一种定位球训练用智能足球的设计

张昱轩

摘  要：在现代足球比赛中，定位球已经成为足球比赛的重要得分手段。提出了一种用于定位球训练的智能足球的设计方法，包括多层球体和嵌入多层球体的数据采集、无线通信、充电系统等模块。该方法设计的智能足球能够通过数据采集装置记录踢球的力度、踢球点和踢球的角度，协助球员在定位球训练时快速找到球感，改善踢球技巧，最终提高定位球的得分率。

关键词：智能足球;定位球训练;数据采集;无线通信;无线充电

中图分类号：TP391.41     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）01-0153-03

Design of an Intelligent Football for Place-kick Training

ZHANG Yuxuan

（Xuzhou NO.1 Middle School，Xuzhou  221000，China）

Abstract：In modern football game，place-kick has become an important method of scoring in football matches. This paper presents a design method of intelligent football for place-kick training，including multi-layer sphere and embedded multi-layer sphere data acquisition，wireless communication，charging system and other modules. The intelligent football designed by this method can record the kicking intensity，kicking point and kicking angle through data acquisition device，help players find the sense of the ball quickly during the training of place kick，improve the kicking skills and ultimately improve the scoring rate of place kick.

Keywords：intelligent football;place-kick training;data acquisition;wireless communication;wireless charging

0  引  言

在被称为世界第一大运动的现代足球中，定位球技术因为成为一种灵活的进攻和得分手段而得到高度的重视。在局面僵持的形势下，定位球往往成为关键的得分方式，特别是在世界性高水平大赛中，一粒定位球常常会影响甚至决定整个比赛的走势。对球队而言，踢好定位球主要靠的是战术的策划、技术的运用和默契的配合。但是，对于球员个人而言，踢好定位球需要球员具有良好的定位球的球感，以便能够将定位球按照预计的线路踢到预计的点位[1]。这就需要球员在日常训练过程中花费相当的时间，通过长远的规划和系统的训练，不断地去感受和变换踢球的力度、踢球点和踢球方向等以寻找并培养定位球的球感。

考虑设计一种智能足球，在足球中嵌入相应的数据采集传感器，在定位球训练中记录足球的运动轨迹、飞行速度、加速度和踢球着力方向、力度、着力点等数据并反馈给球员[2]，作为下次练习的参考，帮助球员快速提升定位球的球感，增强训练效果。

1  基本原理

如图1所示，智能足球包括多层球体和嵌入多层球体内的数据采集装置，数据采集装置包括集成有处理器和内存的控制电路板以及与控制电路板电连接的压力传感器模块[3]、运动传感器模块、无线通信模块和GPS定位模块[4]，其中，压力传感器模块包括设于多层球体的面层和球囊之间的多个压力传感器单元。通过压力传感器单元可以对踢球的力度进行测量[5]，给出基于数据挖掘技术的足球最优飞行轨迹建议[6]，便于球员在定位球训练时根据前一次的力度和定位球的實际路线调整下次踢球的力度。

球面层由多块多边形的球皮构成，其中，每块球皮下以互不重叠的方式设置有至少一个压力传感器单元。通过在每块球皮下设置至少一个压力传感器单元，结合运动传感器，可以记录球员进行定位球训练时的踢球点和踢球方向，便于球员在定位球训练时根据前一次的踢球力度、踢球点、踢球方向和定位球的实际路线调整下一次踢球，以不断地改善定位球球感。多层球体至少包括由外向内依次设置的面层、防水层、第一缠纱层、第二缠纱层和球囊，其中，压力传感器单元设于第一缠纱层和第二缠纱层之间。由于踢球时足球受到的冲击较大，压力传感器单元容易受到损坏和移位，导致不能测量或者测量数据的准确度下降。压力传感器单元设于第一缠纱层和第二缠纱层之间可以让第一缠纱层和第二缠纱层对压力传感器单元起保护作用，还能提高压力传感器单元的稳固程度。运动传感器模块包括三轴陀螺仪、三轴磁力计和三轴加速度计中的至少一种。无线通信模块至少包括蓝牙模块、ZigBee模块和WiFi模块中的一种。GPS定位模块是差分GPS定位模块。

智能足球还包括与之适配的包括至少一个足球充电位的无线充电器，足球充电位设有与智能足球的球面弧度相匹配的弧形凹陷部，还包括与相应足球充电位对应的充电状态指示灯。

2  详细设计

如图2所示，数据采集装置中，处理器选择君正M200，压力传感器单元选用DF9-Z9/0～15柔性压力传感器。球皮下两个及以上压力传感器单元之间互不重叠且与相邻球皮下的压力传感器单元之间也没有重叠。压力传感器单元以外部轮廓不超出球皮外轮廓的方式进行设置。运动传感器模块包括三轴陀螺仪、三轴磁力计和三轴加速度计，无线通信使用ZigBee模块，GPS定位模块是差分GPS定位模块。差分GPS定位模块能够实现智能足球的三维运动轨迹的精确测量，能够结合运动传感器模块和压力传感器模块的数据在显示装置上为球员重现智能足球在相应的踢球力度、踢球点和踢球方向下的三维运动轨迹。数据采集装置封装于由两半壳体通过卡口密封连接或者螺纹密封连接而成的外壳内并电连接于设于多层球体的面层和球囊之间的无线充电模块。

如图3所示，多层球体可以包括由外向内依次设置的面层、防水层、第一缠纱层、第二缠纱层和球囊。压力传感器单元可以设于第一缠纱层和第二缠纱层之间。第一缠纱层和/或第二缠纱层可以为单层或者双层的渔网结构，以防止增加过多重量导致足球弹性降低，同时渔网结构还能便于布线，降低布线难度。第二缠纱层可以粘接于球囊表面，第一缠纱层可以粘接于第二缠纱层。第一缠纱层粘接完成后，然后将薄膜式的压力传感器单元粘接于第一缠纱层表面，然后再粘接第二缠纱层以将压力传感器单元设于第一缠纱层和第二缠纱层之间，以保护压力传感器单元，提高压力传感器单元的稳固程度。防水层是聚氨酯空心微球泡沫塑料、乳胶或者橡胶。

3  足球运动轨迹模型

定位球在空气中旋转运动，足球运动的轨迹有显著的马格努斯效应，基于对足球质心运动受空气阻力的考虑，我们采用三维坐标与时间变量的函数关系模型，如式（1）[7]描述受空气阻力的足球在空中的运动轨迹。

4  结  论

针对足球定位球训练设计了辅助训练的智能足球，通过数据采集、无线传输和数据处理及模拟分析，给出最优踢球建议，提高训练效率。影响足球运动轨迹的因素很多，也很复杂，且缺乏对足球运动轨迹模型的深入研究，所以在全球范围内采集职业足球运动员，特别是任意球专家的踢球数据，对于优化建议的大数据分析，将极具意义。

参考文献：

[1] 茅鹏.论足球技术训练 [J].体育与科学，2014，35（5）：77-79.

[2] 王慧玲.智能足球机器人控制系统设计研究 [D].西安：长安大学，2013.

[3] 李彦芳，杨晓斌，郑璐，等.一種高精度压力传感器的设计与实现 [J].电子设计工程，2016，24（22）：161-163+167.

[4] 李明峰，冯宝红，刘三枝.GPS定位技术及其应用 [M].国防工业出版社，2006.

[5] 吕秀娟.足球定位球射门机理、建模与仿真研究 [D].上海：上海交通大学，2007.

[6] 华正春.数据挖掘技术的足球最优飞行轨迹估计 [J].现代电子技术，2017，40（19）：123-125+128.

[7] 郝成红，黄耀清，刘聚坤，等.考虑空气阻力的足球弧线球运动轨迹 [J].大学物理，2018，37（6）：19-21.

[8] 郝成红.考虑空气阻力的抛体射程 [J].大学物理，2008， 27（12）：21-22.