тренажер для игр с мячом

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

Тренажер предназначен для отработки основных навыков игр с мячом, прежде всего игры в гольф.

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.)

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.

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.

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.

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.)

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.)

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.)

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.

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.

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.

На фиг.1 показана структурная схема тренажера; на фиг.2 - схема мяча.

Тренажер содержит мяч 1 с системой датчиков 2 и передатчиком 3, приемник сигналов 4, компьютер 5, видеопроектор 6 и экран 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.

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.

В случае необходимости обеспечения ударостойкости все или отдельные элементы могут быть погружены в жидкость вне зоны размещения лепестков.

Работает тренажер следующим образом.

В момент удара клюшкой мяч получает ускорение , 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 и угла курса . По этим данным рассчитывается линейная скорость мяча , углы поворота мяча относительно трех осей _х, _y, _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.

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 =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 _m , 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.

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 ₁=cw_z, второй на угол ₂=-cw_z. Соответственно, датчик 15 вырабатывает сигнал I₃=k ₁, датчик 16 I₄ =k ₂. 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.

Аналогично вырабатываются сигналы при движении мяча по осям Y и Z.

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

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.