基于传感器网络的智能网球收集车避障系统研究与应用

冀梦婷,徐振,刘续坤

摘要：随着网球运动的发展,越来越多的人成为网球爱好者。但是网球训练时散落在地上网球的拾取极大的影响了爱好者的热情。为了解决网球拾取困难的问题,本文基于视觉识别技术开发了智能捡网球机器人,可以智能的识别网球,将网球拾取放入球筐中。本文将机器人整体分为三个模块:网球识别模块、网球拾取模块、运动控制模块。在网球识别方面,提出了基于网球颜色特征、网球轮廓特征和高度信息的两种网球识别算法。基于网球颜色特征的网球识别算法主要利用了网球的HSV颜色特征进行网球识别。

关键词：智能捡网球机器人;视觉识别;网球识别;

一、引言

基于视觉识别技术的智能捡网球机器人要实现以下功能：通过分析摄像机采集的图像，能够准确识别网球场上散落的网球。根据识别结果向运动控制系统发送运动命令，运动到网球位置，将网球拾取放入储球筐内。因此机器人总体可分为3个模块：网球识别模块、网球拾取模块、运动控制模块。在机器人工作过程中，视觉识别技术充当着机器人的眼睛，是机器人开发的主要研究内容。

二、总体方案设计

机器人总体方案设计采用上位机和下位机分层工作的方式。上位机负责网球识别，运动规划，将运动命令发送给下位机。下位机负责执行上位机的命令，通过接收到的运动命令，完成机器人运动控制和网球拾取工作。因为上位机负责的图像采集、图像处理工作需要较高的处理速度，所以使用笔记本电脑作为上位机，下位机负责运动控制，网球拾取工作，采用性价比较高的单片机STM32，上位机与下位机的通信工作通过串口完成。

（一）网球识别模块

网球识别算法是本文研究的重点内容。评价网球识别算法的标准包括准确性、实时性、鲁棒性。所研发的网球识别算法必须满足这三个方面，准确性指能够准确识别图像中的网球，不漏球，也不能误识别，实时性是因为应用场景为运动的机器人，算法运行速度太慢将影响机器人的工作效果，鲁棒性是因为有些网球场是室外环境，阳光等干扰因素较多，要求算法能够抵挡外界环境的冲击。

网球识别算法通过网球的颜色特征、轮廓特征、高度信息，完成对网球的识别，输出识别结果。本文选择了640320分辨率的摄像头作为基于网球颜色特征识别算法的图像采集设备，选择双摄像头（每个摄像头分辨率均为640320）作为基于网球轮廓特征和高度信息识别算法的图像采集设备。

（二）网球拾取模块

网球拾取模块的工作是能够流畅高效的拾取网球，将网球放入储球筐中，所以包含两个部分，分别为网球拾取机构和网球提升机构。

（三）运动控制模块

运动控制模块的工作是执行上位机的运动命令，承载网球识别模块在网球场内高速运动，可分为两个部分，分别是硬件设计和软件设计。硬件设计部分包括单片机的选型，根据负载和运动速度要求选择合适的电机和电机驱动器，机器人的运动底盘，相关的硬件电路等。软件设计部分包括控制电机转速，以及基于网球场应用编写一些特定的运动控制算法。

三、捡球机构设计

机器人完成了网球识别功能，需要验证网球识别是否准确，为此设计了相应的捡球机构。捡球机构是机器人的“手臂”，完成将网球拾取放入储球筐内的工作，展示了捡网球机器人的本质功能，其设计应尽量简单的同时保证捡球动作的流畅高效。

（一）捡球机构与提升机构的一体化设计

本文设计的捡球机构如图1所示。该机构使用两个滚筒，一个主动，一个被动，在传送带上按固定间隔粘接柔性挡板。通过主动滚筒的转动带动传送带转动，柔性挡板随着传送带转动，当挡板遇到网球时，会将网球推入升高板中，网球因为挡板的推动会在升高板上逐渐升高，直至运动到最高点脱离升高板，网球掉入储球筐，这样就完成了将网球拾取到捡球筐中的过程。

图1捡球机构设计

使用带传动配合升高板的设计实现了捡球动作与提升动作的一次性完成，降低了机构的复杂程度。提升机构的设计进行了如下考虑。首先下方滚筒的固定位置、滚筒的直径，传送带的厚度，升高板的位置要综合考虑，使得当挡板将网球推入时，网球不会被挡板和升高板夹住出现卡住的现象。要保证网球刚接触升高板时，挡板已经旋转到跟升高板垂直的位置。

第二点要注意保证升高板所在的平面和传动带所在的平面是处于平行状态的，这样才能使挡板向上推动网球时所用的力最小进而效率最高。是捡球机构上使用的挡板及传送带，这是一种柔性挡板，相比于刚性挡板，这种柔性挡板在与网球接触时的动作较为柔和，不会发生强烈的震荡。设计柔性挡板时，高度H的设计要考虑当挡板与网球接触时，挡板的底端位于网球的中下部分，挡板H的高度设计的过低会导致让挡板刚与网球接触时更容易嵌入网球中，这样收球效果会受影响，收球的成功率会降低。

（二）储球筐、张紧装置及整体框架式设计

1. 储球筐

储球筐的设计要考虑储球数量和安装方式。本文设计的储球筐由筐体、固定框架、导球板组成，储球筐的尺寸为240mm240mm360mm，一次可储存70个网球。导球板设计的作用是为了适应网球筐的宽度小于车体宽度的情况下使网球顺利进入网球筐中，不会让网球掉在外面。

2. 张紧装置

捡球机构的设计基于传送带，所以要设计相应的张紧装置来调整传送带的松紧。捡球装置下方的滚筒为主动滚筒，上方的滚筒为从动滚筒，张紧装置的设计两端是对称设计的。在机架上铣出一个矩形槽作为张紧调整空间，通过调整从动滚筒的支撑端在矩形槽内的位置来调整传送带的松紧。调整好传动带的松紧后，使用螺栓和螺母进行固定。

3. 整体框架式设计

将捡球车整体结构进行了框架式设计。将承力部分使用铝型材，这种型材加工方便而且价格便宜，外观变的简约且进一步降低了机器人重量。

四、传送带偏移问题

在传送带运行过程中，出现传送带偏移的问题，也就是传送带在运转过程中除了沿滚筒圆周的运动外，还有沿滚筒轴向的运动，在传送带转动前沿传动带边缘在滚筒上画一黑色标志线，传送带转动一段时间后停止转动，可以观察到传动带沿滚筒轴向偏移了一段距离，这就是传送带偏移现象。发生原因是因为传送带运动时在滚筒轴向方向受力使传动带产生了沿滚筒轴向的加速度。传送带偏移现象会使传送带与固定架发生剧烈摩擦，严重影响传送带运行的平稳性和寿命。

目前在工业流水线上处理传送带偏移问题的方法主要有三种。第一种是将滚筒做成纺锤型，利用中间部分的传送带所受的张紧力比两端的大，进而抵消传送带运动时收到的轴向偏移力。第二种是在滚筒两端加挡圈，阻止偏移的传送带与机架接触，这种方式多用于重载条件下。第三种是在滚筒上铣O型槽，在传送带背部加导条，通过导条嵌入到O型槽中阻止传送带偏移,这种方式通常导条的位置位于传送带的中心位置。由于捡球机构的传送带工作类型属于轻载，纺锤型的滚筒不利于在传送带上粘接挡板，最终选用了第三种方式解决了传送带偏移的问题。

五、结论

本文设计了基于传感器网络的智能网球收集车避障系统。设计了基于带传动的高效捡球机构，同时为了降低机构复杂性，将捡球机构和提升机构进行了一体化设计。机器人整体结构使用了基于型材的框架式设计，在控制机器人重量的同时外观较为简洁。此外还设计了储球筐、张紧机构等，这些机构组合在一起形成了流畅高效的捡球机构。

参考文献：

[1]闻晓光.一种捡球器[P].中国：CN204293784U,2015-04-29.

[2]曹洁,马飞,牛丽波,王进花,贵向泉,耿振节,朱小琴,张玲,侯亮,陈牧,王川.智能捡球机器人系统及其捡球方法[P].中国：CN103345252A,2013-10-09.

[3]杨毅,刘亚辰,杨鑫,付元,雷金周,魏冠伟,张占磊,雷勇.自主捡球机器人[P].中国：CN101579857,2009-11-18.

[4] 吕腾飞,陆丽,何炳林,朱晓璇,陈涛.智能网球捡球机的研制[J].电子世界,2013(12):68-69.