УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДЕЙСТВИЙ СПОРТСМЕНА НА ДИСТАНЦИИ Российский патент 1995 года по МПК A63B69/00 

Изобретение относится к спортивной технике и может быть использовано для регистрации и анализа действий спортсменов на тренировках и соревнованиях, например, для регистрации и анализа действий легкоатлетов, футболистов, кроссменов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для регистрации действий спортсмена на дистанции [1], которое выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство содержит контактный ключ, закрепленный в обуви спортсмена. Во время опоры на ногу контактный ключ замыкается и подается управляющее напряжение в модулятор радиопередатчика, носимого спортсменом. Радиопередатчик генерирует высокочастотное колебание только во время опоры спортсмена на ногу. Высокочастотные колебания излучаются в эфир закрепленной на спортсмене антенной. Эти колебания принимаются радиоприемником, расположенным на стадионе, демодулируются оконечным регистратором, например ондулятором. На ленте ондулятора в виде импульсов записывается число опор спортсмена на одну из ног. Длительность импульса определяется продолжительностью опоры на эту ногу. Тренеры после окончания записи расшифровывают ондулограмму, оценивают скорость движения спортсмена, его технику преодоления дистанции, равномерность распределения сил и т.п.

Для снижения массы и энергопотребления носимой аппаратуры радиопередатчик излучает колебания только в моменты начала и конца опоры на ноги. При этом для разницы в регистрирующей аппаратуре этих моментов длительности генерируемых импульсов выбраны различными.

Однако указанное устройство не обеспечивает возможности для передачи номера спортсмена и его пеленгации в процессе движения.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем передачи номера спортсмена, точной и однозначной пеленгации его в процессе движения.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - принцип пеленгации спортсмена фазовым методом; на фиг.3 и 4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для регистрации действий спортсмена на дистанции содержит контактный элемент 1 со средствами крепления на обуви спортсмена, первую дифференцирующую цепь 2, первый ждущий мультивибратор 3, инвертор 4, второй ждущий мультивибратор 5, элемент ИЛИ 6, амплитудный манипулятор 7, генератор 8 модулирующего кода, усилитель 9 низкой частоты, фазовый манипулятор 10, радиопередатчик 11, передающую антенну 12, первую 13, вторую 14 и третью 15 приемные антенны, первый 16, второй 17 и третий 18 радиоприемники, гетеродин 19, смеситель 20, усилитель 21 промежуточной частоты, амплитудный детектор 22, вторую дифференцирующую цепь 23, первый триггер 24, удвоитель 25 частоты, первый узкополосный фильтр 26, делитель 27 частоты на два, частотный детектор 28, второй триггер 29, балансный переключатель 30, первый фазовый детектор 31, первый 32 и второй 33 перемножители, второй 34 и третий 35 узкополосные фильтры, второй 36 и третий 37 фазовые детекторы, регистрирующий прибор 38. Причем к выходу контактного элемента 1 последовательно подключены дифференцирующая цепь 2, инвертор 4, ждущий мультивибратор 5, элемент ИЛИ 6, второй вход которого через ждущий мультивибратор 3 соединен с выходом дифференцирующей цепи 2, амплитудный манипулятор 7, фазовый манипулятор 10, второй вход которого через последовательно включенные генератор 8 модулирующего кода и усилитель 9 низкой частоты соединен с выходом дифференцирующей цепи 2, радиопередатчик 11 и передающая антенна 12. К выходу антенны 13 последовательно подключены радиоприемник 16, смеситель 20, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 19, усилитель 21 промежуточной частоты, амплитудный детектор 22, дифференцирующая цепь 23, триггер 24 и регистрирующий прибор 38. К выходу усилителя 21 промежуточной частоты последовательно подключены удвоитель 25 частоты, узкополосный фильтр 26, делитель 27 частоты на два, частотный детектор 28, триггер 29, балансный переключатель 30, второй вход которого соединен с выходом делителя 27 частоты на два, и фазовый детектор 31, второй вход которого соединен с выходом усилителя 21 промежуточной частоты, а выход подключен к второму входу регистрирующего прибора 38. К выходу антенны 14(15) последовательно подключены радиоприемник 17(18), перемножитель 32(33), второй вход которого соединен с выходом усилителя 21 промежуточной частоты, узкополосный фильтр 34(35) и фазовый детектор 36(37), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 19, а выход подключен к третьему (четвертому) входу регистрирующего прибора 38.

Устройство работает следующим образом.

Установленный в обуви спортсмена контактный элемент 1 вырабатывает потенциальный сигнал при опоре спортсмена на одну из ног (фиг.3а). Длительность Т_о сигнала определяется продолжительностью опоры. Этот сигнал преобразуется дифференцирующей цепью 2 в два коротких импульса разной полярности, соответствующих началу и концу потенциального сигнала (фиг.3б). Положительный короткий импульс соответствует моменту начала опоры спортсмена на ногу, а отрицательному короткому импульсу соответствует окончание опоры спортсмена на эту ногу. Положительный короткий импульс поступает на входы ждущего мультивибратора 3 и генератора 8 модулирующего кода, запуская их. При этом ждущий мультивибратор 3 генерирует одиночный положительный импульс длительностью τ₁ (фиг.3в), а генератор 8 модулирующего кода генерирует прямоугольные импульсы разной полярности (фиг.3з). Отрицательный короткий импульс (фиг.3б) инвертируется инвертором 4 (фиг.3г) и поступает на вход ждущего мультивибратора 5, который вырабатывает импульс длительностью τ₂ (фиг. 3д). Времязадающие элементы ждущих мультивибраторов 3 и 5 выбраны таким образом, что длительность τ₂ существенно меньше длительности τ₁, например, в 2-3 раза. Длительность τ₂ определяется полосой пропускания используемого в устройстве тракта радиопередатчик-радиоприемник.

С выходов ждущих мультивибраторов 3 и 5 прямоугольные импульсы подаются на соответствующие входы элемента ИЛИ 6, который выполняет роль сумматора импульсных сигналов. В результате на выходе элемента ИЛИ 6 будет действовать импульсная последовательность, состоящая из чередующих импульсов длительностью τ₁ и τ₂ (фиг.3е). Причем импульсу длительностью τ₁ соответствует момент начала опоры спортсмена на ногу, а импульсу длительностью τ₂ - окончание опоры спортсмена на эту ногу.

Амплитудный манипулятор 7 заполняет эти прямоугольные импульсы высокочастотным сигналом (фиг. 3ж). Указанный сигнал поступает на первый вход фазового манипулятора 10, на второй вход которого подается модулирующий код М(t) (фиг. 3з) через усилитель 9 низкой частоты. В фазовом манипуляторе 10 осуществляется манипуляция фазы высокочастотного сигнала в соответствии с модулирующим кодом М(t), в котором закодирована информация о номере спортсмена. На выходе фазового манипулятора 10 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал (фиг.3и).

U_c(t)=U_с ˙cos[ ω_ct+ ϕ_k(t)+ ϕ_c], 0 ≅ t ≅ τ₁, где U_c, ω_c , ϕ_c, τ₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;
ϕ_k (t) = 0, π- манипулируемая составляющая фазы сигнала, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М(t), причем ϕ_k(t)= const при K τ_э<t<(K+1) τ_э и может изменяться скачком при t=K τ_э,т.е. на границах между элементарными посылками (K=1,2,...,N-1);
τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью
τ₁ ( τ₁ = N ˙ τ_э ) .

Радиопередатчик 11 усиливает сигнал U_c(t) до уровня, необходимого для организации связи на заданном участке местности и через антенну 12 излучает его в эфир.

Принимаемые ФМн сигналы:
U₁(t)=U_c ˙cos[ ω_ct+ ϕ_k(t)+ ϕ₁],
U₂(t)=U_c ˙cos[ ω_ct+ ϕ_k(t)+ ϕ₂],
U₃(t)=U_c ˙cos[ ω_ct+ ϕ_k(t)+ ϕ₃], 0 ≅ t ≅ τ₁, где ϕ₁ , ϕ₂ , ϕ₃ - начальные фазы сигналов с выходов приемников 16-18 поступают на первые входы смесителя 20, перемножителей 32 и 33 соответственно. На второй вход смесителя 20 подается напряжение гетеродина 19
U_o(t)= U_o^.cos( ω_o t + ϕ_o), где U_o, ω_o , ϕ_o - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина. На выходе смесителя 20 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 21 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты
U_пр1(t)=U_пр^. соs[ ω_прt+ ϕ_k(t)+ ϕ_пр],
0 ≅ t ≅ τ₁,
U_пр2(t)=U_пр^. cos[ ω_прt+ ϕ_пр],
0 ≅ t ≅ τ₂, где U_пр = K₁U_c·U_o ;
K₁ - коэффициент передачи смесителя;
ω_пр = ω_c - ω_o - промежуточная частота;
ϕ_пр = ϕ₁ - ϕ_o. Фазоманипулированный сигнал U_пр1(t) и радиоимпульс U_пр2(t) длительностью τ₂ (фиг.4а) с выхода усилителя 21 промежуточной частоты поступают на вход амплитудного детектора 22, который выделяет их огибающие (фиг.4б), представляющие собой последовательность прямоугольных импульсов длительностью τ₁ и τ ₂. Указанные импульсы поступают на вход дифференцирующей цепи 23, которая фиксирует передние и задние фронты входных импульсов в виде коротких остроконечных импульсов соответственно положительной и отрицательной полярности. Первый положительный импульс, поступая на установленный вход триггера 24, устанавливает его в единичное состояние. Второй положительный импульс переводит триггер 24 в исходное состояние. На выходе триггера 24 формируется прямоугольный импульс длительностью Т_о (фиг. 4г). Следовательно, триггер 24 находится в единичном состоянии только в момент опоры спортсмена на ногу. Прямоугольный импульс с выхода триггера 24 поступает на первый вход регистрирующего прибора 38, где регистрируется в любой требуемой форме. Например, если в качестве регистрирующего прибора 38 применить ондулятор, то на его ленте будут записываться импульсы опоры спортсмена на одну из ног.

Необходимым условием когерентного приема и синхронного детектирования ФМн сигнала является наличие в точке приема опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте принимаемого сигнала. В предлагаемом устройстве опорное напряжение выделяется непосредственно из принимаемого ФМн сигнала.

Принимаемый ФМн сигнал промежуточной частоты U_пр1(t) (фиг.4а) с выхода усилителя 21 промежуточной частоты поступает на информационный вход фазового детектора 31 и на вход удвоителя 25 частоты. Так как 2 ϕ_k(t)=0,2π , то в выходном напряжении удвоителя 25 частоты (фиг.4д)
U₄(t)=U_ср^. cos2[ ω_ct+ ϕ_k(t)+ ϕ₁]=
= U_ср^.cos2[ ω_ct+ ϕ₁], 0 ≅ t ≅ τ₁; манипуляция фазы уже отсутствует. Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 26, а затем делится по частоте на два в делителе 27 частоты (фиг.4е)
U₅(t)= U_ср^. cos( ω_ct+ ϕ₁), 0 ≅ t ≅ τ₁; Фаза полученного напряжения может иметь два устойчивых значения ϕ₁ и ϕ₁+ π . Это легко показать аналитически. Если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π , что не изменяет исходного напряжения, то после деления на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π :
U(t)= U_ср·cos = U_ср·cos(ω_ct+ϕ₁+π). Следовательно, двузначность фазы полученного напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность фазы объясняется неустойчивой работой делителя 27 частоты на два, которая приводит к явлению обратной работы устройства. Сущность обратной работы обусловлена скачкообразными переходами фазы опорного напряжения из одного состояния ϕ₁ в другое ϕ₁+ π под действием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов. Эти переходы за время приема ФМн сигнала происходят в случайные моменты времени (например, t₁ t₂). При этом на выходе фазового детектора 31 выделяется искаженный аналог модулирующего кода М(t) (фиг.4ж).

Для устранения явления обратной работы используются частотный детектор 28, триггер 29 и балансный переключатель 30. При скачкообразном изменении опорного напряжения на 180^о в момент времени t₁ (фиг.4е) на выходе частотного детектора 28 появляется положительный короткий импульс, а при скачке фазы на -180^о в момент времени t₂ (возвращение фазы опорного напряжения в первоначальное состояние) - отрицательный импульс (фиг.4з). Знакочередующие импульсы с выхода частотного детектора 28 управляют триггером 29, выходное напряжение которого, в свою очередь, управляет работой балансного переключателя 30.

В устойчивом состоянии, когда фаза опорного напряжения совпадает, например, с нулевой фазой принимаемого ФМн сигнала, на выходе триггера 29 образуется отрицательное напряжение и балансный переключатель 30 находится в своем первоначальном положении, при котором опорное напряжение поступает с выхода делителя 27 частоты на два на опорный вход фазового детектора 31 без изменения.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180^о, обусловленном, например, неустойчивой работой делителя 27 частоты на два под действием помех, триггер 29 положительным импульсом с выхода частотного детектора 28 переводится в другое устойчивое состояние. При этом выходное напряжение триггера 29 в момент времени t₁ cтановится и остается положительным до очередного скачка фазы в момент времени t₂, который возвращает фазу опорного напряжения в первоначальное состояние.

Положительное выходное напряжение триггера 29 (фиг.4и) переводит балансный переключатель 30 в другое устойчивое состояние, при котором опорное напряжение с выхода делителя 27 частоты на два поступает на опорный вход фазового детектора 31 с изменением фазы на 180^о. Это позволяет устранить нестабильность фазы опорного напряжения, вызванную скачкообразным ее изменением под действием помех и связанную с ней обратную работу. Следовательно, частотный детектор 28 обеспечивает обнаружение момента возникновения обратной работы, а триггер 29 и балансный переключатель 30 устраняют ее.

Полученное таким образом гармоническое напряжение U₅(t) (фиг.4к) со стабильной фазой используется в качестве опорного и подается на опорный вход фазового детектора 31, на информационный вход которого поступает принимаемый ФМн сигнал U_пр1(t). На выходе фазового детектора 31 образуется низкочастотное напряжение (фиг.4л)
U_н(t)=U_н^.сos ϕ_k(t), где U_н = K₂·U2п

При этом каждый спортсмен имеет свой модулирующий код M(t), который соответствует его номеру.

Пеленгация спортсмена осуществляется фазовым методом, которому свойственно противоречие между требованиями точности измерений и однозначности отсчета угла. Действительно, согласно формуле
Δϕ=2π sinγ, где d - измерительная база,
λ - длина волны,
γ - угол прихода радиоволн, фазовая система тем чувствительнее к изменению угла γ , чем больше относительный размер базы d/λ . Однако с ростом d/λ уменьшается значение угловой координаты γ , при котором разность фаз Δ ϕ превосходит значение 2 π, т.е. наступает неоднозначность отсчета.

В предлагаемом устройстве для устранения указанного противоречия используются две измерительные базы. При этом меньшая база d₁ образует грубую, но однозначную шкалу отсчета, а большая база d₂ точную, но неоднозначную шкалу отсчета. Между относительными размерами измерительных баз устанавливается следующее соотношение:
< < . Напряжение U_пр1(t) с выхода усилителя 21 промежуточной частоты одновременно поступает на вторые входы перемножителей 32 и 33, на выходах которых образуются гармонические напряжения:
U₆(t)=U₁^.cos( ω_ot+ ϕ_o+ Δ ϕ₁),
U₇(t)=U₁^.cos( ω_ot+ ϕ_o+ Δ ϕ₂), 0 ≅ t ≅ τ₁, где U₁ = K₃·U_c·U_пр ,
K₃ - коэффициент передачи перемножителей:
- фазовые сдвиги, определя-
ющие направление на источ-
ник излучения. Указанные напряжения выделяются узкополосными фильтрами 34 и 35 и поступают на первые входы фазовых детекторов 36 и 37, на вторые входы которых подается напряжение U_o(t) с выхода гетеродина 19.

На выходах фазовых детекторов 36 и 37 образуются постоянные напряжения:
U_н1=U₂^.sin Δ ϕ₁,
U_н2=U₂^.sin Δ ϕ₂ где U₂ = K₂·U₁·U_o ,
Δϕ₁= 2π sinγ, Δϕ₂= 2π sinγ, которые фиксируются регистрирующим прибором 38.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает передачу, прием и регистрацию номера спортсмена, точную и однозначную пеленгацию его в процессе движения по дистанции. Точная и однозначная пеленгация спортсмена достигается за счет использования трех приемных антенн и двух измерительных баз, между относительными размерами которых устанавливается следующее соотношение:
< < . При этом меньшая база d₁ образует грубую, но однозначную шкалу отсчета, а большая база d₂ - точную, но неоднозначную шкалу отсчета. Пеленгация спортсмена осуществляется на фиксированной частоте ω_o кварцованного гетеродина 19, что исключает влияние нестабильности несущей частоты принимаемых ФМн сигналов на результаты пеленгации. Следует также отметить, что предлагаемый пеленгатор инвариантен к виду модуляции принимаемых сложных сигналов. За счет свертки спектра принимаемых ФМн сигналов повышается чувствительность фазового пеленгатора. Тем самым функциональные возможности устройства расширены.

Сущность изобретения: устройство содержит один контактный элемент 1 со средствами крепления на обуви спортсмена, две дифференцирующие цепи 2 и 23, два ждущих мультивибратора 3 и 5, инвертор 4, элемент ИЛИ 6, амплитудный манипулятор 7, генератор 8 модулирующего кода, усилитель 9 низкой частоты, фазовый манипулятор 10, радиопередатчик 11, передающую антенну 12, три приемных антенны 13 - 15, три радиоприемника 16 - 18, гетеродин 19, смеситель 20, усилитель 21 промежуточной частоты, амплитудный детектор 22, триггеры 24 и 29, удвоитель 25 частоты, делитель 27 частоты на два, частотный детектор 28, балансный переключатель 30, три фазовых детектора 31, 36, 37, перемножители 32 и 33, регистрирующий прибор 38, три узкополостных фильтра 26, 36, 37. 4 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДЕЙСТВИЙ СПОРТСМЕНА НА ДИСТАНЦИИ, содержащее последовательно включенные контактный элемент со средствами крепления в обуви спортсмена, первую дифференцирующую цепь, подключенную к входам первого ждущего мультивибратора и инвертора, элемент ИЛИ, входами подключенный к выходам первого и второго ждущих мультивибраторов, причем вход последнего соединен с выходом инвертора, амплитудный манипулятор, подключенный к выходу элемента ИЛИ, радиопередатчик с передающей антенной, последовательно включенные первую приемную антенну и первый радиоприемник, последовательно соединенные амплитудный детектор, вторую дифференциальную цепь, первый триггер и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что в него дополнительно введены генератор модулирующего кода, усилитель низкой частоты, фазовый манипулятор, последовательно включенные вторая и третья приемные антенны и второй и третий радиоприемники, смеситель, гетеродин, усилитель промежуточной частоты, удвоитель частоты, первый, второй и третий узкополосные фильтры, делитель частоты на два, второй триггер, балансный переключатель, первый, второй и третий фазовые детекторы, первый и второй перемножители, частотный детектор, причем выход первой дифференцирующей цепи через последовательно соединенные генератор модулирующего кода, усилитель низкой частоты и фазовый манипулятор подключен к входу радиопередатчика, при этом второй вход фазового манипулятора соединен с выходом амплитудного манипулятора, а выход первого радиоприемника через смеситель и усилитель промежуточной частоты подключен к входу амплитудного детектора, вход которого соединен с удвоителем частоты, первыми входами первого и второго перемножителей и первым входом первого фазового детектора, выходом подключенного к второму входу регистрирующего прибора, третий и четвертый входы которого подключены к выходам второго и третьего фазовых детекторов, первые входы которых подключены к выходу гетеродина и второму входу смесителя, при этом радиоприемники соединены с первым и вторым перемножителями и через второй и третий узкополосные фильтры подключены к вторым входам второго и третьего фазовых детекторов, причем выход удвоителя частоты через последовательно соединенные первый узкополосный фильтр, делитель частоты на два, частотный детектор, второй триггер и балансный переключатель подключен к второму входу первого фазового детектора, а второй вход балансного переключателя соединен с выходом делителя частоты на два.