计算机辅助飞碟射击训练系统

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计算机辅助飞碟射击训练系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于体育运动及娱乐设施技术领域，涉及一种适用于体育运动中的飞碟射击项目的计算机辅助飞碟射击训练系统，该系统也可应用在娱乐打靶方面。\n背景技术\n[0002] 在本发明设计方案提出之前，国内外市场仅在10米气步枪、10米手枪项目上有类似射击训练系统：如芬兰的Noptel系统(参见2003年第三期《中国射击射箭》著文“芬兰产Noptel ST-2000射击激光测试仪简介”)、俄罗斯的SCATT系统(参见2005年第1期《浙江体育科学》著文“对影响射击成绩的技术参数的应用性研究”)、德国的SAM-Trainer系统以及国内的枪神2000(二者的介绍均参见2003年第01期《体育科研》著文“新颖的射击辅助训练器材‘枪神2000’射击训练系统简介”)等。由于上述系统都属于相对目标靶固定不动，有良好的弹着点痕迹模拟与定量分析，但其却无法适用于动态靶和散弹相对位置变化的飞碟射击项目的训练。由于在飞碟射击训练和比赛中抛靶机抛出的碟靶受到发靶的力度、延时时间、空中随时变化的气流方向、速度影响非常大，研制计算机辅助飞碟射击训练系统要比10米气步枪、10米手枪计算机辅助射击训练系统难度大的多(它需要测试和积累大量的科学实验数据)，因而目前国内外在飞碟射击项目上的计算机辅助飞碟射击训练系统还是一个研制空白。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，进而提供一种设计方案先进、操作方便、智能化程度高、适用于飞碟射击项目训练的计算机辅助飞碟射击训练系统。\n[0004] 为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：所提供的计算机辅助飞碟射击训练系统包括三维模拟抛靶部分、信息采集分析处理部分、内设抛靶控制程序及击发控制程序的中央控制器、激光模拟子弹、内设击发状态采集及无线发射装置(震动传感器)的散弹枪、声控器，其中：\n[0005] 所说的三维模拟抛靶部分含有硬件部分和软件部分，其硬件部分由多媒体计算机、投影机、银幕(大屏幕玻珠屏)组成，计算机接收到中央控制器抛靶指令信号后，通过投影机将三维坐标变换的飞碟飞行轨迹影像投影在银幕上；\n[0006] 所说的信息采集分析处理部分亦含有硬件部分和软件部分，其硬件部分由多媒体计算机和摄像机组成，当中央控制器传来相应的控制信号后，摄像机将采集到的动态影像送到计算机中进行运算处理，形成完整的跟靶轨迹曲线；\n[0007] 所说的中央控制器采用AT89C51单片机为核心器件，主要由抛靶控制程序及击发控制程序、通讯接口、用户操作界面(显示器、键盘等)、自定义靶谱、多向靶谱、双多向靶谱和双向靶谱等组成；\n[0008] 所说的激光模拟子弹由自后至前依次安装在枪弹外壳的撞击击发组件、触发控制组件、充电电池、压片、电极和激光器组成；\n[0009] 所说的击发状态采集及无线发射装置安装在散弹枪枪管上，主要用于监测扳机扣动击发瞬间的动作状态，它由通过安装支架安装在一个柱管外壳内的天线、电路板、无线遥控发射器、单片机、压电陶瓷片及电源等组成，当扣动扳机时，枪管随枪膛一起产生的振动信号通过发射器的外壳、安装支架、印制电路板传递到压电陶瓷片上，压电陶瓷片将机械振动信号转换为电信号，该电信号依次经运放电路处理和单片机编码后送入遥控发射器，最后经天线向外发射无线电信号；\n[0010] 所说的声控器是将现场运动员的发令声音提取出来变成电信号的装置，由主话筒、副话筒、语音滤波器、阀值控制、声音时长检测和背景干扰声消除等组成。\n[0011] 实际应用中，根据上述内容研制的飞碟射击训练系统采用多媒体计算机及WindowsXP系统作为主要中文运行平台，由三维抛靶程序产生的三维抛靶动态影像通过多媒体投影机投影在大屏幕玻珠屏上，运动员手持装有激光模拟子弹和震动传感器的双管散弹真枪在距大屏幕玻珠屏前5～7米处瞄准目标，当运动员发出抛靶声音后，话筒将运动员的声音传入声控器，声控器将声音信号进行滤波、抗干扰处理，确认为抛靶信号后，传入中央控制器，中央控制器根据靶谱控制计算机播放相应的抛靶影像信号进行训练，同时击发状态采集发射装置将运动员击发信号通过无线发送到中央控制器进行处理，摄像机将银屏上的跟靶过程的影像采集回计算机中进行实时分析处理，供教练、运动员进行技术分析、诊断等，完成动态飞碟靶和散弹相对位置变化的飞碟射击项目的训练。\n附图说明\n[0012] 图1为本发明所述飞碟射击训练系统组成部分的工作原理图。\n[0013] 图2为中央控制器部分的控制流程图。\n[0014] 图3为激光模拟子弹的内部结构图。\n[0015] 图4为激光模拟子弹飞出示意图。\n[0016] 图5为激光模拟子弹流程图。\n[0017] 图6为击发状态采集发射装置的结构示意图。\n[0018] 图7为声控器流程图。\n具体实施方式\n[0019] 参见图1，本发明所述的计算机辅助飞碟射击训练系统主要由三维模拟抛靶部分、信息采集分析处理部分、中央控制器2、激光模拟子弹、内设击发状态采集及无线发射装置的散弹枪6、声控器1等六大部分组成，其各部分内容分别如下所述。\n[0020] 一、三维模拟抛靶部分\n[0021] 三维模拟抛靶部分包含硬件和软件两部分。硬件部分由多媒体计算机5、投影机\n10、由大屏幕玻珠屏构成的银幕11组成，计算机5输入端与中央控制器2的抛靶指令输出端联通，当接收到中央控制器2的抛靶指令信号后，通过投影机10将三维坐标变换的飞碟飞行轨迹影像投影在银幕11上。软件部分包括物体图形显示部分和飞碟飞行轨迹的数学描述两部分，它主要由Borland C++Builder 6.0和DirectX 9SDK编写，运行在Windows XP中文操作平台上。软件部分中的物体图形显示部分相对简单，有几何模型的建立、三维坐标变换、光照计算、纹理映射等；飞碟飞行轨迹的数学描述较复杂，除了要根据牛顿第二定律计算飞行轨迹外，还必须将空气阻力、自然风力、风向、重力加速度等因素参与运算，最终求出与实际非常接近的飞碟飞行轨迹，经中科院西安光机所在陕西省射击训练中心实地测试，其飞碟轨迹及即时速度符合实际要求。\n[0022] 二、信息采集分析处理部分\n[0023] 信息采集分析处理部分包含硬件和软件两部分。硬件部分由多媒体计算机4和摄像机9组成。软件部分由Borland C++Builder 6.0编写，运行在Windows XP中文操作平台上。在系统处于工作状态时，当中央控制器2传来相应的控制信号后，摄像机9将采集到的动态影像送到计算机4中，计算机4将每一帧的画面调入内存中进行图像滤波、图像二值化、边缘检测和确定激光束中心点等运算处理，将该点与上一激光束的中心点进行连接，以此类推，从而形成完整的跟靶轨迹曲线。在这个过程中，有击发信号时，在当前跟靶轨迹曲线位置上进行标注并计算从起始到击发的时间，以便用户查询。采集速率为30帧/秒，因此，运算程序必须在33毫秒内完成所有计算，否则会影响到轨迹曲线的精确度。图1中标号3为打印机。\n[0024] 三、中央控制器\n[0025] 中央控制器2采用AT89C51单片机为核心器件，其控制流程如图2所示，主要由控制程序、通讯接口、用户操作界面(显示器、键盘等)、自定义靶谱、多向靶谱、双多向靶谱和双向靶谱等组成。当控制程序接收到声控器传来的抛靶信号后，根据用户设定的抛靶靶谱经过换算后，通过通讯接口传到计算机进行相应的抛靶动作。当控制程序接收到震动传感器传来的信号后，通过通讯接口传到计算机进行相应的击发动作。靶谱根据中国射击协会\n2002年出版的《射击规则》中相关内容编写。\n[0026] 四、激光模拟子弹\n[0027] 激光模拟子弹的内部结构如图3所示：它由撞针击发组件71、电源开关72、控制组件73、充电电池74、压片75、电极76、调节螺钉77、激光器78以及外壳79等组成。激光模拟子弹的外型尺寸与12号比赛用枪弹相同，直接放入枪膛，撞针即是触发开关，同步性能良好。为了保护撞针内装橡胶垫，用来吸收撞针能量。为了解决激光速度与枪弹速度不同的问题，激光模拟子弹内装有由89LPC901微型单片机构成的控制组件，其电路工作电源由内装的可充电电池提供，充一次电可连续用4小时以上。实际应用中，把子弹置入枪膛后电源自动打开，当枪口对准银幕时，在银幕上即显示一低亮度激光点，扣动扳机激光点显示高亮。该激光点即为散弹的中心点。该激光点运动轨迹即为运动员的跟靶轨迹，高亮度激光点即为运动员的击发点。教练员可直观地观察到运动员跟踪碟靶和击发的状态。为保证真实的模拟实际枪弹的情况，在设计中就必须考虑子弹飞出到击中目标的时间，子弹飞出到击中目标的垂直落差，其运行轨迹如图4所示，图中枪口初速度由陕西省射击训练中心提供。\n[0028] 激光模拟子弹的流程图如图5所示，图中延时1为子弹到达目标的时间，延时2是为了保证让人的眼睛看到击中点。\n[0029] 五、击发状态采集及无线发射装置\n[0030] 击发状态采集及无线发射装置8的基本结构如图6所示，它主要由天线81、电路板\n82、无线遥控发射器83、单片机84、压电陶瓷片85、外壳86、安装支架87及电源88等组成。\n该装置灵敏度较高，可采集微小的机械震动信号，如枪机的击发等信号。使用时将该发射装置安装到枪管上，当扣动扳机时，枪管随枪膛一起产生振动信号，此信号通过发射器的外壳\n86、安装支架87、印制电路板82传递到压电陶瓷片85上，压电陶瓷片85将机械振动信号转换为电信号，再将振动电信号经运放电路处理，并经单片机84编码后送入遥控发射器83，最后经天线向外发射无线电信号。上述无线电信号可由无线遥控接收器接收，并经单片机解码，然后送入单片机进行进一步的处理。由于运动员对枪的重量、形状的变化非常敏感，因此，要求击发状态采集及无线发射装置必须轻巧，为此采用贴片元件进行设计，使之满足体积小巧(重量小于40克)的使用要求。\n[0031] 该击发状态采集及无线发射器8也可用于其它需采集微小机械振动信号的场合。\n[0032] 六、声控器\n[0033] 声控器是将现场运动员的发令声音提取出来变成电信号的一种装置，其工作原理如图7所示，由主话筒、副话筒、语音滤波器、阀值控制、声音时长检测和背景干扰声消除等组成。由于人说话的频率一般在400Hz～4kHz之间，为此在话筒前级加入400Hz～4kHz的带通滤波器，滤除口令信号以外的干扰信号。副话筒用于采集现场环境声音，经过阀值控制将高于一定阀值的信号与主话筒信号相减得到主话筒中实际需要的信号；一般运动员发出抛靶的声音将维持0.4秒以上，因此，在最后加入脉宽检测，将低于0.4秒的短暂信号(如子弹上枪的声音)剔除，加强抗干扰能力。