和操作。

3、智能排球撿球器的應(yīng)用

3.1、應(yīng)用優(yōu)勢

智能排球撿球器展現(xiàn)出多方面優(yōu)勢，首先是節(jié)省時(shí)間和精力。傳統(tǒng)的撿球過程需要人工參與，不管是在訓(xùn)練和比賽過程中還是在訓(xùn)練和比賽之后，大量的排球散落在場地各處，撿球成為一項(xiàng)耗時(shí)且耗力的任務(wù)。而排球智能撿球器能夠自動收集散落在場地的排球，這大大減少了人力的投入，使運(yùn)動員和教練員可以將更多時(shí)間投入到訓(xùn)練和比賽中。其次，可以提高訓(xùn)練效率。由于減少了撿球所需的時(shí)間，運(yùn)動員可以在同樣的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多的練習(xí)，從而提高整體訓(xùn)練效率。排球智能撿球器可以在訓(xùn)練過程中持續(xù)工作，確保訓(xùn)練不被打斷，保持連貫性。最后，排球智能撿球器的使用可以提升用戶體驗(yàn)。對于參加排球運(yùn)動的人來說，排球智能撿球器的使用簡化了撿球流程，增強(qiáng)了便利性和趣味性。

3.2、應(yīng)用場景

（1）體育教學(xué)。

大中小學(xué)的體育課程和訓(xùn)練中，排球是常見的運(yùn)動項(xiàng)目。學(xué)校采購排球智能撿球器，能提升教學(xué)訓(xùn)練效率，減少人力成本，為學(xué)生創(chuàng)造更多練習(xí)時(shí)間，同時(shí)可幫助體育老師更好地管理教學(xué)過程。

在專業(yè)排球培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，智能撿球器能保證訓(xùn)練的連貫性，提升培訓(xùn)效果，進(jìn)而吸引更多學(xué)員，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的市場競爭力。

（2）體育賽事。

在專業(yè)排球賽事中，國際、國內(nèi)的專業(yè)排球賽事使用排球智能撿球器可確保比賽快速恢復(fù)，提高賽事的流暢性和觀賞性，滿足賽事高效運(yùn)行的需求。

在業(yè)余排球賽事中，社區(qū)、企業(yè)等組織的業(yè)余排球比賽使用撿球器能解決人力不足的問題，讓賽事組織更輕松，為參賽者提供更好的比賽體驗(yàn)。

（3）健身娛樂。

運(yùn)動場館配備排球智能撿球器，能豐富服務(wù)內(nèi)容，滿足會員的排球運(yùn)動需求，提高場館的智能化水平和服務(wù)質(zhì)量，從而吸引更多顧客。

4、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的排球智能撿球器能夠精準(zhǔn)地識別排球的位置與姿態(tài)，通過優(yōu)化機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)，可以快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)撿球動作，大大提高了撿球的效率。通過對多種傳感器和算法的整合運(yùn)用，撿球器能夠適應(yīng)不同場地環(huán)境和排球分布情況，展現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。同時(shí)，其還集成了圖像識別算法、路徑規(guī)劃算法、避障算法、運(yùn)動控制模塊及人機(jī)交互軟件等關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和廣泛的應(yīng)用前景。此外，該撿球器操作界面簡潔直觀，通過手機(jī)APP即可輕松控制，用戶可以輕松上手。排球智能撿球器與傳統(tǒng)的撿球方式相比，顯著降低了人力成本。在實(shí)際應(yīng)用場景中，無論是學(xué)校的排球訓(xùn)練，還是排球比賽，排球智能撿球器都表現(xiàn)出極大的便利性和實(shí)用性。

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