多功能智能网球捡球机的设计

目录
摘要 (2)
Abstract (3)
引言 (5)
1 多功能智能捡球机概论 (6)
1.1 多功能智能捡球机外形简介 (5)
1.1.1 捡球机底盘 (5)
1.1.3 锁存机构 (6)
1.2 智能捡球机的材料简介 (6)
1.2.1 底盘材料 (7)
1.2.2 车轮材料 (7)
1.2.3 捡球机构材料 (7)
1.2.4 固定材料 (7)
1.2.5 其他材料 (7)
2 多功能网球捡球机工作原理 (7)
2.1 多功能网球捡球机设计原理 (7)
2.1.1 捡球机底盘 (7)
2.1.2 捡球机构 (8)
2.1.3 球桶的设计 (9)
2.2 控制中心的设计 (10)
2.2.1 捡球机的控制中央处理器AVR系列中ATmega16 (10)
2.2.5 红外线传感器模块 (11)
3 数据理论计算 (12)
3.1 电机功率的计算 (12)
3.1.1 驱动电动机输出功率 (12)
4 实验结果 (12)
参考文献 (13)
附录 (12)
致谢 (21)
摘要
目前市面上已经存在的各种网球发球机，忽视了把球捡回来的问题，很多训练网球的场所还是原始的采用人工捡球的方法，这样做不仅仅浪费了大量的时间，也消耗了人的体力。

因此研究网球捡球设备同样具有重要意义。

人们希望制造一款简单的网球捡球机，能够在网球训练时轻松捡起，有效提高网球运动乐趣。

根据目前国内外市面上主要网球捡球机的原理与特点，同时针对现有捡球机的不足之处设计了一款新型的多功能智能网球捡球机。

多功能智能网球捡球机由驱动装置、捡球装置和中央处理器组成，以蓄电池供电，并用高性能的单片机作为控制核心对遥控装置、寻球机构、捡球装置进行高效集中的控制。

多功能智能网球捡球机能够通过遥控器甚至智能手机遥控完成网球捡取、人推动捡球机运动完成网球捡取、技术成熟时可以通过无人操作智能识别全自动网球捡取，可以方便捡拾网球场上散落的网球，并可以通过遥控捡球机捡球给运动过疲劳的人们一点娱乐。

它体积小，自动化程度高，能实现人工手推、遥控和未来的智能自主捡球，节省人力资源。

关键词：网球捡球机; 控制系统; 捡球; 遥控捡球；多功能捡球机。

Abstract
There are already a variety of existing tennis ball machine , to some extent neglected to retrieve the ball and then issue a problem , a lot of tennis training places or artificial picking methods do not just spend a lot of time , also consume a person's strength. Therefore research Tennis picking device equally important . People want to manufacture a simple tennis picking machines , tennis training can be easy when it picked up , effectively improve tennis fun. According to the current domestic market principles and main characteristics of tennis picking machines , while for the deficiencies of existing picking machines designed a new type of multi-function smart tennis picking machines . Multifunctional smart tennis picking machines by the drive unit , consisting of a central processing unit and picking to battery -powered and high-performance microcontroller as the core of the remote control device , look for the ball institutions , picking device for efficient centralized control . Multifunctional smart tennis picking machines through remote control and even remote smartphones completed tennis seizure , people picking machine movement to promote the completion of tennis seizure , when the technology is mature intelligent recognition by unmanned automatic seizure of tennis , you can easily pick up scattered tennis on the tennis court , and picking through the remote machine picking people to exercise too tired little entertainment. Its small size , high degree of automation can be achieved manually push , remote and future intelligent picking , saving human resources.
Keywords: Mobile ball machine; control system; ball; remote control
引言
就目前来说，网球运动在我国开展的还不够广泛。

网球初学者在刚学习网球时需要人来配合练习，没有合适的陪练人员使他们更加缺乏合适的练习机会。

在这种情况下，如果网球场能够配有网球发球机和捡球机，将解决初学者不能独自练习和捡球疲劳的问题。

为了方便捡球，目前市场上出现了一些一类手推式网球捡球车。

此类捡球车为纯机械式，需要有人操作。

人把捡球车推到需要捡起的球前，然后捡球车把球拨入车中。

但是，这种半自动的网球捡球工具仍有许多不足之处。

它体积大且质量重，相对于智能化捡球机比较笨拙。

既浪费了大量的空间，又影响训练人员打球，因为在它捡球的过程中运动员影响打球。

还完全需要人工操作，相对于智能化捡球机浪费了不必要的时间与体力。

而且，它只适用于地上球较多的情况，但是地上球也会影响运动员打球。

地上球少时则没有必要用上述捡球车。

因此，它的适用环境较局限，未实现捡球过程的自动化、智能化。

为了克服以上半自动网球捡球机的不足之处，作者研制了能够实现网球捡球过程的智能化、高效化的多功能智能网球捡球机。

多功能智能网球捡球机由遥控系统、运动系统，捡球系统和中央处理器组成，他能够实现遥控捡球、高效率人推动捡球机捡球、未来实现全自动无人寻球和捡球。

1 多功能智能捡球机概论
1.1 多功能智能捡球机外形简介
智能捡球机主体由小车底盘、控制中心、捡球机构、锁存机构等四大部分组成并相互协调工作。

从而达到快速智能捡球的目的。

1.1.1 捡球机底盘
小车底盘是由直径350mm×2的圆形硬质塑料材料做成。

两块以间隔60mm的距离叠放在一起，中间通过上底盘支架和螺柱固定，在下底盘上有安装四个直流减速电机驱动轮。

在两块底盘之间有两个上底盘支架支持上底盘支架形成的V形通道的收纳口。

收纳口形成通道的底部与储球管相连，储球管是大小略大于网球直径两头90度弯曲的一个空心管，90度的弯管和直径略大于网球的作用是便于网球在进入储球管时运动不受限制。

其中一个上底盘支架的中间有一个红外检测传感器，用于检测是否有球进来。

上底盘上有储球管安装座和U型曹，用于安装储球筒和拨球杆的运动。

1.1.2 捡球机构
捡球机构由马达驱动一根硬质塑料拨杆。

拨杆与电机输出主轴连接在一起，电机转动带动拨杆旋转，拨杆推动网球运动，拨杆和球在储球筒的弧形几何外形下产生竖直向上的一个分力，使网球竖直向上运动。

图1.1.2 （捡球机构图）
图 1.1.2 (捡球机构实物图)
1.1.3 锁存机构
锁存器是由安装在直径略大于网球直径的塑料储球管左右两端上的一个只能够让球单向运动的机构。

锁存器的作用是拨球杆把球拨进储球管中让网球只能竖直向上运动而不会依靠重力竖直向下运动的一个机构，他能有效地把网球储存在进球管中而不让网球因为重力掉下去。

锁存器的原理是一个可以旋转60度的L形的机构，他可以通过L形状的L直角处的轴转动，轴的中间有扭簧用来复原旋转后L形的锁存器。

图 1.1.3 （锁存器）
1.2 智能捡球机的材料简介
1.2.1 底盘材料
底座材料选择为硬质塑料板。

对于网球而言，其质量不大，网球质量为180-200g，直径为65mm。

并且网球场比较平坦。

捡球机在运动时的运动速度为0.5-0.7m/s。

在这种低速的运动下，捡球机运行平稳，捡球机受到的力并不大。

对材料的力学性能要求并不高。

普通的硬质塑料的许用力学参数远远超过实际使用时的力学要求。

硬质塑料的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能都能满足使用条件。

在满足使用要求的条件下，硬质塑料具有易加工、易成型、易获取、密度小、价格便宜的众多优点。

1.2.2 车轮材料
车轮是捡球机与地面接触的重要部分。

承担着所有地面与捡球机的力，材料对其影响极大。

但因为捡球本身的质量轻，运动速率小，受力小。

所以选择硬质塑料。

其直径为60mm。

外边为后约2mm的橡胶轮，选用橡胶为了增加运动时与地面的摩擦因数并且可以缓冲在地面不平时的冲击。

从而达到高效稳定的工作效率。

1.2.3 捡球机构材料
捡球机构为一根直径为5mm的塑料曲杆。

曲率半径为70mm。

两端略小于中间，利用的是塑料有极好的韧性，在受力较大时不会折断。

质量较小，减小了输出力矩，节省了电能。

1.2.4 固定材料
固定材料：硬质角铝、、螺钉、螺杆、螺柱等各类紧固件。

1.2.5 其他材料
万用板、各类线接头、各类电子元器件（单片机、电阻、二极管、发光二极管、电动机、数码管）
2 多功能网球捡球机工作原理
多功能网球捡球机是将散落于球场的各个地方的网球收集捡起。

根据其工作目的，可将工作原理分为三部分：1 移动部分，2 捡球部分，3 控制部分。

1）移动部分：因为网球散落于球场各个地方，捡球机需要运动到各个地方，才能进行捡起散落的网球。

2）捡球部分：当捡球机运动到网球所在地时。

则需要通过捡球机构将网球捡入存球筒中，将网球集中捡起，重复利用。

3）控制部分：控制部分由AVR高性能单片机ATmega16作为主控芯片、L298N电机驱动模块、NRF24L01无线模块、红外传感器模块、电压检测模块、降压模块、数码管显示以及高性能的继电器组成。

2.1 多功能网球捡球机设计原理
2.1.1 捡球机底盘
捡球机底盘作为该部分保证机器人在场地内自由运动的主要框架结构，保证结构
强度，在框架的两侧分别安装由直流电动机驱动的运动轮，运动轮分别通过角铝和螺钉固定，四台减速电机同时驱动，可以通过左右两边的轮胎旋转方向相反实现转弯，能够在网球场地中灵活的自由运动。

每台电动机驱动一个轮子，保证了足够的动力和运动速度。

从而实现高速稳定的工作效率。

小车底盘充分考虑了捡球机的美观、体积大小、收纳口的收球效果和美观、四个电机的安装空间、以及蓄电池和控制电路的安装空间等综合因素而设计的。

图2.1.1 (下底盘)
2.1.2 捡球机构
捡球机构的拨杆外圆直径位10mm，内孔直径位6mm,长75mm,曲率半径为70mm的塑料曲杆。

曲杆两头略小。

内孔与大扭矩的直流减速捡球电机主轴连接，并通过销钉固定，防止其产生相对运动。

当捡球机运动到网球所在地时，捡球机通过网球的正上端，网球则通过捡球机的的收纳口进入储球管。

安装在上底盘支架上的红外检测传感器检测到网球的进入时发送个信号给控制中心处理后捡球电机开始转动。

捡球电机带动拨杆圆周运动，拨杆则推动网球在储球管中完成由水平运动转换到竖直运动。

网球通过安装在储球管上的锁存器后被限制向下运动，最后这个网球就存储在储球管的中，安装在捡球电机正上端的另一个红外检测传感器检测到拨杆后发送一个信号给控制中心处理后停止捡球电机的转动，这时拨杆就停留在水平向上大概40度左右的方向上，这就完成一个网球的捡起。

当捡第二个网球时，同理第二个网球进入储球筒管中把第一个网球顶起后被锁存器锁死，这时储球管中就储存了两个球。

当第三个球储存在储球管中，这时再进来一个网球，那么储球管中的最顶上的第一个网球在储球管就溢了出来进入球桶中，在后面的网球捡起来都进入球筒中。

在捡球的过程中每捡一个球，中央处理器都会发送数据给数码管显示球的个数，当球捡满后，报警喇叭就会报警。

图 2.1.2 （捡球机构剖面示意图）
2.1.3 球桶的设计
球桶是直径为356mm，壁厚为1.5mm的圆柱型塑料桶，塑料球桶的上方有凹陷下去用于安装提手的凹槽，提手则可以旋转放入凹槽，提手也可以旋转竖直起来方便人们提动捡球机。

塑料球桶后方也有一个T字形的凹槽，凹槽内安装有可伸缩T形推杆，推杆可以绕凹槽底部的一个轴旋转，旋转后与塑料球桶上表面形成大概100度的角度后固定，固定后推杆就可以拉伸，拉伸后人们就可以通过手推动捡球机完成高效率的捡球。

塑料球桶储满球后可以通过球桶上方的一个酷似心形的一个圆口倒出来。

图 2.1.3 （球桶）
2.2 控制中心的设计
本设计采用了2片AVR单片机(芯片采用的是ATmega16）作为处理器，由AVR 芯片控制整个小车的运行，然后由单片机与nRF24L01无线模块构成主从式的控制系统，双机采用无线串行通信。

遥控部分采用杭州茂葳科技有限公司生产的FSK无线模块（nRF24L01），从而提高了控制的可靠性；该小车与遥控器采用了协议式的通信，根据它们之间所制定的协议，进行数据传输，从而提高了控制的有效性。

控制部分采用的是高性能、低功耗的8位AVR微处理器ATmega16。

驱动小车部分采用了L298N单块集成电路，四通道驱动设计，用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载和开关电源晶体管。

2.2.1 捡球机的控制中央处理器AVR系列中ATmega16
ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。

所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。

2.2.2基于nRF24L01无线模块的无线传输
nRF24L01是一款由NORDIC公司所生产的无线通信芯片，无线通信速度能够达到2M（bps）。

它采用了FSK调制，其内部集成了自己的Enhanced Short Burst协议，能够实现1对6或者点对点的无线通信。

该公司还提供了通信模块的GERBER文件，可以直接进行生产加工，可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能
2.2.3基于L298N芯片驱动电路
L298是SGS(通标标准技术服务有限公司)公司所生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

我们经常使用的是15脚Multiwatt封装的L298N，其内部包含有4通道逻辑驱动电路，能够顺利的驱动一个两相步进电机或者两个直流电机。

2.2.4捡球机电气简图
图 2.2.4 （捡球机控制系统示意图）
2.2.5 红外线传感器
红外线传感器抗干扰能力强，可以避免阳光和电灯等光线中红外线的干扰，且具有可见光的反射特性，经常作为避障传感器使用。

红外线传感器具有内置的光滤波器，除了光敏二极管发出的红外线外，其它光线都不允许通过，这就保证了探测的准确性。

该捡球机器人采用距离可调节的NPN 型光电开关红外传感器。

图2.2.5 （红外传感器）
2.3、硬件调试存在的问题以及解决方案
1.当程序通过烧录器写入单片机时，单片机没有按照预定设计工作，后经过老师提醒，用示波器检测晶的震荡电路是否正确。

开始检测时，晶振没有产生锯齿波形，后来给震荡电路换了一个电容，才产生了锯齿波形。

2.检测无线传输模块传输数据时，编写了一个简单程序，但是无线模块不能正常工作，后用万能表检测出无线传输模块引脚电平，发现一个引脚不对，没有接地，从而连接了一个跳线。

2.4、硬件调试的心得与体会
经过一段时间的调试，捡球机能够实现基本上的任务要求。

但是，在这期间也遇到了一些问题，就是无线模块不太稳定，就是遥控部分，由于未知原因的影响，容易受到干扰，使遥控不太灵敏。

由于这个原因，怎么解决小车飞车成为了一个主要问题。

整个系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，大多数的硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。

但通常是先排除过于明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。

可见硬件是软件的基础，如果硬件调试不通过，软件设计则更是无从做起。

软件的调试要在硬件配合中进行，往往问题可能不是硬件上的。

3 数据理论计算
3.1 电机功率的计算
3.1.1 驱动电动机输出功率
P=P w/η
式中:P w-工作机所需有效功率。

P w=FV/ηw
其中,F 为生产阻力,最小估算为15N,ηw 为工作机驱动总效率,估算为2/5,设计v 为0.5m/s,由此算得P w>=15×0.5/0.4=19 瓦,η-电动机至工作机之间传动装置的总效率, 估算为2/3,由此可得P>=19×3/2=28.5W。

综合考虑最后得出前轮驱动电机输出总功率为P=30W。

3.1.2 捡球机构电动机输出功率
P=P w/η
P w=T×n/(9550×ηw)
捡球阻力距T 估算为1N*m,n 为转速,由此可算得P w=7W。

综合考虑得出捡球机构电动机输出功率:P=10W。

4 实验结果
通过在网球场实地操作，网球场面积为长36.60 m，宽l8.30 m，捡球机器人的运行速度为0．5 m／s，旋转半径为50 cm，一次装球量为加个。

球场内球数少于20个时，一次运行时间约为 5 min。

如果个别网球比较分散，还可以通过手动遥控的方式遥控机器人进行捡球．通过网球捡球机从可以将繁琐无聊的捡球工作变的有趣。

参考文献
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[2] 濮良贵陈国定吴立言机械设计（第九版）.北京：高等教育出版社，2013
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[4] 安琦王建文.机械设计课程设计.上海：华东理工大学出
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[5] 周元康林昌华张海兵.机械设计课程设计.重庆：重庆大学出版社，2001
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[8] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].电子工业出版社，2009
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[10] 樊昌信. 通信原理教程[M].电子工业出版社,2008
[11] 郭天祥. A VR单片机C语言教程[M].电子工业出版社,2009
[12] 金明日. 浅谈单片机抗干扰技术[J]. 科技创新与应用,2012，第10期：38
[13] 晋会杰,杨娜. 单片机硬件抗干扰方法研究[J]. 电子世界,2012, 第5期：98-99
[14] 李长林等. A VR单片机应用设计[M]. 电子工业出版社,2005
[15] 栾兵. 浅谈单片机硬件设计需要注意的问题[J]. 中国科技纵,2012，第2期
附录
附录A1 无线发射电路图
附录A2 无线接受电路图
附录A3 捡球机三维图附录A4 捡球机实物图
附录B1遥控部分程序清单
#include <avr/io.h>
#include <string.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
//spi标志
#define DDR_SPI DDRB
#define DD_MOSI 5
#define DD_MISO 6
#define DD_SCK 7
#define DD_SS 4
#define CE PB3
#define IRQ PB2
#define Hign_24L01_MISO PORTB|=(1 << PB6)
#define Low_24L01_MISO PORTB &= ~(1 << PB6)
#define Read_24L01_MISO PINB & (1 << PB6)
#define Hign_24L01_MOSI PORTB |= (1 << PB5)
#define Low_24L01_MOSI PORTB &= ~(1 << PB5)
#define Read_24L01_MOSI PINB & (1 << PB5)
#define Hign_24L01_SCK PORTB |= (1 << PB7)
#define Low_24L01_SCK PORTB &= ~(1 << PB7)
#define Read_24L01_SCK PINB & (1 << PB7)
#define Low_24L01_CSN PORTB &= ~(1 << PB4)
#define Hign_24L01_CSN PORTB |= (1 << PB4)
#define Hign_24L01_CE PORTB |= (1 << PB3)
#define Low_24L01_CE PORTB &= ~(1 << PB3)
#define Read_24L01_CE PINB & (1 << PB3)
//*********************************************NRF24L01******************* ******************
#define TX_ADR_WIDTH 5 // 发送地址长度，最大长度为5 5*8=40 bit #define RX_ADR_WIDTH 5 // 接收地址长度
#define TX_PLOAD_WIDTH 5 // 发送字节长度，
#define RX_PLOAD_WIDTH 5 // 接收字节长度
uchar TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //发送地址
uchar RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //接收地址
//***************************************NRF24L01寄存器指令*******************************************************
#define READ_REG 0x00 // 读寄存器指令
#define WRITE_REG 0x20 // 写寄存器指令
#define RD_RX_PLOAD 0x61 // 读取接收数据指令
#define WR_TX_PLOAD 0xA0 // 写待发数据指令
#define FLUSH_TX 0xE1 // 冲洗发送 FIFO指令
#define FLUSH_RX 0xE2 // 冲洗接收 FIFO指令
#define REUSE_TX_PL 0xE3 // 定义重复装载数据指令
#define NOP1 0xFF // 保留
//*************************************SPI(nRF24L01)寄存器地址****************************************************
#define CONFIG 0x00 // 配置收发状态，CRC校验模式以及收发状态响应方式
#define EN_AA 0x01 // 自动应答功能设置
#define EN_RXADDR 0x02 // 可用信道设置
#define SETUP_AW 0x03 // 收发地址宽度设置
#define SETUP_RETR 0x04 // 自动重发功能设置
#define RF_CH 0x05 // 工作频率设置
#define RF_SETUP 0x06 // 发射速率、功耗功能设置
delay_nms(2);
Hign_24L01_CE; //置高CE，激发数据发送
delay_nus(10);
Low_24L01_CE;
}
uchar CheckACK(void)
{ uchar sta1;
sta1=SPI_Read(STATUS); // 返回状态寄存器
if((sta1&0x20)||(sta1&0x10)) //发送完毕中断
{
SPI_RW_Reg((READ_REG+STATUS),0xff); // 清除TX_DS或MAX_RT中断标志 Low_24L01_CSN;
SPI_RW(FLUSH_TX);//用于清空FIFO ！！关键！！不然会出现意想不到的后果！！！大家记住！！
Hign_24L01_CSN;
return(0);
}
else
return(1);
}
void init_NRF24L01(void)
{
spi_init();
Low_24L01_CE; // 空闲模式
Hign_24L01_CSN; // SPI 关闭
Low_24L01_SCK; // 关闭时钟
致谢
为期一个学期的毕业设计终于接近尾声了，在这短短的几个月里，不仅仅考察了大学四年自己所学要的东西，更重要的是把自己从老师从课本里所了解的东西应用到实践应用中，检验了自己的能力。

虽然有过成功，有过失败，有过欢笑，有过泪水，但是过程其实才是最重要的。

通过本次毕业设计，我在蔡金平指导老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，并在设计过程中,翻阅大量的科技文献,针对设计内容的要求,对所学过的专业知识又认真细致的进行巩固和练习,在硬件和软件的组合上认真听取了谢老师以及一些优秀同学的意见,在很大程度上使这次设计顺利通过老师的审核和评定.在另一方面极大地提高了实践能力，并对当前机械和电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，机械设计这一领域这对我今后进一步学习机械方面的知识有极大的帮助。

在此，我忠心感谢蔡金平老师的指导和支持，以及一些同学给出的宝贵意见，可以说没有了你们的支持，这次的毕业设计不可能这么顺利的完成。

在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报各位领导和老师,回报老师和母校的辛勤栽培,做一名优秀的大学毕业生,奉献社会。