基于視覺識別的智能網球撿入裝置設計

摘 要：【目的】針對打網球過程中撿球不便的問題，設計出一種基于視覺識別技術的智能網球撿入設備。【方法】該設備集成了高清攝像頭、太陽能充電模塊及視覺識別算法、路徑規劃系統、多傳感器避障技術，實現對網球的快速識別、精確定位、高效撿取及智能避障等功能。【結果】通過有限元分析，驗證了關鍵部件（前叉）的結構強度和安全性，確保該設備應用的可靠性。【結論】該智能網球撿入設備的應用不僅提高了撿球效率，還減少了運動員體力消耗，為網球運動設備的智能化做出有益嘗試。

關鍵詞：智能網球撿入設備；視覺識別技術；路徑規劃；多傳感器避障

中圖分類號：TH137.5" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：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

隨著我國網球競技水平不斷提高，網球運動的參與者也逐漸增多。然而，大眾參與網球運動通常要攜帶多個網球。此外，球場上的網球如果未能及時清理，可能會形成安全隱患。傳統的機械撿球裝置的應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，研究人員已開發出多種自動化撿球裝置。張強志等［1］設計了一款撿網球機器人，該機器人使用單個機械爪抓取網球，且表現出良好的穩定性。賈遠鵬等［2］開發出一款自動撿網球小車，用真空泵產生的吸力來撿球，撿球效率顯著提高。陳龍等［3］設計的網球收集機器人是利用葉輪撥動小車進入儲球裝置，能高效拾取一定范圍內的網球。陳明尚等［4］提出智能撿球設備結合視覺識別技術，不僅能降低設備成本和開發難度，還能滿足消費者需求。

為解決網球運動中撿球不便及現有智能撿球設備存在的局限，本研究提出一種基于視覺識別技術的智能網球撿拾設備設計方案。該設備采用先進的視覺識別技術和耐用且設計合理的撿球結構，以實現對網球的高效撿拾。此外，該設備還能根據撿拾情況和場上的網球分布密度，評估并反饋當前網球運動的強度，能幫助運動員更合理地規劃訓練和比賽時間，提高網球運動的舒適度和整體體驗。

1 工作原理

本研究設計的基于視覺識別的智能網球撿入設備集成了高清攝像頭、先進的視覺識別算法和路徑規劃系統，能實現精確控制。該設備利用視覺識別算法分析攝像頭捕捉到的圖像，并識別網球的顏色和形狀特征，從而能高效定位網球［5］。該設備不僅能精確計算出網球的數量和位置，還能通過路徑規劃算法，自主規劃撿球路徑，引導設備移動至網球所在位置。

此外，該設備配備了先進的避障系統，利用傳感器識別周圍障礙物，并將這些信息轉化為電信號，指導設備進行路徑調整或暫停撿球，以免與障礙物或運動人員發生碰撞，從而降低安全風險。撿球完成后，該設備通過集成的收集和儲存裝置收集網球，并根據路徑規劃系統規劃的路徑返回預設位置，便于用戶取球。裝置工作流程如圖1所示。

2 設計方案

2.1 裝置整體結構設計

基于視覺識別技術的智能網球撿入裝置由多個關鍵模塊組成，包括撿球模塊、視覺識別模塊、傳感器模塊、控制模塊、太陽能充電模塊及動力模塊，整體模型如圖2所示。該設備不僅撿球效率高，還能長時間運行，操作智能化，且用戶界面簡潔直觀。智能網球撿入裝置通過鎖定網球的相對位置，能自主規劃撿球路徑，不僅能提高撿球效率，還能減少人工撿球所需的時間和勞動力。此外，該設備的自主運行能力有助于降低網球場館的運營和管理成本。通過應用智能網球撿入裝置，極大地提高了網球運動的便利性和運動體驗。

2.2 撿球模塊結構設計

撿球模塊是智能網球撿入設備核心組成部分，該模塊由滾輪、前叉和液壓桿構成，無需復雜的儲球裝置或強大的動力系統，即可撿拾網球。前叉采用1060鋁合金材質，不僅堅固耐用，且便于維修。得益于其簡化的設計，撿球模塊能無損收集網球，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現高效率撿球。

此外，撿球裝置還配備了升降系統，通過液壓桿伸縮來控制撿球裝置的升降。當撿球裝置上升離開地面時，可減少與地面的摩擦，不僅減少了小車在非撿球狀態下的能量消耗，還減輕了小車在撿球過程中的能源負擔。升降系統的引入能有效提高小車在非撿球行進時的能源使用效率，延長了小車的續航能力，并在一定程度上加快小車在返回和撿球前的移動速度，進一步提高整體運行效率。

2.3 視覺識別模塊設計

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

當小車啟動后，視覺模塊隨即激活。雙目攝像頭先對圖像進行灰度化、二值化處理，并提取圖像特征；再利用幾何特征匹配法進行多目標球類物體識別。在識別出網球后，系統會從左右兩個攝像頭拍攝的圖像中提取對應球體的中心點，實現對網球的精確定位，并計算出其在三維空間中的坐標，再將這些坐標信息上傳至控制箱，由控制箱負責計算，并規劃出撿球的最佳路徑［6］。

為了進一步優化設備性能，小車的攝像頭支架采用鏤空材料，能顯著減輕小車重量，有效減輕動力系統的負擔，從而提高小車的整體運行效率。

2.4 傳感器模塊設計

智能網球撿入裝置集成了先進的傳感器系統，能實現全方位的環境感知。特別是，車載的紅外線傳感器能接收周圍物體和人體發出的紅外信號。通過對這些反射信號進行解析，傳感器能精確定位障礙物的位置，并分析其位置變化，進而預測障礙物的移動軌跡。這種360°的傳感器布局確保了小車能無死角感知其周圍環境，從而能有效避免來自各個方向的潛在碰撞，實現了高度自主的避障功能。這一設計不僅避免碰撞事故的發生，也極大提小車操作的安全性和實用性。

2.5 控制模塊設計

以一款高性能的核心控制器芯片作為智能網球撿入裝置的控制模塊，該芯片通過調節直流電機的電流來精確控制小車的移動速度和路徑［7］。控制器被安裝在設備的控制箱內，控制箱內還集成了一套成熟的智能定位和路徑規劃系統，使該系統能鎖定已識別的網球，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球的坐標。根據這些坐標信息，系統會規劃出撿球的最佳路徑，并在移動過程中同步啟動避障系統。

為了應對可能出現的碰撞，系統設計了兩套避障方案：一是在檢測到障礙物后，小車會立即停止運動，當障礙物不再構成威脅時返回起始點，重新定位網球，并規劃新路徑；二是設備根據捕捉到的物體運行軌跡來預測障礙物的移動路徑，動態調整小車的移動，以避開障礙物，并在安全后重新規劃路徑，繼續執行撿球任務。

此外，該裝置允許用戶設置一個初始位置。如果未設置，則默認起始點為初始位置。撿球作業完成后，控制箱會指導小車沿最短路徑返回初始位置，從而實現智能化撿球。

2.6 太陽能發電模塊

智能網球撿入裝置的小車支架上安裝有太陽能板，用來吸收太陽能，并將其轉換為電能，可在光照條件下為電池充電。在設計太陽能板時，允許調節其與車架頂面的夾角，這樣可根據太陽的位置調整角度，以實現最大化接收太陽能。

正常光照下，設備能穩定補充電能，有助于提高設備續航能力。由于設備并不是連續進行撿球作業，太陽能板可在設備閑置時為小車持續充電，通過太陽能板可顯著延長設備的使用時間，增強其在實際應用中的靈活性和自給自足的能力。

2.7 動力模塊

由內置電機提供智能網球撿入裝置所需的動力，其不僅為撿球裝置的運作提供所需的動力，還能驅動小車進行轉彎和前進等動作。電機產生的轉速足以支持小車在場地內靈活地執行撿球任務。此外，小車有三個速度擋位，允許用戶根據實際需要調整運行速度和功率消耗。隨著擋位提升，小車最大速度和功率消耗也會相應增加。這種多擋位設計使得小車能適應不同速度和節奏的網球訓練及比賽場景，滿足不同用戶群體的特定需求。

3 關鍵部件有限元分析

收集裝置的前進動力來源于小車，其中，前叉是關鍵的結構部件。為確保前叉的材料和結構能承受工作時的最大負載，通過有限元分析計算其屈服極限和應力應變，驗證設計是否滿足使用要求。

前叉的結構材料選用1060鋁合金，在連接撿球滾輪的區域施加400 N的載荷。為了進行精確分析，對前叉模型進行網格劃分，網格密度設置為“良好”，雅可比點設置為16，確保分析的準確性。前叉網格劃分結果如圖3所示。

利用SolidWorks軟件對前叉進行有限元分析，獲得前叉位移和應力云圖，如圖4所示。

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

有限元分析結果表明，前叉結構設計合理，能承受正常使用條件下的載荷。設計滿足了零件所需的強度要求，確保在不發生永久變形或損壞的前提下，前叉能穩定可靠地工作。

4 結語

本研究設計出的基于視覺識別技術的智能網球撿入設備，通過集成高清攝像頭、先進的視覺識別算法、路徑規劃系統和多傳感器避障技術，實現自動化和智能化撿球。該設備不僅顯著提高了撿球效率，減輕了運動員的體力負擔，還能通過太陽能充電模塊增強自給自足的能力，并通過有限元分析確保結構設計的安全性和可靠性。這些創新設計使得智能網球撿入設備在提高網球運動便利性和整體體驗方面具有重要的實際應用價值和市場潛力，同時也為未來智能運動設備的發展提供了新思路。

參考文獻：

［1］張強志，陳德鵬，胡佳林，等.基于圖像識別的撿網球機器人［J］.物聯網技術，2022，12（1）：38-41.

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［3］陳龍.網球收集機器人的目標識別定位和運動控制研究［D］.武漢：湖北工業大學，2021.

［4］陳明尚，劉迅.網球自動拾取機器人的回顧與展望［J］.科技創新與應用，2022，12（5）：60-62.

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［7］陳智.基于STM32的智能循跡避障系統設計［J］.無線互聯科技，2024，21（8）：8-11.