Устройство для определения параметров движения падающего тела

 

Использование: для определения состояния физической подготовки спортсменов, например футболистов, хоккеистов и гандболистов при выполнении ударов или бросков по воротам. Сущность изобретения: устройство содержит опорную раму, на которой горизонтально и вертикально расположены блоки источников света и соответствующие им приемники излучения, усилители, вычислительный блок, имеющий в своем составе два преобразователя: первый - "временной интервал - напряжение" и второй - гиперболический - "напряжение - временной интервал", в электрической схеме устройств имеются также определенным образом соединенные многопозиционный переключатель, блок реле, ключи, блок задержки, последовательно соединенные счетчик количества попаданий в заданный квадрат ворот, регулируемый пороговый регистратор заданной скорости и измеритель временных интервалов, что позволяет выбирать сектор площади ворот либо всю площадь ворот для прицельного броска, измерять скорость мяча в заданной области ворот, устанавливать минимальный порог скорости мяча, регистрировать количество бросков, попавших в цель со скоростью не менее установленной. 2 ил.

Изобретение относится к измерителям линейной скорости вообще, а в частности к аппаратуре, выполняющей измерения путем определения времени, необходимого для прохождения заданного расстояния и дальнейшего преобразования в скорости с использованием инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей, и предназначено для определения состояния физической подготовки спортсменов, например футболистов, хоккеистов и гандболистов при выполнении ударов или бросков по воротам.

Известен спортивный тахометр, предназначенный для измерения средней скорости мяча, пущенного ударом или броском игрока, между точкой стартовой позиции и поверхностью цели. Тахометр содержит первый датчик, фиксирующий момент старта мяча, второй датчик, регистрирующий момент соприкосновения мяча с поверхностью цели, вычислительный блок, соединенный с первым и вторым датчиками. Устройство предусматривает установку мяча перед ударом в определенное место, что снижает интенсивность тренировки спортсменов. Кроме того, поскольку расстояние до центра ворот существенно меньше расстояния до нижнего или верхнего угла ворот, а в вычислительном блоке запрограммировано значение одного расстояния, следовательно измерение скорости мяча, пущенного в угол ворот, будет вычисляться с погрешностью, равной разности указанных расстояний.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является система мишеней для точного определения положения падающих частиц, содержащая опорную рамку, в которой находятся блоки одинаковых источников света, излучающих в горизонтальном и вертикальном направлениях. Источники света проецируют коллимированные световые пучки, пересекающие область внутри рамки. В рамке находятся также соответствующие блоки горизонтально и вертикально расположенных приемников световых лучей, предназначенных для определения местоположения и размеров падающего пучка частиц, проходящего через рамку мишени. Совокупность приемников световых лучей принимает свет, испущенный каждым источником. Каждый светоприемник получает заранее определенную величину светового потока от коллимированного светового пучка. Как только луч света прерывается пучком налетающих частиц, светоприемники определяют диаметр этого пучка с ошибкой, меньшей ширины коллимированного пучка световых лучей. Сигналы, вырабатываемые светоприемниками, усиливаются усилителями, число которых меньше числа светоприемников и в вычислительном блоке преобразуются в численно закодированные сигналы.

Недостаток прототипа в ограниченных функциях из-за отсутствия возможности измерения скорости, выбора заданного квадрата мишени в рамке и подсчета количества попавших частиц в заданный квадрат со скоростью не менее требуемой.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем измерения скорости спортивного снаряда в выбранной площади ворот и подсчета количества бросков, попавших в заданную площадь со скоростью не менее требуемой.

Это достигается тем, что устройство, содержащее опорную рамку, на которой горизонтально и вертикально расположены блоки источников света и соответствующие им блоки приемников излучения, усилители и вычислительный блок, снабжено многопозиционным переключателем, соединенным с блоком реле, первым, вторым и третьим ключами, блоком задержки, последовательно соединенными счетчиком количества попаданий в заданный квадрат ворот, регулируемым пороговым регистратором заданной скорости, измерителем временных интервалов и двумя преобразователями, составляющими вычислительный блок, первый из которых - временной интервал - напряжение, второй - гипербалический преобразователь напряжение - временной интервал, управляющий вход которого соединен с выходом второго ключа, а вход первого преобразователя - с выходом третьего ключа, причем входы первого и второго усилителей через контактные группы блока реле подключены соответственно к вертикальному и горизонтальному блокам приемников излучения, а выходы - к управляющим входам первого и второго ключей соответственно, выход первого ключа соединен со стартовым входом третьего и через диод с входом блока задержки, а выход второго ключа через диод - с входом блока задержки и стоповым входом третьего ключа, первый, второй и третий выходы блока задержки соединены соответственно со сбросовыми входами первого и второго ключей, измерителя временных интервалов и входом второго преобразователя, при этом первый преобразователь снабжен первым и вторым транзисторами, база первого из них, являющаяся входом первого преобразователя, соединена через резистор с эмиттером этого транзистора и первой шиной питания, эмиттер второго транзистора соединен через резистор с коллектором первого транзистора, база его через резистор, а коллектор через конденсатор - со второй шиной питания, второй преобразователь снабжен третьим, четвертым транзисторами и ферромагнитным сердечником, на котором находятся входная, выходная и подмагничивающая обмотки, конец последней через резистор подключен к первой шине, а начало - ко второй шине, начало входной обмотки, являющейся входом второго преобразователя, соединено с коллектором второго транзистора, являющимся выходом первого преобразователя, а конец - с коллектором третьего транзистора, эмиттер которого непосредственно, а база через резистор, подключены ко второй шине питания, причем база третьего транзистора является управляющим входом второго преобразователя, коллектор четвертого транзистора через резистор подключен к первой шине, а эмиттер - ко второй, конец выходной обмотки соединен с второй шиной питания, а начало - с базой четвертого транзистора, коллектор которого является выходом второго преобразователя.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая принцип его работы.

Устройство содержит опорную рамку (не показана), на которой расположены блоки 1,2 источников света, излучающих в горизонтальном и вертикальном направлениях коллимированные пучки света, пересекающие область внутри рамки (ворот), соответствующие блоки 3,4 горизонтально и вертикально расположенные приемники излучения, многопозиционный переключатель 5, управляющий блоком реле 6, контактные группы 7, 8 реле, подключающие приемники излучения горизонтальных и вертикальных лучей к соответствующим усилителям 9, 11, первый 11, второй 12, третий 13 ключи, блок 14 задержки, первый - преобразователь 15 временной интервал - напряжение 15, содержащий резисторы 16, 17, 18, конденсатор 19, первый транзистор 20, второй транзистор 21, второй преобразователь 22, содержащий резисторы 23, 24, 25, третий транзистор 26, четвертый транзистор 27 и ферромагнитный сердечник с входной 28, выходной 29 и подмагничивающей 30 обмотками, измеритель 31 временных интервалов, содержащий кварцевый генератор 32, ключ - пропускатель 33 импульсов с генератора, двоично-десятичные 4-разрядные счетчики 34 единиц, десятков 35 и сотен 36, дешифраторы 37, 38, 39 и цифровые индикаторы 40, 41, 42, регулируемый пороговый регистратор 43 заданной скорости, содержащий дешифраторы 44, 45, диодные дискриминаторы 46, 47, пропускающие сигнал с дешифраторов 44, 45 при равенстве или выше установленной скорости с помощью двух переключателей 48, 49, схема 50 совпадений, счетчик 51 количества попаданий мяча в заданную площадь ворот со скоростью не менее заданной.

Ферромагнитный сердечник выполнен из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса.

Устройство работает следующим образом.

Переключателем 5 устанавливают площадь ворот, в которую требуется попасть мячом. Эта площадь образуется путем подключения контактными группами 7, 8 блока реле соответствующих группы приемников излучения горизонтальных и вертикальных лучей к первому и второму усилителям 9, 10. Все источники излучения включены постоянно. Горизонтальные и вертикальные лучи разнесены на некоторое известное расстояние. Пересечение в плоскости чертежа горизонтальных и вертикальных лучей образует некоторую площадь ворот, в которую игрок должен бросить мяч со скоростью не менее заданной.

При попадании в цель мяч последовательно прерывает вначале горизонтальные, а затем вертикальные лучи. Расстояние между соседними горизонтальными и вертикальными лучами выбрано меньше диаметра мяча. В момент прерывания горизонтального луча сигнал с приемника излучения через контакты 7 и первый усилитель 9 поступает на управляющий вход ключа 11 (фиг.2, диаграмма А). С выхода ключа 11 сигнал поступает в блок 14 задержки и на управляющий вход ключа 13, который, открываясь, формирует сигнал, поступающий на вход вычислительного блока, т.е. вход первого преобразователя временной интервал-напряжение. Транзистор 20, открываясь, производит заряд конденсатора 19 через резистор 17 и открытый транзистор 2У, включенный по схеме с общей базой, благодаря чему обеспечивается заряд конденсатора 19 постоянным током. На конденсаторе линейно возрастает отрицательное напряжение (фиг.2,г) до момента t₂ прерывания мячом вертикального луча. Сигнал с приемника излучения через контактную группу 8, усилитель 10, управляющий вход второго ключа 12 поступает на стоповый вход третьего ключа 13 (фиг.2,б), который закрывая транзистор 20, прекращает заряд конденсатора. На выходе ключа 13 формируется импульс с длительностью t = t₂ - t₁ (фиг.2,в), в течение которого конденсатор заряжается до пропорционального значения напряжения. В результате преобразуется временной интервал t₂ - t₁ в пропорциональное напряжение на конденсаторе. Одновременно в момент t₂ с выхода второго ключа 12 сигнал поступает на управляющий вход второго гиперболического преобразователя (базу транзистора 26). Транзистор 26, открываясь, подает на входную обмотку 28 напряжение конденсатора. В результате ферромагнитный сердечник перемагничивается. В процессе перемагничивания на выходной обмотке 29 наводится сигнал, открывающий транзистор 27, на коллекторе которого формируется прямоугольный импульс длительностью τ , равной времени перемагничивания (фиг.2,д).

Время перемагничивания зависит от напряжения на конденсаторе по обратно-пропорциональной функции. Таким образом осуществляется гиперболическое (обратно пропорциональное) преобразование напряжения на конденсаторе 19 во временной интервал.

Прямоугольный импульс с коллектора транзистора 27 поступает на измеритель временных интервалов, который показывает значение скорости мяча. Значение скорости с двух выходов (десяток и сотен) снимается на пороговый регистратор заданной скорости, который производит сравнение кода измерителя временных интервалов с кодом, установленным в регистраторе. Пороговый регистратор формирует сигнал только в случае равенства или превышения установленной на переключателе 48 (сотни), 49 (десятки) значение скорости. Двоичный 4-разрядный код с выходов счетчиков десяток 35 и сотен 36 поступает на дешифраторы 44, 45, имеющий каждый 10 выходов. С помощью диодных дешифраторов 46, 47, управляемых переключателями 48, 49, устанавливается порог скорости мяча. При равенстве или превышении установленного порога с выхода переключателей сигналы поступают на схему 50 совпадения. Счетчик 51 регистрирует количество бросков, попавших в цель со скоростью не менее заданной. Однако значение скорости мяча всегда будет фиксироваться измерителем временных интервалов независимо от установленного порога скорости. На фиг. 1 приведена схема порогового регистратора для установки скорости с дискретностью 10 км/ч, например 20, 30...180 км/ч. При необходимости задания скорости с дискретностью 1 км/ч следует использовать дешифратор разряда единиц, ввести третий переключатель и трехвходовую схему совпадения.

Блок 14 задержки, выполненный, например, на реле, резисторе и конденсаторе срабатывает через 1...3 с (время устанавливается в зависимости от интенсивности бросков) (фиг.2,е). Время удержания реле в сработанном состоянии t₄-t₅ составляет десятки миллисекунд. Контакты реле блока задержки сбрасывают в нуль показания измерителя временных интервалов, устанавливают по сбросовым входам ключи 9, 12 в исходное состояние и разряжают конденсатор 19, если он окажется неразряженным. Такая ситуация может быть, когда мяч попал в ворота, но не попал в обозначенный квадрат ворот. В этом случае срабатывают либо приемники горизонтальных, либо приемники вертикальных лучей. При срабатывании приемников вертикальных лучей конденсатор не заряжается, поскольку сигнал поступает на стоповый вход ключа 13 и ключ 13, управляющий зарядом конденсатора, не откроется. При срабатывании только приемников горизонтальных лучей ключ 13 откроется, т.к. сигнал поступает на стартовый вход ключа 13. Транзистор 20, открываясь, заряжает конденсатор практически до напряжения питания схемы. В этом случае для подготовки тренажера необходимо произвести разряд конденсатора. В случае, когда мяч попадает в цель, транзистор 26, управляемый ключом 12, после перемагничивания сердечника остается открытым, чем и обеспечивается полный разряд конденсатора. После сброса второго ключа 12 в исходное состояние его выходной сигнал снимается с базы транзистора 26. После выключения транзистора 26 ферромагнитный сердечник возвращается в исходное состояние, перемагничиваясь полем подмагничивающей обмотки 30. При этом сигнал на выходе транзистора 27 отсутствует, т.к. на его базе наводится запирающее напряжение.

Расчетом и настройкой элементов электрической схемы вычислительного блока, т.е. преобразователей временной интервал - напряжение и напряжение - временной интервал добиваются соответствия временного интервала между сигналами с приемников горизонтальных и вертикальных лучей в численное значение скорости полета мяча.

Предложенное устройство обладает широкими функциональными возможностями, т.к. позволяет выбирать сектор площади ворот либо всю площадь ворот для прицельного броска, измерять скорость мяча в заданной области ворот; устанавливать минимальный порог скорости, которую должен развить мяч, брошенный игроком, регистрировать количество бросков, попавших в цель, со скоростью не менее установленной в тренажере.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ПАДАЮЩЕГО ТЕЛА, содержащее опорную рамку, на которой горизонтально и вертикально расположены блоки источников света и соответствующие им блоки приемников излучения, а также усилители и вычислительный блок, отличающееся тем, что в него введены многопозиционный переключатель, соединенный с блоком реле, три ключа, блок задержки, последовательно соединенные счетчик, регулируемый пороговый регистратор заданной скорости и измеритель временных интервалов, а вычислительный блок выполнен в виде первого и второго преобразователей, причем управляющий вход второго преобразователя соединен с выходом второго ключа, а вход первого преобразователя - с выходом третьего ключа, входы первого и второго усилителей через контактные группы блока реле подключены соответственно к вертикальному и горизонтальному блокам приемников излучения, а выходы - к управляющим входам первого и второго ключей соответственно, выход первого ключа соединен со стартовым входом третьего ключа и через диод - с входом блока задержки, а выход второго ключа через диод - с входом блока задержки и стоповым входом третьего ключа, первый, второй и третий выходы блока задержки соединены соответственно со сбросовыми входами первого и второго ключей, измерителя временных интервалов и входом второго преобразователя, при этом первый преобразователь состоит из первого и второго транзисторов, база первого транзистора, являющаяся входом первого преобразователя, соединена через резистор с эмиттером этого транзистора и первой шиной питания, эмиттер второго транзистора соединен через резистор с коллектором первого транзистора, база его через резистор, а коллектор через конденсатор - с второй шиной питания, второй преобразователь состоит из третьего, четвертого транзисторов и ферромагнитного сердечника, на котором размещены входная, выходная и подмагничивающая обмотки, конец последней через резистор подключен к первой шине, а начало - к второй шине, начало входной обмотки, являющейся входом второго преобразователя, соединено с коллектором второго транзистора, являющимся выходом первого преобразователя, а конец - с коллектором третьего транзистора, эмиттер которого непосредственно, а база через резистор подключены к второй шине питания, база третьего транзистора является управляющим входом второго преобразователя, коллектор четвертого транзистора через резистор подключен к первой шине, а эмиттер - к второй, конец выходной обмотки соединен с второй шиной питания, а начало - с базой четвертого транзистора, коллектор которого является выходом второго преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2