鄧志文

(西安文理學(xué)院體育學(xué)院,陜西 西安 710065)

發(fā)球機(jī)的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是負(fù)責(zé)驅(qū)動發(fā)球機(jī)進(jìn)行發(fā)球操作的部件。通過控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行,可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)球機(jī)發(fā)球速度的調(diào)節(jié)和控制[1]。在羽毛球發(fā)球機(jī)中,電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常由電動馬達(dá)、傳動裝置(如齒輪箱或皮帶傳動)和發(fā)球裝置組成。電動馬達(dá)提供動力,傳動裝置將電動馬達(dá)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為發(fā)球裝置的運(yùn)動,從而產(chǎn)生羽毛球的發(fā)球動作[2]。但在實(shí)際應(yīng)用過程中通常存在無法準(zhǔn)確控制發(fā)球速度的問題[3],由此造成用戶實(shí)際需求無法滿足,影響用戶的使用感受。通過速度自動控制系統(tǒng),可以根據(jù)用戶設(shè)定或預(yù)設(shè)的參數(shù),調(diào)節(jié)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出速度,控制發(fā)球機(jī)發(fā)球的速度。

針對發(fā)球機(jī)速度控制問題,相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者進(jìn)行了專業(yè)研究。周嘉俊等[4]在研究速度控制系統(tǒng)時引入了史密斯預(yù)估器,并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,該系統(tǒng)控制過程所使用的數(shù)據(jù)類型過于單一,導(dǎo)致控制精度受限。胡春生等[5]在研究速度控制問題時設(shè)計了以STM單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng),該系統(tǒng)的控制過程響應(yīng)速度較慢。郭昕等[6]在研究速度控制系統(tǒng)時,利用優(yōu)化后的雙冪次趨近律提升控制精度,該系統(tǒng)的人機(jī)交互性能較差,無法滿足用戶需求。

羽毛球發(fā)球機(jī)系統(tǒng)目前存在一些不足,如發(fā)球機(jī)種類少、系統(tǒng)功能不夠完善且智能化程度較低,使得羽毛球的使用滿足感有所降低。同時,羽毛球的飛行軌跡受空氣阻力的影響嚴(yán)重,使得羽毛球飛行控制難度大。

針對這些問題,本文提出采用無線傳感技術(shù)快速采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置及電流信息、傳輸控制指令,通過模糊PID控制方法實(shí)現(xiàn)出球速度范圍大且精確可控以及發(fā)球方位、頻率自動調(diào)整的羽毛球自動發(fā)球機(jī)控制。由此,發(fā)球機(jī)就能夠根據(jù)需求自動調(diào)整發(fā)球速度,滿足不同使用者的要求和訓(xùn)練需求。

1 羽毛球發(fā)球機(jī)速度自動控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為基于無線傳感技術(shù)的羽毛球發(fā)球機(jī)速度自動控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)包含觀測控制單元、視覺處理單元、嵌入式處理器、關(guān)節(jié)FPGA控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括儲球模塊、取球模塊、送球模塊和發(fā)球模塊。發(fā)球模塊采用模糊PID控制算法控制羽毛球發(fā)球速度。關(guān)節(jié)FPGA控制器利用無線傳感技術(shù)采集各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置與電流等信息,并通過LVDS芯片將所采集信息傳輸至嵌入式處理器內(nèi)。嵌入式處理器作為系統(tǒng)控制核心,主要功能為依據(jù)所獲取的執(zhí)行機(jī)構(gòu)信息,控制羽毛球發(fā)球機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)運(yùn)動與軌跡規(guī)劃,其通過基于無連接UDP傳輸協(xié)議的千兆網(wǎng)絡(luò)同兩個單元進(jìn)行通信。觀測控制單元以PC機(jī)為核心,主要功能為采集羽毛球軌跡并傳輸至嵌入式處理器內(nèi)進(jìn)行羽毛球軌跡預(yù)測;視覺處理單元同樣以PC機(jī)為核心,主要功能是為用戶提供人機(jī)交互界面。

圖1 基于無線傳感技術(shù)的羽毛球發(fā)球機(jī)速度自動控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 基于無線傳感技術(shù)的關(guān)節(jié)FPGA控制器設(shè)計

圖2為基于無線傳感技術(shù)的關(guān)節(jié)FPGA控制器結(jié)構(gòu)框圖。關(guān)節(jié)FPGA控制器主要功能為利用無線傳感器子模塊中的力矩傳感器、電流傳感器等采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置與電流等信號,并傳輸至嵌入式處理器內(nèi)。各無線傳感器所獲取的執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后[7],利用串行總線傳輸至FPGA內(nèi),并在其中進(jìn)行解碼獲取不同無線傳感器采集的信息。FPGA將無線傳感器數(shù)值傳輸至嵌入式處理器內(nèi)進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)軌跡規(guī)劃。

圖2 基于無線傳感技術(shù)的關(guān)節(jié)FPGA控制器結(jié)構(gòu)

無線傳感器是關(guān)節(jié)FPGA控制器的核心,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的監(jiān)測與通信任務(wù)都是在無線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行的[8],所以其工作性能對于FPGA來說極為重要。無線通信能力是無線傳感器節(jié)點(diǎn)功能分析的重點(diǎn)內(nèi)容[9],傳感器節(jié)點(diǎn)間的無線通信主要依靠由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層與應(yīng)用層共同組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。圖3為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議架構(gòu)。其中,物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的功能分別為發(fā)送信號和管理傳播介質(zhì)[10];網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層的功能分別為確定不同無線傳感器節(jié)點(diǎn)間信息轉(zhuǎn)發(fā)路徑和端與端間的信息傳輸;應(yīng)用層則是負(fù)責(zé)提供外設(shè)接口。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議架構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi),傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供能[11],導(dǎo)致無線傳感網(wǎng)絡(luò)的生存周期受到明顯約束,因此通過科學(xué)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)部署方式防止無線傳感網(wǎng)絡(luò)生存周期過短造成系統(tǒng)功能缺失極為關(guān)鍵。通常情況下,傳感器節(jié)點(diǎn)的部署方案可分為兩種[12],分別是非均勻部署方案與均勻部署方案。S1表示非均勻部署方案條件下的無線傳感網(wǎng)絡(luò)生存周期:

(1)

式中:φ0為無線傳感器節(jié)點(diǎn)初始能量,φ為信道路徑損耗,k0為單個轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)單位時間內(nèi)產(chǎn)生的信息量,d為無線傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離,A為轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)數(shù)量,Ee為接收或發(fā)送范圍比特數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)能耗,N為無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量,n為傳感器節(jié)點(diǎn)通信距離。

S2表示均勻部署方案條件下的無線傳感網(wǎng)絡(luò)生存周期:

(2)

基于以上分析能夠得到,在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域擴(kuò)張的條件下,兩種無線傳感器節(jié)點(diǎn)部署方案下的無線傳感網(wǎng)絡(luò)生存周期均呈現(xiàn)先延長后縮短的趨勢[13]。但在無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量一致時,采用非均勻部署方案的無線傳感網(wǎng)絡(luò)生存周期比均勻布部署方案長,所以在系統(tǒng)設(shè)計過程中,無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計采用非均勻部署方案。

1.3 發(fā)射模塊設(shè)計

羽毛球發(fā)射機(jī)具有高度自動化、穩(wěn)定性與靈敏性等優(yōu)勢[14],其發(fā)射模塊采用對轉(zhuǎn)雙輪理論,摩擦輪在直流電動機(jī)帶動下進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn),通過旋轉(zhuǎn)摩擦令羽毛球獲取相應(yīng)初速度。圖4為發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖4 發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)

從圖4可知,在直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)作用下,兩個摩擦輪進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,通過摩擦令羽毛球獲取相應(yīng)的動能,在此條件下羽毛球會以相應(yīng)速度發(fā)射出去。利用該發(fā)射模塊不僅能夠令羽毛球穩(wěn)定地發(fā)射出去,同時還能夠準(zhǔn)確地控制羽毛球發(fā)射的角度與速度,用戶可根據(jù)自身實(shí)際需求練習(xí)羽毛球。發(fā)射模塊采用基于模糊PID的控制算法控制羽毛球發(fā)射速度。圖5為基于模糊PID控制算法的發(fā)球速度控制原理。

圖5 基于模糊PID控制算法的發(fā)球速度控制原理

標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法如下式所示:

(3)

式中:y(l)和u(l)分別為第l個采樣時刻輸入量和輸出量,KP、KI和KD分別為比例、積分和微分系數(shù),r(i)為第i個積分動作所用時間。

模糊PID控制算法是以標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法為基礎(chǔ),將誤差W與誤差變化率WC作為輸入,基于模糊原理優(yōu)化PID控制算法的相關(guān)參數(shù)。利用式(4)描述KP、KI和KD與W、WC間的函數(shù)關(guān)系:

(4)

式中:f1,f2,f3為補(bǔ)償參數(shù)。

基于模糊PID控制算法控制發(fā)射模塊直流電動機(jī)的速度,設(shè)H1和H2分別為兩個摩擦輪的角速度,由此確定兩個摩擦輪線速度v1、v2:

(5)

式中:R為摩擦輪半徑。

當(dāng)H1=H2時,羽毛球不旋轉(zhuǎn),其初始速度v即為瞬時速度,v=v1=v2;當(dāng)H1>H2時,羽毛球向1號摩擦輪方向旋轉(zhuǎn);當(dāng)H1

2 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對于羽毛球發(fā)球速度的控制效果,在MATLAB平臺上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),模擬羽毛球發(fā)球機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)過程中,PID參數(shù)設(shè)定為KP=0.90、KI=1.05、KD=0.55。摩擦輪半徑為5 cm。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中,每個節(jié)點(diǎn)初始能耗為1 J。其中收發(fā)電路在處理1 bit數(shù)據(jù)量時,需要消耗3.5×10-9J/bit的能量。此外,單個節(jié)點(diǎn)承載的最大數(shù)據(jù)量為6×104bit。

表1為發(fā)球機(jī)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相關(guān)性能指標(biāo)。

表1 發(fā)球機(jī)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)性能指標(biāo)

2.1 模糊PID控制算法階躍響應(yīng)分析

分析模糊PID控制算法的階躍響應(yīng)情況,所得結(jié)果如圖6所示。分析圖6可知,本文系統(tǒng)采用模糊PID控制算法控制發(fā)球速度時,響應(yīng)速度較快,能夠以較快的速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且不存在明顯的超調(diào)響應(yīng)。由此說明模糊PID控制算法具有較好的應(yīng)用性能。

圖6 模糊PID控制算法階躍響應(yīng)分析結(jié)果

2.2 發(fā)球速度控制效果分析

隨機(jī)設(shè)定兩種發(fā)球速度,采用本文系統(tǒng)控制發(fā)球機(jī)的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)球速度,對每種發(fā)球速度分別進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)并統(tǒng)計結(jié)果,見表2。分析表2可知,當(dāng)設(shè)定預(yù)期發(fā)球速度為55個/min時,僅有兩次實(shí)驗(yàn)發(fā)球數(shù)量少了一個。當(dāng)設(shè)定預(yù)期發(fā)球速度為上限120個/min時,有兩次實(shí)驗(yàn)發(fā)球數(shù)量與預(yù)期數(shù)量一致,而發(fā)球數(shù)量差異最為顯著的是第9次實(shí)驗(yàn),發(fā)球數(shù)量少了3球。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是預(yù)期發(fā)球速度為發(fā)球機(jī)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)球速度上限,系統(tǒng)處于極限工作狀態(tài)下。由此可知,本文系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地控制發(fā)球速度,提升用戶的使用感受。

表2 發(fā)球速度控制結(jié)果

2.3 發(fā)球精度控制效果分析

除了速度外,發(fā)球的落點(diǎn)也非常重要。在實(shí)驗(yàn)中,將發(fā)球目標(biāo)設(shè)定在一個特定的區(qū)域內(nèi),區(qū)域劃定為一個直徑為0.3 m的圓,通過測量每次發(fā)球的落點(diǎn)與圓心的距離來評估發(fā)球的精度。選取文獻(xiàn)[4]中基于改進(jìn)史密斯預(yù)估器的控制系統(tǒng)和文獻(xiàn)[6]中基于改進(jìn)型雙冪次趨近律的控制系統(tǒng)為對比系統(tǒng),3種系統(tǒng)發(fā)球精度控制結(jié)果見表3。由表3可知,本文系統(tǒng)發(fā)球落點(diǎn)距離圓心最大值為0.26 m,均在目標(biāo)區(qū)域內(nèi),而文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)的發(fā)球落點(diǎn)距離圓心最大值分別為0.59和0.67 m,表明本文系統(tǒng)的發(fā)球精度更高,具有較好的應(yīng)用性能。

表3 發(fā)球精度控制結(jié)果

2.4 控制指令響應(yīng)性能測試

為測試本文系統(tǒng)應(yīng)用過程中的控制指令響應(yīng)性能,在發(fā)球機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)出增速或減速指令,測試指令發(fā)出后系統(tǒng)的響應(yīng)時間。3種系統(tǒng)控制指令響應(yīng)時間對比結(jié)果見表4。由表4可知,本文系統(tǒng)控制指令響應(yīng)時間最快為0.14 s,文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)的控制指令響應(yīng)時間最快分別為0.43和0.23 s,表明本文系統(tǒng)在應(yīng)用過程中具有更快的控制指令響應(yīng)效率,更能滿足用戶的使用需求。

表4 控制指令響應(yīng)時間對比

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于無線傳感技術(shù)的羽毛球發(fā)球機(jī)速度自動控制系統(tǒng),利用無線傳感技術(shù)采集發(fā)球模塊的各類信號,基于信號采集結(jié)果,通過PID控制算法控制電機(jī)輸出,由此實(shí)現(xiàn)羽毛球發(fā)球速度控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能。由于時間與技術(shù)所限,本文系統(tǒng)還存在一定不足,如無線傳感技術(shù)的信號傳輸距離有限,如果發(fā)球機(jī)與控制系統(tǒng)之間的距離過遠(yuǎn),信號可能會變?nèi)趸驘o法傳輸,導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法準(zhǔn)確感知和控制發(fā)球機(jī)的速度,在未來的研究過程中還需要持續(xù)優(yōu)化。