俞鹤 李超 崔嘉欣 程乐 钱超 卢承领 杨旭
皖西学院电气与光电工程学院，安徽省 六安市 237012
摘要: 本系统通过全局摄像头从视频流中实时采集图像，利用图像序列拓扑关系的移动机器人全局定位算法对网球、机器人、球员进行识别和定位，利用人工势场法计算出机器人最佳移动路径，通过Wi-Fi实现多机器人之间的协同工作，使它们自动完成捡球、递球、卸球和发球，并通过My-BallAPP提供训练模式或者自定义出球等相关参数，当人体姿态指令识别判断进入发球模式，ANSS网球机器人自动到达发球点并开始发球；识别到服务模式则自动到达运动员附近递水或毛巾。
关键词： 机器人，定位，路径定位，图像处理
1.前言
通过采用图像流数据分析技术构建一套全自动网球训练系统，实现自动捡网球、送球和发球等服务功能。系统利用全局定位和识别算法，对机器人进行智能调度。经深入调查，市场上未有同类产品，网球训练系统使用场景。如图1所示。
整套产品由中央控制系统、捡球机器人、多功能网球发球机及手机APP组成，主要功能为将网球自动拾取并填装到发球机器人上，球员可通过手机APP设置网球弧线、速率等参数，一键开启陪练模式。对比于市面上的Tennibot捡球机器人、Spinshotpro发球机、Siboasi发球机等竞品，本产品具有系统全自动运行、捡球机器人高效全自动、发球机器人自主移动装填三大优势。本系统通过全局摄像头从视频流中实时采集图像，利用图像序列拓扑关系的移动机器人全局定位算法对网球、机器人、球员进行识别和定位，利用人工势场法计算出机器人最佳移动路径，通过Wi-Fi实现多机器人之间的协同工作，使它们自动完成捡球、递球、卸球和发球，并通过My-BallAPP提供训练模式或者自定义出球等相关参数，当人体姿态指令识别判断进入发球模式，ANSS网球机器人自动到达发球点并开始发球；识别到服务模式则自动到达运动员附近递水或毛巾。
2.系统框图
系统由中央控制系统、全局摄像头、捡球机器人、ANSS机器人、My-Ball手机APP五部分组成。网球训练系统使用场景如图2所示。中央控制系统根据摄像头采集的数据，对网球、机器人与球员进行识别，运用人工势场算法对多个机器人进行路径规划，从而实现球童系统智能化捡球、递球、卸球以及发球等功能。在捡球模式下，中央控制系统智能调度滚筒式捡球机器人拾取网球。在发球训练模式下，运动员通过手机APP提前选择训练模式或者预先设置好发球点、出球高度、发球频率以及发球模式等参数，ANSS 机器人接收到指令后自动移到发球点，并按照设定参数发各种功能球。
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图2 智能化网球训练机器人系统组成
3.机器人结构设计
ANSS机器人的机械结构主要由运球机构、搅拌网球机构、发球机构、移动机构四部分组成。（1）运球机构是以同步带传动的升降机构，通过蜗轮蜗杆电机驱动运球框升降。底部和顶部均设置有霍尔传感器，用于接收固定在运球框磁铁的磁场，控制运球机构的升降高度。其中，运球框的底板呈前端倾斜设置，使得网球能靠自重滑出运球框。运球框的出球口设置有一翻板，铰接转动。在运球框出球口前面设置有一支撑柱，支撑柱顶部有一滑轮。机构运动过程：当运球框上升时，由于运球框的翻板被前面的支撑柱挡住不能转动，所以网球仍留在运球框中；当上升至超过支撑柱的高度时，翻板失去限制便靠自重向下翻转（滑轮能减小翻板翻转时的摩擦），出球口打开，网球自动滑出运球框，落到搅拌网球机构中。（2）搅拌网球机构用于储存网球，并通过蜗轮蜗杆电机驱动搅拌装置使其每次只下一个网球到发球机构。其中搅拌网球装置为开有四个口的转盘与一挡块组成，当转盘的其中一个口与下球口同轴时，转盘口中的网球便能通过下球口进入发球机构。而挡块能起到阻止多个网球同时进入下球口的作用。（3）发球机构为两轮发球机构，能调节垂直角度和水平角度。通过步进电机控制两齿轮分别与垂直设置的半圆齿板和水平设置的半圆齿板啮合，可以调节发球口的仰角与水平偏角。发球原理：通过两个摩擦轮将网球从两摩擦轮中间挤出，可使两摩擦轮差速旋转发出上旋球与下旋球。（4）移动机构通过同步带传动，减速电机驱动四个麦克纳姆轮，麦克纳姆轮可实现全向移动，使得ANSS机器人能灵活的移动到球场的各个位置。ANSS 机器人还设置有可用于放置网球拍、水瓶毛巾或个人物品的置物框，可由球员发出递球指令后将物品递给球员。
ANSS 机器人硬件系统由主控芯片、稳压电路、电机驱动电路、信号采集电路、信号处理电路以及通讯模块六大部分构成。其中以 STM32fF103 为主控芯片；以 LM2940 为稳压芯片构成稳压电路；BTN7971 驱动电路以及步进电机驱动模块构成电机驱动电路,并以 74HC244 芯片及其外围电路作为隔离保护电路；信号采集电路由红外传感器、激光雷达、JY901陀螺仪以及霍尔编码器构成；通过 Wi-Fi 通讯模块与中央控制系统实时通讯。ANSS 机器人模块如图2所示。
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图2 ANSS机器人控制原理图
4.结语
本论文设计了一款智能网球训练机器人，并对机器人的原理，机械结构，控制模块进行了设计，同时基于图像序列拓扑关系的移动机器人全局定位算法进行全局定位，结合自动曝光算法以及改良ANSS机器人的机械结构，依靠Wi-Fi无线传输模式和多电机协同控制算法，通过人工势场的路径规划算法实现系统对不同机器人的智能调度，完成多机器人的调度；机器人应用具有较高的应用价值。
参考文献：
[1]李琴,贺一烜,黄志强,李崇磊.管道机器人变径机构设计及垂直管道内移动可行性分析[J].制造业自动化,2021,43(01):104-108.
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