東南大學(xué)吳健雄學(xué)院 馮嘉偉 楊宇宸 宋雨遙 王 成 林曉輝

網(wǎng)球撿球機(jī)自動(dòng)化控制策略設(shè)計(jì)

東南大學(xué)吳健雄學(xué)院 馮嘉偉 楊宇宸 宋雨遙 王 成 林曉輝

本文針對(duì)網(wǎng)球撿球機(jī)的自動(dòng)化和智能化，提出了將遙控模塊、陀螺儀模塊、超聲波模塊與基于單片機(jī)的網(wǎng)球撿球機(jī)相結(jié)合，提出了一種能通過(guò)手動(dòng)（遙控）或自動(dòng)的方式遍歷整個(gè)球場(chǎng)的創(chuàng)新型網(wǎng)球撿球機(jī)，并在理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。該撿球機(jī)具有簡(jiǎn)單易用、拾取效率高、人為干預(yù)少的特點(diǎn)。

遙控；單片機(jī)；網(wǎng)球撿球機(jī)；超聲波測(cè)距；陀螺儀

0.引言

網(wǎng)球作為世界第一的個(gè)人運(yùn)動(dòng)，在世界范圍內(nèi)具有很大的愛(ài)好者基數(shù)，在網(wǎng)球的多球訓(xùn)練后，大量網(wǎng)球散落在球場(chǎng)上，給訓(xùn)練者帶來(lái)了很多麻煩。

目前，手動(dòng)的網(wǎng)球撿球器械已經(jīng)發(fā)展地比較成熟而且在市場(chǎng)上取得了一定的成功，主要包括筒狀和筐狀兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖1、圖2所示。

圖1 網(wǎng)球撿球筐

圖2 網(wǎng)球撿球筒

這兩種撿球機(jī)無(wú)論是在移動(dòng)還是撿球時(shí)，都需要人力來(lái)完成，這兩種撿球機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)難度較低，因此價(jià)格較為低廉，具有經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，此外由于筐狀、筒狀結(jié)構(gòu)材料使用較少，因此整體重量較輕。然而，這兩種設(shè)計(jì)本質(zhì)上仍需要人力的參與，只是減少了撿球的彎腰環(huán)節(jié)，并不能大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，也不能節(jié)省撿球的時(shí)間。

此外，李鵬在專利“一種網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī)”中提出了一種手推式的網(wǎng)球撿球機(jī)，這種撿球機(jī)上安裝有手推用的提桿，其撿球裝置由傳感器控制，當(dāng)傳感器檢測(cè)到附近有網(wǎng)球時(shí)，撿球裝置的電機(jī)開始工作，將球撿拾入收集器中。這種撿球機(jī)只需要推行即可完成撿球的工作，能夠在一定程度上提升撿球的效率，但是仍需要人為干預(yù)，且結(jié)構(gòu)體積龐大，不便于攜帶。

本文針對(duì)網(wǎng)球撿球機(jī)目前發(fā)展的難題，基于現(xiàn)在市場(chǎng)占有率很高拾取機(jī)構(gòu)做出了自動(dòng)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步提升智能化程度，節(jié)省人力。

1.手動(dòng)遙控控制

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的遙控部分采用PS2X遙控模塊，該模塊可以將信號(hào)發(fā)射器上的鍵盤或者搖桿的信號(hào)傳輸?shù)浇邮掌魃?，接收器與arduino單片機(jī)相連，由單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理并且對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，控制網(wǎng)球撿球機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

遙控控制的控制框圖如圖3所示。

考慮到使用范圍和使用工況，本設(shè)計(jì)沒(méi)有采用像汽車轉(zhuǎn)向一樣的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，而是采用了在智能小車等裝置中廣泛使用的差速轉(zhuǎn)向的解決方案。整體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

前兩個(gè)輪子為聚氨酯輪，直徑200mm，而為了保證裝置前進(jìn)時(shí)的功率和轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性，兩個(gè)后輪采用有動(dòng)力全向輪，直徑127mm。當(dāng)前后輪直徑不同時(shí)，在前進(jìn)和轉(zhuǎn)向過(guò)程中的轉(zhuǎn)速自然會(huì)有不同的要求，本設(shè)計(jì)用arduino單片機(jī)的4個(gè)端口作為4個(gè)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)信號(hào)發(fā)生端，對(duì)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行獨(dú)立的控制。

由于本設(shè)計(jì)采用了差速轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)，所以在不同的工況要求下，左側(cè)和右側(cè)的車輪相比轉(zhuǎn)速可能是不同的，但是，同側(cè)兩個(gè)輪子要求轉(zhuǎn)向相同才能保證運(yùn)動(dòng)正常。

圖3 遙控控制的控制框圖

圖4 整體設(shè)計(jì)方案

1.2 遙控系統(tǒng)擾動(dòng)消除

遙控系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)制造上存在偏差以及工況的復(fù)雜性等原因，在網(wǎng)球撿球機(jī)的調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，發(fā)射器經(jīng)常向接收器發(fā)射明顯錯(cuò)誤的鍵盤或者搖桿的位置信號(hào)，造成真?zhèn)€撿球機(jī)的異常運(yùn)動(dòng)等后果。此外，該擾動(dòng)還具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性，因此需要用軟件的方法進(jìn)行消除。

在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該擾動(dòng)的表現(xiàn)形式通常為搖桿坐標(biāo)發(fā)射的異常，很多時(shí)候，當(dāng)搖桿位置為初始位置時(shí)，即（128，128）時(shí)，接受器的接受信號(hào)經(jīng)常不確定地跳動(dòng)為（255,255），考慮到（255,255）這個(gè)坐標(biāo)在整個(gè)網(wǎng)球撿球機(jī)的使用過(guò)程中極少出現(xiàn)，因此本設(shè)計(jì)將該坐標(biāo)的出現(xiàn)視為擾動(dòng)，網(wǎng)球撿球機(jī)的接收器在接收到此信號(hào)后不對(duì)該指令做出任何反應(yīng)。

1.3 方向鍵盤信號(hào)處理

本設(shè)計(jì)采用arduino單片機(jī)的兩個(gè)端口為網(wǎng)球撿球機(jī)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制端口，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)共用一個(gè)，右側(cè)兩個(gè)電機(jī)共用一個(gè)。

在方向鍵盤控制的模式下，發(fā)射器向接收器發(fā)射的是上下左右四個(gè)方向的指令信號(hào)，設(shè)計(jì)要求為，當(dāng)收到前或后的信號(hào)時(shí)，單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送電平信號(hào)，使網(wǎng)球撿球機(jī)向正前方或正后方行駛；當(dāng)接受到向左或者向右的信號(hào)時(shí)，單片機(jī)向接收器發(fā)送控制信號(hào)，使網(wǎng)球撿球機(jī)繞著車上一點(diǎn)，向左或向右原地轉(zhuǎn)向。這也就要求，在向前行駛模式時(shí)，左右兩側(cè)電機(jī)均向前轉(zhuǎn)動(dòng)，在向后行駛時(shí)，所有電機(jī)向后轉(zhuǎn)動(dòng)，左轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)電機(jī)向前，左側(cè)電機(jī)向后，右轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)電機(jī)向后，左側(cè)電機(jī)向前。

由于前后運(yùn)動(dòng)時(shí)要求直線運(yùn)動(dòng)，左右轉(zhuǎn)向時(shí)要求原地轉(zhuǎn)動(dòng)，所以左右側(cè)的聚氨酯輪要求轉(zhuǎn)速一致，麥克納姆輪也要轉(zhuǎn)速一致，而前后輪的轉(zhuǎn)速之比由于直徑不同，要求直行時(shí)與直徑成反比，即127/200左右，而轉(zhuǎn)向時(shí)，由于安裝位置和差速轉(zhuǎn)向的特性，經(jīng)過(guò)計(jì)算，比值在0.61左右為宜。這也就要求arduino單片機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速的要求和驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分值送相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)至驅(qū)動(dòng)器。本設(shè)計(jì)采用軟件延時(shí)的方法解決這一問(wèn)題，首先在初始化時(shí)將向4個(gè)驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)的4個(gè)端口的電平全部拉高。將每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期設(shè)為10ms，每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中可分為10000個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為1μs的計(jì)數(shù)周期，在每個(gè)計(jì)數(shù)周期中，單片機(jī)主要完成延時(shí)1μs和計(jì)數(shù)的工作，當(dāng)在某一計(jì)數(shù)周期中，軟件計(jì)數(shù)的值與預(yù)先計(jì)算得到的前/后輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需的時(shí)間值相等時(shí)，單片機(jī)即將該端口的電平拉低1μs，再將該口電平拉高，形成一個(gè)脈沖，使該端口控制的電機(jī)步進(jìn)。

1.4 搖桿信號(hào)的處理

搖桿信號(hào)時(shí)通過(guò)發(fā)射器發(fā)射的模擬信號(hào)，橫坐標(biāo)為0～255，縱坐標(biāo)也為0～255，在初始狀態(tài)下，即無(wú)人為干預(yù)時(shí)，搖桿坐標(biāo)為（128,128），與方向鍵盤信號(hào)相比，搖桿信號(hào)的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了前后左右四個(gè)方向指令，需要對(duì)接受器接受到的二維坐標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性處理，發(fā)現(xiàn)這些坐標(biāo)中的共性和個(gè)性，提出個(gè)性化的解決方案。

本設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)函數(shù)，將搖桿傳送的二維數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為左右兩側(cè)的速度信號(hào)。

本設(shè)計(jì)將式子1-1和1-2的計(jì)算結(jié)果d和e的絕對(duì)值作為左右兩側(cè)電機(jī)的相對(duì)速度值，將結(jié)果的正負(fù)作為兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)向的參考值，可見(jiàn)在這種處理方式下，當(dāng)橫坐標(biāo)小于128時(shí)，網(wǎng)球撿球機(jī)會(huì)向左轉(zhuǎn)向，且坐標(biāo)越小，轉(zhuǎn)速越快，同理，在向其他三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)也同樣滿足設(shè)計(jì)要求，且可以完成“邊轉(zhuǎn)邊走”的任務(wù)，大大提高了運(yùn)動(dòng)的靈活性和可控性。

在確定了兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和相對(duì)速度之后，只需要向相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器和脈沖信號(hào)即可，但這里需要注意的是，如果使用和方向鍵盤信號(hào)一樣的軟件延時(shí)方法來(lái)控制轉(zhuǎn)速的話，相對(duì)速度大小需要轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗俣鹊慕^對(duì)值大小和脈沖的周期是成反比的，可以用一個(gè)較大的整數(shù)除以相對(duì)速度而得到相應(yīng)的脈沖周期。

如式1-3和1-4所示，考慮步進(jìn)電機(jī)細(xì)分等因素，選取整數(shù)2560，將速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為合適的脈沖周期。與1.3部分一樣，控制循環(huán)中，每個(gè)循環(huán)都有1μs的延時(shí)，當(dāng)軟件計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)值能被b或者c整除時(shí)，向前輪或者后輪送脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)完成步進(jìn)。

2.自動(dòng)遍歷控制

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

該功能模式中，與遙控模式一樣，運(yùn)用arduino單片機(jī)作為控制的中樞，處理各個(gè)傳感器的信號(hào)，并且對(duì)四個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。PS2X遙控模塊同樣在該方案中得到使用，不過(guò)不作為遙控控制功能使用，而是作為緊急情況下的人為干預(yù)保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。此外，在這種工作模式下還增設(shè)了2個(gè)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊和1個(gè)MPU6050陀螺儀模塊作為負(fù)反饋信號(hào)對(duì)自動(dòng)遍歷過(guò)程中的內(nèi)部擾動(dòng)進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的高可靠性控制，系統(tǒng)的控制框圖5所示。

2.2 失控保護(hù)

該設(shè)計(jì)要求當(dāng)網(wǎng)球撿球機(jī)正在自動(dòng)遍歷球場(chǎng)時(shí)，操作人按住PS2X鍵盤上的R1鍵，作為應(yīng)急指令，當(dāng)撿球機(jī)遍歷過(guò)程中因?yàn)樽陨韮?nèi)部擾動(dòng)發(fā)生失控時(shí)，操作人需立即松開R1，當(dāng)網(wǎng)球撿球機(jī)上的接收器未接受到發(fā)射器發(fā)送的R1被按下的信號(hào)時(shí)，立即停止運(yùn)動(dòng)，防止撿球機(jī)失控后與球場(chǎng)邊網(wǎng)發(fā)生碰撞，造成撿球機(jī)的損毀。

此外，因?yàn)镻S2X遙控模塊的發(fā)射器和接收器之間可能存在信號(hào)質(zhì)量不佳或因?yàn)榫嚯x過(guò)遠(yuǎn)產(chǎn)生的遙控信號(hào)傳送問(wèn)題，該設(shè)計(jì)設(shè)定當(dāng)接收器超過(guò)50ms未收到發(fā)射器發(fā)送的任何信號(hào)時(shí)，作為失控的依據(jù)立即停止運(yùn)動(dòng)，直到再次收到控制信號(hào)。

圖5 系統(tǒng)的控制框圖

圖6

2.3 邊界的判斷

如圖6所示，網(wǎng)球撿球機(jī)的2個(gè)聚攏片前端裝有2個(gè)超聲波距離傳感器，該傳感器的能實(shí)現(xiàn)精度達(dá)到0.3cm的精準(zhǔn)測(cè)距，考慮撿球機(jī)本身的大小和旋轉(zhuǎn)中心等因素，將兩個(gè)超聲波傳感器與邊網(wǎng)距離的和d=d1+d2為100cm作為臨界值，當(dāng)網(wǎng)球撿球機(jī)在前進(jìn)過(guò)程中探測(cè)到d值小于該臨界值，則可以得出網(wǎng)球撿球機(jī)已經(jīng)在球場(chǎng)的邊界的結(jié)論，控制系統(tǒng)進(jìn)入邊界控制算法。

2.4 姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整

由于網(wǎng)球撿球機(jī)在遍歷全場(chǎng)的過(guò)程中，場(chǎng)地不平坦，摩擦力不均勻等因素的存在，可能使撿球機(jī)遍歷時(shí)的軌跡不完全垂直于邊界，該擾動(dòng)如果不被消除，將在之后的遍歷過(guò)程中不斷被放大，造成自動(dòng)遍歷的可靠性降低。

圖7

圖8

如圖7和圖8所示，當(dāng)網(wǎng)球撿球機(jī)的行進(jìn)方向與周界不完全垂直時(shí)，兩距離傳感器的測(cè)距結(jié)果將會(huì)有所不同，當(dāng)左側(cè)的測(cè)距值大于右側(cè)時(shí)，需要撿球機(jī) 向右旋轉(zhuǎn)，反之，若右側(cè)的測(cè)距值大于左側(cè)時(shí)則需要撿球機(jī)向左側(cè)旋轉(zhuǎn)，在左右兩側(cè)距離傳感器的反饋之下，撿球機(jī)不斷調(diào)整自身姿態(tài)，直到左右兩側(cè)測(cè)距值相等，撿球機(jī)的行進(jìn)方向與周界嚴(yán)格垂直，擾動(dòng)消除完成。

2.5 陀螺儀引導(dǎo)轉(zhuǎn)向

網(wǎng)球撿球機(jī)遍歷球場(chǎng)到達(dá)邊界完成姿態(tài)調(diào)整后，需要完成一系列動(dòng)作，如圖9所示：

圖9

每一次撿球機(jī)到達(dá)邊界，需要完成兩次90度的轉(zhuǎn)向和一段約75cm的直行完成邊界段的運(yùn)動(dòng)。該設(shè)計(jì)采用基于陀螺儀的負(fù)反饋控制提升轉(zhuǎn)向過(guò)程的精度和可靠性，控制流程圖如圖10所示：

圖10

Wm(s)——角度轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)；

Wo(s)——對(duì)象的傳遞函數(shù)；

WH(s)——陀螺儀傳感器的傳遞函數(shù)。

用實(shí)驗(yàn)法對(duì)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)角的無(wú)差調(diào)節(jié)，整定過(guò)程中，要求r的衰減率大于1，防止來(lái)回震蕩對(duì)系統(tǒng)造成不良影響。該過(guò)程中陀螺儀的零位漂移可以忽略不計(jì)，因零位漂移積累的誤差可以通過(guò)2.4中的姿態(tài)調(diào)整進(jìn)行消除。

撿球機(jī)在陀螺儀的負(fù)反饋調(diào)節(jié)下，按照?qǐng)D5所示的軌跡進(jìn)行轉(zhuǎn)向，即可完成邊界部分的轉(zhuǎn)向任務(wù)，轉(zhuǎn)向之后再進(jìn)行一整排的步進(jìn)，不斷循環(huán)之后即可實(shí)現(xiàn)遍歷全場(chǎng)的任務(wù)。

3.結(jié)論

在上述控制理論的指導(dǎo)下，本設(shè)計(jì)最終形成了實(shí)物，如圖11所示，實(shí)驗(yàn)證明，在本文所述的控制思想指導(dǎo)下制作的網(wǎng)球撿球機(jī)可以很好地完成高自動(dòng)化程度遍歷整個(gè)球場(chǎng)的要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定高效，節(jié)省了人力，網(wǎng)球訓(xùn)練過(guò)程中繁瑣的撿球任務(wù)可以很大程度上得到減輕。

圖11 實(shí)物圖

[1]朱建,安必勝,朱向楠．乒乓球撿球機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及感悟[J]．工程技術(shù)與應(yīng)用,2016-7(1):34-36．

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[5]李鵬．一種網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī):中國(guó),201620686496．7[P]．2016-12-28．

馮嘉偉（1996—），江蘇南通人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于東南大學(xué)吳健雄學(xué)院。