乒乓球智能捡取机器设计研究范文

摘要：本设计构想旨在设计一种捡取乒乓球的智能机器，它能够在各种乒乓球场馆进行运作。该机器可依靠四驱车底盘在场地间移动，它携带有红外探测器，能够利用红外感知进行障碍检测，从而自动躲避障碍物。在移动中，该机器能够通过携带的图像传感器，检测视野中是否出现乒乓球，确定存在后能够主动捡取。该机器在四驱车底盘上搭载了独特的乒乓球吸取装置，它能够利用风扇转动产生的气压差，使乒乓球吸入到携带的收纳盒中。总之，该捡取机器能够克服传统人力捡球费力费时的缺点，大大提高人们的训练质量。

关键词：红外感知；图像传感器；压力差

引言

“乒乓球”是我国最引以为豪的体育运动之一，常年获得各种奖项的冠军，也长期引领了国民的“乒乓热”。我国乒乓球场馆众多，学习人数也是居高不下。在训练和比赛的过程中，经常会用到大量的乒乓球，从而会产生很多掉落在地上的球。为处理这些球，通常大家都会在用完所有球之后手动进行捡球，这必然会浪费大量人力，也会导致训练时间的浪费。目前，我国大多数场馆还是采用着人工捡球的方式去进行乒乓球的捡取，费时费力。市面上也有一些捡球机，主要是通过搭载在传统小车（如四驱车）上的机械手臂来拾取，这些机器因为自身物理机械结构的限制性，对于墙角和一些障碍物之间的乒乓球不能有效捡取，即效率较低且适用的局限性太大。为了减轻运动员的负担，使大家能够纯粹享受乒乓球运动的乐趣，因而提出一种乒乓球智能捡取机器的设计构想。

1设计方案

这种乒乓球智能捡取机器由以下5个部分组成：机器控制模块、红外传感器、乒乓球识别模块、吸取装置、核心处理模块。

1.1机器控制模块

机器控制模块用来控制整个机器的运作状态，实现机器的启动、停止及自主运行，并能够接受核心处理模块发来的转向或停止信号进行转向。它采用单片机作为检测和控制核心，并使用12V的锂电池进行供电，以及通过LM7805芯片进行调压。它能够根据用户设置的运行路线，控制机器前行，也能够根据核心控制模块通过蚁群算法实现的最优路径，进行自主搜寻。

1.2红外传感器

红外传感器的功能是用来检测障碍物，并将监测信息发送给核心处理模块。机器两侧都安装有红外线传感器，在指定距离内检测到障碍就向核心处理模块发送信号，报告障碍位置，待障碍消除后结束信号发送。

1.3乒乓球识别模块

该模块的功能是识别行进路途中遇到的乒乓球。在机器的前方安装有CMOS图像传感器，它能够感知周围环境并获取乒乓球的位置，并将位置信息发送给核心处理模块。

1.4吸取装置

该装置的功能就是用来吸取所识别到的乒乓球，并通过设计的出口掉落到附带的收纳盒中。该装置主要包括风扇、出球口、挡板、吸球口四个部分，它能够搭载在小车上进行工作。在遇到乒乓球时，机器会控制该装置的风扇电源开关，利用风扇转动产生的气压差产生吸力，乒乓球通过吸球口进入管道，并从出球口掉落到预先在出口下面安装的收纳盒中。考虑到出口可能会减弱吸球管内的气压，造成吸力不强，因为在出球口处设计一个轻型的自动复位挡板，正常情况下，挡板会因重力而处于垂直位置，当捡球风扇启动时，在管内负压的作用下，挡板会被吸起遮住洞口，从而确保捡球装置对球的吸力。该挡板会与周围管道形成一个凹槽，被吸取的乒乓球会掉入凹槽中，待风扇关闭时，挡板自动打开，球自然掉落到出口的收纳盒中。

1.5核心处理模块

即软件的设计，采用C语言编程，实现包括对红外传感器、图像传感器所发送信息的处理，在需要转向时通知控制模块进行转向，当识别到乒乓球时启动风扇，捡取结束后关闭风扇。每次吸取都会记录，当次数达到一定阈值时（收纳盒装满），通知运行控制模块关闭机器。该模块会记录每次运行的路线，利用蚁群算法，能够找到搜寻的最佳路径（如哪块区域掉落的乒乓球数较多，则在该区域进行搜查的次数更频繁）。

2具体工作流程

本文提出的乒乓球智能捡取机器，通过上述设计，可实现的功能及具体流程如下：用户启动捡球机并设置运行路线，红外传感器能够在运行过程中进行障碍感知，摄像头则能够进行乒乓球的检测。机器启动后自动前行。当摄像头的视野内捕捉到乒乓球后，图像传感器会提取乒乓球的位置信息，并传给核心处理模块，核心处理模块会计算视野中所有乒乓球的距离，从而告知机器控制模块去拾取，并在其到达指定位置后打开风扇，吸取结束后关闭风扇，继续工作。吸取到的乒乓球将会落入安置的收纳盒中，待运动路线结束或核心处理模块记录吸取次数达到最大，机器停止工作。若视野内没有乒乓球，机器在前行中遇到障碍，会发送信号给核心处理模块，核心处理模块对信号进行分析，在障碍未结束之前持续发送转向信息给机器的运行控制模块。机器的运行控制模块会调整机器人的运动方向，待障碍完全消除之后，继续前进。

3结论

本文阐述了一种乒乓球智能捡球机器的设计方案，它能够利用红外探测器进行障碍感知，躲避搜寻场馆中的障碍物，并利用图像传感系统实现乒乓球的检测，之后利用设计的吸取装置，实现对乒乓球的捡取，从而减少了运动员们的工作量，能够让大家更好地享受运动带来的快乐，而不必为捡球烦恼。乒乓球本身就是我国在国际赛场上最具统治力的运动项目之一，几乎包揽了该项赛事的所有奖牌。我国有着基数巨大的乒乓球爱好者，他们对乒乓球运动实为狂热，因而我国也有着大量的乒乓球训练场馆。高效连贯的训练是每个运动者都极力追求的，而落网的乒乓球则成为了训练最大的障碍。乒乓球智能捡取机器的出现，则能够有效帮助运动者们捡取乒乓球，以提高人们的训练质量，同时也避免了人力和时间的浪费，因而该机器的设计方案在乒乓球运动这个领域有着很大的发展前景。

参考文献：

［1］马晓丽,陈艾华,张雪莲,张庆功.并联机器人机构的创新与应用研究进展［J］.机床与液压,2007,35(2):235-237.

［2］许东伟,刘建群,林淦.乒乓球捡球机器人的设计与实现［J］.机床与液压,1001-3881(2014)3-016-4.

［3］安丹阳.新型自主式乒乓球捡球机器人的构形及关键技术研究［D］.沈阳:东北大学,2008．

［4］徐华舫.空气动力学基础(上)［M］.北京:北京航空学院出版社,1987．

作者：翟伟东 单位：西北工业大学计算机学院