智能羽毛球發(fā)球器的制備

張煜宸 張大偉 韋詩(shī)芹 史海貝

（廣西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545000）

隨著競(jìng)技羽毛球運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)水平的不斷創(chuàng)新、計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，對(duì)羽毛球運(yùn)動(dòng)員提出了更高的要求。專家認(rèn)為從運(yùn)動(dòng)力學(xué)和羽毛球運(yùn)動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)來(lái)看，擊球過(guò)程中擊球手臂相對(duì)于運(yùn)動(dòng)員整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有保持身體平衡，提高身體移動(dòng)速度，協(xié)助發(fā)力等作用。通過(guò)研究擊球手臂在羽毛球運(yùn)動(dòng)擊球過(guò)程中的作用和運(yùn)動(dòng)軌跡，一方面可對(duì)羽毛球愛(ài)好者提供科學(xué)有效的鍛煉方法，另一方面通過(guò)計(jì)算機(jī)處理技術(shù)可以研制出相應(yīng)的訓(xùn)練機(jī)器，我們通過(guò)基于PLC 開(kāi)發(fā)發(fā)球裝置俯仰角、方向控制器，研究控制信號(hào)傳輸、訓(xùn)練數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械裝置組裝，組裝相關(guān)裝置部件，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的智能發(fā)球機(jī)樣機(jī)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（圖1）

圖1 智能羽毛球發(fā)球器3D 建模圖

1.1 球員位置檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)研究

通過(guò)攝像頭搭建視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)圖像分割、特征提取、模式識(shí)別，結(jié)合攝像機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)參標(biāo)定，得出球員位置確定算法。

1.2 目標(biāo)發(fā)球位置確定算法的研究

根據(jù)每次訓(xùn)練上傳的歷史數(shù)據(jù)，將球員手部訓(xùn)練動(dòng)作進(jìn)行分解，按挑球、扣殺等動(dòng)作進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，通過(guò)模式識(shí)別確定球員力量、速度、耐力等訓(xùn)練階段，結(jié)合訓(xùn)練模型提出目標(biāo)發(fā)球位置確定算法。

1.3 設(shè)備開(kāi)發(fā)

基于PLC 開(kāi)發(fā)發(fā)球裝置俯仰角、方向控制器，研究控制信號(hào)傳輸、訓(xùn)練數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械裝置組裝，組裝相關(guān)裝置部件，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的智能發(fā)球機(jī)樣機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為兩個(gè)部分：俯仰角控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)盤(pán)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，俯仰角控制系統(tǒng)我們采用三角結(jié)構(gòu)，通過(guò)底端的推桿控制推動(dòng)俯仰板的上下移動(dòng)，底端轉(zhuǎn)盤(pán)控制機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)硬件選型

本系統(tǒng)選用西門(mén)子LOGO！做主控制器，控制推桿驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)，還有整個(gè)裝置的LED、裝置門(mén)的推桿、工業(yè)相機(jī)拍照的觸發(fā)控制。電動(dòng)推桿型號(hào)為JU-TGF-10(功率80W，24V 工作電壓，行程350-400mm，推力2500N)、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)57HS09。旋轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)用來(lái)控制旋轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，要求轉(zhuǎn)速慢，控制簡(jiǎn)單，收到停止信號(hào)后能立即停止，停止時(shí)不出現(xiàn)因慣性產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)，避免產(chǎn)生不必要的誤差。系統(tǒng)選用的定速電機(jī)，不僅符合轉(zhuǎn)速要求，轉(zhuǎn)矩也滿足設(shè)計(jì)要求，而且控制方便，停止時(shí)不會(huì)產(chǎn)生慣性轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 圖像處理設(shè)計(jì)

3.1 圖像處理設(shè)計(jì)要求

3.1.1 目標(biāo)特征提取，我們采用幀差法提取目標(biāo)特征，幀間差分法是一種通過(guò)對(duì)視頻圖像序列的連續(xù)兩幀圖像做差分運(yùn)算獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輪廓的方法。當(dāng)監(jiān)控場(chǎng)景中出現(xiàn)異常目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰兩幀圖像之間會(huì)出現(xiàn)較為明顯的差別，兩幀相減，求得圖像對(duì)應(yīng)位置像素值差的絕對(duì)值，判斷其是否大于某一閾值，進(jìn)而分析視頻或圖像序列的物體運(yùn)動(dòng)特性。

3.1.2 訓(xùn)練數(shù)集的建立，因?yàn)锽P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的非線性能力，自主學(xué)習(xí)能力以及自適應(yīng)能力，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記憶訓(xùn)練，以測(cè)得的坐標(biāo)以及讀取的像素點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練。以讀取的像素坐標(biāo)(u,v)為輸入值，可輸出相應(yīng)的位置(x,y),其輸出值與期望值相近。將此對(duì)于輸出的數(shù)據(jù)輸入PC 端，作為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)。

3.2 圖像處理設(shè)計(jì)流程（圖3）

圖3 圖像處理流程圖

在本設(shè)計(jì)中首先將圖像進(jìn)行二值化與取反，二值化閾值可以手動(dòng)輸入或者自動(dòng)取閾值；接著采用中值濾波對(duì)二值化圖像進(jìn)行濾波處理。根據(jù)處理得出的二值圖，提取出目標(biāo)特征的區(qū)域圖，求目標(biāo)區(qū)域像素點(diǎn)數(shù)。然后進(jìn)行差值處理，將視頻圖像轉(zhuǎn)化為圖像序列中的圖像分別轉(zhuǎn)化為二值化，每幀圖像的二值圖都與前一幀求差值，得出不同動(dòng)作時(shí)期的差值圖。然后將收集到的目標(biāo)特征區(qū)域圖進(jìn)行標(biāo)定，得到相應(yīng)的像素點(diǎn)坐標(biāo)后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入到PC 端中。

圖像處理有很多方法，這里因?yàn)槲覀兪遣捎脦瑴y(cè)運(yùn)動(dòng)的方式，可以選用幀差法算法，從其中提取到特征值，我們所選取的特征值是兩幅運(yùn)動(dòng)圖片之間的輪廓運(yùn)動(dòng)體態(tài)特征值，對(duì)特征值進(jìn)行判斷處理，將編寫(xiě)好的代碼在PC 端中調(diào)整運(yùn)行，對(duì)我們已經(jīng)選取好的特征值進(jìn)行判斷處理，通過(guò)串口通信，將值再傳送到PLC 中進(jìn)行運(yùn)行，PLC 作為從機(jī)控制器，PC 作為主位機(jī)運(yùn)行，這樣就可以將攝像頭中觀測(cè)到的特征值傳送到PLC 中運(yùn)行。

4 OPC 應(yīng)用通信

4.1 通信方案

采用OPC 可以將MATLAB 與WINCC 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，在MATLAB 上進(jìn)行OPC 的設(shè)置，生成一個(gè)OPC 服務(wù)器。其主要步驟：在MATLAB 命令動(dòng)作框上輸入OPCtool，跳出OPC 設(shè)置界面，右鍵點(diǎn)擊OPC Network 選擇Add Host 確定后出現(xiàn)OPCServer.WinCC.1，右鍵點(diǎn)擊后選擇Create Client，右擊“l(fā)ocalhost/OPCSever.WinCC”選擇Add Group,添加group1，可以更改其命名，改為Group,再右擊選擇Add Item,將WINCC 變量添加進(jìn)Item 中就可以完成OPC 的設(shè)置，需要注意的是添加Item 前要將WINCC 激活。

除了可以在OPC 的設(shè)置界面進(jìn)行設(shè)置外，還可以利用程序自動(dòng)進(jìn)行OPC 服務(wù)器的建立與連接，創(chuàng)建流程如圖4 所示。

圖4 OPC 創(chuàng)建流程圖

4.2 WINCC 組態(tài)變量的設(shè)計(jì)

采用工控機(jī)為上位機(jī)系統(tǒng)的核心單元，以WINCC 的組態(tài)控制軟件為平臺(tái)基礎(chǔ)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口實(shí)現(xiàn)與PLC 的連接，在工作中滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能，需要在WINCC 上設(shè)置變量管理，將PLC 的變量傳輸?shù)絎INCC 上，達(dá)到在線監(jiān)控。WINCC 組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)的步驟：新建項(xiàng)目后打開(kāi)變量管理，添加所需的驅(qū)動(dòng)SIMATIC S7 Protocol suite，找到下面的MPI 右鍵點(diǎn)擊新建連接，建立一個(gè)連接名，在右邊的添加進(jìn)變量。需要注意的是PLC 的變量按鈕的變量地址選擇位存儲(chǔ)器M。其他的輸入輸出變量與編程軟件step7 的符號(hào)表一致。

WINCC 變量記錄設(shè)置步驟：點(diǎn)擊WINCC 上的變量記錄，打開(kāi)變量記錄界面，選擇下方的歸檔的過(guò)程值歸檔，在左側(cè)新建添加一個(gè)歸檔名稱，再點(diǎn)機(jī)新建的歸檔名，在左側(cè)的過(guò)程變量選擇中加入變量管理的變量。至此，WINCC 組態(tài)變量設(shè)置完成。

打開(kāi)WINCC 的全局腳本選擇VBS-Editor, 新建動(dòng)作項(xiàng)目，在右邊寫(xiě)入VBS 腳本程序，程序如下：

右鍵點(diǎn)擊項(xiàng)目名選擇信息/觸發(fā)器，定時(shí)器觸點(diǎn)與變量觸發(fā)，定時(shí)器也分為周期性與非周期性；選擇定時(shí)器周期性觸發(fā)，設(shè)置觸發(fā)延時(shí)后，保存退出即完成VBS 腳本的程序編寫(xiě)與設(shè)置。當(dāng)WINCC 處于激活狀態(tài)時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)VBS 腳本工作，間隔時(shí)間到VBS 調(diào)用exe 文件。

5 結(jié)論

智能羽毛球發(fā)球器是一種利用機(jī)器視覺(jué)算法作為核心的一款智能設(shè)備，創(chuàng)新性的采用了圖像處理，采用PC 端處理，PLC控制的方式，具有實(shí)用性高、效率高、自動(dòng)化程度高的優(yōu)良特點(diǎn)。