趙義龍　劉劍　侯靜　張童　李浩

摘要：智能手機(jī)以其獨(dú)有的特點(diǎn)正為人們提供越來越多的技術(shù)成果。本文設(shè)計(jì)了一種基于智能手機(jī)控制的網(wǎng)球撿球機(jī)，-首先闡述了基于智能手機(jī)控制的網(wǎng)球撿球機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能，然后介紹了該撿球機(jī)的設(shè)計(jì)原理，包括系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)設(shè)計(jì)。在撿球過程中，撿球機(jī)可以獨(dú)立完成撿球信號(hào)的接收、網(wǎng)球的識(shí)別、拾取網(wǎng)球等一系列動(dòng)作。使用手機(jī)控制的撿球機(jī)系統(tǒng)具有低成本、使用靈活的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球撿球過程的智能化、高效化。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；撿球機(jī)；藍(lán)牙通信；遠(yuǎn)程控制

1.網(wǎng)球撿球機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外已有的網(wǎng)球撿球機(jī)大約有四類：第一類是手推式的撿球機(jī)，需要靠人推著車去撿球，無智能裝置區(qū)。第二類是電動(dòng)控制的撿球機(jī)，需要靠人操控完成撿球，無智能裝置。第三類是自動(dòng)控制的撿球車，每次只能撿一個(gè)球，且沒有避人避障等一些基本的控制，僅限用于實(shí)驗(yàn)，智能性較差。第四類是基于上位機(jī)結(jié)合場(chǎng)地?cái)z像頭采集圖像的總體控制方案，其控制方式僅適用于大規(guī)模的網(wǎng)球場(chǎng)，而且系統(tǒng)控制方式復(fù)雜，成本較高，不易攜帶。

當(dāng)前網(wǎng)球撿球工具體積大且自動(dòng)化程度低，比較笨拙。浪費(fèi)運(yùn)動(dòng)員體能，不方便打球，需要人工操作，與智能化撿球機(jī)相比消耗更多的時(shí)間與體力。而且造價(jià)高，一般網(wǎng)球場(chǎng)很難購買，因此，它的適用范圍小，普及度低。

為了網(wǎng)球撿球機(jī)的功能更加智能化、人性化，我們研制了一種撿球拾取過程的方便、快捷的基于智能手機(jī)控制的網(wǎng)球撿球機(jī)?；谥悄苁謾C(jī)控制的網(wǎng)球撿球機(jī)由手機(jī)藍(lán)牙控制平臺(tái)、藍(lán)牙HC-06通信模塊、網(wǎng)球識(shí)別模塊、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、撿球系統(tǒng)和控制器組成，撿球機(jī)在接收手機(jī)控制平臺(tái)發(fā)出的撿球命令后，靈活識(shí)別場(chǎng)地上的網(wǎng)球，進(jìn)而拾取網(wǎng)球。

2.網(wǎng)球撿球機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于智能手機(jī)控制的網(wǎng)球撿球機(jī)由智能手機(jī)藍(lán)牙控制平臺(tái)、藍(lán)牙HC-06通信模塊、網(wǎng)球識(shí)別模塊、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、撿球系統(tǒng)和控制器組成。智能手機(jī)的藍(lán)牙控制平臺(tái)作為客戶端，撿球機(jī)上的藍(lán)牙模塊HC-06作為服務(wù)端，服務(wù)端采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制，雙方通過串口進(jìn)行通信，單片機(jī)通過控制撿球機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、撿球系統(tǒng)以完成相應(yīng)的撿球功能。

網(wǎng)球撿球機(jī)以AT89C51單片機(jī)為核心，外圍電路包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，撿球系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路，網(wǎng)球識(shí)別模塊，藍(lán)牙HC-06模塊。撿球機(jī)上的網(wǎng)球識(shí)別系統(tǒng)能快速搜尋網(wǎng)球，單片機(jī)控制行走電動(dòng)機(jī)、撿球電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作以拾取網(wǎng)球。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員需要撿球時(shí)，只需打開手機(jī)藍(lán)牙控制平臺(tái)，發(fā)出撿球命令，此時(shí)手機(jī)藍(lán)牙就與網(wǎng)球撿球機(jī)上的藍(lán)牙模塊建立通信，將撿球命令發(fā)送給撿球機(jī)，撿球機(jī)得到命令后，通過智能識(shí)別系統(tǒng)快速找到網(wǎng)球的位置，撿球機(jī)運(yùn)動(dòng)到其位置將網(wǎng)球拾取。

2.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該撿球機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路分為五個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、網(wǎng)球識(shí)別模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、，其中AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)是撿球機(jī)控制器的核心部分，網(wǎng)球識(shí)別模塊的原理類似于圖像處理系統(tǒng)，首先我們把網(wǎng)球的圖片信息輸入網(wǎng)球識(shí)別模塊系統(tǒng)中，優(yōu)化網(wǎng)球識(shí)別算法，使網(wǎng)球識(shí)別系統(tǒng)能在復(fù)雜、多變的環(huán)境中識(shí)別出網(wǎng)球的位置，確保撿球機(jī)在不同的環(huán)境下都能拾取網(wǎng)球。電源模塊由兩部分組成，一部分接外部電源，用于供電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)行，另一部分由電池電源供電，以確保單片機(jī)最小系統(tǒng)、網(wǎng)球識(shí)別模塊、藍(lán)牙HC-06模塊的正常工作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要兩個(gè)部分，一部分是對(duì)電機(jī)行走系統(tǒng)的控制，即對(duì)撿球機(jī)4個(gè)輪子的運(yùn)行狀態(tài)的控制，包括輪子的進(jìn)退、轉(zhuǎn)向方向和速度的控制；另一部分是控制撿球機(jī)的撿球機(jī)構(gòu)動(dòng)作，包括撿球機(jī)構(gòu)對(duì)網(wǎng)球的抓取、釋放、各種角度動(dòng)作的調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴(kuò)展部分等部分組成，是單片機(jī)能正常工作并能實(shí)現(xiàn)所要的控制要求的基本組成部分。對(duì)于51系列的單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示。現(xiàn)今市面上的單片機(jī)的類型有很多，51結(jié)構(gòu)的單片機(jī)有AT89CXX系列、AT89SXX系列、AT89C20系列或STC系列的所有單片機(jī)都可實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.2.2藍(lán)牙HC-06模塊

撿球機(jī)上的藍(lán)牙模塊選擇HC-06模塊，用于接受手機(jī)平臺(tái)發(fā)出的撿球命令，把撿球信號(hào)傳遞給控制器從而使撿球機(jī)完成相應(yīng)的動(dòng)作。藍(lán)牙HC-06模塊芯片共有VCC、GND、RXD、TXD 4個(gè)引腳，可以對(duì)單片機(jī)無線升級(jí)和下載程序。它的主要作用是通過串口與AT89C51進(jìn)行通信，傳遞智能手機(jī)藍(lán)牙開發(fā)平臺(tái)發(fā)出的撿球命令，直接打開手機(jī)藍(lán)牙開發(fā)平臺(tái)，點(diǎn)擊撿球按鈕，便通過與藍(lán)牙模塊的信息連接配對(duì)成功后，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制撿球機(jī)拾取網(wǎng)球的功能。

2.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括5個(gè)電動(dòng)機(jī)，其中4臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制4個(gè)輪子的行走，1臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制撿球機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N電機(jī)，該電機(jī)由于其工作電壓高、輸出電流大、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)控制兩個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)的要求，一個(gè)是控制電機(jī)行走系統(tǒng)，即對(duì)撿球機(jī)4個(gè)輪子的運(yùn)行狀態(tài)的控制，包括輪子的進(jìn)退、轉(zhuǎn)向方向和速度的控制；另一個(gè)是控制撿球機(jī)的撿球機(jī)構(gòu)動(dòng)作，包括撿球機(jī)構(gòu)對(duì)網(wǎng)球的抓取、釋放、各種角度動(dòng)作的調(diào)整。

2.3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.3.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序的設(shè)計(jì)是為了單片機(jī)能對(duì)藍(lán)牙HC-06模塊接收到的來自手機(jī)藍(lán)牙平臺(tái)發(fā)出的撿球命令進(jìn)行分析判斷，從而來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)智能撿球機(jī)的自動(dòng)撿球功能。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)藍(lán)牙HC-06模塊存儲(chǔ)的命令進(jìn)行判斷分析，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行，從而控制撿球機(jī)的撿球動(dòng)作。

2.3.2手機(jī)控制平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)控制網(wǎng)球機(jī)撿球的功能，手機(jī)藍(lán)牙控制采用Eclipse開發(fā)環(huán)境，主要是對(duì)手機(jī)藍(lán)牙輸入的撿球命令進(jìn)行分析，與撿球機(jī)上的藍(lán)牙HC-06模塊建立通信，該程序分為2個(gè)模塊：平臺(tái)界面模塊，平臺(tái)監(jiān)控模塊。使用者通過點(diǎn)擊“平臺(tái)界面”里的撿球命令按鈕，在命令成功錄入后，存人相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為撿球命令判斷做好前期準(zhǔn)備，之后平臺(tái)監(jiān)控模塊與藍(lán)牙HC-06模塊、網(wǎng)球識(shí)別模塊建立通信，網(wǎng)球識(shí)別模塊檢測(cè)到球場(chǎng)有網(wǎng)球散落，藍(lán)牙HC-06模塊立刻通過串口與AT89C51進(jìn)行通信，傳遞智能手機(jī)藍(lán)牙發(fā)出的撿球命令，繼而使撿球機(jī)構(gòu)拾取網(wǎng)球。

4.結(jié)論

本文是一種應(yīng)用于各類網(wǎng)球場(chǎng)的智能網(wǎng)球撿球機(jī)。它具有一定的智能性，高效性通過其網(wǎng)球識(shí)別模塊的識(shí)別功能，能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)球，另外還具有手機(jī)控制撿球的功能，不需要人過多的參與，只要利用智能手機(jī)，就能完成撿球信號(hào)的接收、網(wǎng)球的識(shí)別、拾取網(wǎng)球等一系列動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)球撿球過程的智能化、高效化。