智能網球收集車

何嘉良，邱煜焜，桂 綴

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

1 作品背景及意義

隨著經濟發展和社會的進步，網球運動近年來大受人們的歡迎，越來越多的人們開始逐漸參與網球運動，但對于很多業余選手來說網球的撿球是一大問題。

對于很多在訓練場中的業余選手來說，通常都是兩人一組，其中一個人會拖著一輛網球車在球網的另一側給另一個人喂球，多數情況下當一車的球都打光后，兩個人就會一起去撿球，所以，在大多數的網球訓練場中總是能看到大量的網球散落在四面八方，撿球往往會浪費很多時間，同時，如果網球散落在四周不去處理，則容易丟球。

基于以上背景，本項目組設計了這一款基于攝像頭識別技術的智能網球收集車。

2 系統設計

2.1 系統整體組成及工作流程

智能網球收集車由機械爪網球收集結構、雙驅動差動輪底盤結構和攝像頭智能識別三部分組成，如圖1所示。

圖1 裝置整體圖

智能網球收集車車長約0.3 m，寬0.2 m，高0.2～0.3 m，車身整體體積比較小，輕小的網球收集車可快速、自由地在網球場中穿梭。

本項目的裝置采用攝像頭智能識別技術，以模仿并簡化人手設計的機械爪作為收集裝置，配有可開合式箱形網球儲存空間，網球儲存箱可以掛載在小車的后面，也可以拆開使用，由電機帶動小車車輪運動前進。小車為左右驅動，并排的兩個輪同時驅動，通過差速進行轉彎，攝像頭負責識別網球的所在位置，將圖像信息處理好后提供給單片機，由單片機實現對網球收集車的智能控制。

網球運動員訓練完后，將智能網球收集車放到球場上，開啟智能網球收集車后，網球收集車開始通過攝像頭智能識別網球散落點，通過控制電機及電機行駛到網球前面，通過舵機的控制，利用機械爪抓取網球放入收集箱內。

收集部分和儲存部分為可拆分式，儲存部分通過收集部分尾部的尾鉤連接在一起。

網球儲存結構可以放置在網球場地上不動，由網球收集車將網球收集放入，也可搭載在網球收集車后方，收集網球后馬上儲存起來。

2.2 機械部分設計

2.2.1 網球收集結構

機械爪被廣泛應用于各種物品的加持以及收集工作中，因機械爪的活動性好、自由度高。本裝置網球收集裝置同樣采用機械爪收集結構對網球進行收集。機械爪用于收集網球，可類似于人手，收集到邊角的一些通過其他方式較難收集的網球，輕便、小巧的收集車使網球的收集率更高，機械爪使收集網球更精準，減少漏收、收集不到的情況發生。機械爪可以車身為基準，繞Z軸360°旋轉，也可以直接從前方夾取球后向后翻轉將球放入收集箱中。

2.2.2 網球儲存結構

網球儲存結構整體外形為箱型，上方可以開合，運動員可以打開小車上方蓋子取出網球使用，箱體底部安裝有幾層布質收集隔層，通過細繩了解到箱體后側收緊裝置，可通過觸發箱體后側收緊裝置拉動隔層，將收集好的一層網球拉到收集箱的后側，為后續網球的繼續收集留出空間。

2.3 控制部分設計

2.3.1 電路模塊

電源模塊是整個智能車的核心，我們選擇使用型號的7.2 V、2 000 mAh Ni-Cd電池供電，設計不同的穩壓電路模塊，將電壓分別降為3.3 V、5 V、6.3 V，不同的電壓單獨給智能車的各個模塊分別供電。對于驅動電機的電路模塊進行單獨設計，我們用兩片IR2104以及四個MOSFET組成的全橋電機驅動電路，能提供較大的柵極驅動電流，并具有硬件死區、硬件防同臂導通等功能。

2.3.2 攝像頭模塊

攝像頭分黑白和彩色兩種，為了達到尋線目的，只需提取畫面的灰度信息，而不必提取其彩色信息，實現功能后再綜合考慮攝像頭的質量、噪聲、解析度、感光度、電能和功耗等方面。采用鷹眼OV7725攝像頭模塊，OV7725是1/3 CMOS彩色/黑白圖像傳感器，支持連續和隔行兩種掃描方式，VGA與QVGA兩種圖像格式；最高像素為664×492，幀速率為30 fps，可滿足攝像并識別球體的功能。

2.4 整體實施方案

高效、穩定的程序是智能小車平穩、快速行駛的保證。本智能車采用CMOS作為圖像采集傳感器，圖像采集、處理成了整個軟件的核心內容之一。在小車轉向和速度控制方面，智能車仍然采用經典的PID控制算法，使智能車在網球場上達到平穩、快速的效果。具體過程為：根據網球場地信息給定舵機輸出量，使用編碼器監測智能車的實際速度，再根據網球場地信息給定智能車運行度，運用PID算法調節驅動電機轉速，能夠實現電機的快速響應。

3 可行性分析

3.1 網球識別

由于網球是一個具有固有形狀的物體，所以，可以根據面積、周長、圓度幾個參數來判斷被檢測物體是否為網球，我們提出的計算每一個輪廓的面積和周長公式中，M為圓度，A為面積，C為周長，M的值越接近1說明對象越接近圓。在網球場上不會有其他的圓，這可以作為識別依據。

3.2 球體的定位

物體定位，是指通過物體的二維圖像確定物體在空間的位置以及物體的相關參數。常用的方法是通過物體在攝像機不同位置上的圖像，根據特征匹配來重構物體，從而實現物體的定位。對于球的定位，如果球的表面沒有明顯的紋理，我們無法利用特征匹配來實現球體的定位，可根據其圖像求出球心的三維坐標以及半徑。但是通過研究發現，從球的兩幅圖像的輪廓線就可以實現球定位，此方法簡單，易于實現。

3.3 轉向控制

在基于上述算法將球體的位置計算出來之后，將計算出位置與前進方向的偏移量分別乘比例系數，加上舵機偏向中心位置時需要給出的高電平值，可作為PWM波的高電平送入給舵機，從而實現在網球場上對智能車方向的控制。

3.4 速度控制

要想智能車平穩、快速地跑到網球的位置，并將其收集起來，不但要求具有優越的方向控制算法，讓智能車盡量走更近的路，轉更少的彎，且對于速度控制算法也有很高的要求，智能車在接觸到球時要配合本身的機械結構進行一系列的撿球操作，需要調節出更加合適的速度去適應收集網球這一動作。智能車速度控制的總體思路與智能車方向控制的思路完全相同，可根據智能車與網球的距離給以不同的速度，而在某一時刻給出智能車的理想運行速度以后，采用PID控制算法實現對智能車的速度調節，以最短的時間使智能車達到這一理想速度，從而實現智能車的速度完全由其與網球的距離所控制。

4 項目創新點

本作品創新之處主要體現在以下兩個方面：①采用了智能車的攝像頭識別技術以及PID控制算法，實現了網球的自動化收集及收集車的穩定控制；②利用機械臂和機械爪抓手實現了對場地墻邊球和凳下球等容易遺漏的球進行收集。

5 總結

隨著經濟發展和社會的進步，網球運動越來越流行，網球的撿球逐漸成為阻礙網球運動發展的一大問題，容易出現漏球、丟球現象。針對現有網球收球難的問題設計了一款基于攝像頭識別技術的智能網球收集車，通過攝像頭的識別對網球收集車進行控制，再利用機械爪對網球進行收集。