智能借还球系统
作者： 郑开芯
体育课结束后，各种球类被遗忘在学校操场的犄角旮旯处。在下课的短短几分钟内，同学们难以找到滚落在四处的球，而且权责不明，学校仓库不能及时统计球的借还数量，容易造成球类的丢失。
在学校，球类的借还程序繁琐，同一时间内还会有多个班级一起上体育课的情况出现。借还球时，大多数学校仍采用手写登记的方式，不仅效率低下，还无法对球的种类及数量快速汇总和查阅。
基于此，我想设计一种智能借还球系统，它能提高球类借还管理效率，方便师生使用。
设计目的
制作一个智能化的借还球装置，该装置可储存不同种类的球。师生借还球时，通过AI摄像头进行人脸识别，根据设备界面提示进行操作，实现自助借还球功能。系统能自动记录借球或还球人姓名，以及借或还的球种类，显示当前所剩球种类名称及数量。
设计思路
我通过观察足球、篮球、排球的体积大小，上网查阅相关资料，在与老师讨论后认为，可按照球的体积大小，用斜面将球自动分类，利用人脸识别技术记录来访者信息，再设计程序，利用主控板（掌控板）选择所需要的服务（借球/还球），通过不同的按钮来控制借还球的种类。安装超声波、红外探测传感器，监测借出球的个数，用马达或舵机的旋转充当开关，实现球的下落投放。
经过一系列的调查与分析后，作品方案最终确定并完成，其中包括作品思维导图、任务制订、结构图绘制、材料清单以及任务时间节点等。
结构设计
系统分为机械结构和电子结构两部分。先在激光切割软件上绘图，再用激光切割机进行切割。
（一）机械结构
机械结构包括底座、主体两部分。主体部分为矩形，内部有用于储存不同球类的通道。底座由三角形支架支撑。还球时，将球放在还球通道上，球通过斜面滑行，结合电子模块自动分类。
（二）电子结构
运用红外探测传感器检测球是否进入对应的通道。用舵机、马达控制球的借还功能。用人脸识别技术实现信息采集功能。
制作过程
经过前期的理论与实验研究，我开始制作样机。在老师的指导下，我学会了激光切割、3D打印等技术。第一次使用激光切割时，由于不细心，导致切割出来的效果与预想不符。之后，我重新购买了材料，所幸，之后的操作非常顺利，达到了预期的设计效果。
在制作斜面时也遇到了非常棘手的问题。为了使不同的球落到对应的通道，我进行了大量测试，在多次调整斜面大小、倾斜角度后，终于找到了一个比较好的角度，基本实现了球类的自动分类。
在连接电源时，我不清楚每根线的具体用途，一直接错。后来在老师的仔细解释下，我终于明白了每根线的作用，并顺利接好了线。
最难的是编程，其中的关系太过复杂，就算有了老师的指导，我也费了九牛二虎之力才完成。
实验测试
进入主界面，人脸识别成功后用户选择所需要的服务（借球/还球）。演示借球时，根据屏幕上的提示，选择想借的球类并按下对应的按钮，球掉入球框，操作完成后，按“N”键确认返回主界面，等待再次操作。
演示还球时，按下还球键后，入球口开关打开，将球投入装置，斜面自动进行分类，红外探测传感器（超声波传感器）记录投球数量，操作完毕，同时按“N”键确认返回主界面，等待下次操作。
创新点
（一）结构简单巧妙
在还球通道上设置不同的传感器，当传感器被触发时，对应的储球通道在电机的带动下打开，将球运送到对应的储球容器内，实现还球时自动将球分类的功能。
（二）信息登记智能、快捷
人工智能摄像头能自动识别并登记借还球人的信息（包含姓名、性别、年级、球类名称及数量、借还时间等），便于管理。
（三）球类防丢失性好
应用AI摄像头进行人脸识别，当识别到是在校师生后方可进行下一步操作，故可以责任到人，避免丢失。相较于传统人工登记方式更方便快捷。
将智能借还球系统放在学校体育馆或各大体育场门口，方便人们借还球，也便于管理者管理球具。但目前的模型较粗糙，不美观。结构设计还有待进一步优化，避免出现卡球现象，并增加报警提示功能。希望在不久的将来，本项目能让我们更加便捷地使用各种球类，让人们更加热爱运动。
专家点评
郑开芯同学的智能借还球系统，是一项拓展型的创新作品。 目前该类型项目适用对象相对单一，如 “一种通过智能手机租赁篮球系统”“篮球租赁智能扫码存取联网存储柜”等相关技术与专利业已公开，它们主要针对的是篮球的智能存取，而对于中小学体育三大球类教学需求，还有一定距离。因此，郑开芯同学依据学校篮、排、足三大球类的教学实际，对这一课题进行了有益的拓展，富有积极意义与效果。
这项作品的完成，充分体现了发明人对科学与创新具有浓厚兴趣，对本人研究的项目具有分享意愿，有一定的科学素养和良好的科学态度；对科学研究工作的基本规律和方法有一定理解，基础科学理论和知识掌握扎实、运用较为准确。
值得提出的是，作品创新点是作者为达到作品设计目的和好的效果，采用的新原理、技术、材料、结构或方法等，而不是设计目的和效果。同时，作品名称可否改为“三大球智能借还球系统”？因为对羽毛球、铅球等，它是不合适的。