一種定位球訓練用智能足球的設計

張昱軒

摘? 要：在現代足球比賽中，定位球已經成為足球比賽的重要得分手段。提出了一種用于定位球訓練的智能足球的設計方法，包括多層球體和嵌入多層球體的數據采集、無線通信、充電系統等模塊。該方法設計的智能足球能夠通過數據采集裝置記錄踢球的力度、踢球點和踢球的角度，協助球員在定位球訓練時快速找到球感，改善踢球技巧，最終提高定位球的得分率。

關鍵詞：智能足球;定位球訓練;數據采集;無線通信;無線充電

中圖分類號：TP391.41? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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動的現代足球中，定位球技術因為成為一種靈活的進攻和得分手段而得到高度的重視。在局面僵持的形勢下，定位球往往成為關鍵的得分方式，特別是在世界性高水平大賽中，一粒定位球常常會影響甚至決定整個比賽的走勢。對球隊而言，踢好定位球主要靠的是戰術的策劃、技術的運用和默契的配合。但是，對于球員個人而言，踢好定位球需要球員具有良好的定位球的球感，以便能夠將定位球按照預計的線路踢到預計的點位[1]。這就需要球員在日常訓練過程中花費相當的時間，通過長遠的規劃和系統的訓練，不斷地去感受和變換踢球的力度、踢球點和踢球方向等以尋找并培養定位球的球感。

考慮設計一種智能足球，在足球中嵌入相應的數據采集傳感器，在定位球訓練中記錄足球的運動軌跡、飛行速度、加速度和踢球著力方向、力度、著力點等數據并反饋給球員[2]，作為下次練習的參考，幫助球員快速提升定位球的球感，增強訓練效果。

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的數據采集裝置，數據采集裝置包括集成有處理器和內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]、運動傳感器模塊、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于多層球體的面層和球囊之間的多個壓力傳感器單元。通過壓力傳感器單元可以對踢球的力度進行測量[5]，給出基于數據挖掘技術的足球最優飛行軌跡建議[6]，便于球員在定位球訓練時根據前一次的力度和定位球的實際路線調整下次踢球的力度。

球面層由多塊多邊形的球皮構成，其中，每塊球皮下以互不重疊的方式設置有至少一個壓力傳感器單元。通過在每塊球皮下設置至少一個壓力傳感器單元，結合運動傳感器，可以記錄球員進行定位球訓練時的踢球點和踢球方向，便于球員在定位球訓練時根據前一次的踢球力度、踢球點、踢球方向和定位球的實際路線調整下一次踢球，以不斷地改善定位球球感。多層球體至少包括由外向內依次設置的面層、防水層、第一纏紗層、第二纏紗層和球囊，其中，壓力傳感器單元設于第一纏紗層和第二纏紗層之間。由于踢球時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，導致不能測量或者測量數據的準確度下降。壓力傳感器單元設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壓力傳感器單元起保護作用，還能提高壓力傳感器單元的穩固程度。運動傳感器模塊包括三軸陀螺儀、三軸磁力計和三軸加速度計中的至少一種。無線通信模塊至少包括藍牙模塊、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足球充電位的無線充電器，足球充電位設有與智能足球的球面弧度相匹配的弧形凹陷部，還包括與相應足球充電位對應的充電狀態指示燈。

2? 詳細設計

如圖2所示，數據采集裝置中，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行設置。運動傳感器模塊包括三軸陀螺儀、三軸磁力計和三軸加速度計，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定位模塊能夠實現智能足球的三維運動軌跡的精確測量，能夠結合運動傳感器模塊和壓力傳感器模塊的數據在顯示裝置上為球員重現智能足球在相應的踢球力度、踢球點和踢球方向下的三維運動軌跡。數據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并電連接于設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依次設置的面層、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結構，以防止增加過多重量導致足球彈性降低，同時漁網結構還能便于布線，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于第一纏紗層和第二纏紗層之間，以保護壓力傳感器單元，提高壓力傳感器單元的穩固程度。防水層是聚氨酯空心微球泡沫塑料、乳膠或者橡膠。

3? 足球運動軌跡模型

定位球在空氣中旋轉運動，足球運動的軌跡有顯著的馬格努斯效應，基于對足球質心運動受空氣阻力的考慮，我們采用三維坐標與時間變量的函數關系模型，如式（1）[7]描述受空氣阻力的足球在空中的運動軌跡。

4? 結? 論

針對足球定位球訓練設計了輔助訓練的智能足球，通過數據采集、無線傳輸和數據處理及模擬分析，給出最優踢球建議，提高訓練效率。影響足球運動軌跡的因素很多，也很復雜，且缺乏對足球運動軌跡模型的深入研究，所以在全球范圍內采集職業足球運動員，特別是任意球專家的踢球數據，對于優化建議的大數據分析，將極具意義。

參考文獻：

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