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摘要：本設計構想旨在設計一種撿取乒乓球的智能機器，它能夠在各種乒乓球場館進行運作。該機器可依靠四驅車底盤在場地間移動，它攜帶有紅外探測器，能夠利用紅外感知進行障礙檢測，從而自動躲避障礙物。在移動中，該機器能夠通過攜帶的圖像傳感器，檢測視野中是否出現乒乓球，確定存在后能夠主動撿取。該機器在四驅車底盤上搭載了獨特的乒乓球吸取裝置，它能夠利用風扇轉動產生的氣壓差，使乒乓球吸入到攜帶的收納盒中。總之，該撿取機器能夠克服傳統人力撿球費力費時的缺點，大大提高人們的訓練質量。

關鍵詞：紅外感知；圖像傳感器；壓力差

引言

“乒乓球”是我國最引以為豪的體育運動之一，常年獲得各種獎項的冠軍，也長期引領了國民的“乒乓熱”。我國乒乓球場館眾多，學習人數也是居高不下。在訓練和比賽的過程中，經常會用到大量的乒乓球，從而會產生很多掉落在地上的球。為處理這些球，通常大家都會在用完所有球之后手動進行撿球，這必然會浪費大量人力，也會導致訓練時間的浪費。目前，我國大多數場館還是采用著人工撿球的方式去進行乒乓球的撿取，費時費力。市面上也有一些撿球機，主要是通過搭載在傳統小車（如四驅車）上的機械手臂來拾取，這些機器因為自身物理機械結構的限制性，對于墻角和一些障礙物之間的乒乓球不能有效撿取，即效率較低且適用的局限性太大。為了減輕運動員的負擔，使大家能夠純粹享受乒乓球運動的樂趣，因而提出一種乒乓球智能撿取機器的設計構想。

1設計方案

這種乒乓球智能撿取機器由以下5個部分組成：機器控制模塊、紅外傳感器、乒乓球識別模塊、吸取裝置、核心處理模塊。

1.1機器控制模塊

機器控制模塊用來控制整個機器的運作狀態，實現機器的啟動、停止及自主運行，并能夠接受核心處理模塊發來的轉向或停止信號進行轉向。它采用單片機作為檢測和控制核心，并使用12V的鋰電池進行供電，以及通過LM7805芯片進行調壓。它能夠根據用戶設置的運行路線，控制機器前行，也能夠根據核心控制模塊通過蟻群算法實現的最優路徑，進行自主搜尋。

1.2紅外傳感器

紅外傳感器的功能是用來檢測障礙物，并將監測信息發送給核心處理模塊。機器兩側都安裝有紅外線傳感器，在指定距離內檢測到障礙就向核心處理模塊發送信號，報告障礙位置，待障礙消除后結束信號發送。

1.3乒乓球識別模塊

該模塊的功能是識別行進路途中遇到的乒乓球。在機器的前方安裝有CMOS圖像傳感器，它能夠感知周圍環境并獲取乒乓球的位置，并將位置信息發送給核心處理模塊。

1.4吸取裝置

該裝置的功能就是用來吸取所識別到的乒乓球，并通過設計的出口掉落到附帶的收納盒中。該裝置主要包括風扇、出球口、擋板、吸球口四個部分，它能夠搭載在小車上進行工作。在遇到乒乓球時，機器會控制該裝置的風扇電源開關，利用風扇轉動產生的氣壓差產生吸力，乒乓球通過吸球口進入管道，并從出球口掉落到預先在出口下面安裝的收納盒中。考慮到出口可能會減弱吸球管內的氣壓，造成吸力不強，因為在出球口處設計一個輕型的自動復位擋板，正常情況下，擋板會因重力而處于垂直位置，當撿球風扇啟動時，在管內負壓的作用下，擋板會被吸起遮住洞口，從而確保撿球裝置對球的吸力。該擋板會與周圍管道形成一個凹槽，被吸取的乒乓球會掉入凹槽中，待風扇關閉時，擋板自動打開，球自然掉落到出口的收納盒中。

1.5核心處理模塊

即軟件的設計，采用C語言編程，實現包括對紅外傳感器、圖像傳感器所發送信息的處理，在需要轉向時通知控制模塊進行轉向，當識別到乒乓球時啟動風扇，撿取結束后關閉風扇。每次吸取都會記錄，當次數達到一定閾值時（收納盒裝滿），通知運行控制模塊關閉機器。該模塊會記錄每次運行的路線，利用蟻群算法，能夠找到搜尋的最佳路徑（如哪塊區域掉落的乒乓球數較多，則在該區域進行搜查的次數更頻繁）。

2具體工作流程

本文提出的乒乓球智能撿取機器，通過上述設計，可實現的功能及具體流程如下：用戶啟動撿球機并設置運行路線，紅外傳感器能夠在運行過程中進行障礙感知，攝像頭則能夠進行乒乓球的檢測。機器啟動后自動前行。當攝像頭的視野內捕捉到乒乓球后，圖像傳感器會提取乒乓球的位置信息，并傳給核心處理模塊，核心處理模塊會計算視野中所有乒乓球的距離，從而告知機器控制模塊去拾取，并在其到達指定位置后打開風扇，吸取結束后關閉風扇，繼續工作。吸取到的乒乓球將會落入安置的收納盒中，待運動路線結束或核心處理模塊記錄吸取次數達到最大，機器停止工作。若視野內沒有乒乓球，機器在前行中遇到障礙，會發送信號給核心處理模塊，核心處理模塊對信號進行分析，在障礙未結束之前持續發送轉向信息給機器的運行控制模塊。機器的運行控制模塊會調整機器人的運動方向，待障礙完全消除之后，繼續前進。

3結論

本文闡述了一種乒乓球智能撿球機器的設計方案，它能夠利用紅外探測器進行障礙感知，躲避搜尋場館中的障礙物，并利用圖像傳感系統實現乒乓球的檢測，之后利用設計的吸取裝置，實現對乒乓球的撿取，從而減少了運動員們的工作量，能夠讓大家更好地享受運動帶來的快樂，而不必為撿球煩惱。乒乓球本身就是我國在國際賽場上最具統治力的運動項目之一，幾乎包攬了該項賽事的所有獎牌。我國有著基數巨大的乒乓球愛好者，他們對乒乓球運動實為狂熱，因而我國也有著大量的乒乓球訓練場館。高效連貫的訓練是每個運動者都極力追求的，而落網的乒乓球則成為了訓練最大的障礙。乒乓球智能撿取機器的出現，則能夠有效幫助運動者們撿取乒乓球，以提高人們的訓練質量，同時也避免了人力和時間的浪費，因而該機器的設計方案在乒乓球運動這個領域有著很大的發展前景。

參考文獻：

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作者：翟偉東 單位：西北工業大學計算機學院