устройство для определения места падения мяча на площадку

Формула изобретения

Устройство для определения места падения мяча на площадку, состоящее из набора датчиков, блока сбора сигналов и блока обработки сигналов, при этом все датчики соединены с блоком сбора сигналов, который соединен с блоком обработки сигналов, который определяет место падения мяча, отличающееся тем, что в качестве датчиков используют трибоэлектрические датчики, выполненные в виде набора изолированных проводов, расположенных под поверхностью площадки параллельно линиям разметки, при этом сигнал датчиков формируется за счет электрического заряда, образующегося во время удара мяча о поверхность площадки при трении мяча о поверхность площадки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области спорта, а именно к техническим средствам для обслуживания соревнований. Изобретение может быть использовано для определения места падения мяча на площадку (попал мяч в игровое поле или вышел в аут) в таких играх, как теннис и волейбол, а также для аналогичных целей в других видах спорта.

В большинстве случаев определение места падения мяча, а именно определение факта - попал мяч в игровое поле или вышел в аут, - производится судьей на основании собственного субъективного визуального ощущения или на основании субъективного визуального ощущения линейных арбитров. Согласно правилам игры в теннис (и волейбол) считается, что мяч попал в игровое поле, если хотя бы край мяча касается линии, ограничивающей игровое поле.

Существенным недостатком работы судьи является его субъективность. Это особенно заметно при проведении матчей на кортах с искусственным покрытием, где мяч при падении практически не оставляет отпечатка на поверхности корта и нет возможности проверить правильность принятого судей решения. Зачастую это существенно влияет на весь ход матча, особенно при различном отношении игроков к правильности принятого судьей решения, и в итоге влияет на определение победителя матча.

Известно устройство для определения места падения мяча на площадку при игре в теннис [1], основанное на использовании датчиков, реагирующих на затенение мячом световых пучков, расположенных вблизи линий подачи. Сигналы с датчиков через блок сбора сигналов поступают в блок обработки сигналов - компьютер. Компьютер анализирует сигналы и определяет, попал мяч в игровое поле (квадрат подачи) или вышел в аут. Аналогичное устройство в настоящее время используется в практике проведения соревнований для контроля линий подачи. К недостаткам этого устройства относится то, что его нельзя использовать для контроля других линий корта, так как сигнал затенения лучей может появиться не только от мяча, но и от ног теннисиста.

Блок сбора сигналов и блок обработки сигналов являются существенной, но не определяющей частью этого и других подобных устройств. Определяющим является физический механизм получения сигнала и конструктивное исполнение датчиков. Блок сбора сигналов в настоящее время, как правило, строится на базе стандартных многоканальных аналого-цифровых преобразователей, а блок обработки сигналов (числовой обработки) - на базе компьютера. В принципе возможно (в том числе и для предлагаемого устройства) и другое техническое решение блока сбора сигналов и блока обработки сигналов на базе традиционных для электроники прошлых лет аналоговых схем.

Известно устройство [2] , основанное на использовании датчиков, выполненных в виде множества катушек, расположенных под поверхностью площадки вблизи линий, в сочетании с использованием специального мяча, содержащего металл или ферромагнитный материал. Датчики реагируют на возмущение мячом электромагнитного поля катушек. О применении устройства в практике соревнований неизвестно. Его основным недостатком является то, что для обеспечения работоспособности необходим специальный (нестандартный) мяч, который трудно изготовить в соответствии с существующими требованиями (по весу, высоте отскока и др.).

Известно устройство [3] , основанное на использовании системы неизолированных проводов, расположенных на поверхности корта рядом с линиями, параллельно этим линиям снаружи от них, в сочетании с специальным мячом, обладающим электропроводящей оболочкой. При падении мяч замыкает между собой два или более проводов. Сигналы от всех проводов собираются блоком сбора сигналов, соединенным с блоком обработки сигналов - компьютером, который выдает сигнал в случае "аута" и ничего не выдает в противном случае. О применении устройства в практике соревнований неизвестно. К его основным недостаткам относится то, что для его работы нужен специальный (нестандартный) мяч, который трудно изготовить в соответствии с существующими требованиями, и специальное (нестандартное) покрытие корта.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является устройство для определения места падения мяча на площадку, состоящее из набора датчиков, блока сбора сигналов и блока обработки сигналов, при этом все датчики соединены с блоком сбора сигналов, который соединен с блоком обработки сигналов, определяющим место падения мяча (см. патент США 5908361, кл. G 08 В 5/00, 1999).

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения места падения мяча на площадку. Тем самым достигается повышение объективности судейства и объективности определения победителя матча.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для определения места падения мяча на площадку, состоящем из набора датчиков, блока сбора сигналов и блока обработки сигналов, при этом все датчики соединены с блоком сбора сигналов, который соединен с блоком обработки сигналов, который определяет место падения мяча, согласно изобретению в качестве датчиков используют трибоэлектрические датчики, выполненные в виде набора изолированных проводов, расположенных под поверхностью площадки параллельно линиям разметки, при этом сигнал датчиков формируется за счет электрического заряда, образующегося во время удара мяча о поверхность площадки при трении мяча о поверхность площадки.

Обработка сигналов, поступивших с датчиков, расположенных параллельно одной из линий, позволяет определить координату положения ближайшего к линии края мяча в направлении, перпендикулярном линии во время удара мяча о поверхность площадки, - именно это и требуется для определения факта: попал мяч в игровое поле или вышел в аут. Точность х определения "аута" определяется как расстоянием между соседними проводами а, так и расстоянием между проводами и поверхностью h. Как показывает опыт, при выбранном способе обработки сигналов х1/2(a²+h2)^1/2. Поскольку каждая из величин а и h может быть выполнена достаточно малой (меньше) нескольких миллиметров, то это обеспечивает высокую точность определения места падения мяча на площадку (не хуже чем 2-4 мм), и тем самым обеспечивает определение победителя матча.

Кроме того, достоинством устройства является то, что оно обеспечивает свою работоспособность при использовании всех видов мячей и все видов синтетического (искусственного) покрытия и не требует каких-либо изменений их общепринятых свойств. Использование устройства на естественном покрытии (грунтовом и травяном) также в принципе возможно, хотя при этом трудно расположить датчики близко к поверхности из-за низкой механической прочности покрытия, а увеличение расстояния между датчиком и поверхностью приводит к уменьшению точности измерений.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Конструктивно устройство для определения места падения мяча в реализованном нами варианте устройства состоит из набора трибоэлектрических датчиков, выполненных в виде изолированных проводов диаметром d=0.8 мм (вместе с изоляцией), которые располагались непосредственно на поверхности бетонного пола под стандартным покрытием, используемым для теннисных кортов. Использовались покрытия различных фирм толщиной 2-6 мм. В принципе при изготовлении специальных покрытий провода можно располагать и внутри покрытия, на меньшем расстоянии от поверхности, что приводит к повышению точности определения места падения мяча. Расположение проводов на расстоянии от поверхности большем чем несколько сантиметров вряд ли целесообразно из-за уменьшения точности. Наличие проводов указанной толщины не влияет на отскок мяча от корта. В принципе можно использовать провода и другой (в том числе и меньшей) толщины, а также принять дополнительные меры по сглаживанию поверхности вблизи места расположения проводов, например, расположить их в углублении пола (глубиной, равной d) или нанести между проводами дополнительный слой какого-либо материала толщиной, равной d.

Провода располагались параллельно линиям разметки с шагом 2 мм вблизи линий и 1 см вдали от линий. Общее число проводов было 32 для одной линии. Часть датчиков (8 шт. ) располагалась на внутренней по отношению к линии стороне площадки, остальные - на наружной. В принципе расстояние между проводами может изменяться от долей миллиметра до нескольких сантиметров, в зависимости от необходимой точности определения места падения мяча.

В принципе датчики можно расположить по всей площади игрового поля и всей площади вблизи него, но число обрабатываемых сигналов при этом значительно возрастет и это вряд ли целесообразно для обычных кортов. К тому же при падении мяча на площадку вдали от линий разметки место падения мяча очевидно всем участникам матча, включая судью и зрителей. Однако это может оказаться полезным при создании специальных тренировочных кортов, при игре на которых игрок будет знать (например, видеть на специальном табло) точные координаты места приземления мяча после любого удара.

Каждый датчик (провод) присоединен к блоку сбора сигналов, выполненному в виде прибора, измеряющего напряжение. В качестве прибора, измеряющего напряжения, использовались стандартные промышленные многоканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), соответственно 32 канала для одной линии. Нами были выбраны двенадцатиразрядные АЦП со встроенным программируемым усилителем, имеющим максимальный коэффициент усиления К=1000. Таким образом, система может регистрировать напряжения от 0.5 мкВ до 2 В.

Блок сбора сигналов в свою очередь соединен с блоком обработки сигналов, выполненным в виде компьютера, который проводит обработку полученных данных и с помощью описанной ниже процедуры определяет место падения мяча.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При падении мяча на площадку вблизи линий на датчиках (проводах), расположенных вблизи места падения мяча, вследствие трибоэлектрического эффекта появляется электрический заряд, который в виде импульса напряжения U(t) регистрируется блоком сбора сигналов (АЦП). Величина напряжения равна

U = R dQ/dt, (1)

где R - входное сопротивление прибора, измеряющего напряжение (в нашем случае 10⁶ Ом), Q - электрический заряд, появившийся на датчике, dQ/dt - скорость изменения заряда во времени.

Поскольку при падении мяч существенным образом деформируется, импульсы напряжения могут возникать одновременно с нескольких рядом расположенных датчиков. Как показали эксперименты, длительность импульса составляет 1-3 мс в зависимости от типа используемого покрытия и, в меньшей степени, от типа используемого мяча. Амплитуда импульса может изменяться, но не более чем в 2-5 раз в зависимости от каждого из параметров: типа покрытия, типа мяча и его скорости. В нашем случае амплитуда импульсов изменялась в диапазоне от 10^-3 до 10^-1 В.

Компьютер постоянно опрашивает все каналы АЦП. Интервал времени между опросами каждого канала (в нашем случае он составляет 50 мкс) должен быть значительно меньше чем длительность импульса. При превышении напряжения на каком-нибудь канале выше заданной пороговой амплитуды U_п (критерии выбора этой величины описаны ниже) включается режим записи и все сигналы со всех каналов записываются в течение интервала времени, большего чем длительность импульса (мы использовали интервал 10 мс). Коэффициент усиления АЦП подбирается и фиксируется для каждого покрытия таким образом, чтобы устройство реагировало как на самый слабый удар, так и на самый сильный. Динамический диапазон выбранного АЦП (12 двоичных разрядов - 4*10³) и диапазон коэффициента усиления (до 1000) достаточны для решения этой задачи.

Полученные данные из блока сбора сигналов поступают в блок обработки сигналов. Блок обработки сигналов (компьютер) анализирует записанные данные (импульсы напряжения), поступившие от различных датчиков. Обработка данных, поступивших от каждой группы датчиков (32 датчика), расположенных параллельно одной из линий, производится раздельно.

Обработка данных проводится следующим образом. Прежде всего определяется максимальная амплитуда поступивших импульсов М. Если амплитуда импульса с некоего датчика А>0.3 М, то считается, что сигнал с датчика есть, а если А<0.3 М, то считается, что сигнала с датчика нет. Наличие сигналов (А>0.3 М) с датчиков, расположенных с наружной стороны линий, и отсутствие сигналов (А<0.3 М) с датчиков, расположенных с внутренней стороны линий, свидетельствует о том, что мяч не попал в игровое поле (вышел в аут). На выходе блока обработки сигналов формируется звуковой и/или световой сигнал или сигнал иного вида, свидетельствующий о том, что мяч вышел в аут. При этом игра останавливается и работа устройства также останавливается. Поскольку сигналы записаны в компьютере, после остановки игры положение визуального образа области контакта мяча с поверхностью по отношению к линии может быть продемонстрировано судье, игрокам, зрителям на стадионе и телевизионной аудитории, таким образом обеспечивается возможность проверки результатов в случае сомнений. В случае, если мяч попал в игровое поле, никакого сигнала на выходе блока обработки сигналов не формируется и работа устройства продолжается в прежнем режиме.

Возможно использование других критериев наличия и отсутствия сигнала и других алгоритмов обработки сигналов. Эксперименты показали, что выбор критерия в виде, указанном выше, обеспечивает точность определения положения ближайшего к линии края мяча на уровне 2-4 мм, что достаточно для практических применений.

Аналогично строится обработка сигналов с линий, ограничивающих квадрат подачи (в случае игры в теннис, для волейбола этого нет). Датчики, контролирующие заданный квадрат подачи, включаются вручную (например, судьей) перед выполнением подачи и отключаются вручную или автоматически (например, по звуку удара мяча о корт) после выполнения подачи.

Формально сигнал трибоэлектрических датчиков может возникать не только при ударе мяча, но и при движении ног игрока вблизи линии, что могло бы приводить к появлению ложных сигналов. Однако на практике эта проблема оказалась не столь существенной, так как амплитуда импульсов от игрока оказалась значительно (более чем на порядок) ниже чем от самого слабого удара мяча. Физическая причина этого состоит в том, что характерное время контакта ноги с кортом (составляющее даже при беге около 100 мс) по крайней мере в 30-100 раз больше чем время удара мяча о корт, соответственно скорость образования зарядов при трении оказывается более чем на порядок ниже, что и приводит в соответствии с выражением (1) к указанному выше различию в амплитудах сигналов. Проблема отделения ложных сигналов решается просто соответствующим выбором величины пороговой амплитуды U_п, которая настраивается индивидуально для каждого типа покрытия таким образом, чтобы устройство реагировало на самый слабый удар мяча и не реагировало на игрока.

Аналогично могут быть решены проблема определения места падения мяча при игре в волейбол и проблемы в других аналогичных играх, в которых попадание мяча или другого предмета в площадку, ограниченную линией, является критерием успеха. Возможно также использование устройства для определения координат места падения какого-либо предмета. Так, например с помощью этого устройства может быть решена проблема определения положения ноги спортсмена в момент отталкивания в соревнованиях по прыжкам в длину (есть заступ или нет). Возможно также использование этого устройства для определения дальности полета снаряда в соревнованиях по метанию молота, диска, копья и толканию ядра.

Таким образом, предлагается устройство для определения места падения мяча на площадку. При этом достигается автоматическое и объективное определение с высокой точностью места падения мяча на площадку, допускающее проверку результатов в случае сомнений. Это повышает объективность судейства и объективность определения победителя матча. Устройство обеспечивает свою работоспособность при использовании всех видов мячей и всех видов покрытия и не требует каких-либо изменений их общепринятых свойств. Кроме того, существенно снижаются расходы на проведение соревнований, так как при использовании изобретения отпадает необходимость привлечения линейных арбитров.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США, US Patent 4,867,449, "Electrically operated line monitor for tennis", Carlton et al. 19.09.89.

2. Патент США, US Patent 4,664,376, "Line fault detector". Gray, 12.05.1987.

3. Патент США, US Patent 4,071,242, "Electrically conductive tennis ball", Supran, 31.01.1978.