CN110314349B - 羽毛球捡拾机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种羽毛球捡拾机器人及其控制方法，包括移动小车、捡球装置、定位装置、羽毛球收集装置和控制电路；所述捡球装置包括捡球架组件、两个捡球组件和驱动组件；所述定位装置包括激光雷达、摄像头和摄像头支架；羽毛球收集装置包括羽毛球收集框和进球检测电路；控制电路包括目标识别模块和动作执行模块，所述目标识别模块接收激光雷达和摄像头所采集的数据，根据所接收到的数据识别出羽毛球的坐标信息，并根据羽毛球的坐标信息发出对应运动指令给动作执行模块，所述动作执行模块根据运动指令控制位移电机、驱动组件、飞轮电机和鼓风机执行相应的动作。本发明能够实现对羽毛球的低损伤、高效率的拾取。

Description

羽毛球捡拾机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种羽毛球捡拾机器人及其控制方法。

背景技术

在羽毛球教学训练中，找球、捡球及整理球通常由人工完成。在强度大、用时长的训练中，频繁的捡球动作会加速练习者的体力消耗，进而降低训练效果。若能设计一款用于羽毛球捡拾的机器人，羽毛球训练者将能集中更多的时间和精力在控球和走位等技术动作练习上。

目前，市面上已经出现了乒乓球、网球等捡球机器人。羽毛球由于形状不规则、容易受到损伤、外形小等特性，使得捡拾羽毛球机的设计与实现面临不易找球、不易定位及不易捡球等难点。

如专利文献CN 208031787 U记载的一种羽毛球捡球机，包括主支架，以及设置于所述主支架上的旋转刷、导向板、向上提升机构、储球箱、控制模块和电源，所述旋转刷位于所述主支架的前侧，所述导向板的一端延伸至所述旋转刷的下方且另一端延伸至所述向上提升机构的底端，所述向上提升机构远离所述导向板的一端向上延伸至所述储球箱的上方，所述控制模块分别与所述电源、旋转刷和向上提升机构电性连接。本实用新型存在的不足是：

(1)不能识别羽毛球，容易将其他物体收进羽毛球收集框；

(2)采用刷扫的捡球方式，容易卡球，且捡球过程中刷子与球的羽毛有直接接触，对羽毛球损伤较大。

又如专利文献CN 206764774 U公开的一种智能捡球机器人，包括外壳、车轮、第一机械臂、第二机械臂、机械爪、球筒和电池，电池为机器人提供电能，外壳下侧设置车轮，第一电机为车轮提供动力，第一机械臂分别通过第一转轴和第二转轴与外壳和第二机械臂连接，第二机械臂前端通过第三转轴与机械爪连接，第二电机、第三电机和第四电机分别为第一转轴、第二转轴和第三转轴提供动力，外壳前端设置摄像头、红外传感器和雷达定位装置，外壳上端设置球筒。本实用新型存在的不足是：

(1)捡球效率低；

(2)机械抓抓球时会对羽毛球产生损伤，因此不宜用于羽毛球的捡拾。

因此，有必要采取一种新的羽毛球捡拾机器人及其控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种羽毛球捡拾机器人及其控制方法，能实现对羽毛球的低损伤、高效率的拾取。

本发明所述的羽毛球捡拾机器人，包括移动小车、捡球装置、定位装置、羽毛球收集装置和控制电路；

所述移动小车包括移动小车本体以及设置于移动小车本体上的平台；

所述捡球装置包括捡球架组件、两个捡球组件和驱动组件；

所述捡球架组件包括捡球支架和捡球支架座；所述捡球支架座包括两个L形支架，两个L形支架的下端定位连接于所述平台上；所述捡球支架包括短支架和长支架，所述短支架的前端和长支架的前端通过加强筋连接在一起，所述短支架的后端通过第一转轴与位于左侧的L形支架连接；所述长支架的中后部通过第二转轴与位于右侧的L形支架连接，长支架的后端与驱动组件连接，所述驱动组件用于驱动长支架绕第二转轴转动；

两个捡球组件间隔设置在捡球架组件的前端；所述捡球组件包括鼓风机、捡球飞轮、鼓风机固定支架、捡球飞轮固定板和飞轮电机；所述捡球飞轮固定板与捡球支架固定连接，所述飞轮电机固设在捡球飞轮固定板上，所述捡球飞轮与飞轮电机的输出轴连接；所述鼓风机固定支架与捡球飞轮固定板固定在一起，所述鼓风机固设在鼓风机固定支架上；

所述定位装置包括激光雷达、摄像头和摄像头支架；所述激光雷达固设于平台底部的中间，所述摄像头固设在摄像头支架的顶部，所述摄像头支架的底端固设于平台上；

所述羽毛球收集装置包括羽毛球收集框和进球检测电路，所述羽毛球收集框固设于平台上，且位于捡球装置的后方；所述进球检测电路设置在羽毛球收集框上；

所述控制电路包括目标识别模块和动作执行模块，所述目标识别模块分别与激光雷达和摄像头电连接，所述动作执行模块分别与移动小车的位移电机、驱动组件、飞轮电机、鼓风机和进球检测电路电连接；所述目标识别模块接收激光雷达和摄像头所采集的数据，根据所接收到的数据识别出羽毛球的坐标信息，并根据羽毛球的坐标信息发出对应运动指令给动作执行模块，所述动作执行模块根据运动指令控制位移电机、驱动组件、飞轮电机和鼓风机执行相应的动作。

进一步，所述移动小车本体包括两个主动轮、两个位移电机、两个霍尔编码器和两个从动轮；两个从动轮对称安装在平台底部的后端；两个位移电机对称安装在平台底部的前端；两个主动轮分别与和两个位移电机一一对应连接；两个位移电机用于提供直行和转向力矩，两个霍尔编码器分别安装在对应的位移电机上，用于检测两个主动轮的转速。

进一步，所述驱动组件为升降丝杆电机，该升降丝杆电机固定在平台上，升降丝杆电机的丝杆滑块与长支架的后端固定连接。

进一步，还包括两个限位开关，两个限位开关分别固设于平台上且均位于长支架的正下方，各限位开关分别与动作执行模块电连接。

进一步，所述进球检测电路包括六对光电管，每对光电管包括一个红外发射管和一个红外接收管；各红外发射管和各红外接收管分别固定在羽毛球收集框上，并分别与动作执行模块电连接。

本发明所述的一种羽毛球捡拾机器人的控制方法，采用本发明所述的羽毛球捡拾机器人，其控制方法包括以下步骤：

羽毛球识别定位：

激光雷达不断扫描，当扫到外形大小等同于羽毛球的物体后，激光雷达将该物体的坐标信息映射到图像坐标系中；然后利用摄像头采集图像，并以该坐标为基准生成候选区域进行目标识别；若识别出物体是羽毛球，则目标识别模块对激光雷达和摄像头所采集的数据进行融合生成羽毛球的坐标信息，并根据羽毛球的坐标信息发出对应运动指令给动作执行模块；若识别出物体不是羽毛球，则继续扫描；

捡拾羽毛球：

在动作执行模块接收到运动指令后，首先控制羽毛球捡拾机器人执行转向动作，使羽毛球捡拾机器人正对羽毛球；当羽毛球捡拾机器人与羽毛球对正之后，控制羽毛球捡拾机器人移动至羽毛球附近；此时动作执行模块控制驱动组件工作，由驱动组件控制捡球装置的前端降下；接着，动作执行模块控制鼓风机工作，以摆正羽毛球的姿态；在羽毛球姿态摆正之后控制羽毛球捡拾机器人执行前进动作，通过旋转的捡球飞轮将羽毛球抛至羽毛球收集框。

在进行目标识别之前，先对羽毛球可疑物体像素位置进行扩大，扩大到合适的像素后将此区域作为羽毛球识别的候选区域；羽毛球识别的计算量将会大大降低，这有利于提升捡球机器人的捡球效率，也有利于降低图像识别程序对硬件的性能要求，从而降低产品成本。

本发明的有益效果：羽毛球捡拾机器人具有自动定位和识别羽毛球功能，能够实现羽毛球低损伤、高效率拾取，并且在工作时具有噪声低、功耗小的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中的电路框图；

图3为本发明中软件功能框图；

图4为本发明中识别定位的流程图；

图5为本发明中激光雷达扫描采样的示意图；

图6为本发明中激光雷达采样得到的连接点；

图7为本发明中激光雷达定位粗识别的流程图；

图8为本发明中激光雷达定位粗识别为羽毛球的坐标示意图；

图9为本发明中激光雷达和摄像头标定示意图；

图10为本发明中摄像头采集到的羽毛球图像示意图；

图11为本发明中根据距离产生的候选区域示意图；

图12为羽毛球的姿态为球身朝向捡球装置的示意图；

图13为羽毛球的姿态为球头朝天的示意图；

图14为羽毛球的姿态为球尾朝向捡球装置的示意图；

图15为羽毛球的姿态为球头朝向捡球装置的示意图；

图16为本发明中捡球装置下降过程的示意图；

图17为本发明中鼓风机通过风力调整羽毛球姿态的示意图；

图18为本发明中完成羽毛球姿态调整后的示意图；

图19为本发明中捡球飞轮抛球的示意图；

图20为本发明中羽毛球受到捡球飞轮作用力的分析示意图；

图21为本发明中捡球效果示意图；

图22为本发明中捡拾过程流程图；

图23为本发明中的程序流程图；

图中：1.鼓风机，2.捡球飞轮，3.鼓风机固定支架，4.捡球飞轮固定板，5.飞轮电机，6.加强筋，7.短支架，8.主动轮，9.位移电机，10.霍尔编码器，11.捡球支架座，12.动作执行模块，13.目标识别模块，14.摄像头支架，15.长支架，16.摄像头，17.光电管对，18.羽毛球收集框，19.升降丝杆电机，20.平台，21.从动轮，22.限位开关，23.激光雷达。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的羽毛球捡拾机器人，包括移动小车、捡球装置、定位装置、羽毛球收集装置和控制电路。

如图1所示，所述移动小车包括移动小车本体以及设置于移动小车本体上的平台20。所述移动小车本体包括两个主动轮8、两个位移电机9、两个霍尔编码器10和两个从动轮21；两个从动轮21对称安装在平台20底部的后端；两个位移电机9对称安装在平台20底部的前端；两个主动轮8分别与和两个位移电机9一一对应连接；两个位移电机9用于提供直行和转向力矩，两个霍尔编码器10分别安装在对应的位移电机9上，用于检测两个主动轮8的转速。

如图1所示，本实施例中，所述捡球装置包括捡球架组件、两个捡球组件和驱动组件。其中，所述捡球架组件包括捡球支架和捡球支架座11；所述捡球支架座11包括两个L形支架，两个L形支架的下端定位连接于所述平台20上；所述捡球支架包括短支架7和长支架15，短支架7的前端和长支架15的前端通过加强筋6连接在一起，所述短支架7的后端通过第一转轴与位于左侧的L形支架连接；所述长支架15的中后部通过第二转轴与位于右侧的L形支架连接，长支架15的后端与驱动组件连接，所述驱动组件用于驱动长支架15绕第二转轴转动。两个捡球组件间隔设置在捡球架组件的前端；所述捡球组件包括鼓风机1、捡球飞轮2、鼓风机固定支架3、捡球飞轮固定板4和飞轮电机5；所述捡球飞轮固定板4与捡球支架固定连接，所述飞轮电机5固设在捡球飞轮固定板4上，所述捡球飞轮2与飞轮电机5的输出轴连接；所述鼓风机固定支架3与捡球飞轮固定板4固定在一起，所述鼓风机1固设在鼓风机固定支架3上。

本实施例中，所述驱动组件为升降丝杆电机19，该升降丝杆电机19固定在平台20上，升降丝杆电机19的丝杆滑块与长支架15的后端固定连接。当丝杆滑块沿着丝杆向下滑动时，能够带动捡球支架的前端升起，当丝杆滑块沿着丝杆向上滑动时，能够带动捡球支架的前端降下。

如图1所示，本实施例中，所述定位装置包括激光雷达23、摄像头16和摄像头支架14；所述激光雷达23固设于平台20底部的中间，所述摄像头16固设在摄像头支架14的顶部，所述摄像头支架14的底端固设于平台20上。

如图1所示，本实施例中，所述羽毛球收集装置包括羽毛球收集框18和进球检测电路，所述羽毛球收集框18固设于平台20上，且位于捡球装置的后方；所述进球检测电路设置在羽毛球收集框18上。

如图2所示，所述控制电路包括目标识别模块13和动作执行模块12，所述目标识别模块13分别与激光雷达23和摄像头16电连接，所述动作执行模块12分别与移动小车的位移电机9、驱动组件、飞轮电机5、鼓风机1和进球检测电路电连接；所述目标识别模块13接收激光雷达23和摄像头16所采集的数据，根据所接收到的数据识别出羽毛球的坐标信息，并根据羽毛球的坐标信息发出对应运动指令给动作执行模块12，所述动作执行模块12根据运动指令控制位移电机9、驱动组件、飞轮电机5和鼓风机1执行相应的动作。

如图1和图2所示，本实施例中，所述进球检测电路包括六对光电管17，每对光电管17包括一个红外发射管和一个红外接收管；各红外发射管和各红外接收管分别固定在羽毛球收集框18上，并分别与动作执行模块12电连接。

本实施例中，如图1和图2所示，羽毛球捡拾机器人，还包括两个限位开关22，两个限位开关22分别固设于平台20上且均位于长支架15的正下方，各限位开关22分别与动作执行模块12电连接。当位于前面的限位开关22检测到捡球支架的前端转动到下止点时，动作执行模块12控制升降丝杆电机19停止工作，当位于后面的限位开关22检测到捡球支架的前端转动到上止点时，动作执行模块12控制升降丝杆电机19停止工作。

本实施例中，目标识别模块13采用SoC开发板，动作执行模块12采用STM32单片机微控制器。将软件分为SoC端软件和STM32软件两部分，如图3所示。在SoC端包括目标识别程序、目标测距程序、数据融合程序和捡球机控制程序；其中，目标识别程序完成羽毛球场地内羽毛球的识别；目标测距程序利用激光雷达传回的数据进行羽毛球粗略检测并求出疑似羽毛球物体的坐标；数据融合程序完成目标识别信息和目标测距信息的有用信息提取与融合，最终给出羽毛球的坐标信息；捡球机控制程序根据羽毛球的坐标信息给出对应运动指令。在STM32端包括命令解析程序和动作执行程序，通过命令解析程序和动作执行程序共同完成SoC端下发的动作指令，并将执行结果反馈至SoC端，供其下一步参考。

本发明所述的一种羽毛球捡拾机器人的控制方法，采用本发明所述的羽毛球捡拾机器人，其控制方法包括以下步骤：

羽毛球识别定位：

激光雷达23不断扫描，当扫到外形大小等同于羽毛球的物体后，激光雷达23将该物体的坐标信息映射到图像坐标系中；然后利用摄像头16采集图像，并以该坐标为基准生成候选区域进行目标识别；若识别出物体是羽毛球，则目标识别模块13对激光雷达23和摄像头16所采集的数据进行融合生成羽毛球的坐标信息，并根据羽毛球的坐标信息发出对应运动指令给动作执行模块12；若识别出物体不是羽毛球，则继续扫描；

捡拾羽毛球：

在动作执行模块12接收到运动指令后，首先控制羽毛球捡拾机器人执行转向动作，使羽毛球捡拾机器人正对羽毛球；当羽毛球捡拾机器人与羽毛球对正之后，控制羽毛球捡拾机器人移动至羽毛球附近；此时动作执行模块12控制驱动组件工作，由驱动组件控制捡球装置的前端降下；接着，动作执行模块12控制鼓风机1工作，以摆正羽毛球的姿态；在羽毛球姿态摆正之后控制羽毛球捡拾机器人执行前进动作，通过旋转的捡球飞轮2将羽毛球抛至羽毛球收集框18。

本实施例中，羽毛球识别定位分为激光雷达23定位粗识别和图像识别再次确认识别两个阶段。

(一)激光雷达粗定位羽毛球的过程：

激光雷达23通过不断扫描来获取周围物体平面坐标信息，参见图5和图6，激光雷达23的采样大小、采样精度与激光雷达23的转速及环境有关。本实施例中，选用的激光雷达23应用了光学三角测距原理，并结合了无线输电和无线通信技术，实现了长时间可靠的稳定运行。该激光雷达23能够实现在二维平面的16m半径范围内进行360°全方位扫描，采样频率8KHz。在实际应用中，该激光雷达23的旋转频率为5rps～15rps，在这个转速下能够实现0.25°～0.7°的角度分辨率。

在8KHz扫描模式下，激光雷转速为5rps，该转速下激光雷达23旋转一圈能采样1600个点。为保证激光雷达23识别羽毛球的相对准确性，规定羽毛球在最小跨度下有3个点被激光雷达23测到。根据弧长公式L＝α×r(式中L为弧长，α为圆心角，r为半径)可得出雷达检测范围为：

式中：L根据实验数据确定为65mm；σ为角度分辨率，在8KHz采样模式、5rps转速下σ＝0.225°。所以求出激光雷达23在识别羽毛球时的最大距离为5520mm，该距离满足单人模式下羽毛球半场范围扫描要求。

如图7所示，激光雷达23对羽毛球进行扫描采样，得到采样点，参见图6。激光雷达23定位粗识别程序得到这些点后进行粗略判断。如果这些连续点是羽毛球，那么这些点之间的最大径向距离差应该小于羽毛球的高度，这些点的跨度应该在羽毛球直径和羽毛球高度之间；否则，被采样物体就不是羽毛球。

如图4所示，识别定位的主要流程如下：开始，利用激光雷达23扫描，判断物体的大小是否满足羽毛球，若否，继续扫描，若是，则采集图像，并进行数据融合、目标识别，判断是否为羽毛球，若否，则继续扫描，若是，则发送捡球指令，流程结束。

(二)图像识别的再次确认过程

图像识别的再次确认过程是对羽毛球粗识别一个补充，该过程对疑似羽毛球的物体进行最终判定。图像识别过程只处理经过激光雷达23粗识别判定为疑似羽毛球的物体，经此程序判定为羽毛球后，捡球机器人执行捡球动作。图像识别再次确认过程又分为坐标转换和目标识别两个过程。

场内物体若经激光雷达23定位粗识别为羽毛球，程序会计算该物体在激光雷达23坐标系下的位置，如图8所示。在坐标转换前，先对安装好的激光雷达23和摄像头16进行标定，如图9所示，得到激光雷达23坐标系到摄像头16采集到的图像坐标系中转换参数。有了这些参数后，粗识别为羽毛球的物体位置就可以转换为图像中的某一个像素点了。

将激光雷达23得到极坐标数据映射到图像坐标系上，并在图像坐标系上产生候选区域。所以要先将雷达的坐标转换到相机坐标下，这个转换过程用到的公式为：

X_C＝RT_CX_L；

式中：X_C为相机坐标系中坐标；X_L为激光雷达23获取到物体的坐标信息，在本实施例中为疑似羽毛球坐标；RT_C为激光雷达23坐标系到相机坐标系的旋转平移矩阵，在安装好激光雷达23和摄像头16之后通过标定来确定RT_C值。

完成雷达坐标系到相机坐标系的转换之后还需要将X_C转换到相机的成像平面上。由相机坐标到成像平面的转换主要涉及到相机的一些参数，用到的公式为

uv＝KX_C；

式中：uv为图像坐标，K为相机的参数。将上面两个过程结合成一个公式，可得出：

uv＝KRT_CX_L；

数据融合的最终目的是将羽毛球可疑物体在激光雷达23下的坐标转换到图像像素上。在进行目标识别前，先对羽毛球可疑物体像素位置进行扩大，扩大到合适的像素后就可以将此区域作为羽毛球识别的候选区域。如此一来，羽毛球识别的计算量将会大大降低，这有利于提升捡球机器人的捡球效率，也有利于降低图像识别程序对硬件的性能要求，从而降低产品成本。

羽毛球识别的候选区域确定是根据羽毛球的距离来计算的，参见图10和图11。先用激光雷达23给出的可疑物体坐标经过换算得到产生候选区域的像素点，再根据可疑物体距离算出羽毛球在图像中像素面积大小，进而确定候选区域的大小。有了候选区域之后，对图像进行分类计算就可以判断该区域是否为羽毛球。羽毛球分类算法采用Adaboost算法作为羽毛球识别算法。

Adaboost算法流程如下：

(1)初始化训练数据的权值分布。

每一个训练样本最先开始时都被赋予相同的权值：

式中：w_i为每个训练样本的权值大小，N为训练样本数。这样，训练样本集的初始权值分布为：

式中：D₁(i)为样本集的初始权值分布，初始化的结果是每一个训练样本都被赋予了相同的权值。

(2)进行迭代t＝1,2,…,T。

选取一个当前误差率最低的弱分类器h作为第t个基本分类器H_t，并计算弱分类h_t:X→{-1,1},该弱分类器在分布D_t上的误差为：

式中：e_t为第t个样本的误差率。计算该弱分类器在最终分类器中所占的权重为：

更新训练样本的权值分布：

式中：Z_t为归一化常数，其值为：

(3)最后按弱分类器权重α_t组合各个弱分类器：

通过符号函数的作用得到一个强分类器：

因为权重更新依赖于α_t，从公式知道α_t与误差率有关。对于样本权重更新公式，当样本分类错误时，y_iH_t(x_i)＝-1，这时：

当样本分类正确时，y_iH_t(x_i)＝1，这时：

综合上面的推导，可得样本分错与分对时，其权值更新的公式为：

Adaboost提供了一种框架，在框架内可以使用各种方法构建子分类器。可以使用简单的弱分类器，不用对特征进行筛选，也不存在过拟合的现象。Adaboost算法不需要弱分类器的先验知识，最后得到的强分类器的分类精度依赖于所有弱分类器。

(三)捡拾羽毛球

(1)捡球原理

根据捡球策略，将掉落在地上的羽毛球姿态分为四类，如图12至图15所示。通过实验发现，将图12至图14中的羽毛球姿态调整为图15中的羽毛球姿态时，就可以实现羽毛球的捡拾。根据空气动力学我们知道，羽毛球的姿态可以通过风力来实现。具体来说，就是通过控制鼓风机1的出风量，用风力调整羽毛球姿态到可被捡拾状态。

在图12至图14中的羽毛球姿态中，因图14中的羽毛球姿态为最难捡拾而具有分析的代表性。下面通过对图14中的羽毛球的捡拾来说明捡球装置工作原理。

经过定位与识别之后，SoC端将羽毛球的坐标以运动指令的形式传给STM32端。STM32端对运动指令进行解析，得到羽毛球的坐标后会按照“最近邻”原则规划捡球路径。当捡球机移动至羽毛球附近，控制驱动组件降下捡球装置，如图16所示。

捡球装置在下降后，捡球装置通过控制鼓风机1的出风量来调整羽毛球的姿态。如图17所示，羽毛球尾部朝向捡球装置时受到不平衡的风力之后产生一个合力，这个力使羽毛球绕着球头和球尾确定的同心圆的圆心滚动，风力使得羽毛球最终在球头朝向捡球装置的时候停下来，如图18所示。

完成羽毛球的姿态调整后，羽毛球捡拾机器人向前行走。如图19所示，当飞速旋转的捡球飞轮2接触到羽毛球球头时，在捡球飞轮2和羽毛球球头接触处给羽毛球球头施加一个力。如图20所示，两个捡球飞轮2会同时对羽毛球施加作用力，这两个力的合力足够大时就能将羽毛球抛起，达到羽毛球捡拾的效果，如图21所示。

(2)捡球装置控制程序

如图22所示，捡球的流程如下：流程开始，羽毛球捡拾机器人对正羽毛球，羽毛球捡拾机器人移动至羽毛球附近，降下捡球装置，调整羽毛球姿态，羽毛球捡拾机器人前进捡球，升起捡球装置，流程结束。

本实施例中，总程序由两个子功能程序块组成，即羽毛球定位和动作控制程序，二者用串口通信，程序流程如图23所示。羽毛球定位有两个线程，主线程为激光雷达23粗识别程序及数据融合程序，接收处理线程为羽毛球识别程序。

在羽毛球定位程序中开启了两个线程。在工作时，激光雷达23粗识别线程一直在检测扫描，扫描到类似羽毛球物体后唤醒羽毛球识别程序的线程。处理后的路径信息最终通过串口发送到STM32单片机微控制器上，STM32单片机微控制器获取到动作信息后再执行下一步动作。

本羽毛球捡拾机器人具有自动定位和识别羽毛球功能，能够实现羽毛球低损伤、高效率拾取，并且在工作时具有噪声低、功耗小的特点。

Claims (7)

1.一种羽毛球捡拾机器人，其特征在于：包括移动小车、捡球装置、定位装置、羽毛球收集装置和控制电路；

所述移动小车包括移动小车本体以及设置于移动小车本体上的平台（20）；

所述捡球装置包括捡球架组件、两个捡球组件和驱动组件；

所述捡球架组件包括捡球支架和捡球支架座（11）；所述捡球支架座（11）包括两个L形支架，两个L形支架的下端定位连接于所述平台（20）上；所述捡球支架包括短支架（7）和长支架（15），短支架（7）的前端和长支架（15）的前端通过加强筋（6）连接在一起，所述短支架（7）的后端通过第一转轴与位于左侧的L形支架连接；所述长支架（15）的中后部通过第二转轴与位于右侧的L形支架连接，长支架（15）的后端与驱动组件连接，所述驱动组件用于驱动长支架（15）绕第二转轴转动；

两个捡球组件间隔设置在捡球架组件的前端；所述捡球组件包括鼓风机（1）、捡球飞轮（2）、鼓风机固定支架（3）、捡球飞轮固定板（4）和飞轮电机（5）；所述捡球飞轮固定板（4）与捡球支架固定连接，所述飞轮电机（5）固设在捡球飞轮固定板（4）上，所述捡球飞轮（2）与飞轮电机（5）的输出轴连接；所述鼓风机固定支架（3）与捡球飞轮固定板（4）固定在一起，所述鼓风机（1）固设在鼓风机固定支架（3）上；

所述定位装置包括激光雷达（23）、摄像头（16）和摄像头支架（14）；所述激光雷达（23）固设于平台（20）底部的中间，所述摄像头（16）固设在摄像头支架（14）的顶部，所述摄像头支架（14）的底端固设于平台（20）上；

所述羽毛球收集装置包括羽毛球收集框（18）和进球检测电路，所述羽毛球收集框（18）固设于平台（20）上，且位于捡球装置的后方；所述进球检测电路设置在羽毛球收集框（18）上；

所述控制电路包括目标识别模块（13）和动作执行模块（12），所述目标识别模块（13）分别与激光雷达（23）和摄像头（16）电连接，所述动作执行模块（12）分别与移动小车的位移电机（9）、驱动组件、飞轮电机（5）、鼓风机（1）和进球检测电路电连接；所述目标识别模块（13）接收激光雷达（23）和摄像头（16）所采集的数据，根据所接收到的数据识别出羽毛球的坐标信息，并根据羽毛球的坐标信息发出对应运动指令给动作执行模块（12），所述动作执行模块（12）根据运动指令控制位移电机（9）、驱动组件、飞轮电机（5）和鼓风机（1）执行相应的动作；具体为：

在动作执行模块（12）接收到运动指令后，首先控制羽毛球捡拾机器人执行转向动作，使羽毛球捡拾机器人正对羽毛球；当羽毛球捡拾机器人与羽毛球对正之后，控制羽毛球捡拾机器人移动至羽毛球附近；此时动作执行模块（12）控制驱动组件工作，由驱动组件控制捡球装置的前端降下；接着，动作执行模块（12）控制鼓风机（1）工作，以摆正羽毛球的姿态；在羽毛球姿态摆正之后控制羽毛球捡拾机器人执行前进动作，通过旋转的捡球飞轮（2）将羽毛球抛至羽毛球收集框（18）。

2.根据权利要求1所述的羽毛球捡拾机器人，其特征在于：所述移动小车本体包括两个主动轮（8）、两个位移电机（9）、两个霍尔编码器（10）和两个从动轮（21）；两个从动轮（21）对称安装在平台（20）底部的后端；两个位移电机（9）对称安装在平台（20）底部的前端；两个主动轮（8）分别与两个位移电机（9）一一对应连接；两个位移电机（9）用于提供直行和转向力矩，两个霍尔编码器（10）分别安装在对应的位移电机（9）上，用于检测两个主动轮（8）的转速。

3.根据权利要求1或2所述的羽毛球捡拾机器人，其特征在于：所述驱动组件为升降丝杆电机（19），该升降丝杆电机（19）固定在平台（20）上，升降丝杆电机（19）的丝杆滑块与长支架（15）的后端固定连接。

4.根据权利要求3所述的羽毛球捡拾机器人，其特征在于：还包括两个限位开关（22），两个限位开关（22）分别固设于平台（20）上且均位于长支架（15）的正下方，各限位开关（22）分别与动作执行模块（12）电连接。

5.根据权利要求3所述的羽毛球捡拾机器人，其特征在于：所述进球检测电路包括六对光电管（17），每对光电管（17）包括一个红外发射管和一个红外接收管；各红外发射管和各红外接收管分别固定在羽毛球收集框（18）上，并分别与动作执行模块（12）电连接。

6.一种羽毛球捡拾机器人的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1至5任一所述的羽毛球捡拾机器人，其控制方法包括以下步骤：

羽毛球识别定位：

激光雷达（23）不断扫描，当扫到外形大小等同于羽毛球的物体后，激光雷达（23）将该物体的坐标信息映射到图像坐标系中；然后利用摄像头（16）采集图像，并以该坐标为基准生成候选区域进行目标识别；若识别出物体是羽毛球，则目标识别模块（13）对激光雷达（23）和摄像头（16）所采集的数据进行融合生成羽毛球的坐标信息，并根据羽毛球的坐标信息发出对应运动指令给动作执行模块（12）；若识别出物体不是羽毛球，则继续扫描；

捡拾羽毛球：

在动作执行模块（12）接收到运动指令后，首先控制羽毛球捡拾机器人执行转向动作，使羽毛球捡拾机器人正对羽毛球；当羽毛球捡拾机器人与羽毛球对正之后，控制羽毛球捡拾机器人移动至羽毛球附近；此时动作执行模块（12）控制驱动组件工作，由驱动组件控制捡球装置的前端降下；接着，动作执行模块（12）控制鼓风机（1）工作，以摆正羽毛球的姿态；在羽毛球姿态摆正之后控制羽毛球捡拾机器人执行前进动作，通过旋转的捡球飞轮（2）将羽毛球抛至羽毛球收集框（18）。

7.根据权利要求6所述的羽毛球捡拾机器人的控制方法，其特征在于：在进行目标识别之前，先对羽毛球可疑物体像素位置进行扩大，扩大到合适的像素后将此区域作为羽毛球识别的候选区域。

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