网球捡球机的捡球系统及方法.pdf

本发明公开了一种网球捡球机的捡球系统及方法，该捡球系统包括：中央处理器，用来接收红外测距传感器的测量数据，并根据相关数据向驱动系统发出运动指令；视觉系统，至少包括三个红外线测距传感器和AD转换电路，用于测量网球的位置与距离；驱动系统，在中央处理单元的驱动下实现捡球机的行走过程的变速与转弯；捡球装置，由二自由度机械臂和舵机驱动电路组成，采用二自由度机械臂完成夹球、运球和放球动作,通过本发明，可以自动发现网球场上掉落的网球，实现了网球捡球过程的全自动化，节省人力资源。

1.  一种网球捡球机的捡球系统，包括：
中央处理器，用来接收红外测距传感器的测量数据，并根据相关数据向驱动系统发出运动指令；
视觉系统，至少包括三个红外线测距传感器和AD转换电路，用于测量网球的位置与距离；
驱动系统，在中央处理单元的驱动下实现捡球机的行走过程的变速与转弯；
捡球装置，由二自由度机械臂和舵机驱动电路组成，采用二自由度机械臂完成夹球、运球和放球动作。

2.  如权利要求1所述的一种网球捡球机的捡球系统，其特征在于：所述视觉系统至少包括三个红外线测距传感器和AD转换电路，其中一个红外线测距传感器安装在捡球机正前方的中间位置，另两个红外线测距传感器安装在捡球机正前方的两侧。

3.  如权利要求2所述的一种网球捡球机的捡球系统，其特征在于：中间的红外线测距传感器的安装高度低于网球直径，左右两路的红外线测距传感器与中间红外线测距传感器的高度相同，左右两路的红外线测距传感器之间的间距大于网球直径。

4.  如权利要求3所述的一种网球捡球机的捡球系统，其特征在于：所述中央处理器通过控制该舵机驱动电路来控制所述机械臂的舵机。

5.  一种网球捡球机的捡球方法，包括如下步骤：
步骤一，当网球在捡球机的捡球范围时，中间红外线测距传感器测量出与网球的距离，并将其进行A/D转换后送至中央处理器；
步骤二，中央处理器获得该红外线测距传感器的信号，并将其与设定值进行比较，根据比较结果向驱动系统发出相关指令；
步骤三，左右两路红外线测距传感器开始工作，并将检测结果进行A/D转换后送至中央处理器；
步骤四，中央处理器判断网球是否在捡球机前方偏左或偏右的位置，并根据判断结果对捡球机进行位置调整，使网球位于捡球机正前方；
步骤五，当网球在设定范围内，驱动捡球装置进行捡球动作。

6.  如权利要求5所述的一种网球捡球机的捡球方法，其特征在于：在步骤五之前，还包括如下步骤：
中间红外线测距传感器再次测量捡球机与网球的距离，通过微前进或微后退来调整与网球的距离，直到二者距离在设定的范围内。

7.  如权利要求6所述的一种网球捡球机的捡球方法，其特征在于：于步骤五中，当网球在设定范围内，机械臂伸到设定距离，闭合机械爪抓到网球；抓取网球之后，机械臂缩回到设定位置，并张开机械爪，网球掉落到容球器中。

8.  如权利要求7所述的一种网球捡球机的捡球方法，其特征在于：于步骤二中，若测得的距离大于设定上限值，则驱动捡球机向前行走，若此距离小于设定下限值，则捡球机驱动向后行走，直到此距离在设定的范围之内。

9.  如权利要求7所述的一种网球捡球机的捡球方法，其特征在于：于步骤四中，若左/右红外线测距传感器检测到网球，则驱动捡球机向右/左转，直到左右红外线测距传感器都检测不到网球。

10.  如权利要求7所述的一种网球捡球机的捡球方法，其特征在于：所述机械臂由两个机械臂舵机的控制。其中一个舵机控制机械臂的伸缩，另一个控制机械爪的开合，通过控制舵机的旋转角度，控制机械臂的伸缩距离和机械爪的开合程度。

网球捡球机的捡球系统及方法
技术领域
本发明涉及一种网球捡球机，特别是涉及一种智能网球捡球机的捡球系统及方法。
背景技术
过去，在大型网球比赛中或平时的网球训练中捡球工作大多有人力完成。为了方便捡球，目前市场上出现了一类手推式网球捡球车。此类捡球车为半自动式，需要操作人员把网球捡球车推到网球附近，然后由捡球车的捡球机构完成捡球动作。此类捡球机相对纯粹的人工捡球在效率上有一定的提高。
目前，手推式网球捡球车的不足之处如下：
a.体积大且重，相对于智能化捡球机比较笨拙。既浪费空间，又影响训练人员打球(在它捡球的过程中运动员不方便打球)。
b.需要人工操作，相对于智能化捡球机浪费了不必要的时间与体力。如若配置专门的捡球人员则浪费了人力资源。
c.只适用于地上球较多的情况，但是地上球多会影响运动员打球。地上球少时则没有必要用上述捡球车。因此，它的适用环境较局限。
d.未实现捡球过程的完全自动化、智能化。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种网球捡球机的捡球系统及方法，其通过提供一个智能、完全自动化的网球捡球机，节省网球训练中捡球的时间与体力，实现捡球过程的高效、智能化，给网球运动爱好 者提供更多便捷，提高网球训练的效率。
为达上述及其它目的，本发明提出一种网球捡球机的捡球系统，包括：
中央处理器，用来接收红外测距传感器的测量数据，并根据相关数据向驱动系统发出运动指令；
视觉系统，至少包括三个红外线测距传感器和AD转换电路，用于测量网球的位置与距离；
驱动系统，在中央处理单元的驱动下实现捡球机的行走过程的变速与转弯；
捡球装置，由二自由度机械臂和舵机驱动电路组成，采用二自由度机械臂完成夹球、运球和放球动作。
进一步地，所述视觉系统至少包括三个红外线测距传感器和AD转换电路，其中一个红外线测距传感器安装在捡球机正前方的中间位置，另两个红外线测距传感器安装在捡球机正前方的两侧。
进一步地，中间的红外线测距传感器的安装高度低于网球直径，左右两路的红外线测距传感器与中间红外线测距传感器的高度相同，左右两路的红外线测距传感器之间的间距大于网球直径。
进一步地，所述中央处理器通过控制该舵机驱动电路来控制所述机械臂的舵机。
为达到上述目的，本发明还提供一种网球捡球机的捡球方法，包括如下步骤：
步骤一，当网球在捡球机的捡球范围时，中间红外线测距传感器测量出与网球的距离，并将其进行A/D转换后送至中央处理器；
步骤二，中央处理器获得该红外线测距传感器的信号，并将其与设定值进行比较，根据比较结果向驱动系统发出相关指令；
步骤三，左右两路红外线测距传感器开始工作，并将检测结果进行A/D转换后送至中央处理器；
步骤四，中央处理器判断网球是否在捡球机前方偏左或偏右的位置，并根 据判断结果对捡球机进行位置调整，使网球位于捡球机正前方；
步骤五，当网球在设定范围内，驱动捡球装置进行捡球动作。
进一步地，在步骤五之前，还包括如下步骤：
中间红外线测距传感器再次测量捡球机与网球的距离，通过微前进或微后退来调整与网球的距离，直到二者距离在设定的范围内。
进一步地，于步骤五中，当网球在设定范围内，机械臂伸到设定距离，闭合机械爪抓到网球；抓取网球之后，机械臂缩回到设定位置，并张开机械爪，网球掉落到容球器中。
进一步地，于步骤二中，若测得的距离大于设定上限值，则驱动捡球机向前行走，若此距离小于设定下限值，则捡球机驱动向后行走，直到此距离在设定的范围之内。
进一步地，于步骤四中，若左/右红外线测距传感器检测到网球，则驱动捡球机向右/左转，直到左右红外线测距传感器都检测不到网球。
进一步地，所述机械臂由两个机械臂舵机的控制。其中一个舵机控制机械臂的伸缩，另一个控制机械爪的开合，通过控制舵机的旋转角度，控制机械臂的伸缩距离和机械爪的开合程度。
与现有技术相比，本发明一种网球捡球机的捡球系统及方法采用红外线测距技术实现了智能捡球机的视觉功能，用单片机等微处理器实现了捡球机的行走路线控制，用四个直流电机组成的驱动系统实现了捡球机的行走及实时位置反馈，用机械手臂实现了捡球机的捡球动作，能够完成网球的自动捡取工作，可以方便捡拾网球场上散落的网球，节省人力资源。
附图说明
图1为本发明一种网球捡球机的捡球系统的系统架构图；
图2为本发明较佳实施例之捡球系统的结构示意图；
图3为本发明较佳实施例中舵机的驱动电路示意图；
图4为本发明一种智能网球机的捡球方法的步骤流程图；
图5为本发明较佳实施例中捡球机工作的流程图；
图6为本发明较佳实施例中机械臂的控制流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种网球捡球机的捡球系统的系统架构图。如图1所示，本发明一种网球捡球机的捡球系统，包括：中央处理器10、视觉系统20、驱动系统30以及捡球装置40。
其中，中央处理器10用来接收红外测距传感器的测量数据，并根据相关数据向驱动系统发出运动指令；视觉系统20至少包括三个红外线测距传感器和AD转换电路，其中一个红外线测距传感器安装在捡球机正前方的中间位置，其高度低于网球的直径以便能检测到网球，另两个红外线测距传感器安装在捡球机正前方的两侧与第一个相同的高度，两侧的两个传感器之间的间距略大于网球直径；驱动系统30采用两轮驱动的方式，左右的轮子分别由两个直流电机驱动，可实现捡球机的行走过程的变速与转弯，捡球装置40由二自由度机械臂和舵机驱动电路组成，采用二自由度机械臂完成夹球、运球和放球动作，把网球夹到容球器中，单片机通过控制舵机驱动电路来控制机械臂的舵机。
在本发明较佳实施例中，利用红外线测距传感器来实现捡球机的视觉功能，用直流电机来驱动捡球机的轮子实现其行走功能，用机械臂完成捡球机的捡球动作，这三部分由单片机进行协调控制，红外线测距传感器测得的模拟信号经AD转换后输送给单片机，单片机根据输送的信号向直流电机或机械臂的 舵机发送相应的指令，使捡球机调整自身位置或执行捡球动作。
图2为本发明较佳实施例之捡球系统的结构示意图。其中视觉系统的红外线测距传感器测得的模拟信号经AD转换电路后输送给单片机，单片机根据输送的信号向直流电机或机械臂的舵机发送相应的指令，使捡球机调整自身位置或执行捡球动作。
在本发明中，机械臂的控制实质上是两个机械臂舵机的控制。其中一个舵机控制机械臂的伸缩，另一个控制机械爪的开合。通过控制舵机的旋转角度，控制机械臂的伸缩距离和机械爪的开合程度。如此以来，便可控制机械臂捡取掉落的网球并把捡到的网球放到容球器中。假设舵机1控制机械臂的伸缩，舵机2控制机械爪的开合。初始时，机械臂缩到极限位置，机械爪张开到极限位置。在整个捡球过程中，机械臂执行捡球动作时，舵机的工作流程为舵机1从原始位置伸到网球位置，然后机械爪闭合夹取网球。加到网球后，机械臂缩回到容球器的上方，然后机械爪张开，网球掉落到容球器中。
在本发明较佳实施例中，单片机输出PWM信号来控制舵机。图3为本发明较佳实施例中舵机的驱动电路示意图。PWM进入驱动电路BA6688的12脚。其周期为20ms，脉宽为0.5ms-2.5ms。PWM信号和内部脉冲进行比较。H桥驱动电动机基于脉冲展宽的信号。直流偏置电压后的解调和电位计是通过比较获得的电压差电压反馈，BA66898根据该电压差通过3脚输送的PWM信号给电机驱动电路BAL6686驱动电机正反转，电动机旋转，驱动电位器旋转，导致电压进行比较后的差异为0，电机停止。
图4为本发明一种智能网球机的捡球方法的步骤流程图。在本发明中，捡球过程是在捡球机寻找到网球并走近网球之后，捡球机调整相对于网球的位置，并夹取网球，将其放到容球器的过程。如图4所示，本发明一种智能网球机的捡球方法，包括如下步骤：
步骤401，当网球在捡球机的捡球范围时，捡球机正前方的中间的红外线测距传感器测量出与网球的距离，并将其进行A/D转换后送至中央处理器。
步骤402，中央处理器获得该红外线测距传感器的信号，并将其与设定值进行比较，根据比较结果向驱动系统发出相关指令。具体地说，若此距离大于设定上限值，则捡球机向前行走，若此距离小于设定下限值，则捡球机向后行走，直到此距离在设定的范围之内。
步骤403，位于两侧的红外线测距传感器开始工作，并将检测结果进行A/D转换后送至中央处理器；
步骤404，中央处理器判断网球是否在捡球机前方偏左或偏右的位置，并根据判断结果对捡球机进行位置调整，使网球位于捡球机正前方。具体地说，若位于两侧的红外线测距传感器其中一个检测到网球，则说明网球在捡球机前方偏左或偏右的位置，此时，机械臂伸到极限位置时，也不能成功夹球，因此需控制捡球机调整自身位置，使两个红外线测距传感器都检测不到网球，此时，网球位于捡球机正前方，机械臂伸到极限位置可以成功夹球。而夹取网球之后，机械臂收回到极限位置，松开机械爪后，网球恰好能掉落到容球装置中。
步骤405，位于中间的红外线测距传感器再次测量捡球机与网球的距离，通过微前进或微后退来调整与网球的距离，直到二者距离在设定的范围内；
步骤406，当网球在设定范围内，机械臂伸到设定距离，闭合机械爪抓到网球；抓取网球之后，机械臂缩回到设定位置，并张开机械爪，网球掉落到容球器中。
图5为本发明较佳实施例中捡球机工作的流程图。首先，位于捡球机前方的红外线测距传感器会测量捡球机和网球之间的距离。单片机接受到测距传感器的信号，并将信号与设定值相比较，并根据比较结果向运动系统发出相关指令，如图所示，若此距离大于设定上限值，则捡球机向前行走；若此距离小于设定下限值，则捡球机向后行走，直到此距离在设定的范围之内。
之后，位于捡球机正前方两侧的传感器开始工作。若左侧的传感器检测到网球，则说明网球在捡球机正前方偏左侧的位置，捡球机会向右转；若右侧的传感器检测到网球，则说明网球在捡球机正前方偏右侧的位置，捡球机会向左 转。直到左右两个传感器都检测不到网球，此时说明网球处于捡球机的正前方的中间位置。
然后，位于中间的传感器会再次测量捡球机与网球的距离，通过微前进或微后退来调整与网球的距离，直到二者距离设定的范围内。此时，捡球机完成自身相对于网球位姿的调整。
最后，机械臂开始执行捡球动作。当网球在设定范围内，机械臂伸到设定距离，闭合机械爪时，恰好能抓到网球。抓取网球之后，机械臂缩回到设定位置，并张开机械爪，网球会掉落到容球器中。本发明涉及捡球工作结束。
图6为本发明较佳实施例中机械臂的控制流程图。机械臂的控制实质上是两个机械臂舵机的控制。其中一个舵机控制机械臂的伸缩，另一个控制机械爪的开合。通过控制舵机的旋转角度，控制机械臂的伸缩距离和机械爪的开合程度。如此以来，便可控制机械臂捡取掉落的网球并把捡到的网球放到容球器中。假设舵机1控制机械臂的伸缩，舵机2控制机械爪的开合。初始时，机械臂缩到极限位置，机械爪张开到极限位置。在整个捡球过程中，机械臂执行捡球动作时，舵机的工作流程为舵机1从原始位置伸到网球位置，然后机械爪闭合夹取网球。加到网球后，机械臂缩回到容球器的上方，然后机械爪张开，网球掉落到容球器中。
综上所述，本发明一种网球捡球机的捡球系统及方法采用红外线测距技术实现了智能捡球机的视觉功能，用单片机等微处理器实现了捡球机的行走路线控制，用四个直流电机组成的驱动系统实现了捡球机的行走及实时位置反馈，用机械手臂实现了捡球机的捡球动作，能够完成网球的自动捡取工作，可以方便捡拾网球场上散落的网球，节省人力资源。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。