乒乓球輔助訓(xùn)練系統(tǒng)　

作者 郭曉宇 劉文宇 王曦 李航 柳陽(yáng) 大連理工大學(xué)(遼寧 大連 116024)

摘要：介紹了以中天CK-CPU架構(gòu)及其平臺(tái)為核心，可檢測(cè)乒乓球在球案上的落點(diǎn)位置，并顯示搭載在阿里云服務(wù)器的網(wǎng)站。落點(diǎn)檢測(cè)的方法是聲源定位法，即通過(guò)布置在乒乓球案周?chē)娜齻€(gè)麥克風(fēng)采集球落在乒乓球案上的聲音或者擊球時(shí)的聲音，然后經(jīng)過(guò)放大器、帶通濾波器、比較器等信號(hào)處理單元，比較收到三路信號(hào)的時(shí)間差，經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終確定落點(diǎn)或擊球點(diǎn)在三維空間的具體位置。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口模塊ESP8266，可以將各種數(shù)據(jù)上傳到阿里云服務(wù)器上，并在web端用圖形化顯示重現(xiàn)落點(diǎn)位置，幫助人們分析乒乓球訓(xùn)練中的各種問(wèn)題，提升人們的乒乓球技能。

0 引言

　　隨著21世紀(jì)以來(lái)傳感器的發(fā)展和算法的進(jìn)步，運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)展十分迅速，市場(chǎng)上出現(xiàn)越來(lái)越多的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器通常以無(wú)線(xiàn)方式與手機(jī)等智能終端連接，監(jiān)測(cè)人體狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能終端進(jìn)行分析，從而更科學(xué)地進(jìn)行體育活動(dòng)。本文旨在開(kāi)發(fā)一套乒乓球運(yùn)動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為乒乓球活動(dòng)愛(ài)好者提供便利。乒乓球是廣受男女老少喜愛(ài)的體育運(yùn)動(dòng)，也是奧運(yùn)會(huì)的體育競(jìng)賽項(xiàng)目之一。其開(kāi)展條件簡(jiǎn)單，可參與性強(qiáng)，符合中國(guó)國(guó)情，在國(guó)內(nèi)外普及程度很高。

　　為了給乒乓球訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，本文利用加速度傳感器和麥克風(fēng)傳感器，開(kāi)發(fā)了一套能夠統(tǒng)計(jì)乒乓球落點(diǎn)和正反手乒乓球擊球個(gè)數(shù)的分析系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)傳送到web端進(jìn)行查看。我們還通過(guò)系統(tǒng)控制手機(jī)錄制視頻，記錄比賽的精彩瞬間。

　　綜合考慮乒乓球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地、球桌和球拍的特點(diǎn)，本文使用了C-SKY開(kāi)發(fā)的CK802系列CPU為核心，構(gòu)建了分析速度快、性能穩(wěn)定的分析系統(tǒng)。系統(tǒng)使用了三個(gè)麥克風(fēng)傳感器，固定在乒乓球案的不同方向，采集乒乓球的掉落位置。我們使用了聲源檢測(cè)法，相比市面上常見(jiàn)的一組并排麥克風(fēng)傳感器結(jié)構(gòu)，采用分布式排列三個(gè)麥克風(fēng)傳感器，更有效地采集落點(diǎn)信號(hào)。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和比較，將信號(hào)處理為方波信號(hào)。通過(guò)比較三個(gè)麥克風(fēng)傳感器的信號(hào)發(fā)生時(shí)間，對(duì)落點(diǎn)位置進(jìn)行較精準(zhǔn)的定位。該定位方式非常適用于小面積的準(zhǔn)確定位，并且實(shí)現(xiàn)成本低，符合乒乓球運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的要求。

　　為保證不同應(yīng)用場(chǎng)合需求，本設(shè)計(jì)支持有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式完成互聯(lián)網(wǎng)連接，將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳送到阿里云的服務(wù)器端進(jìn)行呈現(xiàn)。在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，我們使用了云OS操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和發(fā)送。通過(guò)阿里云的服務(wù)器，將采集的落點(diǎn)以圖形界面的形式呈現(xiàn)在web端。云端操作具有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以隨時(shí)隨地查看的優(yōu)點(diǎn)。乒乓球愛(ài)好者可以隨時(shí)登錄網(wǎng)頁(yè)端查看自己的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，且顯示界面清晰，用戶(hù)體驗(yàn)友好。

　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了乒乓球訓(xùn)練的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。其查看數(shù)據(jù)方便簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本經(jīng)濟(jì)，可在不同環(huán)境下使用，為乒乓球運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)提供了較好的解決方案。

1 聲源定位

　　通過(guò)在乒乓球桌的三個(gè)角位置布置三個(gè)聲音傳感器來(lái)步驟乒乓球與球臺(tái)碰撞的聲音數(shù)據(jù)，運(yùn)用SX算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來(lái)得出落點(diǎn)的具體位置。

2 硬件電路

　　本系統(tǒng)的應(yīng)用外圍處理電路主要包括拾音電路設(shè)計(jì)和濾波電路設(shè)計(jì)。

　　2.1 拾音電路設(shè)計(jì)

　　本文通過(guò)NE5532設(shè)計(jì)了一款高性能拾音電路，保證對(duì)乒乓球與球桌碰撞聲音的精確靈敏采集。

　　如圖1所示，在雙接口處接入麥克風(fēng)咪頭，在三口輸入處接入電源線(xiàn)、地線(xiàn)和輸出線(xiàn)。采用圓弧走線(xiàn)的方式減少由布局布線(xiàn)引發(fā)的阻抗不連續(xù)。

　　2.2 濾波電路

　　濾波電路原理圖如圖2所示，圖中有二階無(wú)源帶通濾波電路和一階有源帶通濾波電路，每一個(gè)濾波器共含有3組如上電路，最后通過(guò)比較器輸出。經(jīng)過(guò)計(jì)算，濾波電阻取值為27 kΩ，電容值為10 nF，中心頻率為589.463 Hz，同本文計(jì)算所需的600 Hz相差不大，符合需求。