Table of Contents
Smart Tennis Racket
Introducere
Ce face
Smart Tennis Racket este un dispozitiv electronic montabil pe racheta de tenis care detectează automat loviturile și oferă feedback obiectiv jucătorului în timp real. Concret, sistemul:
- detectează startul și sfârșitul unei lovituri din semnătura inerțială a swing-ului;
- estimează tipul loviturii — forehand vs backhand — pe baza sensului de rotație al brațului;
- estimează intensitatea loviturii — slab / mediu / puternic — din vârful de accelerație;
- estimează viteza unghiulară maximă a swing-ului prin integrarea giroscopului;
- afișează un contor de lovituri și statistici live pe un display TFT 1.8”;
- oferă feedback vizual instant printr-un LED RGB (verde = lovitură bună, roșu = slabă);
- permite reset printr-un buton fizic.
Scop
Antrenament obiectiv pentru jucătorii amatori. Autoevaluarea unui jucător amator se bazează pe simțuri (“a sunat bine”, “a fost puternic”), nu pe date măsurate. Dispozitivul transformă o ședință de antrenament într-un set de metrici concrete: număr lovituri, raport forehand/backhand, distribuția intensităților, viteză medie de swing — fără cost ridicat și fără dependență de un antrenor sau de o aplicație telefonică.
Ideea de pornire
Soluțiile comerciale (Babolat Pop, Sony Smart Tennis Sensor, Zepp Tennis) sunt scumpe, închise ca platformă și au fost discontinuate de mai multe ori, lăsând utilizatorii fără suport. Plecând de la observația că un IMU 6-DOF de tipul MPU6050 acoperă cea mai mare parte a senzoricii necesare, ne-am propus să construim un echivalent open, ieftin și deschis pentru extensii.
Utilitate
- feedback obiectiv în timp real, fără telefon și fără cont online;
- statistici per ședință, vizibile direct pe ecranul atașat de rachetă;
- alimentare autonomă pe baterie 9V → uzabil pe teren.
Descriere generală
Sistemul este construit în jurul plăcii de dezvoltare ATmega328P Xplained Mini, care joacă rolul de coordonator central. Microcontrollerul citește continuu date inerțiale de la senzorul MPU6050 prin magistrala I2C, le procesează printr-o pipeline simplă de detecție și clasificare, după care actualizează simultan două canale de output: ecranul TFT (text și statistici) prin SPI și LED-ul RGB (feedback luminos) prin trei canale PWM. Un buton conectat ca GPIO permite reset-ul contorului.
Schemă bloc
- MPU6050 ⇄ ATmega328P — I2C, 100 kHz: la fiecare ~10 ms, MCU-ul (master) citește 14 octeți (3× accel + temp + 3× gyro) de la slave-ul MPU6050 (adresa 0x68). Sunt folosite primitivele
twi_start/twi_write/twi_read_ack/twi_read_nack/twi_stopdin driverul de la Lab 6. - ATmega328P → modul detecție swing (software): un filtru pe magnitudinea accelerației (||a|| − g) detectează startul și sfârșitul unei lovituri.
- ATmega328P → modul clasificare (software): pe baza semnului ω_z (giroscop, axa verticală a încheieturii) și a vârfului de accelerație, decide forehand/backhand și slab/mediu/puternic.
- ATmega328P → ST7735 TFT 1.8” — SPI, master → slave: după fiecare lovitură detectată, MCU-ul redesenează zona de text și afișează:
HITS: 24SHOT: FOREHANDPOWER: HIGHSWING: 320 deg/s
- ATmega328P → LED RGB (R+G) — PWM: 2 canale PWM independente, generate de Timer 0 (OC0B = verde) și Timer 2 (OC2B = roșu), modulează intensitatea celor două culori. LED-ul are anod comun → driver-ul software inversează duty-cycle-ul (0 = stins, 255 = maxim).
- Buton → ATmega328P — GPIO + INT0: tratat în întrerupere externă pe PD2, cu debouncing software. La apăsare = reset contor lovituri.
Module software
| Modul | Sursă | Descriere |
twi.c/.h | Lab 6 (preluat, F_CPU adaptat la 16 MHz) | driver I2C low-level |
mpu6050.c/.h | scris (după pattern-ul mpl3115a2 din Lab 6) | init, citire accel/gyro burst, calibrare offset |
spi.c/.h | Lab 5 (preluat) | driver SPI low-level |
st7735.c/.h | Lab 5 (preluat, adaptat pentru pini noi) | driver TFT 1.8” |
timers.c/.h | Lab 3 (preluat, extins) | configurare PWM 2 canale pe Timer 0 + Timer 2 |
rgb.c/.h | scris | wrapper PWM pentru LED RGB (R+G) cu efecte (solid / blink / fade) |
swing_detect.c/.h | scris | detecție swing și clasificare |
main.c | scris | bucla principală, integrare module, FSM |
Hardware Design
Listă de piese
^ # ^ Componentă ^ Cantitate ^ Rol în proiect ^
| 1 | ATmega328P Xplained Mini (placă dezvoltare) | 1 | coordonator central, programator on-board |
| 2 | MPU6050 (modul GY-521) — accelerometru + giroscop 3 axe | 1 | senzor inerțial pentru detecția mișcării (I2C, adresa 0x68) |
| 3 | LED RGB 5 mm, 4 pini, anod comun, opac | 5 | feedback vizual (PWM, doar canalele R+G); restul ca rezervă |
| 4 | Display TFT color 1.8”, controller ST7735, interfață SPI | 1 | afișare statistici și tip lovitură |
| 5 | Kit rezistențe 1/4 W, 30 valori, 600 buc, 10 Ω – 1 MΩ | 1 | limitare curent LED (2× 220 Ω pe R și G); pull-up I2C dacă e necesar |
| 6 | Breadboard MB-102, 830 puncte | 1 | suport prototipare |
| 7 | Fire dupont 20 cm, mamă-mamă, set 40 | 1 | conexiuni breadboard ↔ Xplained Mini ↔ module |
| 8 | Fire dupont 20 cm, tată-mamă, set 40 | 1 | conexiuni mixte (pini Xplained ↔ module) |
| 9 | Suport baterie 9V cu jack 5.5×2.1 mm | 1 | alimentare portabilă |
| 10 | Buton tactil PCB mini 6×6×5, 2 pini | 1 | reset contor lovituri |
Software Design
Rezultate Obținute
Concluzii
Download
Bibliografie/Resurse
Resurse hardware
- Datasheet ATmega328P — Microchip
- MPU-6000/MPU-6050 Register Map and Descriptions — InvenSense
- MPU-6000/MPU-6050 Product Specification — InvenSense
- ST7735 datasheet — Sitronix
- ATmega328P Xplained Mini User Guide — Microchip
Resurse software
- Laborator 1 (USART) — https://ocw.cs.pub.ro/courses/pm/lab/lab1-2023-2024
- Laborator 2 (Întreruperi & Timere) — https://ocw.cs.pub.ro/courses/pm/lab/lab2-2023-2024
- Laborator 3 (Timere & PWM) — https://ocw.cs.pub.ro/courses/pm/lab/lab3-2023-2024
- Laborator 5 (SPI & ST7735) — https://ocw.cs.pub.ro/courses/pm/lab/lab5-2023-2024
- Laborator 6 (I2C) — https://ocw.cs.pub.ro/courses/pm/lab/lab6-2023-2024
Lucrări conexe
- jrowberg / i2cdevlib — bibliotecă C++ MPU6050 (referință pentru registre): https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino/MPU6050
- “Tennis Stroke Recognition Using Inertial Data” — articole academice pe IEEE Xplore (de citat ulterior, în etapa de etapa 3 documentație).