RU2334538C1 - Simulator for ball games - Google Patents

Abstract

FIELD: sports; games.

SUBSTANCE: simulator contains receiver of signals connected to computer, video projector, screen and ball. Ball contains the following interior components: signals receiver, antenna, source of power supply and container with liquid. Inside container in liquid along different directions elastic lobes are fixed and detectors of lobes position and direction detectors. Detectors are connected via transmitter, antenna and receiver with computer. Signals from receiver arrive to computer that calculates parameters of ball hitting, predicts point of ball falling and generates appropriate signals to video projector. The latter reflects panorama of game space on screen, for instance, gold field, and displays ball trajectory, point of its falling and data of hit quality assessment on it.

EFFECT: provides more accurate measurements of ball movement parameters; prediction of falling point and assessment of hit parameters.

2 dwg

Description

Тренажер предназначен для отработки основных навыков игр с мячом, прежде всего игры в гольф.The simulator is designed to practice the basic skills of ball games, especially golf.

Известен тренажер для игры с мячом, в котором на клюшку и одежду пользователя нанесены метки различных цветов и по движению этих меток, определяемому сигналами видеокамеры, компьютер рассчитывает параметры удара и выдает их на дисплей. (US 2004209698 А, 21.10.2004.)A well-known simulator for playing with a ball, in which labels of various colors are applied to the user's stick and clothes, and the computer calculates the impact parameters and displays them on the display by the movement of these labels determined by the video camera signals. (US 2004209698 A, 10.21.2004.)

Недостатки таких технических решений заключаются в малой достоверности прогноза точки падения мяча, т.к. либо измеряются не фактические параметры его движения, а производится их косвенная оценка по характеру движения клюшки и фигуры пользователя, либо измеряются не все параметры, например наклон оси вращения мяча относительно плоскости горизонта. Неизмеряемые параметры весьма существенно влияют на характер траектории и их невозможно измерить примененными в известных тренажерах средствами. Сила удара по мячу или сила броска также оценивается косвенно по результатам внешнего наблюдения полета.The disadvantages of such technical solutions are the low reliability of the prediction of the point of impact of the ball, because either the actual parameters of its movement are not measured, but they are indirectly estimated by the nature of the movement of the club and the user's figure, or not all parameters are measured, for example, the inclination of the axis of rotation of the ball relative to the horizon plane. Unmeasured parameters very significantly affect the nature of the trajectory and they cannot be measured by means used in known simulators. The strength of the ball or the throwing force is also estimated indirectly from the results of external observation of the flight.

Кроме того, измерения производятся только в зоне действия датчиков, поэтому для обеспечения какой-то точности требуется их большее количество. В то же время траектория мяча, вышедшего за зону действия датчиков, продолжает изменяться под действием кориолисовых и аэродинамических сил, возникающих на движущемся мяче, и эти изменения не измеряются.In addition, measurements are made only in the sensor coverage area, therefore, to ensure some accuracy, a larger number of them is required. At the same time, the trajectory of the ball that has gone beyond the range of the sensors continues to change under the influence of the Coriolis and aerodynamic forces arising on the moving ball, and these changes are not measured.

Для согласования информации с датчиков и видеокамеры требуется тщательная взаимоувязка положений датчиков и видеокамеры и тарировка видеокамеры по многократным повторениям удара игроком высокого класса. Все это удорожает как сам тренажер, так и его эксплуатацию.To reconcile information from sensors and a video camera, careful coordination of the positions of the sensors and a video camera and calibration of the camera for repeated repetitions of a high-class player’s strike are required. All this increases the cost of both the simulator itself and its operation.

Известен мяч для игры в гольф, содержащий передатчик, антенну, источник энергопитания, переключатель и кварцевый генератор. Такая конструкция позволяет быстро находить мяч по сигналам передатчика после его падения, однако не позволяет измерить параметры удара и параметры полета, что необходимо в тренажерах. (ЕР 0911068 А1, 28.04.1999.)A golf ball is known, comprising a transmitter, an antenna, an energy source, a switch, and a crystal oscillator. This design allows you to quickly find the ball by the signals of the transmitter after it falls, however, it does not allow you to measure impact parameters and flight parameters, which is necessary in simulators. (EP 0911068 A1, 04/28/1999.)

Известен мяч для гольфа, содержащий внутри силового каркаса контейнер с жидкостью, что позволяет улучшить динамические характеристики мяча. (Б.Галлахер, М.Уилсон «Гольф для начинающих». Издательство «Торговый дом ПРАНА», М., 2005, с.16.)A golf ball is known, containing a container with liquid inside the power frame, which improves the dynamic characteristics of the ball. (B. Gallagher, M. Wilson “Golf for beginners.” Publishing House “Trading House PRANA”, M., 2005, p.16.)

Известен тренажер для игр с мячом, содержащий связанный с компьютером приемник сигналов, видеопроектор и экран, а также мяч с размещенными внутри него контейнером с жидкостью, передатчиком, антенной и источником электропитания. (WO 2005089499 А1, 29.09.2005.)A known simulator for games with a ball, containing a signal receiver connected to a computer, a video projector and a screen, as well as a ball with a container with a liquid, a transmitter, an antenna and a power source located inside it. (WO 2005089499 A1, 09/29/2005.)

К недостаткам этого технического решения, которое принято в качестве ближайшего аналога, относится то, что в нем параметры полета мяча не измеряются и точка падения мяча не прогнозируется.The disadvantages of this technical solution, which was adopted as the closest analogue, are that in it the flight parameters of the ball are not measured and the point of impact of the ball is not predicted.

Техническим результатом, достигаемым при реализации данного изобретения, является обеспечение возможности измерения параметров удара по мячу и всех параметров движения мяча при обеспечении близости динамических характеристик мяча к характеристикам лучших игровых мячей, а также повышение точности прогнозирования точки падения мяча.The technical result achieved by the implementation of this invention is the ability to measure the parameters of a hit on the ball and all the parameters of the ball while ensuring the proximity of the dynamic characteristics of the ball to the characteristics of the best game balls, as well as improving the accuracy of predicting the point of impact of the ball.

Указанный технический результат достигается тем, что в тренажере для игр с мячом, содержащем связанный с компьютером приемник сигналов, видеопроектор и экран, а также мяч с размещенными внутри него контейнером с жидкостью, передатчиком, антенной и источником электропитания, согласно изобретению внутри контейнера в жидкости по различным направлениям консольно закреплены упругие лепестки и установлены датчики положения лепестков и датчики курса, связанные через передатчик, антенну и приемник с компьютером, определяющим параметры полета мяча, точку его падения и качество удара, информация о которых отображается на экране и дисплее компьютера.The specified technical result is achieved by the fact that in the simulator for playing games with a ball containing a signal receiver connected to a computer, a video projector and a screen, as well as a ball with a container with a liquid, a transmitter, an antenna and a power supply inside, according to the invention, inside the container in a liquid according to the invention elastic petals are cantilevered to various directions and petal position sensors and heading sensors are installed, connected through a transmitter, antenna and receiver to a computer that determines flight parameters ball point of his fall and the quality of impact for which information is displayed on the screen and the computer screen.

На фиг.1 показана структурная схема тренажера; на фиг.2 - схема мяча.Figure 1 shows the structural diagram of the simulator; figure 2 - diagram of the ball.

Тренажер содержит мяч 1 с системой датчиков 2 и передатчиком 3, приемник сигналов 4, компьютер 5, видеопроектор 6 и экран 7.The simulator contains a ball 1 with a sensor system 2 and a transmitter 3, a signal receiver 4, a computer 5, a video projector 6 and a screen 7.

Мяч состоит из оболочки 8, контейнера с жидкостью 9, который может быть выполнен в виде, например, полого шара из металла или пластмассы, или роль которого могут играть размещенные внутри оболочки упругие наполнители, передатчика сигналов 3, источника электропитания 11, нескольких пар лепестков 12, 13, 14, датчиков их положения 15-20 относительно контейнера, датчика 21 направления полета (датчика курса) и антенны 22. Ориентация лепестков может быть различной, но наиболее простой алгоритм для обработки их сигналов обеспечивает ориентация по радиусам вдоль осей прямоугольной системы координат к ее центру, размещенному в геометрическом центре мяча. Передатчик 3 может содержать дополнительно к основной схеме генератор 10 маркерных сигналов, играя роль радиомаяка и идентификатора принадлежности мяча. Жидкость должна быть неэлектропроводной и не должна оказывать коррозионное воздействие на соприкасающиеся с ней материалы, например кремнийорганическая жидкость БЛП. Антенна может размещаться под оболочкой шара и быть выполненной в виде четвертьволнового вибратора из проволоки.The ball consists of a shell 8, a container with a liquid 9, which can be made, for example, in a hollow ball of metal or plastic, or the role of which can be played by elastic fillers placed inside the shell, a signal transmitter 3, a power supply 11, several pairs of petals 12 , 13, 14, their position sensors 15-20 relative to the container, the flight direction sensor (heading sensor) 21 and the antenna 22. The orientation of the petals can be different, but the simplest algorithm for processing their signals provides orientation along the radii in the axis of the rectangular coordinate system to its center, located in the geometric center of the ball. The transmitter 3 may contain, in addition to the main circuit, a marker signal generator 10, playing the role of a beacon and an identifier of the ball. The liquid must be non-conductive and must not have a corrosive effect on materials in contact with it, for example, BLP organosilicon liquid. The antenna can be placed under the shell of the ball and be made in the form of a quarter-wave vibrator from wire.

Конструкционное выполнение лепестков и датчиков также возможно различное. Например, лепестки могут быть выполнены из намагниченной стальной фольги, а в качестве датчиков могут быть применены магниторезисторы, образуя систему датчиков 2.The design of the petals and sensors is also possible different. For example, the petals can be made of magnetized steel foil, and magnetoresistors can be used as sensors, forming a system of sensors 2.

В случае необходимости обеспечения ударостойкости все или отдельные элементы могут быть погружены в жидкость вне зоны размещения лепестков.If it is necessary to ensure impact resistance, all or individual elements can be immersed in a liquid outside the zone of placement of the petals.

Работает тренажер следующим образом.The simulator works as follows.

В момент удара клюшкой мяч получает ускорение α, угловую скорость

и направление движения

. Составляющие этих параметров измеряются системой датчиков 2, пропорциональные им сигналы поступают на передатчик, излучаются им в окружающее пространство, принимаются приемником 4, поступают с него на компьютер 5, рассчитываются им по заложенному в него алгоритму мгновенных значений вектора ускорения

вектора угловой скорости

угла наклона траектории ϑ и угла курса φ. По этим данным рассчитывается линейная скорость мяча

, углы поворота мяча относительно трех осей α_х, α_y, α_z, кориолисово ускорение

, кориолисова сила

, где m_M - масса мяча, и по этим данным вычисляется возможная точка падения мяча. В процессе полета мяча параметры его движения изменяются вследствие сопротивления атмосферы, возникновения кориолисова ускорения и аэродинамической подъемной силы. Поскольку параметры полета мяча измеряются непрерывно вплоть до прекращения полета в момент удара мяча об экран 7, компьютер непрерывно уточняет прогноз точки падения мяча, которая имела бы место при его полете на открытом пространстве. В момент прекращения полета мяча компьютер через видеопроектор 6 выдает на экран прогнозируемую точку его падения. По замеренным в момент удара параметрам

,

,

определяется с использованием известных физических законов и качество удара, т.е. сила и направление удара или броска и характер закрутки мяча.At the moment of the club strike, the ball receives acceleration α, angular velocity

and direction of movement

. The components of these parameters are measured by the sensor system 2, signals proportional to them are transmitted to the transmitter, emitted by it into the surrounding space, received by receiver 4, transmitted from it to computer 5, and calculated by it using the algorithm of instantaneous acceleration vector values

angular velocity vector

trajectory angle ϑ and course angle φ. Based on these data, the linear velocity of the ball is calculated.

, the angles of rotation of the ball relative to the three axes α _x , α _y , α _z , Coriolis acceleration

Coriolis force

, where m _M is the mass of the ball, and according to these data, the possible point of impact of the ball is calculated. During the flight of the ball, its motion parameters change due to atmospheric resistance, the occurrence of Coriolis acceleration and aerodynamic lift. Since the parameters of the ball’s flight are measured continuously until the flight ceases at the moment the ball hits the screen 7, the computer continuously updates the forecast of the ball’s point of fall, which would have occurred if it had been flying in open space. At the time of termination of the ball’s flight, the computer through the video projector 6 displays the predicted point of its fall. According to the parameters measured at the moment of impact

,

,

determined using known physical laws and the quality of the impact, i.e. the strength and direction of the hit or throw and the nature of the spin of the ball.

Пусть в момент удара клюшкой мяч получил ускорение а_х вдоль оси Х и угловую скорость а_z вокруг оси Y. При его движении с ускорением а_x лепестки 12 испытывают воздействие силы инерции F_x=-ma_x(t), где m - масса лепестка. Под действием силы F_x каждый из них прогибается в направлении - X на угол α=ca_xml, где с - изгибная жестокость лепестка, l - расстояние от заделки до центра масс лепестка. Вследствие прогиба лепестка 12 меняются их расстояния от соответствующего датчика 15 и 16, меняется выходной сигнал каждого датчика 15 и 16, например, в случае магниторезистора меняется протекающий по нему ток по закону I_m=k_mα, где k_m - коэффициент усиления датчика. Оба лепестка прогибаются в одну сторону - против направления вектора линейного ускорения, поэтому полярности соответствующих сигналов будут одинаковыми с обоих датчиков - 15 и 16.Suppose that at the time of the club strike, the ball receives acceleration a _x along the X axis and an angular velocity a _z around the Y axis. When it moves with acceleration a _{x, the} petals 12 are affected by the inertia force F _x = -ma _x (t), where m is the mass of the petal . Under the action of the force F _x, each of them bends in the direction X by an angle α = ca _x ml, where c is the bending stiffness of the petal, l is the distance from the seal to the center of mass of the petal. Due to the deflection of the petal 12, their distances from the corresponding sensor 15 and 16 change, the output signal of each sensor 15 and 16 changes, for example, in the case of a magnetoresistor, the current flowing through it changes according to the law I _m = k _m α, where k _m is the gain of the sensor. Both petals bend in one direction - against the direction of the linear acceleration vector, so the polarities of the corresponding signals will be the same from both sensors - 15 and 16.

Одновременно мяч вращается вокруг оси Y. При его вращении жидкость в контейнере внутри мяча вследствие своей инерционности и малой вязкости сохраняет состояние покоя или медленно увлекается контейнером в направлении его вращения, в целом, отставая от него. Вследствие таких движений заделанные в контейнер концы лепестков 12 поворачиваются вместе с ним, а свободные концы тормозятся жидкостью, и лепестки изгибаются, причем в разные стороны относительно контейнера, один на угол β₁=cw_z, второй на угол β₂=-cw_z. Соответственно, датчик 15 вырабатывает сигнал I₃=kβ₁, датчик 16 I₄=kβ₂. Эти сигналы в сумме с сигналами I_1,2 поступают на передатчик 3 и излучаются им через антенну 22 в окружающую среду. Разные направления изгиба лепестков от линейного ускорения и от угловой скорости позволяют разделить суммарный сигнал на зависящий от угловой скорости и зависящий от линейного ускорения.At the same time, the ball rotates around the Y axis. During its rotation, the liquid in the container inside the ball, due to its inertia and low viscosity, maintains a state of rest or is slowly carried away by the container in the direction of its rotation, generally lagging behind it. As a result of such movements, the ends of the petals 12 embedded in the container are rotated with it, and the free ends are inhibited by the liquid, and the petals are bent, and in different directions relative to the container, one at an angle β ₁ = cw _z , the second at an angle β ₂ = -cw _z . Accordingly, the sensor 15 generates a signal I ₃ = kβ ₁ , the sensor 16 I ₄ = kβ ₂ . These signals in total with the signals I _1,2 arrive at the transmitter 3 and are emitted by it through the antenna 22 into the environment. Different directions of the bending of the petals from linear acceleration and from the angular velocity allow us to divide the total signal into those depending on the angular velocity and depending on linear acceleration.

Аналогично вырабатываются сигналы при движении мяча по осям Y и Z.Similarly, signals are generated when the ball moves along the Y and Z axes.

Направление

вектора ускорения

определяется датчиком 21, в качестве которого может быть использован, например, трехкомпонентный индукционный датчик напряженности магнитного поля земли.Direction

acceleration vectors

determined by the sensor 21, which can be used, for example, a three-component induction sensor of the magnetic field of the earth.

Такая система датчиков позволяет определить параметры движения мяча на всей траектории и спрогнозировать точку его падения более точно, чем при измерении параметров, как в известных тренажерах, внешними датчиками, которые, в частности, не могут измерить вектор угловой скорости, оказывающий существенное влияние на характер траектории, и погрешности установки которых влияют на точность вычислений.Such a system of sensors makes it possible to determine the parameters of the ball’s movement along the entire trajectory and to predict the point of its fall more accurately than when measuring the parameters, as in the well-known simulators, by external sensors, which, in particular, cannot measure the angular velocity vector, which significantly affects the nature of the trajectory , and installation errors which affect the accuracy of calculations.

Кроме того, встроенная система датчиков позволяет рассчитать силу удара по известной зависимости:

.In addition, the built-in sensor system allows you to calculate the impact force from a known relationship:

.

Наличие жидкости внутри мяча не только обеспечивает возможность измерения угловой скорости, но и позволяет выполнить динамические параметры мяча одинаковыми с параметрами высококлассных игровых мячей, что обеспечивает повышение качества тренировок.The presence of fluid inside the ball not only provides the ability to measure angular velocity, but also allows you to perform the dynamic parameters of the ball the same as the parameters of high-quality game balls, which improves the quality of training.

По соотношению векторов

,

,

и информации с датчика курса можно уточнить направление полета и вычислить угол наклона траектории, а по соотношению векторов

,

,

определить качество закрутки мяча и угол наклона оси его вращения к плоскости горизонта.By the ratio of vectors

,

,

and information from the heading sensor, you can clarify the direction of flight and calculate the angle of inclination of the trajectory, and by the ratio of the vectors

,

,

determine the quality of the ball spin and the angle of inclination of the axis of its rotation to the horizon plane.

Построенный по такой конструкционной схеме мяч может быть применен при соответствующей габарито-массовой и внешневидовой модификации для обучения играм в бейсбол, боулинг, волейбол, водное поло, позволяя определить качество удара или броска и обеспечивая требуемые динамические характеристики мяча.A ball constructed according to such a constructional scheme can be used with the appropriate size and appearance modification for teaching baseball, bowling, volleyball, water polo games, allowing you to determine the quality of the hit or throw and providing the required dynamic characteristics of the ball.

Точность тренажера существенно возрастает как за счет непосредственного измерения параметров движения мяча, так и за счет того, что эти измерения проводятся на всей траектории его полета. Такое решение позволяет использовать тренажер и на открытом поле при реальной игре, выдавая игроку информацию о траектории полета, характере движения мяча, силе удара и о возникновении в полете факторов, влияющих на точность попадания, например о порывах ветра, что позволит рассчитать установку на последующие удары, например обойти лужу, над которой клубится теплый воздух.The accuracy of the simulator increases significantly due to the direct measurement of the parameters of the ball’s movement, and due to the fact that these measurements are carried out along the entire trajectory of its flight. This solution allows you to use the simulator in the open field in a real game, giving the player information about the flight trajectory, the nature of the ball’s movement, the strength of the strike and the occurrence of factors affecting the accuracy of the flight, such as gusts of wind, which will allow you to calculate the installation for subsequent strikes , for example, go around a puddle above which warm air swirls.

Информация о параметрах полета мяча, точке его падения и качестве удара или броска, как и в существующих тренажерах, отображается на экране и на дисплее компьютера.Information about the flight parameters of the ball, the point of its fall and the quality of the hit or throw, as in existing simulators, is displayed on the screen and on the computer display.

За счет устранения системы наземных датчиков и видеокамеры снижается стоимость тренажера и стоимость его эксплуатации. По такой же схеме можно строить тренажеры для игр в боулинг, бейсбол, теннис, волейбол, баскетбол, водное поло.By eliminating the system of ground sensors and a video camera, the cost of the simulator and the cost of its operation are reduced. In the same way, you can build simulators for bowling, baseball, tennis, volleyball, basketball, water polo.

Claims (1)

Тренажер для игр с мячом, содержащий связанный с компьютером приемник сигналов, видеопроектор и экран, а также мяч с размещенными внутри него контейнером с жидкостью, передатчиком, антенной и источником электропитания, отличающийся тем, что внутри контейнера в жидкости по различным направлениям консольно закреплены упругие лепестки и установлены датчики положения лепестков и датчики курса, связанные через передатчик, антенну и приемник с компьютером, определяющим параметры полета мяча, точку его падения и качество удара, информация о которых отображается на экране и на дисплее компьютера.A ball games simulator containing a signal receiver connected to a computer, a video projector and a screen, as well as a ball with a container with a liquid inside it, a transmitter, an antenna and a power source, characterized in that elastic petals are cantilevered in various directions inside the container in the liquid and petal position sensors and heading sensors connected through a transmitter, antenna and receiver with a computer that determines the flight parameters of the ball, its point of fall and impact quality, information about toryh displayed on a computer screen.

Images