一种基于智能乒乓球发球机的信号交互系统及方法

本发明涉及智能体育，特别是涉及一种基于智能乒乓球发球机的信号交互系统及方法。

背景技术：

1、智能乒乓球训练系统是近年来兴起的一种新型训练设备，可以通过模拟人类对手的发球行为、实时调整发球参数等方式，提高乒乓球运动员的训练效果。目前，智能乒乓球训练系统已经在乒乓球训练领域得到了广泛的应用。

2、现有的信号交互系统通常包括以下几个模块：控制模块：负责接收用户的指令并生成相应的控制信号，控制发球机执行相应的动作。传感器模块：用于检测乒乓球的位置、速度、旋转等参数，并将这些数据传输给控制模块进行处理和分析。通信模块：负责与用户设备之间进行通信，传输控制指令和接收反馈信息。用户界面模块：提供给用户进行操作和设置的界面，例如按钮、触摸屏等。

3、尽管现有的智能发球机信号交互系统已经较以前有了很大改进，但仍然存在一些问题。

4、1.信号交互系统的时延问题仍然无法完全避免。由于信号传输和处理需要时间，所以在使用时，用户可能会感受到一定的延迟。这不仅影响乒乓球训练的效果，还会对用户的体验造成一定影响。

5、2.信号交互系统的多样性和兼容性也是一个问题。由于市面上的智能发球机品牌、型号众多，它们的信号交互协议也各不相同，这导致用户使用不同的设备时需要进行复杂的配置和调试，难以实现快速切换和使用。

6、3.智能发球机信号交互系统的价格可能会比传统发球机器人更高，这也会限制其推广和应用范围。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于智能乒乓球发球机的信号交互系统及方法，以解决现有乒乓球发球机的信号交互系统存在的时延、兼容性等问题。

2、为此，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提供了一种智能乒乓球发球机的信号交互系统，包括：

4、实现用户对发球机的控制的系统控制上位机；

5、采集乒乓球台上的图像的视觉传感器；

6、对视觉传感器采集的乒乓球台上的图像进行分析，检测乒乓球的速度、角度和落点信息，为所述自适应发球机构提供数据支持的实时图像处理系统；

7、基于所述实时图像处理系统提供的数据，实时感知乒乓球台状态和球的位置，并自动调整发球参数的自适应发球机构；

8、通过高速蓝牙传输技术和优化的数据传输算法，与上位机的实时数据交互，实现快速发球信息传输和反馈的通信模块；以及，

9、利用传感器监测发球结果，根据反馈信息自动调整和优化发球方式的自动反馈和调整系统。

10、进一步地，控制模块采用jetson nano。

11、进一步地，通信模块采用在jetsonnano上安装hc-08蓝牙通信模块。

12、本发明还提供了一种智能乒乓球发球机的信号交互方法，包括：

13、步骤1：上位机主动搜索通信模块中的蓝牙并连接，连接成功后给通信模块发送三种模式的信号，分别是：控制发球、自动发球和智慧发球；

14、步骤2：上位机选择智慧模式中的基础模式给通信模块发送第一信号；

15、步骤3：发球机同时自检完成，自检完成后给通信模块发送第二信号，自检能够排除发球机的内部因素无法进行发球；

16、步骤4：通信模块接收到来自上位机和发球机两个不同的信号；

17、步骤5：通信模型内部执行程序启动摄像头实时拍摄当前乒乓球台图像；

18、步骤6：在发球机控制程序选择智慧模式中的基础模式，代表进入发球机闭环处理；通信模块采用jetsonnano开启深度学习检测乒乓球程序；

19、步骤7：通信模块给发球机传递摄像头开启信号，代表程序处器已经开始执行，发球机能够进行下一步动作；

20、步骤8：当发球机接收到程序处理器发送的摄像头开启时，发球机开始发球；初步设定为对某目标区域连续发预设个球；每发一个球就给jetsonnano发送一个信号，用来记录当前阶段的发球个数，利于乒乓球检测和最后得分计算；

21、步骤9：当程序处理器接收到该发球一次信号后，分析这段时间内球的上岸率、落点信息；对获取的信息进行二次处理；

22、步骤10：程序处理器根据二次处理的结果判断球的上岸率和落点，并进行相应的决策；根据智慧模式中的基础模式设定，决策包括改变发球力度、角度和旋转等参数，以及调整发球机的位置或角度；

23、步骤11：根据决策结果，程序处理器发送相应的指令给发球机，调整发球参数或发球机位置；

24、步骤12：发球机接收到指令后，进行相应的调整，重新发球；发球过程中，摄像头持续拍摄乒乓球台图像，并传输到程序处理器进行实时分析；

25、步骤13：程序处理器根据实时分析结果，对发球过程中的参数和决策进行优化调整；如果需要，变换到进攻模式或防守模式，继续进行发球；

26、步骤14：重复步骤10至步骤13，直到完成设定的发球个数；

27、步骤15：发球结束后，通信模块将发球的结果反馈给上位机；

28、步骤16：上位机接收到发球结果后，根据需要进行后续处理。

29、进一步地，检测乒乓球落点信息，包括：

30、输入初始条件：根据深度学习算法检测到乒乓球的起始位置、速度和角度；

31、使用以下公式计算乒乓球的运动轨迹：

32、水平速度：(v_x)＝v0*cos(θ)；

33、竖直速度：(v_y)＝v0*sin(θ)；

34、水平位移：(x)＝x0+v_x*t；

35、竖直位移：(y)＝y0+v_y*t-0.5*g*t2；

36、其中，g是重力加速度，t是时间，(x0，y0)是起始位置，v0是起始速度，θ是角度；

37、从初始时间t0开始模拟球的轨迹，逐步增加时间步长δt，根据上述轨迹方程计算每个时间步长的位置(x，y)；

38、在模拟轨迹过程中，当球的竖直位置y小于等于0时，表示球已经落到地面上，记录对应的水平位置x，即为落点。

39、进一步地，在计算落点的过程中，初始条件通过传感器或输入设备以数字化形式立即传输到计算系统。

40、进一步地，基于乒乓球的速度、旋转和空气阻力，对所述乒乓球落点进行校正。

41、进一步地，还包括：根据预设时间段计算的上岸率，对手动添加的阈值进行判断，当上岸率超过设置阈值时给发球机发送进行下一阶段发球。

42、进一步地，摄像头摆放位置为固定角度下，摄像头采用帧率为60fps、分辨率为640*480的无畸变工业摄像头，摄像头距地面166厘米、距球桌边缘75厘米。

43、本发明还提供了一种包括上述信号交互系统的智能乒乓球发球机。

44、本发明的优点和积极效果：

45、通过对乒乓球发球机制的改进，本发明设计一个高效的发球系统。该系统由自适应发球机构、实时图像处理系统、通信模块的实时性优化以及自动反馈和调整系统组成。自适应发球机构可实时感知乒乓球台状态和球的位置，并根据传感器数据自动调整发球参数。实时图像处理系统采用高帧率摄像头和优化算法，能快速捕捉和分析乒乓球台上的图像，为发球机构提供数据支持。通信模块通过高速蓝牙传输技术和优化的数据传输算法，确保与上位机的实时数据交互，实现快速发球信息传输和反馈。自动反馈和调整系统利用传感器监测发球结果，根据反馈信息自动调整和优化发球方式。这些相互关联的组件使得发球系统能够实时感知、分析和调整，从而提升发球准确性和稳定性。

46、本发明中的信号交互系统主要通过改进控制模块和通信模块来解决时延问题。在本发明中，控制模块采用了jetson nano，这是一种高性能的嵌入式计算平台。相比传统的控制模块，jetson nano具有更快的处理速度和更低的时延，能够实现快速的数据处理和响应。另外，在通信模块中，本发明使用了hc-08蓝牙通信模块。蓝牙通信具有较低的时延特性，可以实现实时的信号传输和响应。因此，通过采用高性能的控制模块和低时延的蓝牙通信模块，本发明有效地解决了现有乒乓球发球机信号交互系统中存在的时延问题。同时，当使用信号交互方法时，数据可以以极快的速度在系统中传递。例如，在计算落点的过程中，初始条件可以通过传感器或输入设备以数字化形式立即传输到计算系统中，从而减少了传输延迟。信号交互方法通常可以利用并行处理技术来提高计算效率。通过同时处理多个数据输入，可以加快计算速度，进一步增强实时性。

47、本发明中采用低功耗蓝牙(ble)技术，它可以有效地解决兼容性问题，并提供低功耗的通信连接。通过采用低功耗蓝牙通信模块(如hc-08蓝牙通信模块)，本发明的信号交互系统可以实现与用户设备之间的稳定、低功耗的无线通信。用户可以通过智能手机或其他兼容的设备与发球机进行连接和交互，方便地控制发球机的功能，并接收反馈信息。

48、本发明通过引入先进的传感器、控制单元、信号处理算法和云平台等技术手段，实现了乒乓球发球机的多种功能，包括精准控制球的速度、旋转、方向和落点等参数，能够根据不同的用户需求进行个性化定制。同时，本发明还能够通过运用智慧化算法和云平台服务，实现更丰富的信号交互和反馈，例如根据用户表现即时调整出球方式和策略，提供针对性的建议和指导，并支持数据记录和分析，帮助用户追踪训练效果。

49、综上，本发明展示了一种新型的乒乓球训练技术和交互模式，具有广阔的应用前景和社会效益。