捡球机控制系统设计研究范文

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摘要：智能手机以其独有的特点正为人们提供越来越多的技术成果。本文设计了一种基于智能手机控制的网球捡球机，首先阐述了基于智能手机控制的网球捡球机要实现的功能，然后介绍了该捡球机的设计原理，包括系统方案设计、硬件电路设计、软件开发设计。在捡球过程中，捡球机可以独立完成捡球信号的接收、网球的识别、拾取网球等一系列动作。使用手机控制的捡球机系统具有低成本、使用灵活的优点，能实现网球捡球过程的智能化、高效化。

关键词：智能手机；捡球机；蓝牙通信；远程控制

1网球捡球机的发展现状

目前国内外已有的网球捡球机大约有四类：第一类是手推式的捡球机，需要靠人推着车去捡球，无智能装置区。第二类是电动控制的捡球机，需要靠人操控完成捡球，无智能装置。第三类是自动控制的捡球车，每次只能捡一个球，且没有避人避障等一些基本的控制，仅限用于实验，智能性较差。第四类是基于上位机结合场地摄像头采集图像的总体控制方案，其控制方式仅适用于大规模的网球场，而且系统控制方式复杂，成本较高，不易携带。当前网球捡球工具体积大且自动化程度低，比较笨拙。浪费运动员体能，不方便打球，需要人工操作，与智能化捡球机相比消耗更多的时间与体力。而且造价高，一般网球场很难购买，因此，它的适用范围小，普及度低。为了网球捡球机的功能更加智能化、人性化，我们研制了一种捡球拾取过程的方便、快捷的基于智能手机控制的网球捡球机。基于智能手机控制的网球捡球机由手机蓝牙控制平台、蓝牙HC-06通信模块、网球识别模块、运动系统、捡球系统和控制器组成，捡球机在接收手机控制平台发出的捡球命令后，灵活识别场地上的网球，进而拾取网球。

2网球捡球机控制系统的设计原理

2.1系统方案设计

基于智能手机控制的网球捡球机由智能手机蓝牙控制平台、蓝牙HC-06通信模块、网球识别模块、运动系统、捡球系统和控制器组成。智能手机的蓝牙控制平台作为客户端，捡球机上的蓝牙模块HC-06作为服务端，服务端采用AT89C51单片机进行控制，双方通过串口进行通信，单片机通过控制捡球机的运动系统、捡球系统以完成相应的捡球功能。网球捡球机以AT89C51单片机为核心，外围电路包括电机驱动电路，捡球系统驱动电路，网球识别模块，蓝牙HC-06模块。捡球机上的网球识别系统能快速搜寻网球，单片机控制行走电动机、捡球电动机的动作以拾取网球。当运动员需要捡球时，只需打开手机蓝牙控制平台，发出捡球命令，此时手机蓝牙就与网球捡球机上的蓝牙模块建立通信，将捡球命令发送给捡球机，捡球机得到命令后，通过智能识别系统快速找到网球的位置，捡球机运动到其位置将网球拾取。

2.2系统硬件电路设计

该捡球机控制系统的硬件电路分为五个部分：单片机最小系统、网球识别模块、电源模块、电机驱动模块、，其中AT89C51单片机最小系统是捡球机控制器的核心部分，网球识别模块的原理类似于图像处理系统，首先我们把网球的图片信息输入网球识别模块系统中，优化网球识别算法，使网球识别系统能在复杂、多变的环境中识别出网球的位置，确保捡球机在不同的环境下都能拾取网球。电源模块由两部分组成，一部分接外部电源，用于供电机驱动模块运行，另一部分由电池电源供电，以确保单片机最小系统、网球识别模块、蓝牙HC-06模块的正常工作。电机驱动模块需要两个部分，一部分是对电机行走系统的控制，即对捡球机4个轮子的运行状态的控制，包括轮子的进退、转向方向和速度的控制；另一部分是控制捡球机的捡球机构动作，包括捡球机构对网球的抓取、释放、各种角度动作的调整。

2.2.1单片机最小系统

单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成,是单片机能正常工作并能实现所要的控制要求的基本组成部分。对于51系列的单片机来说，最小系统一般包括：单片机、晶振电路、复位电路。单片机最小系统如图3所示。现今市面上的单片机的类型有很多，51结构的单片机有AT89CXX系列、AT89SXX系列、AT89C20系列或STC系列的所有单片机都可实现控制电机驱动。

2.2.2蓝牙HC-06模块

捡球机上的蓝牙模块选择HC-06模块，用于接受手机平台发出的捡球命令，把捡球信号传递给控制器从而使捡球机完成相应的动作。蓝牙HC-06模块芯片共有VCC、GND、RXD、TXD4个引脚，可以对单片机无线升级和下载程序。它的主要作用是通过串口与AT89C51进行通信，传递智能手机蓝牙开发平台发出的捡球命令，直接打开手机蓝牙开发平台，点击捡球按钮，便通过与蓝牙模块的信息连接配对成功后，实现远程控制捡球机拾取网球的功能。

2.2.3电机驱动模块

该电机驱动模块包括5个电动机，其中4台电动机控制4个轮子的行走，1台电动机控制捡球机构的动作。电机驱动模块采用L298N电机，该电机由于其工作电压高、输出电流大、电路简单的特点，可以实现控制两个电机结构的要求，一个是控制电机行走系统，即对捡球机4个轮子的运行状态的控制，包括轮子的进退、转向方向和速度的控制；另一个是控制捡球机的捡球机构动作，包括捡球机构对网球的抓取、释放、各种角度动作的调整。

2.3系统的软件设计

2.3.1控制系统主程序设计

主程序的设计是为了单片机能对蓝牙HC-06模块接收到的来自手机蓝牙平台发出的捡球命令进行分析判断，从而来控制电机驱动模块的动作，从而实现智能捡球机的自动捡球功能。实现单片机对蓝牙HC-06模块存储的命令进行判断分析，控制电机驱动系统的运行，从而控制捡球机的捡球动作。

2.3.2手机控制平台程序设计

为了实现智能手机控制网球机捡球的功能，手机蓝牙控制采用Eclipse开发环境，主要是对手机蓝牙输入的捡球命令进行分析，与捡球机上的蓝牙HC-06模块建立通信，该程序分为2个模块：平台界面模块，平台监控模块。使用者通过点击“平台界面”里的捡球命令按钮，在命令成功录入后，存入相应的数据库，为捡球命令判断做好前期准备，之后平台监控模块与蓝牙HC-06模块、网球识别模块建立通信，网球识别模块检测到球场有网球散落，蓝牙HC-06模块立刻通过串口与AT89C51进行通信，传递智能手机蓝牙发出的捡球命令，继而使捡球机构拾取网球。

3结论

本文是一种应用于各类网球场的智能网球捡球机。它具有一定的智能性，高效性通过其网球识别模块的识别功能，能够自动发现网球，另外还具有手机控制捡球的功能，不需要人过多的参与，只要利用智能手机，就能完成捡球信号的接收、网球的识别、拾取网球等一系列动作，实现了网球捡球过程的智能化、高效化。

参考文献：

[1]吕腾飞.智能网球机的研制[J].电子世界,2015(69).

[2]聂茹.基于Android手机蓝牙控制的智能小车设计与实现[J].微型电脑应用,2015.

[3]林广茂.基于视觉识别的全自动网球拾取机器人设计[M].工业自动化,2017:80-84.

[4]华祥春.一种基于智能手机蓝牙技术的机器人控制系统[M].电脑知识与技术,2008.

作者：赵义龙，刘剑，侯静；张童；李浩 单位：沈阳建筑大学信息与控制工程学院