網球撿球機自動化控制策略設計

東南大學吳健雄學院 馮嘉偉 楊宇宸 宋雨遙 王 成 林曉輝

網球撿球機自動化控制策略設計

東南大學吳健雄學院 馮嘉偉 楊宇宸 宋雨遙 王 成 林曉輝

本文針對網球撿球機的自動化和智能化，提出了將遙控模塊、陀螺儀模塊、超聲波模塊與基于單片機的網球撿球機相結合，提出了一種能通過手動（遙控）或自動的方式遍歷整個球場的創新型網球撿球機，并在理論的基礎上進行了實驗。該撿球機具有簡單易用、拾取效率高、人為干預少的特點。

遙控；單片機；網球撿球機；超聲波測距；陀螺儀

0.引言

網球作為世界第一的個人運動，在世界范圍內具有很大的愛好者基數，在網球的多球訓練后，大量網球散落在球場上，給訓練者帶來了很多麻煩。

目前，手動的網球撿球器械已經發展地比較成熟而且在市場上取得了一定的成功，主要包括筒狀和筐狀兩種結構，分別如圖1、圖2所示。

圖1 網球撿球筐

圖2 網球撿球筒

這兩種撿球機無論是在移動還是撿球時，都需要人力來完成，這兩種撿球機結構簡單，技術難度較低，因此價格較為低廉，具有經濟性的優勢，此外由于筐狀、筒狀結構材料使用較少，因此整體重量較輕。然而，這兩種設計本質上仍需要人力的參與，只是減少了撿球的彎腰環節，并不能大幅降低勞動強度，也不能節省撿球的時間。

此外，李鵬在專利“一種網球自動撿球機”中提出了一種手推式的網球撿球機，這種撿球機上安裝有手推用的提桿，其撿球裝置由傳感器控制，當傳感器檢測到附近有網球時，撿球裝置的電機開始工作，將球撿拾入收集器中。這種撿球機只需要推行即可完成撿球的工作，能夠在一定程度上提升撿球的效率，但是仍需要人為干預，且結構體積龐大，不便于攜帶。

本文針對網球撿球機目前發展的難題，基于現在市場占有率很高拾取機構做出了自動化改進設計，能夠進一步提升智能化程度，節省人力。

1.手動遙控控制

1.1 總體設計方案

本設計的遙控部分采用PS2X遙控模塊，該模塊可以將信號發射器上的鍵盤或者搖桿的信號傳輸到接收器上，接收器與arduino單片機相連，由單片機對數字信號進行處理并且對步進電機的驅動器發出指令，控制網球撿球機的運動。

遙控控制的控制框圖如圖3所示。

考慮到使用范圍和使用工況，本設計沒有采用像汽車轉向一樣的轉向機構，而是采用了在智能小車等裝置中廣泛使用的差速轉向的解決方案。整體設計方案如圖4所示。

前兩個輪子為聚氨酯輪，直徑200mm，而為了保證裝置前進時的功率和轉向時的穩定性，兩個后輪采用有動力全向輪，直徑127mm。當前后輪直徑不同時，在前進和轉向過程中的轉速自然會有不同的要求，本設計用arduino單片機的4個端口作為4個步進電機的步進信號發生端，對4個電機的轉速進行獨立的控制。

由于本設計采用了差速轉向的設計，所以在不同的工況要求下，左側和右側的車輪相比轉速可能是不同的，但是，同側兩個輪子要求轉向相同才能保證運動正常。

圖3 遙控控制的控制框圖

圖4 整體設計方案

1.2 遙控系統擾動消除

遙控系統由于設計制造上存在偏差以及工況的復雜性等原因，在網球撿球機的調試過程中發現，發射器經常向接收器發射明顯錯誤的鍵盤或者搖桿的位置信號，造成真個撿球機的異常運動等后果。此外，該擾動還具有很強的隨機性和不確定性，因此需要用軟件的方法進行消除。

在調試過程中發現，該擾動的表現形式通常為搖桿坐標發射的異常，很多時候，當搖桿位置為初始位置時，即（128，128）時，接受器的接受信號經常不確定地跳動為（255,255），考慮到（255,255）這個坐標在整個網球撿球機的使用過程中極少出現，因此本設計將該坐標的出現視為擾動，網球撿球機的接收器在接收到此信號后不對該指令做出任何反應。

1.3 方向鍵盤信號處理

本設計采用arduino單片機的兩個端口為網球撿球機4個步進電機轉向的控制端口，左側兩個電機共用一個，右側兩個電機共用一個。

在方向鍵盤控制的模式下，發射器向接收器發射的是上下左右四個方向的指令信號，設計要求為，當收到前或后的信號時，單片機向驅動器發送電平信號，使網球撿球機向正前方或正后方行駛；當接受到向左或者向右的信號時，單片機向接收器發送控制信號，使網球撿球機繞著車上一點，向左或向右原地轉向。這也就要求，在向前行駛模式時，左右兩側電機均向前轉動，在向后行駛時，所有電機向后轉動，左轉時，右側電機向前，左側電機向后，右轉時，右側電機向后，左側電機向前。

由于前后運動時要求直線運動，左右轉向時要求原地轉動，所以左右側的聚氨酯輪要求轉速一致，麥克納姆輪也要轉速一致，而前后輪的轉速之比由于直徑不同，要求直行時與直徑成反比，即127/200左右，而轉向時，由于安裝位置和差速轉向的特性，經過計算，比值在0.61左右為宜。這也就要求arduino單片機根據轉速的要求和驅動器的細分值送相應頻率的脈沖信號至驅動器。本設計采用軟件延時的方法解決這一問題，首先在初始化時將向4個驅動器脈沖信號的4個端口的電平全部拉高。將每個運動周期設為10ms，每個運動周期中可分為10000個時間長度為1μs的計數周期，在每個計數周期中，單片機主要完成延時1μs和計數的工作，當在某一計數周期中，軟件計數的值與預先計算得到的前/后輪轉動所需的時間值相等時，單片機即將該端口的電平拉低1μs，再將該口電平拉高，形成一個脈沖，使該端口控制的電機步進。

1.4 搖桿信號的處理

搖桿信號時通過發射器發射的模擬信號，橫坐標為0～255，縱坐標也為0～255，在初始狀態下，即無人為干預時，搖桿坐標為（128,128），與方向鍵盤信號相比，搖桿信號的復雜性遠遠超過了前后左右四個方向指令，需要對接受器接受到的二維坐標進行針對性處理，發現這些坐標中的共性和個性，提出個性化的解決方案。

本設計采用了兩個函數，將搖桿傳送的二維數字信號轉化為左右兩側的速度信號。

本設計將式子1-1和1-2的計算結果d和e的絕對值作為左右兩側電機的相對速度值，將結果的正負作為兩側電機轉向的參考值，可見在這種處理方式下，當橫坐標小于128時，網球撿球機會向左轉向，且坐標越小，轉速越快，同理，在向其他三個方向運動時也同樣滿足設計要求，且可以完成“邊轉邊走”的任務，大大提高了運動的靈活性和可控性。

在確定了兩側電機的轉向和相對速度之后，只需要向相應的驅動器和脈沖信號即可，但這里需要注意的是，如果使用和方向鍵盤信號一樣的軟件延時方法來控制轉速的話，相對速度大小需要轉化為脈沖信號送入驅動器。因為速度的絕對值大小和脈沖的周期是成反比的，可以用一個較大的整數除以相對速度而得到相應的脈沖周期。

如式1-3和1-4所示，考慮步進電機細分等因素，選取整數2560，將速度信號轉化為合適的脈沖周期。與1.3部分一樣，控制循環中，每個循環都有1μs的延時，當軟件計數的計數值能被b或者c整除時，向前輪或者后輪送脈沖信號，步進電機完成步進。

2.自動遍歷控制

2.1 總體方案設計

該功能模式中，與遙控模式一樣，運用arduino單片機作為控制的中樞，處理各個傳感器的信號，并且對四個步進電機進行控制。PS2X遙控模塊同樣在該方案中得到使用，不過不作為遙控控制功能使用，而是作為緊急情況下的人為干預保護整個系統。此外，在這種工作模式下還增設了2個HC-SR04超聲波測距模塊和1個MPU6050陀螺儀模塊作為負反饋信號對自動遍歷過程中的內部擾動進行校正，實現閉環的高可靠性控制，系統的控制框圖5所示。

2.2 失控保護

該設計要求當網球撿球機正在自動遍歷球場時，操作人按住PS2X鍵盤上的R1鍵，作為應急指令，當撿球機遍歷過程中因為自身內部擾動發生失控時，操作人需立即松開R1，當網球撿球機上的接收器未接受到發射器發送的R1被按下的信號時，立即停止運動，防止撿球機失控后與球場邊網發生碰撞，造成撿球機的損毀。

此外，因為PS2X遙控模塊的發射器和接收器之間可能存在信號質量不佳或因為距離過遠產生的遙控信號傳送問題，該設計設定當接收器超過50ms未收到發射器發送的任何信號時，作為失控的依據立即停止運動，直到再次收到控制信號。

圖5 系統的控制框圖

圖6

2.3 邊界的判斷

如圖6所示，網球撿球機的2個聚攏片前端裝有2個超聲波距離傳感器，該傳感器的能實現精度達到0.3cm的精準測距，考慮撿球機本身的大小和旋轉中心等因素，將兩個超聲波傳感器與邊網距離的和d=d1+d2為100cm作為臨界值，當網球撿球機在前進過程中探測到d值小于該臨界值，則可以得出網球撿球機已經在球場的邊界的結論，控制系統進入邊界控制算法。

2.4 姿態自動調整

由于網球撿球機在遍歷全場的過程中，場地不平坦，摩擦力不均勻等因素的存在，可能使撿球機遍歷時的軌跡不完全垂直于邊界，該擾動如果不被消除，將在之后的遍歷過程中不斷被放大，造成自動遍歷的可靠性降低。

圖7

圖8

如圖7和圖8所示，當網球撿球機的行進方向與周界不完全垂直時，兩距離傳感器的測距結果將會有所不同，當左側的測距值大于右側時，需要撿球機 向右旋轉，反之，若右側的測距值大于左側時則需要撿球機向左側旋轉，在左右兩側距離傳感器的反饋之下，撿球機不斷調整自身姿態，直到左右兩側測距值相等，撿球機的行進方向與周界嚴格垂直，擾動消除完成。

2.5 陀螺儀引導轉向

網球撿球機遍歷球場到達邊界完成姿態調整后，需要完成一系列動作，如圖9所示：

圖9

每一次撿球機到達邊界，需要完成兩次90度的轉向和一段約75cm的直行完成邊界段的運動。該設計采用基于陀螺儀的負反饋控制提升轉向過程的精度和可靠性，控制流程圖如圖10所示：

圖10

Wm(s)——角度轉化為電機轉速的傳遞函數；

Wo(s)——對象的傳遞函數；

WH(s)——陀螺儀傳感器的傳遞函數。

用實驗法對PI調節器進行整定，可以實現對轉角的無差調節，整定過程中，要求r的衰減率大于1，防止來回震蕩對系統造成不良影響。該過程中陀螺儀的零位漂移可以忽略不計，因零位漂移積累的誤差可以通過2.4中的姿態調整進行消除。

撿球機在陀螺儀的負反饋調節下，按照圖5所示的軌跡進行轉向，即可完成邊界部分的轉向任務，轉向之后再進行一整排的步進，不斷循環之后即可實現遍歷全場的任務。

3.結論

在上述控制理論的指導下，本設計最終形成了實物，如圖11所示，實驗證明，在本文所述的控制思想指導下制作的網球撿球機可以很好地完成高自動化程度遍歷整個球場的要求，系統運行穩定高效，節省了人力，網球訓練過程中繁瑣的撿球任務可以很大程度上得到減輕。

圖11 實物圖

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馮嘉偉（1996—），江蘇南通人，大學本科，現就讀于東南大學吳健雄學院。