乒乓球輔助訓練系統　

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架構及其平臺為核心，可檢測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、比較器等信號處理單元，比較收到三路信號的時(shí)間差，經(jīng)過(guò)計算，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，可以將各種數據上傳到阿里云服務(wù)器上，并在web端用圖形化顯示重現落點(diǎn)位置，幫助人們分析乒乓球訓練中的各種問(wèn)題，提升人們的乒乓球技能。

0 引言

　　隨著(zhù)21世紀以來(lái)傳感器的發(fā)展和算法的進(jìn)步，運動(dòng)監測發(fā)展十分迅速，市場(chǎng)上出現越來(lái)越多的運動(dòng)目標監測系統。運動(dòng)監測傳感器通常以無(wú)線(xiàn)方式與手機等智能終端連接，監測人體狀態(tài)，并將數據發(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)一套乒乓球運動(dòng)智能監測系統，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)的體育運動(dòng)，也是奧運會(huì )的體育競賽項目之一。其開(kāi)展條件簡(jiǎn)單，可參與性強，符合中國國情，在國內外普及程度很高。

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

　　綜合考慮乒乓球運動(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，構建了分析速度快、性能穩定的分析系統。系統使用了三個(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法，相比市面上常見(jiàn)的一組并排麥克風(fēng)傳感器結構，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。通過(guò)對信號進(jìn)行放大、濾波和比較，將信號處理為方波信號。通過(guò)比較三個(gè)麥克風(fēng)傳感器的信號發(fā)生時(shí)間，對落點(diǎn)位置進(jìn)行較精準的定位。該定位方式非常適用于小面積的準確定位，并且實(shí)現成本低，符合乒乓球運動(dòng)監測的要求。

　　為保證不同應用場(chǎng)合需求，本設計支持有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式完成互聯(lián)網(wǎng)連接，將系統采集的數據傳送到阿里云的服務(wù)器端進(jìn)行呈現。在開(kāi)發(fā)平臺上，我們使用了云OS操作系統，實(shí)現數據的收集和發(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在web端。云端操作具有聯(lián)網(wǎng)設備可以隨時(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)端查看自己的運動(dòng)數據，且顯示界面清晰，用戶(hù)體驗友好。

　　本系統實(shí)現了乒乓球訓練的數據統計功能。其查看數據方便簡(jiǎn)單，實(shí)現成本經(jīng)濟，可在不同環(huán)境下使用，為乒乓球運動(dòng)目標監測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)步驟乒乓球與球臺碰撞的聲音數據，運用SX算法對數據進(jìn)行處理，來(lái)得出落點(diǎn)的具體位置。

2 硬件電路

　　本系統的應用外圍處理電路主要包括拾音電路設計和濾波電路設計。

　　2.1 拾音電路設計

　　本文通過(guò)NE5532設計了一款高性能拾音電路，保證對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。

　　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，同本文計算所需的600 Hz相差不大，符合需求。