智能羽毛球發(fā)球器的制備

張煜宸 張大偉 韋詩芹 史海貝

（廣西科技大學 電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545000）

隨著競技羽毛球運動技戰(zhàn)術水平的不斷創(chuàng)新、計算機性能的不斷提高，對羽毛球運動員提出了更高的要求。專家認為從運動力學和羽毛球運動技術特點來看，擊球過程中擊球手臂相對于運動員整個運動過程具有保持身體平衡，提高身體移動速度，協(xié)助發(fā)力等作用。通過研究擊球手臂在羽毛球運動擊球過程中的作用和運動軌跡，一方面可對羽毛球愛好者提供科學有效的鍛煉方法，另一方面通過計算機處理技術可以研制出相應的訓練機器，我們通過基于PLC 開發(fā)發(fā)球裝置俯仰角、方向控制器，研究控制信號傳輸、訓練數據上傳網絡、機械裝置組裝，組裝相關裝置部件，開發(fā)出相應的智能發(fā)球機樣機。

1 系統(tǒng)方案設計（圖1）

圖1 智能羽毛球發(fā)球器3D 建模圖

1.1 球員位置檢測方法的設計研究

通過攝像頭搭建視覺檢測系統(tǒng)，通過圖像分割、特征提取、模式識別，結合攝像機坐標系內參標定，得出球員位置確定算法。

1.2 目標發(fā)球位置確定算法的研究

根據每次訓練上傳的歷史數據，將球員手部訓練動作進行分解，按挑球、扣殺等動作進行分類統(tǒng)計，通過模式識別確定球員力量、速度、耐力等訓練階段，結合訓練模型提出目標發(fā)球位置確定算法。

1.3 設備開發(fā)

基于PLC 開發(fā)發(fā)球裝置俯仰角、方向控制器，研究控制信號傳輸、訓練數據上傳網絡、機械裝置組裝，組裝相關裝置部件，開發(fā)出相應的智能發(fā)球機樣機。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)執(zhí)行機構設計

根據設計要求，系統(tǒng)執(zhí)行機構分為兩個部分：俯仰角控制執(zhí)行機構和轉盤控制執(zhí)行機構，俯仰角控制系統(tǒng)我們采用三角結構，通過底端的推桿控制推動俯仰板的上下移動，底端轉盤控制機構采用步進電機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)執(zhí)行機構設計實物圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)執(zhí)行機構

2.2 系統(tǒng)硬件選型

本系統(tǒng)選用西門子LOGO！做主控制器，控制推桿驅動器和步進電機，還有整個裝置的LED、裝置門的推桿、工業(yè)相機拍照的觸發(fā)控制。電動推桿型號為JU-TGF-10(功率80W，24V 工作電壓，行程350-400mm，推力2500N)、一個步進電機型號57HS09。旋轉盤電機用來控制旋轉盤的旋轉，要求轉速慢，控制簡單，收到停止信號后能立即停止，停止時不出現因慣性產生的轉動，避免產生不必要的誤差。系統(tǒng)選用的定速電機，不僅符合轉速要求，轉矩也滿足設計要求，而且控制方便，停止時不會產生慣性轉動。

3 圖像處理設計

3.1 圖像處理設計要求

3.1.1 目標特征提取，我們采用幀差法提取目標特征，幀間差分法是一種通過對視頻圖像序列的連續(xù)兩幀圖像做差分運算獲取運動目標輪廓的方法。當監(jiān)控場景中出現異常目標運動時，相鄰兩幀圖像之間會出現較為明顯的差別，兩幀相減，求得圖像對應位置像素值差的絕對值，判斷其是否大于某一閾值，進而分析視頻或圖像序列的物體運動特性。

3.1.2 訓練數集的建立，因為BP 神經網絡有很強的非線性能力，自主學習能力以及自適應能力，可對數據進行記憶訓練，以測得的坐標以及讀取的像素點進行訓練。以讀取的像素坐標(u,v)為輸入值，可輸出相應的位置(x,y),其輸出值與期望值相近。將此對于輸出的數據輸入PC 端，作為控制執(zhí)行機構的控制信號。

3.2 圖像處理設計流程（圖3）

圖3 圖像處理流程圖

在本設計中首先將圖像進行二值化與取反，二值化閾值可以手動輸入或者自動取閾值；接著采用中值濾波對二值化圖像進行濾波處理。根據處理得出的二值圖，提取出目標特征的區(qū)域圖，求目標區(qū)域像素點數。然后進行差值處理，將視頻圖像轉化為圖像序列中的圖像分別轉化為二值化，每幀圖像的二值圖都與前一幀求差值，得出不同動作時期的差值圖。然后將收集到的目標特征區(qū)域圖進行標定，得到相應的像素點坐標后轉化為數字信號輸入到PC 端中。

圖像處理有很多方法，這里因為我們是采用幀測運動的方式，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動圖片之間的輪廓運動體態(tài)特征值，對特征值進行判斷處理，將編寫好的代碼在PC 端中調整運行，對我們已經選取好的特征值進行判斷處理，通過串口通信，將值再傳送到PLC 中進行運行，PLC 作為從機控制器，PC 作為主位機運行，這樣就可以將攝像頭中觀測到的特征值傳送到PLC 中運行。

4 OPC 應用通信

4.1 通信方案

采用OPC 可以將MATLAB 與WINCC 進行數據傳遞，在MATLAB 上進行OPC 的設置，生成一個OPC 服務器。其主要步驟：在MATLAB 命令動作框上輸入OPCtool，跳出OPC 設置界面，右鍵點擊OPC Network 選擇Add Host 確定后出現OPCServer.WinCC.1，右鍵點擊后選擇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Item 中就可以完成OPC 的設置，需要注意的是添加Item 前要將WINCC 激活。

除了可以在OPC 的設置界面進行設置外，還可以利用程序自動進行OPC 服務器的建立與連接，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)變量的設計

采用工控機為上位機系統(tǒng)的核心單元，以WINCC 的組態(tài)控制軟件為平臺基礎，通過標準協(xié)議接口實現與PLC 的連接，在工作中滿足遠程監(jiān)控和控制功能，需要在WINCC 上設置變量管理，將PLC 的變量傳輸到WINCC 上，達到在線監(jiān)控。WINCC 組態(tài)監(jiān)控設計的步驟：新建項目后打開變量管理，添加所需的驅動SIMATIC S7 Protocol suite，找到下面的MPI 右鍵點擊新建連接，建立一個連接名，在右邊的添加進變量。需要注意的是PLC 的變量按鈕的變量地址選擇位存儲器M。其他的輸入輸出變量與編程軟件step7 的符號表一致。

WINCC 變量記錄設置步驟：點擊WINCC 上的變量記錄，打開變量記錄界面，選擇下方的歸檔的過程值歸檔，在左側新建添加一個歸檔名稱，再點機新建的歸檔名，在左側的過程變量選擇中加入變量管理的變量。至此，WINCC 組態(tài)變量設置完成。

打開WINCC 的全局腳本選擇VBS-Editor, 新建動作項目，在右邊寫入VBS 腳本程序，程序如下：

右鍵點擊項目名選擇信息/觸發(fā)器，定時器觸點與變量觸發(fā)，定時器也分為周期性與非周期性；選擇定時器周期性觸發(fā)，設置觸發(fā)延時后，保存退出即完成VBS 腳本的程序編寫與設置。當WINCC 處于激活狀態(tài)時，就會啟動VBS 腳本工作，間隔時間到VBS 調用exe 文件。

5 結論

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