CN109589580A - 基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人及训练方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人及训练方法，属于光机电一体化设备和智能机器人技术领域。由全向移动底盘、发射机构云台、视觉识别系统和球仓机构四部分组成。主控芯片根据训练模式输出对应的命令状态，相应的执行元件发出对应的动作，测量元件把测量的数据反馈给主控芯片，并做出相应的调节动作。训练模式分为定点肌肉记忆模式、体能训练模式、高级技巧模式、随机球模式四种。全向移动可以快速精确的移动到指定位置，采用6字形供弹机构，实现了高频发球和变频发球；加入了Roll轴电机使得机器人具备发射多角度旋球的能力；采用视觉识别系统，从而实现智能化的训练目的。
Description
技术领域
本发明属于光机电一体化设备和智能机器人技术领域，具体涉及基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人及训练方法。
背景技术
目前，网球作为一项时尚而高雅的运动项目在全国各地都掀起了网球运动的浪潮，人们把网球运动作为一种健身娱乐的方式而得到普及和推广，越来越多的人都参与其中感受网球的极大魅力。由于网球运动起源于西方国家，在国内快速发展的时间还很短。因此，网球运动的起点较高，网球技术较其他项目更难掌握。绝大多数教师依然采用传统的教学模式，由于网球运动技术动作较复杂，对场地的要求较高，致使学生的实践效果较差，学生的对打能力、步伐移动速度和比赛能力等尚未形成。
“网球训练器”作为一种可以进行单人反复多次练习的辅助性教学练习器材，具备以下特点和功能：为网球运动增添了新鲜感，由于它是新生事物，会引起更多人的关注，更利于网球运动的普及；可代替多球反复练习，方便练习者捡球，提高练习的效率；节约教学资源，可以实现单人练习，解决了以往练习网球需要陪练的难题；不受场地规格的约束和限制，只需要一块较平整的空地即可达到练习的效果；可以通过网球训练器体验在网球场地的对打感觉，提高练习者的移动速度和应变能力；可以将网球落点有效地控制在一定的范围内，提高练习者的兴趣和信心。
授权公告号为CN206577345U的专利公开了一种网球发球机，包括主机箱和电动机，主机箱的前侧下方设置有出球口，且出球口的上方安装有控制面板，主机箱的下方设置有吸管，主机箱的右侧连接有垃圾箱，垃圾箱的上端安置有挡板，挡板的上方安装有球箱。该专利提出的网球发球装置可以实现发球功能，但是局限性很大，只能发射某一固定方向上固定力度的弹道球，无法实现带有旋转的技巧球，而且装置不可以自由移动，搬运困难，可以实现的网球训练目的较为局限。
申请公布号为CN106924955A的专利公开了一种全向移动的网球发球机器人及使用方法，包括四驱移动底盘，四驱移动底盘的顶部安装有用于储存网球的储球器，储球器的底部安装有送球装置，送球装置的出口与送球管道相连，送球管道的出口与发球机构相连，它还包括电控硬件和电控软件。该装置提供的网球发球机器人可以实现上下旋球的发射，扩宽了发球的方式，而且增加了全向移动的底盘，便于装置的转移，但是网球的发球技巧还有很多不能满足，如侧上旋，侧旋，侧下旋等；受限于重力落弹发射的方式，发球的频率固定且无法实现高频发球；由于底盘的电路控制与发射机构的电路控制相互无信息交流，全向移动底盘只是装置的搬运工具，并不参与发球的执行。
发明内容
本发明的目的在于提供具备视觉识别能力，全向移动能力，多技巧网球发射能力，高频发球能力并搭载网球训练方案，可远程控制的基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人及训练方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
1)机械结构部分：
基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人由全向移动底盘、发射机构云台、视觉识别系统和球仓机构，四部分组成。
全向移动底盘给机器人提供行进的动力和全向移动的能力，由麦克纳姆轮、法兰、底盘电机、减震悬挂、底盘机架、Yaw轴电机套、电池盒、红外对管和底盘主控板组成；底盘机架由H型金属构架和两块底板组成，两块底板分布在金属构架的两侧，构成上下表面；底盘电机由底盘驱动电机和与之配套的底盘电机的电调及编码器组成；减震悬挂由四根减震支架、两根减震弹簧和一块减震底板组成；减震底板为方形，减震支架分布在减震底板四角，将底盘机架与减震底板活性连接，减震底板上表面开孔，连接两根减震弹簧的一端，减震弹簧的另一端与底盘机架活性连接；法兰固连在减震底板中间，将底盘电机与麦克纳姆轮活性连接，分布在减震底板两侧，上述的减震悬挂、底盘电机、法兰、麦克纳姆轮的组合一共有四个，两两一组分布在底盘机架的对立两侧，且满足两前轮、两后轮的旋转轴分别共线，四个轮的旋转轴在同一水平面；Yaw轴电机套为圆柱形薄壁筒，固连在底盘机架的上表面；电池盒为空腔薄壁，位于底盘机架的表面；底盘主控板为电路元件的集合，为带有凸起的板状物体；位于底盘机架的表面；红外对管分布安装在底盘机架四周的下底面，发射管和接收管均指向机器人外侧。
发射机构云台通过控制电机的驱动和摩擦轮电机的差速来实现各种技巧球的发射，6字形供弹机构的供弹电机通过不同转速来控制发球的频率，由Yaw轴电机、Pitch轴电机、Roll轴电机、两根云台支架、拨弹盘、云台主控板、拨弹盘电机组成；拨弹盘由6字形供弹主体、拨弹体、一号摩擦轮电机及电调、二号摩擦轮电机及电调、光电收发器模块组成；6字形供弹主体由一面开口的圆柱形薄壁筒和直立开通孔圆柱体两部分组成；拨弹体由圆柱体圆盘及圆盘侧面均布的6-18个螺钉组成，螺钉与圆盘中间串联4-6个滚动轴承；拨弹体与圆柱形薄壁筒、拨弹盘电机同心活性连接，拨弹体整体结构半径小于圆柱形薄壁筒，拨弹盘电机位于圆柱形薄壁筒下方，与拨弹体活性连接；筒内侧壁中部安装有毛刷；直立开通孔圆柱体内侧壁开贯穿键槽和凹孔，键槽两侧安装一号摩擦轮电机及电调、二号摩擦轮电机及电调，凹孔内安装有光电收发器模块，直立开通孔圆柱体靠近圆柱形薄壁筒的一侧的侧面连接有串接了4-6个轴承的螺钉；云台支架由互相正交的两个底面和中间的连接块组成，两个云台支架连接Yaw轴电机、Pitch轴电机、Roll轴电机三个电机，使得Yaw轴电机、Pitch轴电机、Roll轴电机分别绕3根两两互相垂直的轴做旋转运动，即三个电机在三个正交面上旋转，整个发射机构云台具备6个自由度；6字形供弹主体侧面开孔，安装在Roll轴电机轴上；云台主控板安装在拨弹盘底部并与其固连。
视觉识别系统可以通过摄像头采集实时图像，视觉主控板对采集到的图像进行处理，识别出使用者的方位，并将坐标信息输出；视觉识别系统由摄像头和视觉主控板组成，视觉主控板由一些凸起和摄像头支架组成；摄像头通过摄像头支架与视觉主控板活性连接。
球仓机构用来存储网球，并且在拨弹盘内球数不多时，自动开启开漏机构，进行定量补球；球仓机构由球仓机架、立柱、存储仓、开漏机构组成；球仓机架为口字型金属外框，四根立柱分布在球仓机架的四角，四根立柱均垂直于球仓机架所在的平面；存储仓为倒立圆台侧面薄壁或倒立方台侧面薄壁，较小面通过软管与拨弹盘相连，开漏机构由舵机和与其相连的偏心开漏底板组成；其中存储仓的较大面与球仓机架大小相同并固连，存储仓的高度小于立柱的长度；存储仓的较小面与开漏机构的偏心开漏底板贴合但不连接，存储仓的侧面与舵机固连；立柱连接球仓机架与底盘机架。
2)电路控制部分：
主控电路由底盘主控，云台主控，视觉主控三部分组成。
底盘主控板与四个底盘电机的正负极及与其相连的编码器的信号线及编码器的电源线相连，底盘主控板与云台Yaw轴电机及其编码器进行信号和电源连接，底盘主控板与无线传输模块进行信号和电源连接，底盘主控板与视觉主控板和云台主控板进行信号连接。底盘主控作为核心控制，控制四个底盘电机的转动，控制云台Yaw轴电机的驱动，与无线传输模块连接，接收上位机的指令并发送数据，接收红外对管发回的路障信息并做出反应，与视觉主控和云台主控进行数据的交换。
本发明设计的全向移动平台底盘上安装4个麦克纳姆轮，两个为左旋轮，两个为右旋轮，左旋轮、右旋轮对角安装。以移动平台中心O点为原点建立全局坐标系，在平面上，全方位移动平台具有3个自由度，当无刷直流电机驱动车轮旋转时，可将车轮的运动分解为2个分运动，一是沿垂直于电机轴方向的前进运动，二是与辊子绕其轴线的旋转运动，轮4中心的速度为：
式中：R是麦克纳姆轮的直径，α是电机轴和辊子的夹角。
另外，由平台整体的速度可知，
由上述两式可得，
同理可得：
式中：J为系统逆运动学方程的雅克比矩阵，此平台α角约为350，因此J矩阵中各元素均不为零，所以rank(J)＝3，所以平台可以全方位移动。该全方位移动平台的自由度为3，但是拥有4个独立的电机，所以为过驱动模式。4个驱动之间必须相容，即4个电机的角速度严格按照公式给出的速度。这就要求必须引人反馈进行闭环控制。
云台主控板与云台Pitch轴电机、Roll轴电机、2-3个摩擦轮电机的正负极相连，云台主控板与2-3个摩擦轮电调信号相连，云台主控板与陀螺仪加速度计、开漏机构的舵机、光电收发器模块之间进行信号及电源连接。云台主控控制云台的Pitch轴电机、Roll轴电机、2-3个摩擦轮电机转动来完成基本球和技巧球的发射；云台主控控制2-3个摩擦轮电调，调节摩擦轮电机的转动精度；云台主控接收陀螺仪加速度计的数据，计算当前的空间位置；云台主控接收光电收发器模块的信号，计算发球数和剩余球数；云台电机控制开漏机构的舵机，控制一定数量的网球下落。
发射机构云台由三个轴组成：控制竖直方向的Pitch轴、控制水平方向的Roll轴以及控制水平面移动方向的航向轴Yaw轴。当负载变动时，控制竖直方向的Pitch轴变化不大，受影响最大的为控制水平方向的Roll轴，Yaw轴基本没有影响，因此，以Roll轴为代表来分析增稳云台的自稳过程。作出Roll轴的受力示意图，L为Roll轴负载重心到Roll轴轴心的长度，φ为负载偏离水平方向的角度，Fx和Fy分别为负载等效重心的重力在与L垂直方向上和与L平行方向上的分力。由几何关系，可以得到Fx和Fy在Roll轴上产生的力矩为：
为了保持平衡，Roll轴电机需要先产生一个可以抵消力矩Tx的转矩Te，由力矩平衡原理可得：
其中负号仅代表方向。
由于各种外部扰动的存在，负载出现往复抖动，增稳云台各轴电机为了保持负载姿态稳定，在输出一定的转矩抵消由负载重力产生的力矩的同时，还要时刻根据负载姿态，调整电机转矩的输出。以Roll轴为例，在φ不为0时，Roll轴电机会在Te的基础上，叠加一个小的转矩输出VTe来使负载往水平的方向转动，从而保持负载于水平位置，因此电机实际的转矩输出为：
当负载水平时，φ＝0，则有：
Te＝Te+ΔTe＝-mgL+ΔTe
可见，只要Te的值没有超过电机最大的可输出转矩时，均可保持负载在该轴上的姿态稳定。
具体的控制算法思路如下：
(1)根据控制需求设置参考位置对于Roll轴而言，设置为水平位置，即
(2)读取姿态传感器的原生数据。通常增稳云台的姿态传感器使用MPU6050，可以通过IIC通信协议来读取该传感器的各轴向数据。
(3)通过姿态解算算法估算出负载的姿态角由于姿态传感器MPU6050返回的数据受到抖动干扰，不能直接使用，因此需要进行姿态解算来估算出准确的位置角度。文献“刘兴川,张盛,李丽哲,等.基于四元数的MARG传感器姿态测量算法[J].清华大学学报(自然科学版),2012,52(5):627-631.”中介绍了一种精确快速的姿态解算算法。
(4)通过比较姿态角与参考位置得到误差信号。把误差信号输入PD控制器，计算得到无刷直流电机的转速参考值ωRe f。
(5)把ωRe f与无刷直流电机的实际转速ω作比较，得到误差信号，输入到PI控制器，得到的输出值作为新的PWM信号，从而驱动电机旋转。
(6)结束本次调节，返回(1)进行新一轮的调节。
视觉主控板与底盘主控板信号连接，视觉主控接收摄像头感光元件发出的数据，并进行相关的运算可以识别使用者，并返回使用者的位置信息。
首先使用彩色相机采集二维图像，然后再用Canny算子进行边缘检测处理。由于处理后的图像中包含许多轮廓线，轮廓线存在直线与弧线，因此本发明使用最短路径搜索法搜索相距最近的直线与弧线，形成闭合的轮廓线，相邻的闭合轮廓线形成简单的图形。例如立方体可以认为是三个矩形的组合，圆柱体可以认为是两个圆与两条平行线的组合。在进行Canny算子边缘检测时，假设f(x，y)代表输入图像，G(x，y)代表高斯函数，则：
然后对G和f做卷积运算，得到平滑度较好的图像fs：
fs＝G(x，y)*f(x，y)，
使用一阶有限差分法计算偏导数，得到矩阵P和Q：
计算P与Q的幅值和方位角：
通过设定阈值θ的大小，获取不同尺度要求下的图像边缘轮廓。
电源电路由供电电池和底盘主控板，云台主控板，视觉主控板之间的电源连接以及电源转换模块组成。
控制原理为：主控芯片根据执行的程序输出对应的命令状态，相应的执行元件发出对应的动作，测量元件把测量的数据反馈给主控芯片。我们开发了一套网球训练数据库来对应不同的训练需求和发球动作，其中，训练模式分为定点肌肉记忆模式、体能训练模式、高级技巧模式、随机球模式四种。
定点肌肉记忆模式可以选择接球点和接球类型以及需要的发球频率，接球点和接球类型为固定值，发球频率可设置为固定值和渐变值，机器人根据所设置的指令在固定地方使用相同模式发球，大量的重复动作可以形成肌肉记忆；
体能训练模式可以选择训练难度级别，机器人发射普通球，根据视觉识别系统反馈的使用者位置，向使使用者运动距离最远的方向发射网球，使使用者需要经过大量的位移才可以将球击回；
高级技巧模式可以选择技巧球的类别和训练难度级别，机器人发射指定技巧球，通过视觉识别模块判断使用者的位置，向使用者发球，达到训练目的。
随机球模式中发球时间间隔随机，发球位置随机、发球点随机、发球类型随机，通过接近实战的方式训练使用者的综合能力。
3)训练方法：
基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人训练方法，包括以下步骤：
(1)机器人上电，执行自检程序，如果有自检标志位置位，返回错误信息，否则进入下一步；
自检程序具体为，向四个底盘电机，三个云台电机，2-3个摩擦轮电机发出固定频率的PWM波，从而使四个底盘电机，三个云台电机，2-3个摩擦轮电机产生固定的转速，通过电调、编码器、陀螺仪姿态传感器反馈的速度信息与预设速度信息对比，如果不符合，则相应的自检标志位置位。
(2)进入模式选择界面，检测机身输入端和无线传输模块是否收到模式选择指令，是则将相应的模式标志位置位，并进入下一步，否则继续检测；
模式选择界面包括定点肌肉记忆模式、体能训练模式、高级技巧模式、随机球模式四种模式选择选项，分别对应选项键盘的四个键值，相应的键值为1，则对应的模式标志位置位。
(3)执行选定模式下的发球动作，即向四个底盘电机、三个云台电机、2-3个摩擦轮电机发出对应的信号；
定点肌肉记忆模式下，四个底盘电机保持不动，在屏幕上选择对应的点，得到一个位置坐标，坐标值与四个底盘电机、三个云台电机、2-3个摩擦轮电机的PWM值的对应关系保存在文件中，通过模式相关的标志位置位来读取。
体能训练模式下，视觉识别系统返回使用者的坐标位置，将使用者的坐标位置关于网球场长轴中线对称作为机器人发球点，确定发球点后，执行定点肌肉记忆模式。
高级技巧模式下，视觉识别系统返回使用者的坐标位置，将使用者的坐标位置作为发球点，确定发球点后，执行定点肌肉记忆模式，同时旋球标志位置位，程序从三个云台电机与技巧旋球的对应关系文件中读出相应值。
随机球模式下，程序在设定范围内产生一个随机数，每个随机数对应一种模式下的固定发球模式，发射完一个球后更改随机数，按照对应的发球模式发球。
(4)判断红外对管避障标志位是否置位，是则进入避障程序，直到红外对管避障标志位清零，否则进入下一步；
避障程序具体为：当多组红外对管由一个的信号置低，判断置低的方位，并在该方位上后退并左转，直至红外对管的信号重新置高，红外对管避障标志位归零。
(5)判断开漏机构舵机转向标志位是否置位，是则进入网球补充程序，直到开漏机构舵机转向标志位清零，否则进入下一步；
网球补充程序具体为：得到拨弹盘中发射的球数，计算剩余球数，当低于阈值时，开漏机构舵机转向标志位置位，同时向舵机信号线发出PWM波，舵机转过一定角度，延时一段时间后(依据具体下落速度来定)，开漏机构舵机转向标志位清零。
(6)读取2-3个摩擦轮电调、四个底盘电机对应的编码器、陀螺仪加速度计返回的机器人当前的运动信息和位置信息，进行PID控制；
(7)若视觉识别系统没有返回使用者的坐标信息超过阈值时间，则使用者训练标志位置位，判断使用者训练标志位是否置位，是则将程序停止标志位置位，并进入下一步，否则进入下一步；
(8)判断程序停止标志位是否置位，是则进入训练停止程序，即回到步骤(2)，否则回到步骤(3)。
本发明的有益效果在于：
采用6字形供弹机构，相比传统的重力单速或多速供弹结构，缩短了发球前后两球的时间间隔，实现了高频发球和变频发球；
加入了Roll轴电机，使得传统的二维云台变为三维云台，增加了自由度的同时可以使得机器人具备发射多角度旋球的能力；
采用视觉识别系统，机器人可以与使用者进行互动，并执行相应的反馈动作，从而实现智能化的训练目的；
移动方式为全向移动，可以快速精确的移动到指定位置，并配合不同的训练模式，使机器人产生不同的发球动作。
附图说明
图1为智能网球训练机器人整体结构图；
图2为智能网球训练机器人全向移动底盘结构图；
图3为智能网球训练机器人发射机构云台结构图；
图4为智能网球训练机器人拨弹盘结构图；
图5为智能网球训练机器人视觉识别系统结构图；
图6为智能网球训练机器人球仓机构结构图；
图7为智能网球训练机器人电路控制框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：
基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人包括：
全向移动底盘1，麦克纳姆轮1-1、法兰1-2、底盘电机1-3、减震悬挂1-4、底盘机架1-5、Yaw轴电机套1-6、电池盒1-7、红外对管1-8和底盘主控板1-9；发射机构云台2，Yaw轴电机2-1、Pitch轴电机2-2、Roll轴电机2-3、云台支架2-4、拨弹盘2-5、6字形供弹主体2-5-1、拨弹体2-5-2、一号摩擦轮电机及电调2-5-3、二号摩擦轮电机及电调2-5-4、光电收发器模块2-5-5、云台主控板2-6；视觉识别系统3，摄像头3-1、视觉主控板3-2；球仓机构4，球仓机架4-1、立柱4-2、存储仓4-3、开漏机构4-4。
基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人由全向移动底盘1、发射机构云台2、视觉识别系统3和球仓机构4，四部分组成。
全向移动底盘1给机器人提供行进的动力和全向移动的能力，由麦克纳姆轮1-1、法兰1-2、底盘电机1-3、减震悬挂1-4、底盘机架1-5、Yaw轴电机2-1套1-6、电池盒1-7、红外对管1-8和底盘主控板1-9组成；底盘机架1-5由H型金属构架和两块底板组成，两块底板分布在金属构架的两侧，构成上下表面；底盘电机1-3由底盘驱动电机和与之配套的底盘电机1-3的电调及编码器组成；减震悬挂1-4由四根减震支架、两根减震弹簧和一块减震底板组成；减震底板为方形，减震支架分布在减震底板四角，将底盘机架1-5与减震底板活性连接，减震底板上表面开孔，连接两根减震弹簧的一端，减震弹簧的另一端与底盘机架1-5活性连接；法兰1-2固连在减震底板中间，将底盘电机1-3与麦克纳姆轮1-1活性连接，分布在减震底板两侧，上述的减震悬挂1-4、底盘电机1-3、法兰1-2、麦克纳姆轮1-1的组合一共有四个，两两一组分布在底盘机架1-5的对立两侧，且满足两前轮、两后轮的旋转轴分别共线，四个轮的旋转轴在同一水平面；Yaw轴电机2-1套1-6为圆柱形薄壁筒，固连在底盘机架1-5的上表面；电池盒1-7为空腔薄壁，位于底盘机架1-5的表面；底盘主控板1-9为电路元件的集合，为带有凸起的板状物体；位于底盘机架1-5的表面；红外对管1-8分布安装在底盘机架1-5四周的下底面，发射管和接收管均指向机器人外侧。
发射机构云台2通过控制电机的驱动和摩擦轮电机的差速来实现各种技巧球的发射，6字形供弹机构的供弹电机通过不同转速来控制发球的频率，由Yaw轴电机2-1、Pitch轴电机2-2、Roll轴电机2-3、两根云台支架2-4、拨弹盘2-5、云台主控板2-6组成；拨弹盘2-5由6字形供弹主体2-5-1、拨弹体2-5-2、一号摩擦轮电机及电调2-5-3、二号摩擦轮电机及电调2-5-4、光电收发器模块2-5-5组成；6字形供弹主体2-5-1由一面开口的圆柱形薄壁筒和直立开通孔圆柱体两部分组成；拨弹体2-5-2由圆柱体圆盘及圆盘侧面均布的6-18个螺钉组成，螺钉与圆盘中间串联4-6个滚动轴承；拨弹体2-5-2与圆柱形薄壁筒、拨弹盘电机2-7同心活性连接，拨弹体2-5-2整体结构半径小于圆柱形薄壁筒，拨弹盘电机2-7位于圆柱形薄壁筒下方，与拨弹体2-5-2活性连接；圆柱形薄壁筒内侧壁中部安装有毛刷；直立开通孔圆柱体内侧壁开贯穿键槽和凹孔，键槽两侧安装一号摩擦轮电机及电调2-5-3、二号摩擦轮电机及电调2-5-4，凹孔内安装有光电收发器模块2-5-5，直立开通孔圆柱体靠近圆柱形薄壁筒的一侧的侧面连接有串接了4-6个轴承的螺钉；云台支架2-4由互相正交的两个底面和中间的连接块组成，两个云台支架2-4连接Yaw轴电机2-1、Pitch轴电机2-2、Roll轴电机2-3三个电机，使得Yaw轴电机2-1、Pitch轴电机2-2、Roll轴电机2-3分别绕3根两两互相垂直的轴做旋转运动，即三个电机在三个正交面上旋转，整个发射机构云台2具备六个自由度；6字形供弹主体2-5-1侧面开孔，安装在Roll轴电机2-3轴上；云台主控板2-6安装在拨弹盘2-5底部并与其固连。
视觉识别系统3可以通过摄像头3-1采集实时图像，视觉主控板3-2对采集到的图像进行处理，识别出使用者的方位，并将坐标信息输出；视觉识别系统3由摄像头3-1和视觉主控板3-2组成，视觉主控板3-2由一些凸起和摄像头3-1支架组成；摄像头3-1通过摄像头3-1支架与视觉主控板3-2活性连接。
球仓机构4用来存储网球，并且在拨弹盘2-5球数不多时，自动开启开漏机构4-4，进行定量补球；球仓机构4由球仓机架4-1、立柱4-2、存储仓4-3、开漏机构4-4组成；球仓机架4-1为口字型金属外框，四根立柱4-2分布在球仓机架4-1的四角，四根立柱4-2均垂直于球仓机架4-1所在的平面；存储仓4-3为倒立圆台侧面薄壁或倒立方台侧面薄壁，较小面通过软管与拨弹盘2-5相连，开漏机构4-4由舵机和与其相连的偏心开漏底板组成；其中存储仓4-3的较大面与球仓机架4-1大小相同并固连，存储仓4-3的高度小于立柱4-2的长度；存储仓4-3的较小面与开漏机构4-4的偏心开漏底板贴合但不连接，存储仓4-3的侧面与舵机固连；立柱4-2连接球仓机架4-1与底盘机架1-5。
主控电路由底盘主控，云台主控，视觉主控三部分组成。
底盘主控板1-9与四个底盘电机1-3的正负极及与其相连的编码器的信号线及编码器的电源线相连，底盘主控板1-9与云台Yaw轴电机2-1及其编码器进行信号和电源连接，底盘主控板1-9与无线传输模块进行信号和电源连接，底盘主控板1-9与视觉主控板3-2和云台主控板2-6进行信号连接。底盘主控作为核心控制，控制四个底盘电机1-3的转动，控制云台Yaw轴电机2-1的驱动，与无线传输模块连接，接收上位机的指令并发送数据，接收红外对管1-8发回的路障信息并做出反应，与视觉主控和云台主控进行数据的交换。
本发明设计的全向移动平台底盘上安装4个麦克纳姆轮，两个为左旋轮，两个为右旋轮，左旋轮、右旋轮对角安装。以移动平台中心O点为原点建立全局坐标系，在平面上，全方位移动平台具有3个自由度，当无刷直流电机驱动车轮旋转时，可将车轮的运动分解为2个分运动，一是沿垂直于电机轴方向的前进运动，二是与辊子绕其轴线的旋转运动，轮4中心的速度为：
式中：R是麦克纳姆轮的直径，α是电机轴和辊子的夹角。
另外，由平台整体的速度可知，
由上述两式可得，
同理可得：
式中：J为系统逆运动学方程的雅克比矩阵，此平台α角约为350，因此J矩阵中各元素均不为零，所以rank(J)＝3，所以平台可以全方位移动。该全方位移动平台的自由度为3，但是拥有4个独立的电机，所以为过驱动模式。4个驱动之间必须相容，即4个电机的角速度严格按照公式给出的速度。这就要求必须引人反馈进行闭环控制。
云台主控板2-6与云台Pitch轴电机2-2、Roll轴电机2-3、2-3个摩擦轮电机的正负极相连，云台主控板2-6与2-3个摩擦轮电调信号相连，云台主控板2-6与陀螺仪加速度计、开漏机构4-4的舵机、光电收发器模块2-5-5之间进行信号及电源连接。云台主控控制云台的Pitch轴电机2-2、Roll轴电机2-3、2-3个摩擦轮电机转动来完成基本球和技巧球的发射；云台主控控制2-3个摩擦轮电调，调节摩擦轮电机的转动精度；云台主控接收陀螺仪加速度计的数据，计算当前的空间位置；云台主控接收光电收发器模块2-5-5的信号，计算发球数和剩余球数；云台电机控制开漏机构4-4的舵机，控制一定数量的网球下落。
发射机构云台由三个轴组成：控制竖直方向的Pitch轴、控制水平方向的Roll轴以及控制水平面移动方向的航向轴Yaw轴。当负载变动时，控制竖直方向的Pitch轴变化不大，受影响最大的为控制水平方向的Roll轴，Yaw轴基本没有影响，因此，以Roll轴为代表来分析增稳云台的自稳过程。作出Roll轴的受力示意图，L为Roll轴负载重心到Roll轴轴心的长度，φ为负载偏离水平方向的角度，Fx和Fy分别为负载等效重心的重力在与L垂直方向上和与L平行方向上的分力。由几何关系，可以得到Fx和Fy在Roll轴上产生的力矩为：
为了保持平衡，Roll轴电机需要先产生一个可以抵消力矩Tx的转矩Te，由力矩平衡原理可得：
其中负号仅代表方向。
由于各种外部扰动的存在，负载出现往复抖动，增稳云台各轴电机为了保持负载姿态稳定，在输出一定的转矩抵消由负载重力产生的力矩的同时，还要时刻根据负载姿态，调整电机转矩的输出。以Roll轴为例，在φ不为0时，Roll轴电机会在Te的基础上，叠加一个小的转矩输出VTe来使负载往水平的方向转动，从而保持负载于水平位置，因此电机实际的转矩输出为：
当负载水平时，φ＝0，则有：
Te＝Te+ΔTe＝-mgL+ΔTe；
可见，只要Te的值没有超过电机最大的可输出转矩时，均可保持负载在该轴上的姿态稳定。
具体的控制算法思路如下：
(1)根据控制需求设置参考位置对于Roll轴而言，设置为水平位置，即
(2)读取姿态传感器的原生数据。通常增稳云台的姿态传感器使用MPU6050，可以通过IIC通信协议来读取该传感器的各轴向数据。
(3)通过姿态解算算法估算出负载的姿态角由于姿态传感器MPU6050返回的数据受到抖动干扰，不能直接使用，因此需要进行姿态解算来估算出准确的位置角度。文献“刘兴川,张盛,李丽哲,等.基于四元数的MARG传感器姿态测量算法[J].清华大学学报(自然科学版),2012,52(5):627-631.”中介绍了一种精确快速的姿态解算算法。
(4)通过比较姿态角与参考位置得到误差信号。把误差信号输入PD控制器，计算得到无刷直流电机的转速参考值ωRe f。
(5)把ωRe f与无刷直流电机的实际转速ω作比较，得到误差信号，输入到PI控制器，得到的输出值作为新的PWM信号，从而驱动电机旋转。
(6)结束本次调节，返回(1)进行新一轮的调节。
视觉主控板3-2与底盘主控板1-9信号连接，视觉主控接收摄像头3-1感光元件发出的数据，并进行相关的运算可以识别使用者，并返回使用者的位置信息。
首先使用彩色相机采集二维图像，然后再用Canny算子进行边缘检测处理。由于处理后的图像中包含许多轮廓线，轮廓线存在直线与弧线，因此本发明使用最短路径搜索法搜索相距最近的直线与弧线，形成闭合的轮廓线，相邻的闭合轮廓线形成简单的图形。例如立方体可以认为是三个矩形的组合，圆柱体可以认为是两个圆与两条平行线的组合。在进行Canny算子边缘检测时，假设f(x，y)代表输入图像，G(x，y)代表高斯函数，则：
然后对G和f做卷积运算，得到平滑度较好的图像fs：
fs＝G(x，y)*f(x，y)，
使用一阶有限差分法计算偏导数，得到矩阵P和Q：
计算P与Q的幅值和方位角：
通过设定阈值θ的大小，获取不同尺度要求下的图像边缘轮廓。
电源电路由供电电池和底盘主控板1-9，云台主控板2-6，视觉主控板3-2之间的电源连接以及电源转换模块组成。
控制原理为：主控芯片根据执行的程序输出对应的命令状态，相应的执行元件发出对应的动作，测量元件把测量的数据反馈给主控芯片。我们开发了一套网球训练数据库来对应不同的训练需求和发球动作，其中，训练模式分为定点肌肉记忆模式、体能训练模式、高级技巧模式、随机球模式四种。
定点肌肉记忆模式可以选择接球点和接球类型以及需要的发球频率，接球点和接球类型为固定值，发球频率可设置为固定值和渐变值，机器人根据所设置的指令在固定地方使用相同模式发球，大量的重复动作可以形成肌肉记忆；
体能训练模式可以选择训练难度级别，机器人发射普通球，根据视觉识别系统3反馈的使用者位置，向使使用者运动距离最远的方向发射网球，使使用者需要经过大量的位移才可以将球击回；
高级技巧模式可以选择技巧球的类别和训练难度级别，机器人发射指定技巧球，通过视觉识别模块判断使用者的位置，向使用者发球，达到训练目的。
随机球模式中发球时间间隔随机，发球位置随机、发球点随机、发球类型随机，通过接近实战的方式训练使用者的综合能力。
基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人训练方法，包括以下步骤：
(1)机器人上电，执行自检程序，如果有自检标志位置位，返回错误信息，否则进入下一步；
自检程序具体为，向四个底盘电机，三个云台电机，2-3个摩擦轮电机发出固定频率的PWM波，从而使四个底盘电机，三个云台电机，2-3个摩擦轮电机产生固定的转速，通过电调、编码器、陀螺仪姿态传感器反馈的速度信息与预设速度信息对比，如果不符合，则相应的自检标志位置位。
(2)进入模式选择界面，检测机身输入端和无线传输模块是否收到模式选择指令，是则将相应的模式标志位置位，并进入下一步，否则继续检测；
模式选择界面包括定点肌肉记忆模式、体能训练模式、高级技巧模式、随机球模式四种模式选择选项，分别对应选项键盘的四个键值，相应的键值为1，则对应的模式标志位置位。
(3)执行选定模式下的发球动作，即向四个底盘电机、三个云台电机、2-3个摩擦轮电机发出对应的信号；
定点肌肉记忆模式下，四个底盘电机保持不动，在屏幕上选择对应的点，得到一个位置坐标，坐标值与四个底盘电机、三个云台电机、2-3个摩擦轮电机的PWM值的对应关系保存在文件中，通过模式相关的标志位置位来读取。
体能训练模式下，视觉识别系统返回使用者的坐标位置，将使用者的坐标位置关于网球场长轴中线对称作为机器人发球点，确定发球点后，执行定点肌肉记忆模式。
高级技巧模式下，视觉识别系统返回使用者的坐标位置，将使用者的坐标位置作为发球点，确定发球点后，执行定点肌肉记忆模式，同时旋球标志位置位，程序从三个云台电机与技巧旋球的对应关系文件中读出相应值。
随机球模式下，程序在设定范围内产生一个随机数，每个随机数对应一种模式下的固定发球模式，发射完一个球后更改随机数，按照对应的发球模式发球。
(4)判断红外对管避障标志位是否置位，是则进入避障程序，直到红外对管避障标志位清零，否则进入下一步；
避障程序具体为：当多组红外对管由一个的信号置低，判断置低的方位，并在该方位上后退并左转，直至红外对管的信号重新置高，红外对管避障标志位归零。
(5)判断开漏机构舵机转向标志位是否置位，是则进入网球补充程序，直到开漏机构舵机转向标志位清零，否则进入下一步；
网球补充程序具体为：得到拨弹盘中发射的球数，计算剩余球数，当低于阈值时，开漏机构舵机转向标志位置位，同时向舵机信号线发出PWM波，舵机转过一定角度，延时一段时间后(依据具体下落速度来定)，开漏机构舵机转向标志位清零。
(6)读取2-3个摩擦轮电调、四个底盘电机对应的编码器、陀螺仪加速度计返回的机器人当前的运动信息和位置信息，进行PID控制；
(7)若视觉识别系统没有返回使用者的坐标信息超过阈值时间，则使用者训练标志位置位，判断使用者训练标志位是否置位，是则将程序停止标志位置位，并进入下一步，否则进入下一步；
(8)判断程序停止标志位是否置位，是则进入训练停止程序，即回到步骤(2)，否则回到步骤(3)。
具体实施例1：
所述的底盘电机1-3选用3508型，Yaw轴电机2-1、Pitch轴电机2-2、Roll轴电机2-3均采用6623型电机，拨弹盘电机2-7选用2006型，摩擦轮电机选用7506型；
所述的底盘主控板1-9采用STM32F103RC、视觉主控板3-2采用STM32F7及摄像头采用OpenMV、云台主控板2-6采用STM32F103RC；
所述的无线传输模块采用NRF24L01，陀螺仪加速度计采用MPU6050，舵机采用JX6221。
具体实施例2：
在实施例1的选型基础上，去掉Roll轴电机，去掉Roll轴电机和Pitch轴电机之间的云台支架，将Pitch轴电机移至原Roll轴电机的位置，在直立开通孔圆柱体侧壁增加一个摩擦轮电机，使得3个摩擦轮电机成120度夹角，同时将三维云台控制程序部分改成三轴摩擦轮控制程序。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人，其特征在于，由全向移动底盘(1)、发射机构云台(2)、视觉识别系统(3)和球仓机构(4)四部分组成；全向移动底盘(1)包括麦克纳姆轮(1-1)、法兰(1-2)、底盘电机(1-3)、减震悬挂(1-4)、底盘机架(1-5)、Yaw轴电机套(1-6)、电池盒(1-7)、红外对管(1-8)和底盘主控板(1-9)；发射机构云台(2)包括Yaw轴电机(2-1)、Pitch轴电机(2-2)、Roll轴电机(2-3)、云台支架(2-4)、拨弹盘(2-5)、6字形供弹主体(2-5-1)、拨弹体(2-5-2)、一号摩擦轮电机及电调(2-5-3)、二号摩擦轮电机及电调(2-5-4)、光电收发器模块(2-5-5)、云台主控板(2-6)、拨弹盘电机(2-7)；视觉识别系统3包括摄像头(3-1)、视觉主控板(3-2)；球仓机构(4)包括球仓机架(4-1)、立柱(4-2)、存储仓(4-3)、开漏机构(4-4)；
减震悬挂(1-4)由四根减震支架、两根减震弹簧和一块减震底板组成；减震底板为方形，减震支架分布在减震底板四角，将底盘机架与减震底板活性连接，减震底板上表面开孔，连接两根减震弹簧的一端，减震弹簧的另一端与底盘机架活性连接；法兰(1-2)固连在减震底板中间，将底盘电机(1-3)与麦克纳姆轮(1-1)活性连接，分布在减震底板两侧，上述的减震悬挂(1-4)、底盘电机(1-3)、法兰(1-2)、麦克纳姆轮(1-1)的组合一共有四个，两两一组分布在底盘机架的对立两侧，且满足两前轮、两后轮的旋转轴分别共线，四个轮的旋转轴在同一水平面；
6字形供弹主体(2-5-1)由一面开口的圆柱形薄壁筒和直立开通孔圆柱体两部分组成；拨弹体(2-5-2)由圆柱体圆盘及圆盘侧面均布的6-18个螺钉组成，螺钉与圆盘中间串联4-6个滚动轴承；拨弹体(2-5-2)与圆柱形薄壁筒、拨弹盘电机(2-7)同心活性连接，拨弹体(2-5-2)整体结构半径小于圆柱形薄壁筒，拨弹盘电机(2-7)位于圆柱形薄壁筒下方，与拨弹体(2-5-2)活性连接；圆柱形薄壁筒内侧壁中部安装有毛刷；直立开通孔圆柱体内侧壁开贯穿键槽和凹孔，键槽两侧安装一号摩擦轮电机及电调(2-5-3)、二号摩擦轮电机及电调(2-5-4)、，凹孔内安装有光电收发器模块(2-5-5)，直立开通孔圆柱体靠近圆柱形薄壁筒的一侧的侧面连接有串接了4-6个滚动轴承的螺钉；
视觉主控板(3-2)由一些凸起和摄像头支架组成，摄像头(3-1)通过摄像头支架与视觉主控板(3-2)活性连接；
底盘主控板(1-9)与四个底盘电机的正负极及与其相连的编码器的信号线及编码器的电源线相连，底盘主控板(1-9)与云台Yaw轴电机进行信号和电源连接，底盘主控板(1-9)与无线传输模块进行信号和电源连接，底盘主控板(1-9)与视觉主控板(3-2)和云台主控板(2-6)进行信号连接；云台主控板(2-6)与Pitch轴电机(2-2)、Roll轴电机(2-3)、2-3个摩擦轮电机的正负极相连，云台主控板(2-6)与2-3个摩擦轮电调信号相连，云台主控板(2-6)与陀螺仪加速度计、开漏机构(4-4)的舵机、光电收发器模块(2-5-5)之间进行信号及电源连接。
2.基于视觉识别和全向移动的智能网球训练机器人训练方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)机器人上电，执行自检程序，如果有自检标志位置位，返回错误信息，否则进入下一步；
(2)进入模式选择界面，检测机身输入端和无线传输模块是否收到模式选择指令，是则将相应的模式标志位置位，并进入下一步，否则继续检测；
(3)执行选定模式下的发球动作，即向四个底盘电机、三个云台电机、2-3个摩擦轮电机发出对应的信号；
(4)判断红外对管避障标志位是否置位，是则进入避障程序，直到红外对管避障标志位清零，否则进入下一步；
(5)判断开漏机构舵机转向标志位是否置位，是则进入网球补充程序，直到开漏机构舵机转向标志位清零，否则进入下一步；
(6)读取2-3个摩擦轮电调、四个底盘电机对应的编码器、陀螺仪加速度计返回的机器人当前的运动信息和位置信息，进行PID控制；
(7)判断使用者训练标志位是否置位，是则将程序停止标志位置位，并进入下一步，否则进入下一步；
(8)判断程序停止标志位是否置位，是则进入训练停止程序，否则回到步骤(3)。
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