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乒乓球智能捡取机器设计构想

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乒乓球智能捡取机器设计构想

科技经济市场 技术平台 3 2019 年第 5 期 乒乓球智能捡取机器设计构想 翟伟东 (西北工业大学计算机学院,陕西 西安 710072) 摘 要 本设计构想旨在设计一种捡取乒乓球的智能机器, 它能够在各种乒乓球场馆进行运作。 该机器可依靠四驱车底盘在场地 间移动, 它携带有红外探测器, 能够利用红外感知进行障碍检测, 从而自动躲避障碍物。 在移动中, 该机器能够通过携带的图像传 感器, 检测视野中是否出现乒乓球, 确定存在后能够主动捡取。 该机器在四驱车底盘上搭载了独特的乒乓球吸取装置, 它能够利用 风扇转动产生的气压差, 使乒乓球吸入到携带的收纳盒中。 总之, 该捡取机器能够克服传统人力捡球费力费时的缺点, 大大提高人 们的训练质量。 关键词 红外感知; 图像传感器; 压力差 0 引言 “乒乓球” 是我国最引以为豪的体育运动之一, 常 年获得各种奖项的冠军, 也长期引领了国民的 “ 乒乓 热” 。 我国乒乓球场馆众多, 学习人数也是居高不下。 在训练和比赛的过程中, 经常会用到大量的乒乓球, 从而会产生很多掉落在地上的球。 为处理这些球, 通 常大家都会在用完所有球之后手动进行捡球, 这必然 会浪费大量人力, 也会导致训练时间的浪费。 目前, 我国大多数场馆还是采用着人工捡球的方 式去进行乒乓球的捡取, 费时费力。 市面上也有一些 捡球机, 主要是通过搭载在传统小车 ( 如四驱车 ) 上的 机械手臂来拾取, 这些机器因为自身物理机械结构的 限制性, 对于墙角和一些障碍物之间的乒乓球不能有 效捡取, 即效率较低且适用的局限性太大。 为了减轻 运动员的负担, 使大家能够纯粹享受乒乓球运动的乐 趣, 因而提出一种乒乓球智能捡取机器的设计构想。 1 设计方案 这种乒乓球智能捡取机器由以下5个部分组成 机器控制模块、 红外传感器、 乒乓球识别模块、 吸取装 置、 核心处理模块。 1.1 机器控制模块 机器控制模块用来控制整个机器的运作状态, 实现机器的启动、 停止及自主运行, 并能够接受核心 处理模块发来的转向或停止信号进行转向。 它采用单 片机作为检测和控制核心, 并使用12V的锂电池进行 供电, 以及通过LM7805芯片进行调压。 它能够根据 用户设置的运行路线, 控制机器前行, 也能够根据核 心控制模块通过蚁群算法实现的最优路径, 进行自主 搜寻。 1.2 红外传感器 红外传感器的功能是用来检测障碍物, 并将监测 信息发送给核心处理模块。 机器两侧都安装有红外线 传感器, 在指定距离内检测到障碍就向核心处理模 块发送信号, 报告障碍位置, 待障碍消除后结束信号 发送。 1.3 乒乓球识别模块 该模块的功能是识别行进路途中遇到的乒乓球。 在机器的前方安装有CMOS图像传感器, 它能够感知 周围环境并获取乒乓球的位置, 并将位置信息发送给 核心处理模块。 1.4 吸取装置 该装置的功能就是用来吸取所识别到的乒乓球, 并通过设计的出口掉落到附带的收纳盒中。 该装置主要包括风扇、 出球口、 挡板、 吸球口四个 部分, 它能够搭载在小车上进行工作。 在遇到乒乓球 时, 机器会控制该装置的风扇电源开关, 利用风扇转 动产生的气压差产生吸力, 乒乓球通过吸球口进入管 道, 并从出球口掉落到预先在出口下面安装的收纳盒 中。 考虑到出口可能会减弱吸球管内的气压, 造成吸 力不强, 因为在出球口处设计一个轻型的自动复位挡 板, 正常情况下, 挡板会因重力而处于垂直位置, 当捡 球风扇启动时, 在管内负压的作用下, 挡板会被吸起 遮住洞口, 从而确保捡球装置对球的吸力。 该挡板会 与周围管道形成一个凹槽, 被吸取的乒乓球会掉入凹 槽中, 待风扇关闭时, 挡板自动打开, 球自然掉落到出 口的收纳盒中。 1.5 核心处理模块 即软件的设计, 采用C语言编程, 实现包括对红外 传感器、 图像传感器所发送信息的处理, 在需要转向 时通知控制模块进行转向, 当识别到乒乓球时启动风 扇, 捡取结束后关闭风扇。 每次吸取都会记录, 当次数 达到一定阈值时 ( 收纳盒装满 ) , 通知运行控制模块关 闭机器。 该模块会记录每次运行的路线, 利用蚁群算 法, 能够找到搜寻的最佳路径 ( 如哪块区域掉落的乒乓 球数较多, 则在该区域进行搜查的次数更频繁 ) 。 2 具体工作流程 本文提出的乒乓球智能捡取机器, 通过上述设 计, 可实现的功能及具体流程如下 用户启动捡球机 并设置运行路线, 红外传感器能够在运行过程中进行 障碍感知, 摄像头则能够进行乒乓球的检测。 机器启 科技经济市场 技术平台 4 2019 年第 5 期 动后自动前行。 当摄像头的视野内捕捉到乒乓球后, 图像传感器会提取乒乓球的位置信息, 并传给核心处 理模块, 核心处理模块会计算视野中所有乒乓球的距 离, 从而告知机器控制模块去拾取, 并在其到达指定 位置后打开风扇, 吸取结束后关闭风扇, 继续工作。 吸 取到的乒乓球将会落入安置的收纳盒中, 待运动路线 结束或核心处理模块记录吸取次数达到最大, 机器停 止工作。 若视野内没有乒乓球, 机器在前行中遇到障 碍, 会发送信号给核心处理模块, 核心处理模块对信 号进行分析, 在障碍未结束之前持续发送转向信息给 机器的运行控制模块。 机器的运行控制模块会调整机 器人的运动方向, 待障碍完全消除之后, 继续前进。 3 结论 本文阐述了一种乒乓球智能捡球机器的设计方 案, 它能够利用红外探测器进行障碍感知, 躲避搜寻 场馆中的障碍物, 并利用图像传感系统实现乒乓球的 检测, 之后利用设计的吸取装置, 实现对乒乓球的捡 取, 从而减少了运动员们的工作量, 能够让大家更好 地享受运动带来的快乐, 而不必为捡球烦恼。 乒乓球本身就是我国在国际赛场上最具统治力的 运动项目之一, 几乎包揽了该项赛事的所有奖牌。 我 国有着基数巨大的乒乓球爱好者, 他们对乒乓球运动 实为狂热, 因而我国也有着大量的乒乓球训练场馆。 高效连贯的训练是每个运动者都极力追求的, 而落网 的乒乓球则成为了训练最大的障碍。 乒乓球智能捡取 机器的出现, 则能够有效帮助运动者们捡取乒乓球, 以提高人们的训练质量, 同时也避免了人力和时间的 浪费, 因而该机器的设计方案在乒乓球运动这个领域 有着很大的发展前景。 参考文献 [1]马晓丽,陈艾华,张雪莲,张庆功.并联机器人机构的创新与应用 研究进展[J].机床与液压,2007,352235-237. [2]许东伟,刘建群,林淦.乒乓球捡球机器人的设计与实现[J].机床 与液压,1001-388120143-016-4. [3]安丹阳.新型自主式乒乓球捡球机器人的构形及关键技术研究 [D].沈阳东北大学,2008. [4]徐华舫.空气动力学基础上[M].北京北京航空学院出版 社,1987. 基于一组肝硬化数据的线性混合模型与广义线性 混合模型预测效果对比 孙 申 (云南师范大学,云南 昆明 650500) 摘 要 本文基于哥本哈根几所医院开展的肝硬化临床试验的数据分别构建了线性混合模型和广义线性混合模型, 并进行了比较 研究。 线性混合模型假设响应函数为正态分布, 但是在临床数据分析实践中保证收集数据的完全正态性是一件困难的事情, 从而 基于实际数据对这两类联合模型进行比较研究是一个令人感兴趣、 有重要实践意义的问题, 且以均方根误差为标准比较了两种模 型在临床数据分析中的精度。 对于该组数据用广义线性混合模型预测更准确, 本文旨在为临床研究者选择纵向模型研究临床实验 数据提供参考依据。 本文所有计算用R软件完成。 关键词 线性混合模型; 广义线性混合模型; 纵向数据 0 前言 肝硬化临床实验基于研究药物治疗是否有助于延 长肝硬化患者的生存时间展开, 临床实验产生了大量 复杂的数据 [1] , 本文选取纵向数据 [2] 部分进行研究, 探 索协变量对凝血原酶指数的影响。 利用混合效应模型 [3] 拟合数据可以避免数据中个体的差异导致对纵向数据 拟合不足问题, 利用有随机效应线性混合效应模型建 模 [4] , 在正态性假设成立的情况下给数学分析带来了方 便, 当随机效应分布假设不成立时, 估计量的效率可能 受到损害。 现今大部分分析纵向数据的研究是基于线 性混合效应模型建立的, 广义线性混合模型不受正态 假设限制。 本文建立广义线性混合模型 [5] 对该组数据进 行检验对比分析有实际意义。 1 模型理论介绍 线性混合效应 在正态假设下的响应向量, 并使用 混合效应模型分析纵向数据, 形式如下所示 其中 是针对于固定效应 的设计矩阵, 是 随机效应 的设计矩阵, 是误差项, 都是与时间有 关的。 假定误差项互相独立, 且与随机项独立, 服从于 均值为 0 方差为 的正态分布。 广义线性混合模型 ( 三部分 ) ( 1 ) 随机组成 1 ) 响应

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