本發(fā)明涉及一種運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地輔助撿球系統(tǒng)，具體地，用于網(wǎng)球或者其他球類運(yùn)動(dòng)，特別涉及一種基于圖像處理的智能球童系統(tǒng)及其調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

隨著球類運(yùn)動(dòng)，比如網(wǎng)球的普及，人們?cè)诖蚓W(wǎng)球過(guò)程中掉落在地的網(wǎng)球隨著時(shí)間逐漸積累， 如果不加以撿取便可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)者發(fā)生扭腳意外，所以打球時(shí)需要定期撿球。但撿球是一項(xiàng)枯燥漫長(zhǎng)的工作，目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專門從事智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的服務(wù)及產(chǎn)品，國(guó)外出現(xiàn)的智能撿球機(jī)器人大多是單個(gè)機(jī)器人進(jìn)行撿球，而且并沒(méi)有對(duì)整個(gè)球場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控，使得撿球工作尚有不足，且經(jīng)常出現(xiàn)視覺(jué)死角，漏檢網(wǎng)球。而且撿球機(jī)器人工作性能單一，不能滿足運(yùn)動(dòng)者除了撿球外的其他需求。目前，我國(guó)有網(wǎng)球場(chǎng)約85475所，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)人口864萬(wàn)，且運(yùn)動(dòng)人口數(shù)量每年以10%～12%的速度增長(zhǎng)，人們對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的消費(fèi)需求日益增強(qiáng)，市場(chǎng)潛力巨大。如果不盡快解決這種現(xiàn)狀，比如會(huì)妨礙網(wǎng)球這種運(yùn)動(dòng)的普及。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供一種功能豐富的球童系統(tǒng)及其調(diào)度方法，解決目前球類運(yùn)動(dòng)還欠缺系統(tǒng)化智能化服務(wù)的窘境。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的解決方案是：第一方面，提供一種基于圖像處理的智能球童系統(tǒng)，包括：中央控制系統(tǒng)、撿球系統(tǒng)和遞球機(jī)器系統(tǒng)，所述中央控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理裝置和圖像采集裝置，所述數(shù)據(jù)處理裝置設(shè)有人體姿態(tài)識(shí)別單元、OPENCV圖像識(shí)別處理單元和A*路徑規(guī)劃算法單元，單元之間兩兩可通訊地相連，所述圖像采集裝置位于球場(chǎng)平面上方，所述圖像采集裝置與所述數(shù)據(jù)處理裝置可通訊地連接，所述人體姿態(tài)識(shí)別單元、OPENCV圖像識(shí)別處理單元和A*路徑規(guī)劃算法單元用于處理所述圖像采集裝置采集的圖像信息，所述撿球系統(tǒng)包括視覺(jué)識(shí)別裝置和撿球裝置，所述視覺(jué)識(shí)別裝置位于球場(chǎng)四周且位于所述圖像采集裝置的下方，所述視覺(jué)識(shí)別裝置分別與所述撿球系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理裝置可通訊地相連，所述遞球系統(tǒng)分別與所述視覺(jué)識(shí)別裝置和所述數(shù)據(jù)處理裝置可通訊地相連。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述撿球系統(tǒng)包括若干個(gè)一體式結(jié)構(gòu)的撿球機(jī)器人，所述遞球系統(tǒng)包括若干個(gè)一體式的遞球機(jī)器人。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述撿球機(jī)器人為4個(gè)，且分別位于球場(chǎng)外圍的邊界角。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述圖像采集裝置為具有航拍功能的無(wú)人機(jī)。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述數(shù)據(jù)處理裝置為個(gè)人電腦。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述人體姿態(tài)識(shí)別單元的識(shí)別算法為高斯背景分離技術(shù)差分算法。

本發(fā)明的有益效果是：提供一種基于圖像處理的智能球童系統(tǒng)，其包括中央控制系統(tǒng)、撿球系統(tǒng)和遞球機(jī)器人，中央控制系統(tǒng)具有在球場(chǎng)上方鳥(niǎo)瞰的圖像采集裝置，通過(guò)圖像采集裝置實(shí)時(shí)將球場(chǎng)的動(dòng)態(tài)傳送給數(shù)據(jù)處理裝置，數(shù)據(jù)處理裝置通過(guò)分析并調(diào)動(dòng)撿球系統(tǒng)和遞球機(jī)器人完成撿球、遞球和遞水等工作。實(shí)現(xiàn)了球場(chǎng)的智能化自動(dòng)化服務(wù)，推動(dòng)了球類運(yùn)動(dòng)特別是網(wǎng)球類運(yùn)動(dòng)的普及。

第二方面，本發(fā)明提供了一種基于圖像處理的智能球童系統(tǒng)的調(diào)度方法，其特征在于，包括：智能自動(dòng)撿球過(guò)程、自動(dòng)遞球過(guò)程和自動(dòng)卸球過(guò)程，所述自動(dòng)撿球過(guò)程包括步驟：

A1) 對(duì)采集到的球場(chǎng)的俯視圖像進(jìn)行高斯濾波，灰度均勻化，降低光線的干擾，基于高斯背景分離算法分離出球，再對(duì)圖像進(jìn)行二值化獲取球的特征值，結(jié)合HSI模型計(jì)算出球體的二維坐標(biāo)；

A2） 將得到的二維坐標(biāo)化為數(shù)據(jù)傳輸給撿球系統(tǒng)，撿球系統(tǒng)根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)球進(jìn)行拾取；

所述自動(dòng)遞球過(guò)程包括步驟：

B1）通過(guò)高斯背景分離算法，參數(shù)化運(yùn)動(dòng)者的姿態(tài)；

B2）識(shí)別運(yùn)動(dòng)者的姿態(tài)；

B3）通過(guò)A*路徑規(guī)劃算法規(guī)劃出離運(yùn)動(dòng)者最近的遞球機(jī)器人到運(yùn)動(dòng)者之間的路線，并調(diào)動(dòng)遞球機(jī)器人進(jìn)行遞球；

所述自動(dòng)卸球過(guò)程包括步驟：

C1）撿球系統(tǒng)判斷承載的球是否達(dá)到額定數(shù)量；

C2）當(dāng)球的數(shù)量達(dá)到額定值時(shí)，遞球機(jī)器人對(duì)撿球系統(tǒng)進(jìn)行卸球動(dòng)作。

本發(fā)明的有益效果是：提供一種基于圖像處理的智能球童的調(diào)度方法，通過(guò)以“高斯背景分離算法”、“A*路徑規(guī)劃算法”為核心的圖像處理技術(shù)對(duì)球場(chǎng)上的圖像進(jìn)行合理識(shí)別再進(jìn)行合理調(diào)度。實(shí)現(xiàn)了球場(chǎng)的智能化自動(dòng)化服務(wù)，推動(dòng)了球類運(yùn)動(dòng)特別是網(wǎng)球類運(yùn)動(dòng)的普及。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單說(shuō)明。顯然，所描述的附圖只是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他設(shè)計(jì)方案和附圖。

圖1是智能球童系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是撿球過(guò)程的流程圖；

圖3是遞球過(guò)程的流程圖；

圖4是自動(dòng)卸球過(guò)程的流程圖；

圖5是智能球童系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果進(jìn)行清楚、完整的描述，以充分地理解本發(fā)明的目的、特征和效果。顯然，所描述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其他實(shí)施例，均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。另外，文中所提到的所有聯(lián)接/連接關(guān)系，并非單指構(gòu)件直接相接，而是指可根據(jù)具體實(shí)施情況，通過(guò)添加或減少聯(lián)接輔件，來(lái)組成更優(yōu)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明創(chuàng)造中的各項(xiàng)技術(shù)特征，在不互相矛盾沖突的前提下可以交互組合。

實(shí)施例1

參考圖1和圖5所示，本實(shí)施例從一種基于圖像處理的智能球童系統(tǒng)角度進(jìn)行描述，球童系統(tǒng)包括：電腦7和航拍無(wú)人機(jī)8組成的中央控制系統(tǒng)，撿球機(jī)器人1、2、3、4組成的撿球系統(tǒng)，遞球系統(tǒng)由遞球機(jī)器人5、6組成，所述撿球機(jī)器人1、2、3、4分別在球場(chǎng)外圍的4個(gè)邊界角，所述航拍無(wú)人機(jī)8升空在球場(chǎng)的上方對(duì)球場(chǎng)進(jìn)行鳥(niǎo)瞰采集圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)以視頻流的方式通過(guò)無(wú)線Wi-Fi傳送到電腦7中，其中電腦7集成了OPENCV圖像處理單元71、A*路徑規(guī)劃算法單元72和人體姿態(tài)識(shí)別單元73，兩兩互相可通訊地連接。OPENCV圖像處理單元71從視頻流中獲取各角點(diǎn)特征值對(duì)網(wǎng)球場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定，整合網(wǎng)球場(chǎng)的二維結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行二維網(wǎng)球場(chǎng)環(huán)境地圖的構(gòu)建，并結(jié)合圖像處理技術(shù)的高斯背景分離算法分離出場(chǎng)上的網(wǎng)球，機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)者并進(jìn)行定位。OPENCV圖像處理單元71根據(jù)撿球機(jī)器人的位置對(duì)球場(chǎng)環(huán)境地圖進(jìn)行分區(qū)，這里可以將球場(chǎng)合理分為等份分為4個(gè)矩形區(qū)域，撿球機(jī)器人控制所在邊界角所在的區(qū)域。當(dāng)網(wǎng)球11落入到撿球機(jī)器人1所在的區(qū)域中，該區(qū)的撿球機(jī)器人1收到電腦7通過(guò)Wi-Fi發(fā)送的撿球指令，此時(shí)撿球機(jī)器人1的主控芯片Cortex-M3芯片接收信息，命令打開(kāi)機(jī)器人自身攜帶的USB攝像頭獲取前方圖像，此時(shí)撿球機(jī)器人1開(kāi)始工作，由主控芯片Cortex-M3控制打開(kāi)USB攝像頭，USB 攝像頭采集前方圖并通過(guò)Wi-Fi 通訊傳輸回電腦7，參考圖2的流程圖，OPENCV圖像處理單元71對(duì)實(shí)時(shí)獲取的圖像進(jìn)行高斯濾波，灰度化，二值化，查找圖像輪廓并進(jìn)行圓繪制來(lái)識(shí)別定位網(wǎng)球，結(jié)合球的HSI模型確定球的二維坐標(biāo)，并且得到待撿網(wǎng)球與撿球機(jī)器人的相對(duì)位置信息，比如說(shuō)角度信息，電腦7再結(jié)合鳥(niǎo)瞰圖像得到撿球機(jī)器人1與網(wǎng)球的距離信息，根據(jù)這兩個(gè)信息得到待撿網(wǎng)球的坐標(biāo)，并將坐標(biāo)信息傳送給A*路徑規(guī)劃算法單元72，A*路徑規(guī)劃算法單元72，為撿球機(jī)器人1規(guī)劃好路線，再通過(guò)Wi-Fi 無(wú)線通訊把坐標(biāo)信息和路線信息傳輸給 撿球機(jī)器人1的Cortex-M3 主控芯片，Cortex-M3 主控芯片根據(jù)接受到信息進(jìn)行控制，基于麥克納姆技術(shù)由麥克納姆輪調(diào)整好小車朝向角度，根據(jù)路徑規(guī)劃行駛，完成撿球。

所述撿球機(jī)器人1包括：視覺(jué)部分、控制部分、傳感信息部分、遠(yuǎn)程控制部分、執(zhí)行部分和電源部分這幾大部分組成。

視覺(jué)部分包括： USB攝像頭；

控制部分包括 Cortex-M3 主控芯片、PWM 驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Wi-Fi 模塊，Cortex-M3 主控芯片通過(guò)Wi-Fi 模塊與電腦7連接；

傳感信息部分系統(tǒng)包括加速度計(jì)陀螺儀模塊、霍爾測(cè)速模塊、霍爾傳感器模塊、紅外傳感模塊和物理碰撞模塊；傳感信息部分可以協(xié)助執(zhí)行部分進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)、撿球和卸球工作。

遠(yuǎn)程控制部分包括安卓終端 APP 和藍(lán)牙無(wú)線模塊；遠(yuǎn)程控制部分可以使運(yùn)動(dòng)者通過(guò)手機(jī)等數(shù)字終端對(duì)機(jī)器人的控制。

執(zhí)行部分由碼垛型機(jī)械臂、直流減速電機(jī)、麥克納姆輪和網(wǎng)球裝置箱；

電源部分包括電池組和穩(wěn)壓電源模塊。

參考圖3，自動(dòng)遞球/遞水過(guò)程：遞球機(jī)器人5、6在沒(méi)有接受到遞球指令時(shí)原地等候撿球機(jī)器人1、2、3、4，當(dāng)收到遞球或遞水指令時(shí)，遞球機(jī)器人打開(kāi)自身的攝像頭，跟撿球機(jī)器人追蹤網(wǎng)球一樣，遞球機(jī)器人可以追蹤運(yùn)動(dòng)者進(jìn)行遞球或者遞水工作。與撿球機(jī)器人撿球工作不同的是，遞球機(jī)器人在接收信息之前，人體姿態(tài)識(shí)別單元73會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)者的姿態(tài)進(jìn)行識(shí)別，從而判斷運(yùn)動(dòng)者的遞球或者遞水的需求，人體姿態(tài)識(shí)別單元73通過(guò)事先對(duì)運(yùn)動(dòng)者姿態(tài)的學(xué)習(xí)，通過(guò)高斯背景分離算法，參數(shù)化運(yùn)動(dòng)者的姿態(tài)，并對(duì)參數(shù)化的姿態(tài)進(jìn)行保存，當(dāng)運(yùn)動(dòng)者做出相應(yīng)的姿態(tài)動(dòng)作時(shí)，將保存的參數(shù)化姿態(tài)動(dòng)作與之對(duì)比，從而識(shí)別出運(yùn)動(dòng)者的需求。

參考圖4，自動(dòng)卸球過(guò)程：撿球機(jī)器人通過(guò)傳感部分識(shí)別出網(wǎng)球裝置箱的網(wǎng)球數(shù)量，當(dāng)網(wǎng)球數(shù)量達(dá)到飽和值時(shí)，撿球機(jī)器人根據(jù)傳感信息部分中的紅外傳感模塊自動(dòng)計(jì)算返回遞球機(jī)器人的最佳路徑進(jìn)行智能自動(dòng)卸球，由遞球機(jī)器人進(jìn)行裝卸。撿球機(jī)器人除了依靠自身的紅外傳感自動(dòng)計(jì)算返回遞球機(jī)器人的最佳路徑以外，還可以依靠電腦7的A*路徑規(guī)劃算法單元72的協(xié)助進(jìn)行自動(dòng)裝卸，協(xié)助的方法與撿球機(jī)器人撿球的方式類似，這里就不再加以描述了。

其中，遞球機(jī)器人由ARM的主控芯片，無(wú)線模塊，光電編碼器，PCA9685芯片，陀螺儀，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，傳送結(jié)構(gòu)等組成。使得遞球機(jī)器人具有一定的智能化。可以與電腦7和撿球機(jī)器人進(jìn)行合理的協(xié)助。

以上對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施方式進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做出種種的等同變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。