乒乓球智能發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)

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摘要：我國乒乓球技術(shù)在無論國際任何賽場上可謂一枝獨秀，中國更是獨步兵壇的常青藤。乒乓球的主要參數(shù)主要有力度、轉(zhuǎn)速、弧度、落點等。如今伴隨我國科技的突飛猛進(jìn)，手機(jī)智能時代已經(jīng)悄悄走進(jìn)我們生活。然而，在我國智能技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用卻很少，仍然處于剛起步的階段。雖然乒乓球發(fā)球機(jī)已在部分體育訓(xùn)練，但為使乒乓球運動更專業(yè)更智能和普及，我公司設(shè)計此款智能乒乓球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在普通發(fā)球機(jī)設(shè)定的工作模式下由加速度傳感器采集運動員回球落點區(qū)域的信號，經(jīng)放大、濾波、編碼等處理后，單片機(jī)采集相關(guān)數(shù)據(jù)并存儲，同時相關(guān)數(shù)據(jù)可由顯示器顯示出來，并通過串口能夠把數(shù)據(jù)傳輸給使用者手機(jī)。通過手機(jī)實現(xiàn)隨心調(diào)試、數(shù)據(jù)分析處理、歷史影像存儲、趨勢分析等功能，以表格、曲線等方式顯示和打印相關(guān)數(shù)據(jù)。智能系統(tǒng)和乒乓球發(fā)球機(jī)的結(jié)合優(yōu)勢就呼之欲出了，即通過智能系統(tǒng)與手機(jī)APP調(diào)試的便捷性吸引更多的乒乓球愛好者的使用，智能系統(tǒng)與手機(jī)APP的存儲又可以作為教練員和學(xué)員可以參考的客觀數(shù)據(jù)去完善訓(xùn)練過程、提高運動技能。

關(guān)鍵詞：乒乓球發(fā)球機(jī)；智能系統(tǒng)；優(yōu)勢

1乒乓球發(fā)球機(jī)的現(xiàn)狀分析

乒乓球發(fā)球機(jī)是部分球館和球友家庭生活的必備娛樂和訓(xùn)練工具。乒乓球發(fā)球機(jī)適用于社會、學(xué)校、家庭、專業(yè)訓(xùn)練場館使用。發(fā)球機(jī)可發(fā)各種性質(zhì)的球，既可用于娛樂健身，又適合于專業(yè)訓(xùn)練，性價比特別高。雖然乒乓球發(fā)球機(jī)具有很寬闊的使用和需求場景，但是因為出球力度、轉(zhuǎn)速、回球的弧線、落點等相對單一且不利于調(diào)試，由于普通乒乓球發(fā)球機(jī)操作不便，致使部分觀望姿態(tài)的消費者望而卻步喪失對發(fā)球機(jī)購買使用的決定同時也喪失了對乒乓球的喜愛和興趣。從而也導(dǎo)致乒乓球發(fā)球機(jī)銷量年增長率由2015年的7.14％降至2019年的6.76％。

2智能發(fā)球機(jī)研發(fā)的必要性

傳統(tǒng)老式乒乓球發(fā)球機(jī)由于出球力度、轉(zhuǎn)速、回球的弧線、落點等相對單一，如需對下次出球上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，需派調(diào)解師操作控制器進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試過程相對繁瑣。因為使用頻率大，調(diào)整繁瑣，導(dǎo)致整體體驗效果差。因此我單位研發(fā)的智能發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)就尤為必要了，在傳統(tǒng)發(fā)球機(jī)上搭載我公司研發(fā)的智能系統(tǒng)，只需要簡單操作即可解決上述問題，智能系統(tǒng)與當(dāng)今手機(jī)APP相匹配，從而實現(xiàn)“傻瓜式”控制，更可以根據(jù)使用者自身的要求，“隨心所欲”的調(diào)試（合理范圍內(nèi)）。從而吸引更多乒乓球觀望者成為使用客戶，成為乒乓球運動的愛好者，癡迷者。

3發(fā)球機(jī)發(fā)球原理

乒乓球發(fā)球機(jī)是集電子設(shè)計、機(jī)械工程和計算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)產(chǎn)品，它具有自動化程度高、靈敏度高、穩(wěn)定性可靠等多種性質(zhì)。發(fā)球機(jī)發(fā)球的工作原理是利用轉(zhuǎn)輪摩擦來實現(xiàn)。待發(fā)射的乒乓球由于受到旋轉(zhuǎn)摩擦輪的作用，在發(fā)射口就獲得一定的初速度（力度）。這時如果電機(jī)帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，會摩擦乒乓球使球獲得一定的動能，乒乓球就得以發(fā)射出去。

3.1對控制發(fā)球速度的研究

若想控制和改變發(fā)球的速度，則應(yīng)當(dāng)先掌握其原理，在發(fā)球中乒乓球和輪盤進(jìn)行摩擦，而決定球速的重點則輪盤作用到球中的力度與直流電二次輸出脈沖的轉(zhuǎn)化功率，從而影響到乒乓球的球速?？刂贫蚊}沖瞬時輸出的效率是能否以發(fā)球者的身份去完成發(fā)球的關(guān)鍵，如表1所示：

3.2對控制發(fā)球旋轉(zhuǎn)的研究

日前旋轉(zhuǎn)大多分成以下幾種：上旋球，下旋球，左側(cè)旋弧線向右和右側(cè)旋弧線向左，順、逆旋轉(zhuǎn)球等，旋轉(zhuǎn)發(fā)球需要在第一次輪盤和球發(fā)生角度偏離后產(chǎn)生瞬時摩擦，之后微調(diào)發(fā)球口的水平初速度得到偏向力從而得到旋轉(zhuǎn)目的，二次脈沖之后乒乓球即可飛出，接觸到乒乓球桌面后，保持旋轉(zhuǎn)的球與球面發(fā)生摩擦，從而完成旋轉(zhuǎn)。

3.3對控制落球點的研究

調(diào)控好乒乓球的落點方位對發(fā)球機(jī)而言極為關(guān)鍵，若想調(diào)控好發(fā)球的落點，則應(yīng)當(dāng)掌控好發(fā)球的初速度與距離，發(fā)球機(jī)通過對上述速度、旋轉(zhuǎn)的多次實驗，分析后將球臺分設(shè)為9個不同的區(qū)域，即①左小三角；②網(wǎng)前區(qū)；③右小三角；④左邊三角；⑤中央?yún)^(qū)；⑥右邊三角；⑦左大三角；⑧端線區(qū)（追身區(qū)）；⑨右大三角。進(jìn)行編碼，如圖1所示：經(jīng)過對力度和距離的反復(fù)實驗把握精準(zhǔn)的落球點。

3.4智能系統(tǒng)對三者的操控

我公司研發(fā)的智能控制系統(tǒng)則是通過手機(jī)APP對三者可控性發(fā)球因素進(jìn)行實時控制，手機(jī)APP中只需根據(jù)提示首先輸入發(fā)球速度、旋轉(zhuǎn)模式、落點位置，即可完成下次發(fā)球的設(shè)置。如發(fā)球速度選擇特快，發(fā)球旋轉(zhuǎn)選擇左側(cè)旋弧線向右，落球點選擇①左小三角即可輕松完成。

4智能發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)原理

與傳統(tǒng)對轉(zhuǎn)雙輪基本原理相同，接通電源后的直流電帶動摩擦輪反向旋轉(zhuǎn)，結(jié)合摩擦輪反向旋轉(zhuǎn)的基本過程，從而獲得一定量的初速度，并實現(xiàn)發(fā)球的過程。基本原理的應(yīng)用，對乒乓球發(fā)出的實際穩(wěn)定性進(jìn)行保證，并對乒乓球發(fā)出的方向以及速度進(jìn)行控制，將練球者的基本練球方式逐步滿足。智能系統(tǒng)芯片是乒乓球發(fā)球機(jī)控制器的內(nèi)臟，如圖2所示：連接到我們的控制器上，手機(jī)APP上可操作控制任一個出球的速度力量和旋轉(zhuǎn)了，且可任意組合。利用手機(jī)智能存儲功能，將每一次發(fā)球和使用者接球全都儲存起來，為使提升運動員訓(xùn)練技巧，吸引更多用戶使用智能發(fā)球，我公司設(shè)計的智能發(fā)球記在每完成一次如圖3所示：每一次完整操作后智能系統(tǒng)都會記錄發(fā)球力度，轉(zhuǎn)速和運動員接球的數(shù)據(jù)，根據(jù)大數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)日后發(fā)球的多變性。這樣就可以實現(xiàn)日后使用過程中根據(jù)數(shù)據(jù)存儲，結(jié)合自身實際通過手機(jī)APP調(diào)試符合使用者自己的出球方案。

5智能發(fā)球機(jī)數(shù)據(jù)處理原理

乒乓球發(fā)球機(jī)主要功能可以根據(jù)使用者需要發(fā)出各種旋轉(zhuǎn)，包括上旋、下旋、側(cè)旋等；可以調(diào)整出球的力度及出球旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)弱；可以調(diào)整出球的弧線高低及可以調(diào)整出球的快慢頻率，出球頻率在25球每分鐘致85球每分鐘之間不間斷調(diào)整，可以改變球的落點。發(fā)球機(jī)使用輔助了人與人之間的訓(xùn)練，它對乒乓球訓(xùn)練有不可替代的優(yōu)勢，我公司推出的智能乒乓球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)利用壓電加速度傳感器獲取乒乓球落點信號，根據(jù)設(shè)計落點信號調(diào)理電路，對從加速度傳感器獲取的乒乓球落點信號進(jìn)行整理，從而保證所獲取的乒乓球落點信號的質(zhì)量及幅度。實現(xiàn)乒乓球落點檢測奠定理論基礎(chǔ)，對相同強(qiáng)度不同落點、不同激勵強(qiáng)度相同落點時乒乓球臺的響應(yīng)特點及球臺振動等干擾進(jìn)行實驗研究。采集并處理的乒乓球落點信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將乒乓球落點信息數(shù)據(jù)傳送給使用者手機(jī)，通過手機(jī)智能APP對全部過程的影像記錄，形成數(shù)據(jù)分析。

6智能發(fā)球機(jī)優(yōu)勢

我公司研發(fā)的智能發(fā)球機(jī)能實現(xiàn)手機(jī)端對發(fā)球力度、弧度、轉(zhuǎn)速等多方位一鍵調(diào)節(jié)，手機(jī)端簡單操作，高效、便捷避免了專業(yè)調(diào)試?yán)速M的時間和人員，為廣大用戶帶來便捷體驗。智能發(fā)球機(jī)龐大的數(shù)據(jù)處理和分析能力，又給使用者提供準(zhǔn)確的參考信息，致使即便不用去專業(yè)的運動場館接受專業(yè)的訓(xùn)練也能通過AI智能實現(xiàn)科學(xué)的提升技巧的訓(xùn)練。智能乒乓球的發(fā)球機(jī)的功能是多方面的，它的產(chǎn)生不僅只是為了提高使用的乒乓球技術(shù)水平，在健身娛樂方面也體現(xiàn)了很大的作用。乒乓球能作為中國的國球，說明中國大部分人喜歡這項運動。如果能把自己喜愛的運動和健身結(jié)合起來，既提高了技術(shù)水平又達(dá)到了健身目的，這便是最好的運動方式，智能乒乓球發(fā)球機(jī)就很好地提供了這種途徑。智能發(fā)球機(jī)適合于不同年齡的人群，它的出球力度自行控制，年齡小可以設(shè)置速度中快，鍛煉小朋友反應(yīng)能力，動作技術(shù)復(fù)雜，運動量大的節(jié)奏。而老年人可以根據(jù)自己的體質(zhì)放緩節(jié)奏，達(dá)到合理的運動量。因為打球時大腦神經(jīng)處于集中狀態(tài)，而這種狀態(tài)就可以延緩老年癡呆癥的發(fā)生。

7結(jié)束語

我公司研發(fā)的智能乒乓球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)，通過手機(jī)智能解決了傳統(tǒng)發(fā)球機(jī)使用不便調(diào)節(jié)，操作繁雜等問題，進(jìn)一步提高智能乒乓球發(fā)球機(jī)的使用，推動部分觀望人群變成行動派，推動實現(xiàn)普及乒乓球發(fā)球機(jī)進(jìn)入老百姓生活的現(xiàn)狀。

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作者：李愛鋒 單位：河北沐耘電氣科技有限公司