排球智能撿球器的設計及應用

排球作為一項深受大眾喜愛的競技運動項目，提高其訓練和比賽效率是該項目研究的重點之一。在排球訓練中，頻繁撿球需要耗費大量時間和人力，這不僅影響了訓練的連續性和效果，也增加了教練員和運動員的工作負擔，在高強度的專業訓練或大型賽事準備期間，這一問題尤為突出。近年來，隨著機器人技術和人工智能（AI）的發展，智能撿球器作為一種創新性的輔助工具開始進入人們的視野。它不僅可以自動識別并收集散落在場地上的目標球，還能通過優化路徑規劃減少不必要的移動，從而顯著提高了工作效率。因此，研發一種高效、智能的排球撿球器具有重要的現實意義。本文通過排球硬件構成、軟件構成等方面，系統介紹了智能排球撿球器的設計原理及功能。排球智能撿球器在專業賽事中能夠保障比賽的流暢性，提升賽事的整體質量；在專業隊訓練中，可以提高訓練效率；在學校體育教學中，能讓體育教師將更多精力投入到教學指導中，提高學生的學習體驗；在體育場館運營中，可降低人力成本，提升場館的服務水平。

1、硬件設計

為了便于開發和維護，整個系統被劃分為若干個獨立但相互關聯的功能模塊，這些模塊包括傳感器、控制器、執行器、電源管理、通信模塊。為了保證硬件資源的需求和運行速度，本文采用STM32F407ZGT6芯片為主芯片，其可高效處理復雜的圖像識別算法、運動控制算法和多傳感器數據融合等任務；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。該模塊內設置STM32F407芯片，可以對攝像頭采集到的圖像進行實時的目標檢測、識別，同時其豐富的外設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，是一種機械波，通過振動介質分子而傳播。通過發射超聲波信號，并接收從物體反射回來的超聲波回波，根據超聲波傳播的時間和速度來計算傳感器與物體之間的距離，本設計選用新版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據，滿足實時視覺處理需求。該模塊配備OPENMVh7Plus攝像頭，其主控芯片性能較好，使用MicroPython作為開發語言，能夠更高效地對采集到的排球圖像進行處理和分析，準確識別排球的位置等信息，有利于實現精準撿球。在圖像的采集、存儲和處理方面，其通過顏色識別、形狀識別、特征點檢測等算法，可以檢測排球的位置和狀態。

（3）姿態傳感器。

在排球智能撿球器中，MPU6050傳感器可實時監測撿球器的姿態變化。當撿球器需要在不同地形或運動狀態下準確地抓取排球時，通過MPU6050獲取的姿態信息，控制系統可以及時調整撿球器的機械臂、夾子等部件的位置和角度，確保能夠精準地撿起排球。

1.2、控制器

微控制器是排球智能撿球器控制系統的核心，對信息的采集處理、外部設備的通信與實時的決策起著至關重要的作用。本設計選用STM32F103ZET6芯片，該芯片具有高性能內核，能夠快速處理各種復雜的任務和數據，以確保撿球器的高效運行。同時，其具有強大的運算能力，可提升傳感器的數據處理精度和速度，從而更準確地控制撿球器。芯片配備多種通信接口，方便與姿態傳感器MPU6050、視覺傳感器OPENMV等外部設備進行數據傳輸和通信，實現各部件之間的協同工作。其內置高達1MB的閃存和256KB的SRAM，可滿足存儲程序代碼、數據緩存及中間計算結果等需求，為撿球器的復雜功能實現提供了充足的內存支持。芯片擁有12個16位通用定時器和2個32位通用定時器，可產生精確的定時信號，實現對電機的PWM控制，精準控制撿球器的機械臂、夾子等部件的運動速度和位置。此外，芯片提供多個低功耗模式，如睡眠、待機和深度睡眠模式，可根據撿球器的不同工作狀態靈活切換，降低整體功耗，延長設備的續航時間，尤其適用于需要長時間運行的撿球器。

1.3、驅動電機

本研究驅動電機選擇直流電機MG513P30_12V作為排球智能撿球器的驅動電機，該電機的額定電壓為12V，工作電壓較為穩定，能夠為撿球器的運行提供持續可靠的動力支持。驅動方式可通過單片機輸入PWM（脈沖寬度調制）信號來控制其轉速和轉向。MG513P30_12V直流電機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，帶動撿球器的機械結構正常運轉，完成排球的收集工作，較好地實現撿球器的基本功能。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，根據反饋的壓力值調整舵機角度，并且與傳感器和視覺模塊等主控制器進行通信，根據獲取的信息來決定何時執行抓取動作。

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，通過串聯和并聯組合能夠達到所需的電壓和容量。電池容量綜合考慮撿球器的工作時間和重量限制，選擇總容量約為 4500mAh 的電池組，以確保在一次充電后能夠滿足長時間的使用需求。

1.5、Wi-Fi模塊

采用HLK-RMO4嵌入式UART-ETH-WIFI（串口—以太網——無線網）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絡設備進行良好的通信連接，滿足排球智能撿球器與其他設備（如控制終端、服務器等）之間的數據傳輸需求。其室內最遠傳輸距離可達 100m ，室外最遠傳輸距離可達 360m 。較大的傳輸距離使得排球智能撿球器在較大的訓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備或增加額外的中繼設備，降低了系統的復雜性和成本。

2、軟件設計

2.1、圖像識別算法

在排球智能撿球器的系統軟件設計中，圖像識別算法是實現高效撿球的關鍵技術。該方法首先通過高性能攝像頭采集排球場地的圖像，然后對圖像進行預處理，包括去噪、增強、灰度化等操作，以提升圖像質量。接著，運用特征提取技術，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練集上傳到EDGEIMPULSE在線網站上進行訓練，從而獲取模型。用戶可以實時拍攝圖像，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動的相關數據。利用這些數據，排球智能撿球器能夠實現辨別物體和判斷物品與撿球器的距離等功能。同時，為了實現對排球運動軌跡的持續跟蹤，采用有效的跟蹤算法一卡爾曼濾波。最后，根據圖像識別和跟蹤的結果，系統生成相應的控制指令，驅動撿球器精準地完成撿球動作。整個圖像識別算法的流程緊密配合，為排球智能撿球器的穩定運行和高效撿球提供了有力保障。

2.2、路徑規劃算法

在排球智能撿球器系統軟件中，路徑規劃算法作為智能撿球器的“導航系統”，在實現高效撿球方面發揮著核心作用。其通過精心計算，確定從撿球器當前所處位置到目標排球所在位置的最佳行進路線。其中，撿球器自身的當前位置提供起始參考；場地環境中的障礙物分布情況直接影響著路徑的可行方向；而運動約束條件，如撿球器的最大速度、轉向角度限制等，則為路徑規劃設定了實際的操作邊界。在整個路徑規劃的過程中，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。尤為關鍵的是，路徑規劃算法必須具備出色的實時性和強大的適應性。它需要能夠對動態變化的環境信息迅速做出反應，比如排球的意外移動、新出現的障礙物等。一旦環境發生變化，路徑規劃算法需要即刻調整策略，重新規劃路徑，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，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、安全運行的關鍵技術。在復雜多變的排球場地環境中，撿球器需要能夠迅速且準確地感知障礙物并做出相應的規避動作。避障算法通過傳感器收集周圍環境信息，利用超聲波傳感器探測距離、感知物體存在。這些傳感器的數據被實時輸入到算法中，經算法迅速分析處理，計算出與障礙物的相對位置和距離；然后，根據預設的規則和策略，決定撿球器的移動方向和速度調整。當檢測到前方有障礙物且距離較近時，算法會控制撿球器減速或轉向以避開障礙物，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，提高工作效率和可靠性。

2.4、運動控制模塊

排球智能撿球器的運動控制模塊負責精準控制撿球器的移動和撿球動作。該模塊需根據路徑規劃模塊提供的目標位置和姿態信息，生成電機和機械臂的運動指令。對于直線運動，計算電機的轉速和運行時間，使撿球器沿直線移動到指定位置；對于轉彎運動，根據轉彎半徑和角度，計算左右電機的不同轉速，實現平滑轉彎。控制機械臂撿球時，依據排球位置和機械臂當前姿態，生成各關節的角度變化指令，使機械臂準確抓取排球。控制速度時，通過編碼器實時反饋電機轉速，與設定轉速比較后計算速度偏差，經過PID算法調整電機輸出；控制位置時，通過編碼器脈沖換算撿球器的實時位置，與目標位置比較后，同樣通過PID算法調整電機運動，確保撿球器準確到達指定位置。

2.5、人機交互軟件

智能排球撿球器的人機交互軟件是連接用戶與撿球器的關鍵橋梁，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（如運行中、暫停、故障等）、電量信息、撿球數量統計等關鍵信息。設置大字體、高對比度圖標和清晰的操作按鈕，方便在不同環境下查看和操作。

3、智能排球撿球器的應用

3.1、應用優勢

智能排球撿球器展現出多方面優勢，首先是節省時間和精力。傳統的撿球過程需要人工參與，不管是在訓練和比賽過程中還是在訓練和比賽之后，大量的排球散落在場地各處，撿球成為一項耗時且耗力的任務。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，使運動員和教練員可以將更多時間投入到訓練和比賽中。其次，可以提高訓練效率。由于減少了撿球所需的時間，運動員可以在同樣的時間內進行更多的練習，從而提高整體訓練效率。排球智能撿球器可以在訓練過程中持續工作，確保訓練不被打斷，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。對于參加排球運動的人來說，排球智能撿球器的使用簡化了撿球流程，增強了便利性和趣味性。

3.2、應用場景

（1）體育教學。

大中小學的體育課程和訓練中，排球是常見的運動項目。學校采購排球智能撿球器，能提升教學訓練效率，減少人力成本，為學生創造更多練習時間，同時可幫助體育老師更好地管理教學過程。

在專業排球培訓機構，智能撿球器能保證訓練的連貫性，提升培訓效果，進而吸引更多學員，增強機構的市場競爭力。

（2）體育賽事。

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

在業余排球賽事中，社區、企業等組織的業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。

（3）健身娛樂。

運動場館配備排球智能撿球器，能豐富服務內容，滿足會員的排球運動需求，提高場館的智能化水平和服務質量，從而吸引更多顧客。

4、結束語

本文設計的排球智能撿球器能夠精準地識別排球的位置與姿態，通過優化機械臂結構和驅動系統，可以快速穩定地實現撿球動作，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用，撿球器能夠適應不同場地環境和排球分布情況，展現出良好的適應性和穩定性。同時，其還集成了圖像識別算法、路徑規劃算法、避障算法、運動控制模塊及人機交互軟件等關鍵技術，具有較強的適應能力和廣泛的應用前景。此外，該撿球器操作界面簡潔直觀，通過手機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的撿球方式相比，顯著降低了人力成本。在實際應用場景中，無論是學校的排球訓練，還是排球比賽，排球智能撿球器都表現出極大的便利性和實用性。

參考文獻：

[1]路來冰，李進，楊少雄.機器人在體育領域的應用現狀[].河北體育學院學報，2022，36（6）.

[2]譚柏軒，易向東，鐘雄源，等.智能撿球小車的設計與實現福建電腦，2023，39（1）.

[3]韓茜茜，張雷，王俊淇，等.無線充電智能掃地機器人系統的設計與實現[J].機械工程與自動化，2024（2）.

[4]郅光華.網球訓練機器人發球動作軌跡線形控制方法]機械設計與制造，2024（10）.

[5]樊麗，楊宏.基于改進PRM算法的體育運動路徑避障控制系統[J].信息技術，2024（4）.