一、項(xiàng)目介紹：

本項(xiàng)目致力于打造一款智能網(wǎng)球撿發(fā)服務(wù)型機(jī)器人，幫助提升網(wǎng)球場(chǎng)上的撿球效率，讓運(yùn)動(dòng)員專注訓(xùn)練的同時(shí)，減少人工成本。機(jī)器人將具備自主撿球、精準(zhǔn)發(fā)球和智能定位等核心功能，讓撿球變得更高效、更聰明！——蘭州交通大學(xué)-無(wú)盡妙想云團(tuán)隊(duì)

二、研究重點(diǎn)：

聰明規(guī)劃，精準(zhǔn)定位

我們采用麻雀算法優(yōu)化柵格地圖，讓機(jī)器人能以最短路徑迅速穿梭球場(chǎng)，靈活避開(kāi)障礙物，提高撿球效率。同時(shí)，結(jié)合AMCL（自適應(yīng)蒙特卡洛定位）算法，減少因定位誤差導(dǎo)致的地圖失真風(fēng)險(xiǎn)。為了讓機(jī)器人在完全未知的環(huán)境中也能游刃有余，我們研究SLAM算法，使其在移動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)構(gòu)建地圖并精準(zhǔn)定位自身位置，讓“迷路”成為過(guò)去式！

撿球快、準(zhǔn)、穩(wěn)，發(fā)球一氣呵成

依托國(guó)產(chǎn)軟硬件平臺(tái)，我們將主流目標(biāo)檢測(cè)算法與ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)撿球與發(fā)球一體化智能運(yùn)作。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，采用創(chuàng)新型收球框+絲桿傳輸系統(tǒng)，確保網(wǎng)球被精準(zhǔn)收集后，順暢地輸送至螺旋上升裝置。這套巧妙的設(shè)計(jì)讓機(jī)器人邊移動(dòng)邊高效撿球，無(wú)需停頓，實(shí)時(shí)鎖定目標(biāo)，確保每一次撿球又快又準(zhǔn)！

打造智能模型，自動(dòng)駕駛演示

組裝全新智能網(wǎng)球機(jī)器人，并搭載自動(dòng)駕駛功能，讓它真正“活”起來(lái)！我們將對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，全面測(cè)試其在球場(chǎng)上的智能表現(xiàn)，確保它能夠穩(wěn)健執(zhí)行撿球與發(fā)球任務(wù)。

升級(jí)輪式運(yùn)動(dòng)控制，讓機(jī)器人更聰明

傳統(tǒng)PID控制算法已經(jīng)過(guò)時(shí)？沒(méi)關(guān)系，我們來(lái)優(yōu)化！采用分層控制策略，在縱向控制中加入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，賦予機(jī)器人自學(xué)習(xí)能力，讓它能自主優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡，提高控制精度。同時(shí)，搭配OpenMV攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路況，編碼器電機(jī)精準(zhǔn)測(cè)速，超聲波雷達(dá)反饋周圍距離信息，讓機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中依然能夠靈活穿梭，穩(wěn)定撿球！

三、特色與創(chuàng)新

3.1.1機(jī)器視覺(jué)與自主巡航：精準(zhǔn)鎖定網(wǎng)球

本項(xiàng)目聚焦機(jī)器視覺(jué)與自主巡航技術(shù)的融合，賦予機(jī)器人精準(zhǔn)的網(wǎng)球定位能力，讓它不僅能“看見(jiàn)”網(wǎng)球，還能聰明地追蹤并拾取。

如何做到精準(zhǔn)定位？

慧眼識(shí)球 ——機(jī)器人搭載訓(xùn)練好的視覺(jué)模型，利用**卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）**等算法，精準(zhǔn)識(shí)別網(wǎng)球的形狀、顏色和位置，確保不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何一個(gè)球！

實(shí)時(shí)追蹤 ——機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能夠持續(xù)鎖定網(wǎng)球軌跡，分析其位置、速度和加速度，提前預(yù)測(cè)球的落點(diǎn)，讓機(jī)器人行動(dòng)更快、更精準(zhǔn)。

深度學(xué)習(xí)賦能 ——結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，機(jī)器人能更聰明地理解球的運(yùn)動(dòng)模式，提高識(shí)別穩(wěn)定性，面對(duì)復(fù)雜環(huán)境也能游刃有余。

自主巡航 ——機(jī)器人根據(jù)視覺(jué)信息和傳感器數(shù)據(jù)，自主規(guī)劃路徑，靈活避障，始終保持在最佳位置，確保高效撿球。

智能反饋控制 ——機(jī)器人通過(guò)持續(xù)獲取視覺(jué)反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整自身位置與移動(dòng)策略，做到精準(zhǔn)鎖定、快速響應(yīng)。

3.1.2輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制：多傳感器融合，精準(zhǔn)操控

輪式機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，受非線性和時(shí)變因素影響，單靠單一傳感器難以精準(zhǔn)掌控。為此，我們采用多傳感器融合技術(shù)，讓機(jī)器人具備更強(qiáng)的環(huán)境感知與決策能力。

通過(guò)整合多種傳感器數(shù)據(jù)，機(jī)器人能全方位感知周圍環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身狀態(tài)，確保運(yùn)動(dòng)控制既精準(zhǔn)又穩(wěn)定，讓它在球場(chǎng)上行動(dòng)自如，靈活應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)！

3.1.3 3D打印賦能：快速打造智能機(jī)器人

本項(xiàng)目使用SolidWorks建模，自主設(shè)計(jì)輪式機(jī)器人遙控器外殼、車身結(jié)構(gòu)及螺旋柱框架，并借助3D打印技術(shù)將設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

結(jié)合鋁型材、中空鋼管等金屬材料，完成機(jī)器人框架、螺旋柱和物料盤的組裝。3D打印不僅滿足復(fù)雜形態(tài)與尺寸定制需求，還大幅提升制造精度與效率，讓機(jī)器人更輕盈、更堅(jiān)固、更智能！

3.1.4融合PCB制版技術(shù)助力實(shí)物制造

本項(xiàng)目對(duì)輪式機(jī)器人遙控器的PCB電路部分進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)和制版，并進(jìn)行了樣板打樣。這種集成PCB技術(shù)的遙控器具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

電氣性能優(yōu)化： 自主設(shè)計(jì)的PCB確保了電路布局精確，消除了電氣干擾，提高了遙控器的可靠性和安全性。

集成度提升： 集成度高，減少了外部組件，優(yōu)化了體積和重量，使遙控器更加緊湊、輕便，便于攜帶和操作。

易用性： 自主設(shè)計(jì)無(wú)需額外學(xué)習(xí)，降低了用戶的使用門檻，提升了易用性。

該遙控器的設(shè)計(jì)不僅在輪式機(jī)器人控制中取得成功，也為其他機(jī)器人控制領(lǐng)域提供了借鑒，預(yù)計(jì)隨著技術(shù)的進(jìn)步，能夠在更廣泛的領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。

3.1.5雙模式控制適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境

• 自動(dòng)模式： 機(jī)器人采用全局遍歷算法，通過(guò)攝像頭和超聲波傳感器信息，避開(kāi)障礙物（如運(yùn)動(dòng)員和防護(hù)網(wǎng)），確保正常訓(xùn)練，并通過(guò)算法遍歷場(chǎng)地，完成網(wǎng)球的收集。
• 手動(dòng)模式： 通過(guò)遙控器控制機(jī)器人行進(jìn)，適用于復(fù)雜區(qū)域或突發(fā)情況，采用NRF模塊和Barsa板，以確保在干擾較大時(shí)機(jī)器人能夠正常工作。

3.2創(chuàng)新點(diǎn)

3.2.1依托人工智能算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡回功能

采用人工智能算法優(yōu)化機(jī)器人行為，分析周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，自主構(gòu)建策略庫(kù)，選擇最佳路徑，避免繞行，提高工作效率。同時(shí)，機(jī)器人綜合考慮任務(wù)優(yōu)先級(jí)和能源消耗，減少人工干預(yù)，降低巡回成本。

3.2.2激光雷達(dá)自主巡航技術(shù)提升安全性與穩(wěn)定性

引入激光雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境，確保機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)器人能夠根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整，避開(kāi)障礙物并繼續(xù)工作，提高了安全性和穩(wěn)定性。

3.2.3采用絲桿與彈力框網(wǎng)球拾取方式

相比傳統(tǒng)的機(jī)械臂拾取方式，本項(xiàng)目采用絲桿與彈力框技術(shù)，降低了維護(hù)成本，并提高了拾球效率。絲桿技術(shù)減少機(jī)械部件的損耗，彈力框使機(jī)器人能靈活移動(dòng)，適應(yīng)不同的任務(wù)環(huán)境，適合預(yù)算有限的用戶。

3.2.4電動(dòng)摩擦輪發(fā)球技術(shù)：精準(zhǔn)高效，穩(wěn)定發(fā)射

本項(xiàng)目采用雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)摩擦輪，打造高效穩(wěn)定的網(wǎng)球發(fā)射系統(tǒng)。

當(dāng)網(wǎng)球進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的摩擦輪之間，會(huì)受到擠壓與摩擦力的雙重作用，被迅速加速并精準(zhǔn)發(fā)射。該設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，還能精準(zhǔn)控制發(fā)球頻率與速度，確保網(wǎng)球發(fā)射的穩(wěn)定性，為訓(xùn)練者提供多樣化、可調(diào)節(jié)的發(fā)球模式，助力高效訓(xùn)練！

3.2.5雷達(dá)三維建圖：精準(zhǔn)感知，智能導(dǎo)航

本項(xiàng)目采用3D激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)特征點(diǎn)掃描匹配與非線性優(yōu)化精確估算機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

激光里程計(jì)的輸出數(shù)據(jù)與地圖實(shí)時(shí)匹配，包括直線匹配與平面匹配，確保機(jī)器人精準(zhǔn)定位，無(wú)需額外回環(huán)檢測(cè)，助力高效智能導(dǎo)航！

激光三維雷達(dá)建圖：精準(zhǔn)感知，全景探索

1??傳感器布置：合理安裝3D激光雷達(dá)，確保從多個(gè)角度全方位掃描環(huán)境，采集高精度數(shù)據(jù)。

2??數(shù)據(jù)采集：?jiǎn)?dòng)雷達(dá)，獲取目標(biāo)區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，記錄環(huán)境中每個(gè)點(diǎn)的精確位置。

3??數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行清理和優(yōu)化，提取關(guān)鍵特征，如障礙物、建筑物等，確保信息清晰。

4??建圖算法：利用SLAM技術(shù)，將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高精度環(huán)境地圖，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精準(zhǔn)定位。

5??地圖優(yōu)化與應(yīng)用：優(yōu)化地圖精度，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并用于導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)等智能任務(wù)，讓機(jī)器人行動(dòng)更高效！

四、功能設(shè)計(jì)

4.1網(wǎng)球識(shí)別：YOLOv5讓捕捉高速網(wǎng)球更精準(zhǔn)

利用YOLOv5進(jìn)行網(wǎng)球識(shí)別，是深度學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合，能夠精準(zhǔn)鎖定網(wǎng)球位置，即便是高速飛行的球也能輕松捕捉。整個(gè)流程涵蓋數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、環(huán)境配置、模型訓(xùn)練、優(yōu)化調(diào)整及效果評(píng)估，確保識(shí)別高效、精準(zhǔn)。

?數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：多樣化的數(shù)據(jù)集是訓(xùn)練高性能模型的關(guān)鍵。涵蓋不同運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景、光照條件、軌跡變化的數(shù)據(jù)，能讓模型適應(yīng)各種復(fù)雜情況，提升泛化能力。

?環(huán)境配置：選用合適的硬件設(shè)備、深度學(xué)習(xí)框架及優(yōu)化工具，確保訓(xùn)練過(guò)程高效流暢，發(fā)揮最大計(jì)算性能。

?模型訓(xùn)練：通過(guò)調(diào)整超參數(shù)、優(yōu)化損失函數(shù)、數(shù)據(jù)增強(qiáng)等手段，使模型深度學(xué)習(xí)網(wǎng)球特征，提升識(shí)別精度。

?優(yōu)化與評(píng)估：不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化超參數(shù)、測(cè)試多種數(shù)據(jù)集，確保識(shí)別的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，優(yōu)化實(shí)際應(yīng)用效果。

YOLOv5以高幀率處理能力見(jiàn)長(zhǎng)，能精準(zhǔn)適應(yīng)多場(chǎng)景需求，為體育賽事、智能訓(xùn)練等提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐，讓網(wǎng)球識(shí)別更加智能高效

4.2雙控制模式

雙控制模式包括自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，讓機(jī)器人既能自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，也能在需要時(shí)由人工控制。

• 自動(dòng)模式：機(jī)器人使用全局遍歷算法自動(dòng)掃場(chǎng)，通過(guò)攝像頭和超聲波傳感器獲取場(chǎng)地信息，避開(kāi)運(yùn)動(dòng)員和障礙物，確保不干擾訓(xùn)練，且能覆蓋整個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)，保證網(wǎng)球的完全收集。
• 手動(dòng)模式：使用遙控器控制機(jī)器人，在復(fù)雜區(qū)域或遇到意外時(shí)進(jìn)行干預(yù)調(diào)整。控制器通過(guò)NRF模塊和Barsa板，提高在干擾環(huán)境中的穩(wěn)定性和靈活性。

4.3多模式發(fā)球

該發(fā)球模塊支持上旋、下旋、側(cè)旋等多種發(fā)球方式，并可調(diào)節(jié)摩擦輪速度和速度差，以改變球的弧線和頻率，實(shí)現(xiàn)可控的發(fā)球落點(diǎn)和個(gè)性化發(fā)球。

通過(guò)壓電加速度傳感器，系統(tǒng)獲取并處理網(wǎng)球的落點(diǎn)信號(hào)，確保準(zhǔn)確性并實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)發(fā)球。此設(shè)計(jì)讓球員能精確控制發(fā)球的旋轉(zhuǎn)和落點(diǎn)，提高訓(xùn)練與比賽中的技術(shù)水平與戰(zhàn)術(shù)應(yīng)變能力。

4.3.1定點(diǎn)順序發(fā)球

球員可從28個(gè)發(fā)球定位點(diǎn)中選擇，并按順序安排這些點(diǎn)，使發(fā)球模塊依次執(zhí)行。此系統(tǒng)增強(qiáng)了發(fā)球的靈活性和戰(zhàn)術(shù)性，為訓(xùn)練和比賽增添變化與挑戰(zhàn)，有助于提升球員的技術(shù)和應(yīng)變能力。

4.3.2定點(diǎn)隨機(jī)發(fā)球

用戶可以從28個(gè)發(fā)球點(diǎn)中選擇目標(biāo)，并讓系統(tǒng)隨機(jī)選擇發(fā)球點(diǎn)位進(jìn)行發(fā)球。此系統(tǒng)模擬比賽中的多變發(fā)球場(chǎng)景，幫助球員提升應(yīng)對(duì)不同發(fā)球方向和旋轉(zhuǎn)的能力。通過(guò)隨機(jī)發(fā)球，訓(xùn)練更加多樣化和有趣，促進(jìn)發(fā)球技術(shù)和應(yīng)變能力的提高。

此外，教練可以根據(jù)球員需求設(shè)置不同的隨機(jī)發(fā)球方案，提升訓(xùn)練效果，幫助球員更好地適應(yīng)比賽中的挑戰(zhàn)，并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

4.3.3自定義發(fā)球

這款智能發(fā)球機(jī)支持手機(jī)端調(diào)節(jié)發(fā)球的力度、弧度、轉(zhuǎn)速和頻率等參數(shù)。用戶通過(guò)手機(jī)輕松控制，無(wú)需專業(yè)調(diào)試，節(jié)省時(shí)間和人力。手機(jī)端控制不僅提高了操作便利性，還能根據(jù)個(gè)人需求快速調(diào)整發(fā)球設(shè)置，提升訓(xùn)練和比賽準(zhǔn)備效率。此創(chuàng)新的智能控制方式使訓(xùn)練更加個(gè)性化，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)并提供了更多訓(xùn)練選擇。

4.3.4 PCB制版技術(shù)

本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了輪式機(jī)器人遙控器的PCB電路，顯著提高了電路的穩(wěn)定性、安全性和集成度。自制的電路使遙控器更小巧、易于維護(hù)，并優(yōu)化了能效管理。這提升了產(chǎn)品的可靠性和用戶體驗(yàn)，減少了學(xué)習(xí)電路知識(shí)的需求，為用戶提供了更高效、更穩(wěn)定的操作體驗(yàn)。

4.3.5半場(chǎng)裁判車

功能：

監(jiān)督比賽： 負(fù)責(zé)確保比賽有序進(jìn)行，運(yùn)動(dòng)員遵守規(guī)則和裁判判決。

裁決比賽局： 負(fù)責(zé)判斷球員動(dòng)作，如球是否出界或犯規(guī)等。

記錄比分： 記錄每一局的比分，確保準(zhǔn)確性。

做法：

就位： 裁判車通常位于底線附近，方便觀察球員動(dòng)作和球的落點(diǎn)。

觀察球： 觀察球員擊球和球的落點(diǎn)，確保做出準(zhǔn)確判決。

發(fā)出判決： 判斷球是否出界、打中網(wǎng)等，做出相應(yīng)裁決。

標(biāo)記得分： 報(bào)出分?jǐn)?shù)并記錄。

處理申訴： 如果球員有異議，裁判車會(huì)向上級(jí)裁判報(bào)告并處理。

半場(chǎng)裁判車通過(guò)準(zhǔn)確裁決和記錄，為比賽提供公平、公正的環(huán)境。

五、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1系統(tǒng)總架構(gòu)

本系統(tǒng)采用本地開(kāi)發(fā)與云端監(jiān)控結(jié)合的軟硬件集成方案。感知層使用地平線攝像頭模組、超聲波雷達(dá)和三維雷達(dá)建圖模組，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛和網(wǎng)球掉落監(jiān)測(cè)，確保迅速撿起網(wǎng)球。控制層采用RDK X3主控，處理采集到的數(shù)據(jù)。該方案提升了系統(tǒng)智能化水平，增強(qiáng)了自動(dòng)駕駛精度和可靠性，確保高效、安全的網(wǎng)球撿拾操作。

5.2軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用

5.2.1掉落網(wǎng)球識(shí)別模型

為解決網(wǎng)球在不同光照下的顏色變化問(wèn)題，本項(xiàng)目采用OpenCV中的HSV顏色空間進(jìn)行圖像處理。由于網(wǎng)球在BGR顏色空間下顏色不均，難以準(zhǔn)確分割，HSV顏色空間提供了更好的解決方案。HSV使用三個(gè)參數(shù)表示顏色：

色調(diào)（Hue）：表示顏色的種類，用角度度量，范圍為0°到360°。在OpenCV中，范圍為0至180，0°為紅色，120°為綠色，240°為藍(lán)色。

飽和度（Saturation）：表示顏色接近光譜色的程度，范圍為0至255。值越大，顏色越飽和，越接近原色；值越小，顏色越接近白色。

明度（Value）：表示顏色的亮度，范圍從0（黑色）到255（白色）。值越大，顏色越明亮。

在HSV顏色空間中，網(wǎng)球的色調(diào)集中在某個(gè)狹窄的區(qū)間。通過(guò)保留這一色調(diào)區(qū)間，并調(diào)整飽和度和明度，能夠從圖像中準(zhǔn)確提取出網(wǎng)球。通過(guò)這種方法，可以有效應(yīng)對(duì)光照變化，提升網(wǎng)球識(shí)別的準(zhǔn)確性。

5.2.2輪式機(jī)器人的姿態(tài)控制

在姿態(tài)控制中，粒子群算法（PSO）與Simulink模型之間的連接通過(guò)粒子（PID控制器的參數(shù)）和對(duì)應(yīng)的適應(yīng)值（控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)）來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)化過(guò)程如下：

PSO生成粒子群，粒子可以是初始化的或更新后的。

將每個(gè)粒子的參數(shù)（Kp、Ki、Kd）傳遞給PID控制器。

使用Simulink模型運(yùn)行控制器，得到對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)。

該性能指標(biāo)反饋到PSO，作為粒子的適應(yīng)值。

判斷是否滿足退出條件，若滿足，則結(jié)束優(yōu)化。

這一過(guò)程通過(guò)不斷優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，提升輪式機(jī)器人的姿態(tài)控制性能。

粒子群算法中速度和位置是根據(jù)下面兩個(gè)公式進(jìn)行更新

其中，x表示粒子的位置；v表示粒子的速度；ω為慣性因子；c1、c2為加速度常數(shù)；r1、r2為[0,1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)；Pt是粒子迄今為止搜索到的最優(yōu)為止；Gt是整個(gè)粒子群迄今為止搜索到的最優(yōu)為止。

PSO的流程如下：

1.初始化粒子群，隨機(jī)產(chǎn)生所有粒子的位置和速度，并確定粒子的Pt和Gt。

2.對(duì)每個(gè)粒子，將其適應(yīng)值與該粒子所經(jīng)歷過(guò)的最優(yōu)位置Pt的適應(yīng)值進(jìn)行比較，若較好，則將其作為當(dāng)前的Pt。

3.對(duì)每個(gè)粒子，將其適應(yīng)值與整個(gè)粒子群所經(jīng)歷過(guò)的最優(yōu)位置Gt的適應(yīng)值進(jìn)行比較，若較好，則將其作為當(dāng)前的Gt。

4.按照上面的公式進(jìn)行速度和位置的更新。

5.如果沒(méi)有滿足終止條件（通常為預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)和適應(yīng)值下限值），則返回步驟2；否則，推出算法，得到最優(yōu)解。

由公式可知：通過(guò)姿態(tài)和速度傳感器測(cè)量到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，通過(guò)當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)和上一次測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出誤差，給定一定大小KP（比例）,KI（積分）,KD（微分）三個(gè)影響因子的值，引入速度環(huán)和位置環(huán)，利用串級(jí)PID實(shí)時(shí)調(diào)整車輛姿態(tài)，使車輛在一定空間內(nèi)趨于相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。

舉例說(shuō)明：在自動(dòng)駕駛中引入PID的好處在于，使用常規(guī)開(kāi)環(huán)手段控制機(jī)器人時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)球前方有障礙物機(jī)器人要進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，會(huì)由于速度，障礙物距離等因素發(fā)生轉(zhuǎn)向過(guò)沖現(xiàn)象，往往發(fā)生這種現(xiàn)象的結(jié)果是致命的，極有可能影響其他運(yùn)動(dòng)員的活動(dòng)，引發(fā)事故。引入PID閉環(huán)控制后，在發(fā)生此類現(xiàn)象后，KD因子發(fā)揮作用，抑制過(guò)沖現(xiàn)象，并在縱向?qū)用媾浜蟁BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)瞬時(shí)降低車速和規(guī)劃路徑，從而避免危險(xiǎn)發(fā)生。代碼如下：

1. import time
2. classPIDController:
3. definit(self, Kp, Ki, Kd, setpoint):
4. self.Kp = Kp
5. self.Ki = Ki
6. self.Kd = Kd
7. self.setpoint = setpoint
8. self.error =0
9. self.integral =0
10. self.derivative =0
11. self.last_error =0
12. defupdate(self, feedback_value):
13. self.error =self.setpoint - feedback_value
14. self.integral +=self.error
15. self.derivative =self.error -self.last_error
16. self.last_error =self.error
17. return (self.Kp *self.error) + (self.Ki *self.integral) + (self.Kd *self.derivative)
18. defget_current_attitude():
19. #獲取傳感器數(shù)據(jù)
20. #實(shí)際應(yīng)用中，這里應(yīng)返回傳感器測(cè)量的姿態(tài)值
21. #例如，可以通過(guò)陀螺儀或加速度計(jì)獲取姿態(tài)角度
22. return0 #示例：假設(shè)初始姿態(tài)為0度
23. defapply_control_to_robot(control):
24. #將控制量應(yīng)用到機(jī)器人
25. #實(shí)際應(yīng)用中，這里應(yīng)設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速或功率
26. print(f"Applying control: {control}")
27. #示例：可以將控制量轉(zhuǎn)換為電機(jī)控制信號(hào)
28. #初始化PID控制器
29. pid = PIDController(Kp=0.1, Ki=0.01, Kd=0.05, setpoint=90) #設(shè)置PID參數(shù)和期望姿態(tài)
30. #主控制循環(huán)
31. whileTrue:
32. #從傳感器中獲取當(dāng)前姿態(tài)
33. feedback_value = get_current_attitude()
34. #使用PID計(jì)算控制量
35. control = pid.update(feedback_value)
36. #應(yīng)用控制量到機(jī)器人
37. apply_control_to_robot(control)
38. #延時(shí)一段時(shí)間（例如10毫秒），以模擬控制周期
39. time.sleep(0.01)

5.2.3輪式機(jī)器人的路徑控制

在路徑規(guī)劃方面，本項(xiàng)目采用蜘蛛蜂優(yōu)化算法（SWO）來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜路況下的最優(yōu)行進(jìn)路線。該算法模擬蜘蛛和蜂的行為，通過(guò)蜘蛛的網(wǎng)和蜜蜂的飛行路徑進(jìn)行優(yōu)化搜索，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

在網(wǎng)球場(chǎng)這種復(fù)雜環(huán)境中，傳統(tǒng)路徑規(guī)劃算法難以找到最優(yōu)解，因?yàn)閺?fù)雜的障礙和大規(guī)模的搜索空間容易導(dǎo)致局部最優(yōu)解。SWO算法通過(guò)模擬蜘蛛和蜜蜂的行為，能夠更高效地探索搜索空間，快速找到全局最優(yōu)解。

SWO算法的基本步驟如下：

1. 初始化種群：隨機(jī)生成機(jī)器人的初始位置和速度。
2. 評(píng)估適應(yīng)度：計(jì)算機(jī)器人的適應(yīng)度值，即路徑規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)值。
3. 更新位置和速度：根據(jù)蜘蛛和蜜蜂的行為策略更新機(jī)器人的位置和速度。
4. 蜘蛛行為：局部和全局搜索策略更新位置。
5. 黃蜂行為：通過(guò)隨機(jī)和精英搜索策略進(jìn)一步更新位置。
6. 評(píng)估適應(yīng)度：重新計(jì)算每個(gè)機(jī)器人位置和速度的適應(yīng)度值。
7. 更新最優(yōu)解：更新全局最優(yōu)解和個(gè)體最優(yōu)解。
8. 終止條件：達(dá)到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)或停止準(zhǔn)則時(shí)終止算法，輸出最優(yōu)解。

這種算法相較于遺傳算法和粒子群算法，具有更強(qiáng)的全局搜索能力和更快的優(yōu)化速度，能有效提升機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃效率。

5.2.4定位系統(tǒng)

輪式機(jī)器人通過(guò)定位模塊ATGM332DR準(zhǔn)確獲得自己當(dāng)前的位置，上位機(jī)將目標(biāo)坐標(biāo)通過(guò)數(shù)傳模塊發(fā)送給云平臺(tái)，再由云平臺(tái)將各類信息下發(fā)至APP或PC端。

• 定位模塊

ATGM332DR是雙模混合定位模塊，可以實(shí)現(xiàn)GPS定位和北斗定位。其定位精度強(qiáng)，準(zhǔn)度高，可以實(shí)現(xiàn)分米級(jí)的定位。

（2）數(shù)傳模塊

數(shù)傳模塊ATK-LORA-01是LORA無(wú)線串口模塊，基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案，具有傳輸距離遠(yuǎn)，工作功耗低等特點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)如下：

支持定點(diǎn)發(fā)射，支持省電模式，支持廣播和監(jiān)聽(tīng)功能，支持6級(jí)可調(diào)空中速率，支持AT指令控制，配置靈活。

5.3硬件應(yīng)用

主控采用RDK X3，搭載MPU6050陀螺儀、HC-SR04超聲波模塊等外設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掉落網(wǎng)球的檢測(cè)、記錄反饋以及復(fù)雜路段的自由運(yùn)動(dòng)。

遙控器主控使用ESP32模組，MPU6050進(jìn)行動(dòng)作識(shí)別，搖桿電位器控制小車姿態(tài)，OLED顯示運(yùn)行參數(shù)。遙控器主要由以下部分組成：

• 外殼：保護(hù)內(nèi)部電路和元件。
• 按鍵/按鈕：控制設(shè)備功能，如開(kāi)關(guān)、方向等。
• 顯示屏：顯示設(shè)備狀態(tài)、菜單選項(xiàng)等信息。
• 指示燈：顯示電源、連接狀態(tài)等。
• 電池倉(cāng)：用于電池供電，方便更換。
• 無(wú)線通信模塊：通過(guò)射頻等技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行通信。
• 電子電路板：連接按鍵、無(wú)線模塊等電子元件，處理操作指令。

5.3.1攝像頭模組

使用RDK X3電路板進(jìn)行網(wǎng)球識(shí)別與回傳。識(shí)別網(wǎng)球的步驟如下：

1. 啟動(dòng)識(shí)別程序：?jiǎn)?dòng)RDK X3的視覺(jué)系統(tǒng)，用于檢測(cè)和跟蹤網(wǎng)球。
2. 初始化攝像頭：確保攝像頭正確初始化，以捕捉周圍環(huán)境圖像。
3. 網(wǎng)球檢測(cè)：RDK X3使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別網(wǎng)球。
4. 跟蹤網(wǎng)球：檢測(cè)到網(wǎng)球后，啟用跟蹤算法追蹤網(wǎng)球的移動(dòng)。
5. 反饋：根據(jù)網(wǎng)球的位置和運(yùn)動(dòng)，提供反饋。
6. 執(zhí)行任務(wù)：根據(jù)網(wǎng)球的位置和軌跡執(zhí)行任務(wù)，如撿球、回傳等。
7. 結(jié)束識(shí)別程序：任務(wù)完成后，停止程序，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

5.3.2 RDK X3：小車運(yùn)動(dòng)的主控

RDK X3是一款模塊化開(kāi)發(fā)板，用于機(jī)器人控制、感知、定位和規(guī)劃等功能。在智能撿球車中，RDK X3負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)定位、避障和路徑規(guī)劃等功能，通過(guò)傳感器和算法處理，幫助機(jī)器人精確撿拾網(wǎng)球。

RDK X3的作用包括：

1. 定位和導(dǎo)航：通過(guò)激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器，RDK X3實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航，幫助機(jī)器人找到網(wǎng)球。
2. 避障和安全：利用傳感器檢測(cè)障礙物，確保機(jī)器人安全撿拾網(wǎng)球。
3. 運(yùn)動(dòng)控制：RDK X3實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)控制，使機(jī)器人靈活移動(dòng)。
4. 數(shù)據(jù)處理和決策：RDK X3處理傳感器數(shù)據(jù)，做出決策，調(diào)整撿球策略。

5.3.3北斗和UWB（超寬帶）雙定位模組

北斗定位模塊和UWB定位模塊在定位網(wǎng)球時(shí)發(fā)揮重要作用。

• 北斗定位模塊：基于我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提供全球范圍的定位服務(wù)。通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)，利用三角定位原理計(jì)算位置信息，支持多頻點(diǎn)、多系統(tǒng)聯(lián)合定位，能夠在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地提供定位服務(wù)。
• UWB定位模塊：具有高精度、高實(shí)時(shí)性和抗干擾性，尤其適用于隧道等復(fù)雜環(huán)境中的精準(zhǔn)定位。

應(yīng)用：

1. 全局定位和場(chǎng)地規(guī)劃：北斗模塊用于室外球場(chǎng)的全球定位，幫助機(jī)器人精確識(shí)別位置，規(guī)劃路徑，確保安全撿球并有效返回發(fā)球位置。
2. 精準(zhǔn)室內(nèi)定位和球位置識(shí)別：UWB模塊提供室內(nèi)高精度定位，幫助機(jī)器人準(zhǔn)確識(shí)別網(wǎng)球位置，提升撿球效率。
3. 動(dòng)態(tài)避障和交互式撿拾：UWB模塊實(shí)時(shí)感知環(huán)境，避免障礙物，結(jié)合兩種定位技術(shù)，機(jī)器人能夠精準(zhǔn)撿拾網(wǎng)球并送回發(fā)球位置。

通過(guò)結(jié)合北斗和UWB雙定位模組，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)高精度定位、路徑規(guī)劃、避障和撿拾