基于非线性自抗扰控制(NLADRC)的网球训练器低超调主动回球控制方法

《Frontiers in Sports and Active Living》：Low-overshoot control method for tennis trainer based on active disturbance rejection control

　　

采用被动回球机构（弹簧或橡皮筋）的传统网球训练器存在回球角度固定、阻尼不可调、无法测量击球速度以及训练模式单调等问题。为克服这些局限，研究人员提出了一种基于关节电机的主动回球装置，并提出了一种采用非线性自抗扰控制(NLADRC)的低超调控制方法。该装置集成了带编码器的关节电机、嵌入式控制器以及安装在旋转臂上的击球靶，能够实现实时速度计算、可调阻尼和精确主动回球。据研究人员所知，这是自抗扰控制(ADRC)首次应用于击球类运动训练的主动回球装置，也是本研究的主要创新点。在MATLAB仿真中，与整定后的PID控制器相比，NLADRC将0°→180°阶跃响应超调量降低了82%，将扰动后稳定时间缩短了62.5%。样机硬件实验与仿真结果紧密匹配，在NLADRC下阶跃响应超调量约为2.8%，扰动恢复时间约为0.4 s。一套四单元协同训练系统演示了带视听反馈的顺序和随机多目标模式，一项针对30名业余球员的初步可用性调查在五个维度上的平均评分均高于4.2分（满分5分）。这些结果验证了所提出的装置和控制器，并证明了NLADRC在该应用中优于PID，同时具有可接受的初步可用性；对网球技能习得或训练效果的直接影响不在本研究范围内，有待未来纵向研究检验。

**研究背景与问题**

在网球运动中，高质量重复训练对任何水平的球员提升技术都至关重要。回球训练器作为实现重复击球练习的核心设备，直接影响训练效果和用户感受。然而，传统训练设备多采用被动回球机构，按储能元件分为弹簧式、弹性绳式和重力式。弹簧式通过金属弹簧压缩或伸展储能，结构简单成本低，但存在弹簧疲劳和回球角度固定；弹性绳式利用橡皮筋弹性变形实现回球，灵活性较好，但弹性随时间退化且回球速度不可控；重力式依靠配重的势能回球，常见于沙袋，但体积大、移动困难且无法调节回球阻尼。这些被动装置的共同局限是：阻尼特性恒定，无法为不同水平运动员提供差异化击球手感；缺少对击球速度、力量等关键