技术领域
[0001] 本发明涉及自动化技术领域，具体涉及一种发球控制方法、装置、系统及电子设备。
相关背景技术
[0002] 随着人类社会的不断进步和体育运动的迅猛发展，高科技与体育运动的结合日趋紧密，无论是在比赛中还是训练中均需要科技的支撑。例如排球的接发球是排球训练中非常重要的一个环节，现有训练方式主要依靠教练员发球或教练员操作发球机发球，教练员发球或教练员操作发球机发球使得训练成本提高。部分训练队伍开始使用自动发球的排球发球机进行训练，而自动排球发球机发球时的相关控制参数依赖经验值或使用前通过实验测试测得，发球机不能根据排球上到发球位置的实时状态进行相关参数调整，使得发球的落点与目标落点的偏差较大，影响发球精度，故亟待提出一种新的发球控制方法以提高发球准确性。
具体实施方式
[0029] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0031] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0032] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0033] 以图1所示的发球系统的发球结构部分示意图为例，发球系统中包含导球轨道104以及发球滚轮，图1中以包含两个发球滚轮102、103，待发球101通过导球轨道104到达当前所在位置处并与发球滚轮102、103摩擦接触。通过发球滚轮转动，在发球滚轮与待发球的接触面上产生摩擦力，通过产生的摩擦力为待发球提供发射动力继而将球发射出去。发球滚轮与发球滚轮转速控制电机连接，用于带动发球滚轮转动，图1中未示出发球滚轮转速控制电机，本申请实施例对发球滚轮转速控制电机的安装位置、数量、类型不作限定，只要通过自身电机转动可以带动发球滚轮转动即可。
[0034] 本发明实施例公开了一种发球控制方法，用于发球系统中的控制模块，所述控制模块与所述发球系统中的发球滚轮转速控制电机连接，用于控制所述发球滚轮转速控制电机的转动速度，通过所述发球滚轮转速控制电机带动发球滚轮转动时，发球滚轮与待发球之间产生的摩擦力带动球发射，其中发球系统中的控制模块可以是一个终端(如PC)和控制板的集成，通过终端与外部设备进行数据通信，通过控制板采集发球系统内的参数，终端将根据接收到的外部设备传输的数据以及控制板返回的数据计算得到控制参数，将控制参数转化为控制指令发送给控制板，继而使得控制板根据接收到的控制指令控制电机转动。如图2所示，该方法包括如下步骤：
[0035] 步骤201，接收发球参数以及待发球的属性信息，所述发球参数包括发球的转速以及发球的目标速度，所述属性信息包括待发球的质量、半径。
[0036] 示例性地，该发球参数以及待发球的属性信息可以通过与远程控制设备进行通信连接，得到所述发球参数以及所述待发球的属性信息，其中远程控制设备可以是手持终端，在手持终端上可显示各种需要用户根据需求进行数据输入的交互界面，该交互界面可以显示需要用户输入的数据提示，用于根据提示输入需要的发球参数以及当前需要发射的待发球的属性信息或者是在交互界面上设置下拉列表框，使得用户可以通过下拉列表框，选择自己需要的发球参数。本申请实施例对该交互界面的显示方式以及显示的数据类型不作限定，本领域技术人员可以根据实际需要确定。
[0037] 本实施例以排球接发球训练为例，发球系统为排球发球机，远程控制设备的交互界面可以包括7个功能：“初始标定”功能模块：用于通过与排球发球机的控制模块通信实现对排球发球机的初始化设置；“连接”和“断开”模块：用于实现与排球发球机建立连接和断开连接，对于“断开”模块可用于在发球机故障时断开与排球发球机的连接以进行设备调试；以及“定点发球”功能模块、“不同区域发球”功能模块、“随机发球”功能模块以及“模拟对手发球”功能模块这四个针对训练方式的模块，这四个模块功能的实现主要通过相关参数的设置，比如“发球性能”参数(如跳发或飘球)、“落球区域”参数，可以通过在目标训练空间内预先划分出不同的区域，以实现对不同区域的落球、“连续发球数量”参数以及“发球速度”参数、“发球转速”参数、“发球机初始位置”参数等等。本领域技术人员可以根据实际排球发球需要进行设置。
[0038] 以排球系统为例，发球过程可以分为发球阶段和上球阶段两个阶段：发球阶段为控制模块发送指令来控制发球部分的发球俯仰角控制电机和发球偏航角度控制电机达到计算值，然后打开放球挡板放出排球进行发球；上球阶段为控制模块发送指令控制发球俯仰角控制电机和发球偏航角度控制电机回到初始位置进行接球，同时控制上球部分的推杆进行上球，排球进入发球部分的导球轨道中并被放球挡板挡住，等待下一次发球，之后发球俯仰角控制电机和发球偏航角度控制电机回到上一次发球的位置等待下一次发球，通过循环控制上述发球过程即可实现连续发球，程序通过输入的相关参数来控制该循环的开始和结束。
[0039] 当用户在远程控制设备中完成对相关功能参数的设置后发送给控制模块，本申请实施例中控制模块接收到的发球参数包括发球的转速ω以及发球的目标速度，发球的目标速度包括发球的速度大小v以及发球方向θ，接收到的待发球的属性信息包括待发球的质量以及半径。
[0040] 步骤202，获取待发球与所述发球滚轮接触时的球压以及接触面积。
[0041] 示例性地，结合图1所示，当待发球沿着通道到达发球位置后，待发球将与发球滚轮接触，可以在发球滚轮上设置压力传感器以实时获取到待发球的球压；待发球与发球滚轮的接触面积可以根据发球滚轮的间距和待发球大小计算得到，对于一特定发球设备，接2
触面积可以预先计算得到，如对于排球发球设备，该接触面积可以取值为46.01cm ，或者也可以根据压力传感器可以检测到压力的区域的大小，得到待发球与发球滚轮的接触面积。
本申请实施例对球压和接触面积的获取方式不作限定，本领域技术人员可以根据实际需要确定。
[0042] 步骤203，根据所述发球参数、所述待发球的属性信息以及所述待发球与所述发球滚轮接触时的球压以及接触面积，得到发球时所述发球滚轮的转动速度。
[0043] 示例性地，以待发球为排球为例，在排球通过排球发球机导球轨道到达发球位置时会产生一个与发球滚轮接触时的最大压力值Fv，忽略接触时排球形变造成的球压变化，得到排球的内部气压 其中S为排球与发球滚轮的接触面积，可以取值为2
46.01cm。
[0044] 作为本发明一个可选实施方式，发球时所述发球滚轮的转动速度可以通过下式得到每一个发球滚轮的转动速度：
[0045] 排球发球由发球滚轮进行转动产生的摩擦力作为发球动力，因此可以得到下式(1)：
[0046]
[0047] 求解得到
[0048] 对于转速可得到下式(2)：
[0049]
[0050] 上式(1)和(2)中：m为待发球质量；v为发球的目标速度；μ为动摩擦因数，可以取值0.81，也可以对实际发球系统进行测试得到不同的发球系统的动摩擦因数；Pball为排球的内部气压；Sc为接触面积；vave为两个发球滚轮的平均转速， 其中，v1轮和
v2轮为发射待发球时两个发球滚轮需要转动的速度；J为排球的转动惯量， 其中
R为待发球半径；vD为两个发球滚轮的转动速度的差值， tball为待发球加速
时间，可以通过发球滚轮的初始速度以及发球的目标速度计算得到。 与
联立可求得两个滚轮的需求转速v1轮和v2轮。
[0051] 步骤204，根据所述转动速度控制所述发球滚轮转速控制电机转动。
[0052] 通过接收发球参数以及待发球的属性信息以及待发球与发球滚轮接触时的球压以及接触面积并根据发球参数、待发球的属性信息以及待发球与发球滚轮接触时的球压以及接触面积，得到发球时发球滚轮的转动速度，根据转动速度控制发球滚轮转速控制电机转动，使得通过发球滚轮转速控制电机的转动以带动发球滚轮转动，继而通过发球滚轮与待发球之间产生的摩擦力带动球发射。整个发球控制方法可以根据获取到的待发球与发球滚轮接触时的实际球压和实际接触面积，并结合接收到的发球参数以及待发球的属性信息对发球参数(如发球滚轮的转动速度)进行调整，相比于传统的依赖经验值以及使用前通过实验测试确定发球参数的方式，考虑了实际自动发球机在发球时的状态信息，提高了获取的发球参数的准确性，进而提高了发球精度。
[0053] 作为本发明一个可选实施方式，所述发球系统还包括发球俯仰角控制电机和发球偏航角度控制电机，分别与所述控制模块连接，用于调整发球滚轮的俯仰角以及偏转角；此时，发球参数还包括发球点在地面坐标投影的坐标值和发球的目标落点在地面坐标系投影的坐标值；所述方法还包括：
[0054] 根据所述发球机的初始位置在地面坐标系投影的坐标值、发球的目标落点在地面坐标系投影的坐标值，得到发球时的偏转角；具体的，该地面坐标系沿发球系统所在的场地边线方向建立。
[0055] 根据所述发球时的偏转角得到空间直角坐标系，确定所述待发球在发球时刻的发球速度在空间直角坐标系中竖直方向的速度分量以及水平方向的速度分量，其中该空间直角坐标系为对上述沿着发球系统所在的场地边线方向建立的地面坐标系绕z轴进行θyaw角度的旋转后得到；
[0056] 根据所述待发球在发球时刻的发球速度在空间直角坐标系中竖直方向的速度分量以及水平方向的速度分量，得到发球时的俯仰角；
[0057] 根据所述偏转角和所述俯仰角控制发球俯仰角控制电机和发球偏航角度控制电机转动以对所述发球滚轮的发球方位进行调整。
[0058] 具体参见附图3所示的发球时刻排球在空中运动的受力分析示意图以及环境参数示意图，经过试验测得排球发球均为上旋球或非旋转球，由于非旋转球和旋转球为0的上旋球近似，因此在图3中的排球运动分析均是对有旋转速度的上旋球进行分析，对于非旋转球可以将旋转速度置0后进行非旋转球的求解。
[0059] 排球的最高记录时速为138km/h，小于0.3马赫，速度较低，因此在进行受力分析时不考虑气体的压缩性以及空气的粘性，认为气体为理想流体。有伯努利方程得到公式(3)：
[0060]
[0061] 式中：P1为待发球上侧垂直于速度方向的最高点处的气体压强；h1为该最高点距地面的距离；v1为垂直于速度方向处于待发球上方的空气流动速度；P2为发球下侧垂直于速度方向的最低点处的气体压强；h2为该最低点距地面的距离；v2为垂直于速度方向处于待发球下方的空气流动速度。
[0062] 从而可得垂直于速度方向的压强差为：
[0063]
[0064] 其中：v2＝v+ωR；v1＝v‑ωR；h2‑h1＝2Rcos(θ)；
[0065] 整理可得下式(5)：
[0066]
[0067] 空气阻力为：
[0068]
[0069] 式中：C为空气阻力系数，可以通过试验测得，本申请实施例中该空气阻力系数为3
0.413；ρ为空气密度，本申请实施例中该空气密度取值为1.293kg/m ，R为待发球半径；v为发球的目标速度。
[0070] 由牛顿第二定律，可得到关于速度的微分方程：
[0071]
[0072] 其中， 为排球的加速度， 为发球时刻待发球的发球加速度在空间直角坐标系中水平方向的分量， 为发球时刻待发球的发球加速度在空间直角坐标系中竖直方向的分量，可以得到速度关于时间的函数V＝V(t)；
[0073] 继而可以方程：
[0074]
[0075] 其中，Xini为发球点的初始距离值，其可以根据发球系统的初始位置坐标得到，例如可以以发球位置向地面坐标系投影为坐标系原点，一般发球系统的初始位置坐标可以设置为(0,0,h)，即初始位置的x轴坐标为0，初始位置的z轴坐标为发球初始高度h，由于没有y轴方向的运动，所以在公式中q取消了y轴方向的相关计算，即此时Xini为发球点的初始距离值为0；xgoal为发球点与目标落点在地面投影的直线距离；v为目标速度。
[0076] 求解可得到发球时刻t0，代入V(t)中可得 可得：
[0077] v0＝|V0|
[0078] 即，V0＝[vx0 vy0 vz0]T， v0为发球时刻t0对应的发球速度；
[0079]
[0080]
[0081] 式中：θpitch为发球时的俯仰角；vz0为发球时刻待发球的发球速度在空间直角坐标系中竖直方向的速度分量；vx0为发球时刻待发球的发球速度在空间直角坐标系中水平方向的速度分量，为简化计算，在计算速度时，将地面坐标系绕z轴进行θyaw角度的旋转，使得得到的空间坐标系的x轴方向为从发球点在地面的投影指向落球点在地面的投影，z轴方向为垂直于地面向上，因此在y轴方向上的速度分量为0；θyaw为发球时的偏转角；xgoal和ygoal为发球点在地面坐标系投影的坐标值；x0和y0为发球的目标落点在地面坐标系投影的坐标值。
[0082] 确定发球时的偏转角和俯仰角后，根据得到的偏转角以及俯仰角控制发球俯仰角控制电机和发球偏航角控制电机转动继而实现对发球滚轮的发球方位进行调整。具体的，发球俯仰角控制电机和发球偏航角控制电机可以通过丝杠螺纹与发球滚轮连接，通过发球俯仰角控制电机和发球偏航角控制电机转动通过丝杠螺纹继而改变发球滚轮的发球方位，使得满足发球时的偏转角以及俯仰角的要求。例如预先建立不同的偏转角、俯仰角与电机脉冲或步进角度的对应关系，当计算得到发球时的偏转角与俯仰角后，通过对应关系控制电机的脉冲或步进角度的变化量，实现对发球滚轮的发球方位的调整。
[0083] 本发明实施例还公开了一种发球控制装置，用于发球系统中的控制模块，所述控制模块与所述发球系统中的发球滚轮转速控制电机连接，用于控制所述发球滚轮转速控制电机的转动速度，通过所述发球滚轮转速控制电机带动发球滚轮转动时，发球滚轮与待发球之间产生的摩擦力带动球发射，如图4所示，该装置包括：
[0084] 第一获取单元301，用于接收发球参数以及待发球的属性信息，所述发球参数包括发球的转速以及发球的目标速度，所述属性信息包括待发球的质量、半径；
[0085] 第二获取单元302，用于获取待发球与所述发球滚轮接触时的球压以及接触面积；
[0086] 第三获取单元303，用于根据所述发球参数、所述待发球的属性信息以及所述待发球与所述发球滚轮接触时的球压以及接触面积，得到发球时所述发球滚轮的转动速度；
[0087] 第一控制单元304，用于根据所述转动速度控制所述发球滚轮转速控制电机转动。
[0088] 本发明提供的发球控制装置，通过接收发球参数以及待发球的属性信息以及待发球与发球滚轮接触时的球压以及接触面积并根据发球参数、待发球的属性信息以及待发球与发球滚轮接触时的球压以及接触面积，得到发球时发球滚轮的转动速度，根据转动速度控制发球滚轮转速控制电机转动，使得通过发球滚轮转速控制电机的转动以带动发球滚轮转动，继而通过发球滚轮与待发球之间产生的摩擦力带动球发射。整个发球控制方法可以根据获取到的待发球与发球滚轮接触时的实际球压和实际接触面积，并结合接收到的发球参数以及待发球的属性信息对发球参数(如发球滚轮的转动速度)进行调整，相比于传统的依赖经验值以及使用前通过实验测试确定发球参数的方式，考虑了实际自动发球机在发球时的状态信息，提高了获取的发球参数的准确性，进而提高了发球精度。
[0089] 作为本发明一个可选实施方式，所述发球系统还包括发球俯仰角控制电机和发球偏航角度控制电机，分别与所述控制模块连接，用于调整发球滚轮的俯仰角以及偏转角；
[0090] 所述发球参数还包括发球点在地面坐标系投影的坐标值和发球的目标落点在地面坐标系投影的坐标值；所述装置还包括：
[0091] 第四获取单元，用于根据所述发球机的初始位置在地面坐标系投影的坐标值、发球的目标落点在地面坐标系投影的坐标值，得到发球时的偏转角；
[0092] 确定单元，用于根据所述发球时的偏转角得到空间直角坐标系，确定所述待发球在发球时刻的发球速度在空间直角坐标系中竖直方向的速度分量以及水平方向的速度分量；
[0093] 第五获取单元，用于根据所述待发球在发球时刻的发球速度在空间直角坐标系中竖直方向的速度分量以及水平方向的速度分量，得到发球时的俯仰角；
[0094] 第二控制单元，用于根据所述偏转角和所述俯仰角控制发球俯仰角控制电机和发球偏航角度控制电机转动以对所述发球滚轮的发球方位进行调整。
[0095] 作为本发明一个可选实施方式，所述发球滚轮包括两个，每一个发球滚轮分别与所述待发球接触；所述第三获取单元用于通过下式得到每一个发球滚轮的转动速度：
[0096]
[0097]
[0098] 式中：m为待发球质量；v为发球的目标速度；μ为动摩擦因数；Pball为球压；Sc为接触面积；vave为两个发球滚轮的平均转速， 其中，v1轮和v2轮为发射待发球时两个发球滚轮需要旋转的转动速度；J为排球的转动惯量， 其中R为待发球半径；
vD为两个发球滚轮的转动速度的差值， tball为待发球加速时间。
[0099] 作为本发明一个可选实施方式，通过下式得到发球时的俯仰角以及偏转角：
[0100]
[0101]
[0102] 式中：θpitch为发球时的俯仰角；vz0为发球时刻待发球的发球速度在空间直角坐标系中竖直方向的速度分量；vx0为发球时刻待发球的转速在空间直角坐标系中水平方向的速度分量；θyaw为发球时的偏转角；xgoal和ygoal为发球点在地面坐标系投影的坐标值；x0和y0为发球的目标落点在地面坐标系投影的坐标值。
[0103] 作为本发明一个可选实施方式，该装置还包括：通信单元，用于通过与远程控制设备进行通信连接，得到所述发球参数以及所述待发球的属性信息。
[0104] 本发明实施例还提供了一种发球控制系统，包括：
[0105] 发球滚轮转速控制电机，与发球滚轮连接，用于通过电机转动以带动所述发球滚轮转动；
[0106] 控制模块，与所述发球滚轮转速控制电机连接，用于执行上述实施例所述的发球控制方法的步骤。具体参见上述方法实施例，在此不再赘述。
[0107] 本发明实施例还提供了一种电子设备，如图5所示，该电子设备可以包括处理器401和存储器402，其中处理器401和存储器402可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。
[0108] 处理器401可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器401还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
[0109] 存储器402作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的发球控制方法对应的程序指令/模块。处理器401通过运行存储在存储器402中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的发球控制方法。
[0110] 存储器402可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器401所创建的数据等。此外，存储器402可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器402可选包括相对于处理器401远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器401。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0111] 所述一个或者多个模块存储在所述存储器402中，当被所述处理器401执行时，执行如图1所示实施例中的发球控制方法。
[0112] 上述电子设备具体细节可以对应参阅图1所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
[0113] 本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read‑Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid‑State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0114] 虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
