乒乓球智能撿取機(jī)器設(shè)計(jì)研究范文

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摘要：本設(shè)計(jì)構(gòu)想旨在設(shè)計(jì)一種撿取乒乓球的智能機(jī)器，它能夠在各種乒乓球場(chǎng)館進(jìn)行運(yùn)作。該機(jī)器可依靠四驅(qū)車底盤在場(chǎng)地間移動(dòng)，它攜帶有紅外探測(cè)器，能夠利用紅外感知進(jìn)行障礙檢測(cè)，從而自動(dòng)躲避障礙物。在移動(dòng)中，該機(jī)器能夠通過(guò)攜帶的圖像傳感器，檢測(cè)視野中是否出現(xiàn)乒乓球，確定存在后能夠主動(dòng)撿取。該機(jī)器在四驅(qū)車底盤上搭載了獨(dú)特的乒乓球吸取裝置，它能夠利用風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的氣壓差，使乒乓球吸入到攜帶的收納盒中。總之，該撿取機(jī)器能夠克服傳統(tǒng)人力撿球費(fèi)力費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)，大大提高人們的訓(xùn)練質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：紅外感知；圖像傳感器；壓力差

引言

“乒乓球”是我國(guó)最引以為豪的體育運(yùn)動(dòng)之一，常年獲得各種獎(jiǎng)項(xiàng)的冠軍，也長(zhǎng)期引領(lǐng)了國(guó)民的“乒乓熱”。我國(guó)乒乓球場(chǎng)館眾多，學(xué)習(xí)人數(shù)也是居高不下。在訓(xùn)練和比賽的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)用到大量的乒乓球，從而會(huì)產(chǎn)生很多掉落在地上的球。為處理這些球，通常大家都會(huì)在用完所有球之后手動(dòng)進(jìn)行撿球，這必然會(huì)浪費(fèi)大量人力，也會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練時(shí)間的浪費(fèi)。目前，我國(guó)大多數(shù)場(chǎng)館還是采用著人工撿球的方式去進(jìn)行乒乓球的撿取，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。市面上也有一些撿球機(jī)，主要是通過(guò)搭載在傳統(tǒng)小車（如四驅(qū)車）上的機(jī)械手臂來(lái)拾取，這些機(jī)器因?yàn)樽陨砦锢頇C(jī)械結(jié)構(gòu)的限制性，對(duì)于墻角和一些障礙物之間的乒乓球不能有效撿取，即效率較低且適用的局限性太大。為了減輕運(yùn)動(dòng)員的負(fù)擔(dān)，使大家能夠純粹享受乒乓球運(yùn)動(dòng)的樂(lè)趣，因而提出一種乒乓球智能撿取機(jī)器的設(shè)計(jì)構(gòu)想。

1設(shè)計(jì)方案

這種乒乓球智能撿取機(jī)器由以下5個(gè)部分組成：機(jī)器控制模塊、紅外傳感器、乒乓球識(shí)別模塊、吸取裝置、核心處理模塊。

1.1機(jī)器控制模塊

機(jī)器控制模塊用來(lái)控制整個(gè)機(jī)器的運(yùn)作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的啟動(dòng)、停止及自主運(yùn)行，并能夠接受核心處理模塊發(fā)來(lái)的轉(zhuǎn)向或停止信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。它采用單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心，并使用12V的鋰電池進(jìn)行供電，以及通過(guò)LM7805芯片進(jìn)行調(diào)壓。它能夠根據(jù)用戶設(shè)置的運(yùn)行路線，控制機(jī)器前行，也能夠根據(jù)核心控制模塊通過(guò)蟻群算法實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)路徑，進(jìn)行自主搜尋。

1.2紅外傳感器

紅外傳感器的功能是用來(lái)檢測(cè)障礙物，并將監(jiān)測(cè)信息發(fā)送給核心處理模塊。機(jī)器兩側(cè)都安裝有紅外線傳感器，在指定距離內(nèi)檢測(cè)到障礙就向核心處理模塊發(fā)送信號(hào)，報(bào)告障礙位置，待障礙消除后結(jié)束信號(hào)發(fā)送。

1.3乒乓球識(shí)別模塊

該模塊的功能是識(shí)別行進(jìn)路途中遇到的乒乓球。在機(jī)器的前方安裝有CMOS圖像傳感器，它能夠感知周圍環(huán)境并獲取乒乓球的位置，并將位置信息發(fā)送給核心處理模塊。

1.4吸取裝置

該裝置的功能就是用來(lái)吸取所識(shí)別到的乒乓球，并通過(guò)設(shè)計(jì)的出口掉落到附帶的收納盒中。該裝置主要包括風(fēng)扇、出球口、擋板、吸球口四個(gè)部分，它能夠搭載在小車上進(jìn)行工作。在遇到乒乓球時(shí)，機(jī)器會(huì)控制該裝置的風(fēng)扇電源開(kāi)關(guān)，利用風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的氣壓差產(chǎn)生吸力，乒乓球通過(guò)吸球口進(jìn)入管道，并從出球口掉落到預(yù)先在出口下面安裝的收納盒中。考慮到出口可能會(huì)減弱吸球管內(nèi)的氣壓，造成吸力不強(qiáng)，因?yàn)樵诔銮蚩谔幵O(shè)計(jì)一個(gè)輕型的自動(dòng)復(fù)位擋板，正常情況下，擋板會(huì)因重力而處于垂直位置，當(dāng)撿球風(fēng)扇啟動(dòng)時(shí)，在管內(nèi)負(fù)壓的作用下，擋板會(huì)被吸起遮住洞口，從而確保撿球裝置對(duì)球的吸力。該擋板會(huì)與周圍管道形成一個(gè)凹槽，被吸取的乒乓球會(huì)掉入凹槽中，待風(fēng)扇關(guān)閉時(shí)，擋板自動(dòng)打開(kāi)，球自然掉落到出口的收納盒中。

1.5核心處理模塊

即軟件的設(shè)計(jì)，采用C語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)包括對(duì)紅外傳感器、圖像傳感器所發(fā)送信息的處理，在需要轉(zhuǎn)向時(shí)通知控制模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)向，當(dāng)識(shí)別到乒乓球時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇，撿取結(jié)束后關(guān)閉風(fēng)扇。每次吸取都會(huì)記錄，當(dāng)次數(shù)達(dá)到一定閾值時(shí)（收納盒裝滿），通知運(yùn)行控制模塊關(guān)閉機(jī)器。該模塊會(huì)記錄每次運(yùn)行的路線，利用蟻群算法，能夠找到搜尋的最佳路徑（如哪塊區(qū)域掉落的乒乓球數(shù)較多，則在該區(qū)域進(jìn)行搜查的次數(shù)更頻繁）。

2具體工作流程

本文提出的乒乓球智能撿取機(jī)器，通過(guò)上述設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)的功能及具體流程如下：用戶啟動(dòng)撿球機(jī)并設(shè)置運(yùn)行路線，紅外傳感器能夠在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行障礙感知，攝像頭則能夠進(jìn)行乒乓球的檢測(cè)。機(jī)器啟動(dòng)后自動(dòng)前行。當(dāng)攝像頭的視野內(nèi)捕捉到乒乓球后，圖像傳感器會(huì)提取乒乓球的位置信息，并傳給核心處理模塊，核心處理模塊會(huì)計(jì)算視野中所有乒乓球的距離，從而告知機(jī)器控制模塊去拾取，并在其到達(dá)指定位置后打開(kāi)風(fēng)扇，吸取結(jié)束后關(guān)閉風(fēng)扇，繼續(xù)工作。吸取到的乒乓球?qū)?huì)落入安置的收納盒中，待運(yùn)動(dòng)路線結(jié)束或核心處理模塊記錄吸取次數(shù)達(dá)到最大，機(jī)器停止工作。若視野內(nèi)沒(méi)有乒乓球，機(jī)器在前行中遇到障礙，會(huì)發(fā)送信號(hào)給核心處理模塊，核心處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，在障礙未結(jié)束之前持續(xù)發(fā)送轉(zhuǎn)向信息給機(jī)器的運(yùn)行控制模塊。機(jī)器的運(yùn)行控制模塊會(huì)調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，待障礙完全消除之后，繼續(xù)前進(jìn)。

3結(jié)論

本文闡述了一種乒乓球智能撿球機(jī)器的設(shè)計(jì)方案，它能夠利用紅外探測(cè)器進(jìn)行障礙感知，躲避搜尋場(chǎng)館中的障礙物，并利用圖像傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)乒乓球的檢測(cè)，之后利用設(shè)計(jì)的吸取裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)乒乓球的撿取，從而減少了運(yùn)動(dòng)員們的工作量，能夠讓大家更好地享受運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的快樂(lè)，而不必為撿球煩惱。乒乓球本身就是我國(guó)在國(guó)際賽場(chǎng)上最具統(tǒng)治力的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一，幾乎包攬了該項(xiàng)賽事的所有獎(jiǎng)牌。我國(guó)有著基數(shù)巨大的乒乓球愛(ài)好者，他們對(duì)乒乓球運(yùn)動(dòng)實(shí)為狂熱，因而我國(guó)也有著大量的乒乓球訓(xùn)練場(chǎng)館。高效連貫的訓(xùn)練是每個(gè)運(yùn)動(dòng)者都極力追求的，而落網(wǎng)的乒乓球則成為了訓(xùn)練最大的障礙。乒乓球智能撿取機(jī)器的出現(xiàn)，則能夠有效幫助運(yùn)動(dòng)者們撿取乒乓球，以提高人們的訓(xùn)練質(zhì)量，同時(shí)也避免了人力和時(shí)間的浪費(fèi)，因而該機(jī)器的設(shè)計(jì)方案在乒乓球運(yùn)動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域有著很大的發(fā)展前景。

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作者：翟偉東 單位：西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院