Оптико-электронная стрелковая мишень модульного типа Российский патент 2023 года по МПК G01B9/27 F41J5/02 

Предлагаемая оптико-электронная стрелковая мишень предназначена для использования в процессе тренировок и в проведении соревнований в соответствующих видах спорта, а также в развлекательных целях.

Данное изобретение относится к технике неподвижных и движущихся мишеней с системой определения попаданий фотоэлектрическим методом, а также с использованием инфракрасного излучения, и кроме того к технике использования свойств оптической проекции физических объектов для определения их пространственного положения в реальном масштабе времени.

Известен ряд оптико-электронных мишеней, например, LS25/50 LASERSCORE^® фирмы SIUS, которая содержит два вертикальных ряда фотоприемных линеек, выполненных в виде печатных плат по 280 дискретных фотоприемников в каждой, и расположенных по бокам плоскости мишени [1]. Аппаратурой мишени фиксируется положение теней, отбрасываемых пулей на поверхностях фотоприемных линеек для каждого из шести излучателей (по три с каждой стороны), что требует непрерывной коммутации источников излучения. Как следует из материала фирмы SIUS аппаратурой мишени производится 160000 циклов коммутации в секунду. Это позволяет получить шесть измерений координат теней, отбрасываемых пулей на фотоприемные линейки, фиксируемых с 6-ти ракурсов, т.е. от каждого из 6-ти источников излучения за время пролета пулей области мишени [2]. Недостатком данного технического решения по сравнению с предлагаемым является его высокая стоимость, связанная с использованием фотоприемных линеек большого габарита. Это в свою очередь требует применения многослойных печатных плат из-за большого количества сигнальных проводников, связывающих фотоприемники с вычислителем. Существенно, что в данной конструкции используется шесть, по три с каждой стороны, FPGA - программируемых логических интегральных схем, выполняющих роль вычислителя, и которые пришлось распределить по отдельным печатным платам. Кроме того, в такой измерительной схеме, точность измерения напрямую зависит от количества дискретных фотоприемников, и как следствие этого, ограничена размером печатных плат и минимальным шагом размещения на ней электронных компонентов.

Фирмой Megalink AS, представлено техническое решение, в котором пуля пересекает ряд световых полос, расположенных в корпусе мишени. Фотоприемные линейки, оптически сопряженные с каждой из полос, обнаруживают тени, отбрасываемые пулей. Измеренные при этом промежутки времени между пересечением полос используются для расчета скорости пули и ее положения [3]. Недостаток этого технического решения заключается в увеличенном размере корпуса электронной мишени, требуемом для размещения рядов световых полос и фотоприемных линеек.

Известна мишень, предложенная Институтом прикладной механики УрО РАН. Сущность этого изобретения заключается в том, что световая мишень содержит от четырех до шести световых экранов, каждый из которых установлен определенным образом по отношению к плоскости мишени и образован с помощью одного линейно протяженного источника - излучателя и одного оптически связанного с ним оптико-электронного преобразователя - приемника [4]. Как и в предыдущем техническом решении, существенный недостаток данного - большой глубинный размер мишени, ограничивающий ее специальным применением, не связанным со спортом.

В патенте US №5637866 от 10.06.1997 г. «Аппаратура и способ оптического обнаружения и электронного анализа местоположения снаряда в плоскости цели», предлагается наличие двух источников света, образующих две световые зоны, которые проходят между ними под определенным углом. Световые зоны охватывают плоскость цели, освещая снаряд, пересекающий плоскость цели, и отбрасывают тень снаряда на экран, предпочтительно рассеянный экран из матового стекла. Тень или изображение на экране детектируется фотодетектором с пространственным разрешением, а полученные таким образом сигналы затем анализируются следующим образом: отдельные тестовые сигналы от отдельных элементов фотодетектора интегрируются в течение одного цикла измерения, и полученные таким образом суммарные сигналы от отдельных элементов добавляются в окончательную сумму. Окончательная сумма сравнивается с эталонным значением, и в случае отклонения от эталонного значения определяется возможно потемневший элемент фотодетектора, и на основании этого делается вывод о местоположении снаряда в целевой плоскости [5].

Недостаток данного технического решения заключается в необходимости использования в качестве фотодетектора с пространственным разрешением скоростных матричных датчиков изображения. К сожалению, для получения несмазанного изображения оружейной пули, требуются высокие кадровая частота развертки и вычислительная мощность обработки цифрового потока, поступающего с датчика изображения. Сложность и стоимость такого технического решения слишком высока для широкого применения в спортивных мишенях.

Фирмой Dynetics, Inc. предложена электронная мишень, содержащая два быстродействующих датчика изображения оптически сопряженных с отражающими поверхностями, подсвечиваемых в свою очередь двумя источниками излучения. Появление теней на поверхности диффузных отражателей, образуемое при пролете пули, регистрируется датчиками изображения, связанными с вычислительным устройством, которое определяет ее положение [6]. Недостаток этого технического решения такой же, как и у предыдущего - высокая цена используемых в нем скоростных датчиков изображения и широкая полоса данных, подлежащих обработке вычислительным устройством в реальном времени, и, следовательно, высокая сложность и стоимость данной мишени.

Оптико-электронная мишень упомянутого выше производителя - SIUS (Швейцария) - LS10/LASERSCORE^® [7], имеет две фотоприемные линейки, подсвечиваемые соответственно двумя источниками излучения, при этом пересечение их световых потоков, образует плоскость фиксации попаданий, чувствительную к проходу пулей этой плоскости. Необходимости коммутации излучателей в этой конструкции нет, но, как и в предыдущем техническом решении, используются высокогабаритные печатные платы, что повышает стоимость электронной мишени, усложняет построение мишеней с большим размером плоскости фиксации попаданий. Данное техническое решение наиболее близко к предлагаемому авторами изобретению и является его прототипом.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение электронной схемы устройства, исключение в ней дорогостоящих быстродействующих БИС, с большим количеством контактов, а также возможность изготовления электронных мишеней различного типоразмера, используя однотипные базовые фотоприемные модули, последовательно стыкуемые друг с другом и охватывающие периметр плоскости фиксации попаданий. И что существенно, увеличение размера плоскости попаданий не влечет необходимости изменения габаритов печатных плат обработки сигналов, а только изменение их количества.

Функционирование предлагаемого устройства иллюстрируется следующими фигурами:

Фиг. 1. Функциональная схема устройства, где:

1 - модуль фиксации;

2 - линейный массив фотоприемников;

3 - однобитный вход данных;

4 - однобитный выход данных;

5 - вход-выход сигналов управления;

6 - провод связи соседних модулей фиксации 1;

7 - общая шина управляющего интерфейса;

8 - первый излучатель;

9 - второй излучатель;

10 - сенсорная область;

11 - пуля;

12 - теневой сектор первого излучателя 8;

13 - теневой сектор второго излучателя 9;

14 - вычислительное устройство.

На фиг. 2 приведена схема электрическая принципиальная модуля фиксации и передачи состояния локальных фотоприемников, где:

15 - фототранзисторы образующие линейный массив фотоприемников;

16 - микросхемы компараторов;

17 - программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС);

ph[0], ph[1]…ph[31], Din, clk, rst, load - входные сигналы ПЛИС;

Dout, inter_n - выходные сигналы ПЛИС.

На фиг. 3 приведено описание работы ПЛИС 17, на языке Verilog.

На фиг. 4 приведена временная диаграмма работы модуля фиксации 1 и вычислительного устройства 14, где:

11_t1, 11_t2, 11_t3, 11_t4, 11_t5 - пуля (11) в полете в моменты времени t1, t2, t3, t4, t5;

U_k - сигнал на коллекторном выводе фототранзистора и он же на неинвертирующем входе компаратора DA;

U_r - опорное напряжение компаратора DA;

load - сигнал загрузки состояний компараторов в регистр DTrig [31:0];

clk - импульс сдвига регистра reg_s[31:0];

rst - импульс обнуления регистра DTrig[31:0];

inter_n - импульс прерывания;

t_H - момент срабатывания компаратора 16;

t_K - момент возврата в исходное состояние компаратора 16.

На фиг. 5 приведен пример расположения шести модулей фиксации 1 и передачи для построения оптико-электронной мишени.

На фиг. 6 представлена 3D-модель практической реализации модуля фиксации 1 (полученная в среде проектирования Altium Designer).

Принцип работы оптико-электронной стрелковой мишени, функциональная схема которой приведена на фиг. 1, основан на определении координат точки пересечения теневых сегментов 12 и 13, образуемых при прохождении пулей 11 сенсорной плоскости 10 и пересечения ею световых потоков ψ₈ и ψ₉. Учитывая, что линейные массивы фотоприемников 2 оптически сопряжены с излучателями 8 и 9, в точках пересечения линейных массивов 2 с теневыми сегментами 12 и 13, происходит затенение фоточувствительных поверхностей соответствующих фотоприемников.

На фиг. 2 приведена функциональная схема модулей фиксации 1, количество которых и их расположение обеспечивает пересечение световых потоков ψ₈ и ψ₉ с поверхностью линейных массивов фотоприемников 2. Кроме того, световые потоки ψ₈ и ψ₉ должны охватывать сенсорную область

10, т.е. область в которой определяется координата точки попадания пули 11. Появление затенений 12 и 13 вызывает уменьшение коллекторных токов соответствующих фототранзисторов, и соответственно увеличение уровней напряжений на соответствующих неинертирующих входах компараторов 16 связанных со входами ПЛИС 17. При превышении этих уровней опорного напряжения Ur происходит изменение выходных сигналов компараторов 16, На фиг. 3 приведено описание функционирования ПЛИС 17 на языке описания аппаратуры Verilog. В данной программе, как пример, осуществляется обработка 32-х асинхронных входных сигналов ph[0]…ph[31] (input[31:0]ph), единичное состояние которых соответствует затенению соответствующего фототранзистора, а нулевое - их засветка. Эти сигналы и поступают на вход ПЛИС 17.

При этом их изменение с 0 в 1, вызывает соответствующее изменение состояния 32-битного регистра DTrig[31.0], что описано нижеследующим фрагментом:

Кроме того, сигнал rst осуществляет сброс регистра DTrig[i] в исходное состояние.

Нижеследующий фрагмент описывает аппаратную выработку сигнала прерывания inter_n:

Активный низкий уровень сигнала inter_n является «монтажным ИЛИ», объединяет все одноименные сигналы модулей фиксации 1 и образует один из сигналов, входящих в общую шину управляющего интерфейса 7 и поступает на вход выработки прерывания вычислительного устройства 14. А именно, появление низкого уровня inter_n хотя бы на выходе одного модуля фиксации 1, вызывает прерывание работы вычислительного устройства 14 и его переход к вводу информации, накопленной всеми модулями фиксации 1, входящими в состав оптико-электронной мишени.

Для обеспечения функционирования «монтажного ИЛИ», выход сигнала inter_n должен быть сконфигурирован в ПЛИС как выход с «открытым коллектором» / «Open_Drain».

Побитовый ввод информации в вычислительное устройство 14 осуществляется с выхода 4 устройства фиксации 1 по сигнальной линии 6.

На фиг. 4 приведена временная диаграмма взаимодействия вычислительного устройства 14 с модулями фиксации 1. А именно, вхождение движущейся пули в сенсорную область 10, вызывает изменение освещенности соответствующих фотоприемников 15 и изменение сигнала Uk (эпюра А). Превышении сигналом Uk порогового уровня напряжения Ur вызывает появление высокого уровня сигнала ph[i] и соответственно выработку сигнала прерывания inter_n (эпюра F). В ходе обработки прерывания, вычислительное устройство 14 вырабатывает сигнал load (эпюра С), который записывает состояние регистра DTrig[31:0] в сдвиговый регистр reg_s[31:0], реализуемое следующим фрагментом:

Далее, из вычислительного устройства 14 в общую шину управляющего интерфейса 7 поступает сигнальная последовательность импульсов clk (эпюра D), тактирующих ввод данных с выхода последнего в цепочке модуля 1, с одновременным сдвигом информации в сдвиговых регистрах reg_s всех модулей фиксации 1 оптической мишени.

Общее количество N импульсов clk равно:

N=m*l,

где: m - количество модулей 1 в мишени,

l - количество фотоприемников в модуле фиксации 1 (задаваемое длиной регистров DTrig и reg_s).

Итак, с каждым импульсом clk происходит сдвиг данных в сдвиговом регистре reg_s[31:0] с одновременной записью в него состояния входного сигнала Din (связанного с выходом Dout соседнего модуля фиксации проводом 6), и выдачу сигнала Dout (связанного с входом Din в второго соседнего модуля фиксации проводом 6), что описывается следующим фрагментом аппаратной реализации:

После завершения ввода данных вычислительное устройство 14 формирует импульс rst, обнуляющий регистры DTrig [31:0], подготавливая его к следующему циклу работы аппаратуры:

Таким образом, в состав общей шины управляющего интерфейса 7 входят четыре сигнала:

1-й: load - по которому осуществляется запись информации из регистра DTrig в регистр reg_s;

2-й: clk - по которому осуществляется потактовый сдвиг информации в регистре reg_s, с одновременным присвоением состояния Din в reg_s[31], а состояния reg_s[0] на Dout;

3-й: inter_n - активный низкий уровень которого («открытый коллектор»), информирует о наличии затенения по меньшей мере одного фотоприемника (и инициализирующий обработку прерывания вычислительного устройства 14);

4-й: rst - обнуление регистра DTrig.

Таким образом, в составе общей шины управляющего интерфейса 7 имеется четыре сигнала, распространяемых по отдельным физическим проводам и подключенных к параллельному интерфейсу вычислительного устройства 14. А однобитовый выход4 данных последнего модуля фиксации 1, ближайшего к вычислительному устройству 14, поступает по линии 6 на его последовательный вход. При этом сигналом синхронизации, по которому вычислительное устройство 14 вводит значение сигнала на своем последовательном входе, является сигнал clk, общий для всех модулей фиксации 1.

На фиг. 5 приведен пример выполнения оптико-электронной мишени, содержащей 6 модулей фиксации данных 1 и выполненной в виде П-образной конструкции.

На фиг. 6 показан пример практической реализации модуля фиксации 1 содержащего 32 фототранзистора KP-3216Р3С, 8 четырехканальных компаратора LM232DR и ПЛИС типа XC9572XL-10VQ64 (CPLD фирмы XILINX [8]). Для повышения разрешающей способности, модуль фиксации 1 содержит два линейных массива фотоприемников 2, расположенных параллельно и смещенных относительно друг друга на половину шага между фототранзисторами.

Вычислительное устройство может быть выполнено на основе микроконтроллера, имеющего аппаратный интерфейс SPI, например, ATmega328AU.

Источники информации

1. LS25/50 LASERSCORE. The fully optical target for 25m and 50m pistol and small bore rifle.

https://sius.com/en/product/ls25-50-laserscore-11/ (дата последнего обращения 07.10.2022 г.)

2. https://www.swissdis.ch/fileadmin/media/pdf-dokumente-2017/Polyscope_Bericht.pdf (дата последнего обращения 07.10.2022 г.)

3. Патент US №10175033 от 8.01.2019 г.

4. Патент РФ №2213320 от 24.06.2002 г.

5. Патент US №5637866 от 10.06.1997 г.

6. Патент US №6717684 от 6.04.2004 г.

7. Патент US №8570499 В2 от 8.01.2013 г.

8. XC9572XL High Performance CPLD Product Specification

https://docs.xilinx.com/v/u/en-US/ds057 (дата последнего обращения 07.10.2022 г.)

Изобретение относится к технике построения спортивных мишеней для тренировок и соревнований с использованием огнестрельного и пневматического оружия. Существенным отличием данного технического решения от существующих является возможность построения электронных мишеней с требуемым размером рабочего поля, используя базовые модули одного типа. Каждый из этих модулей содержит ограниченный набор фотоприемников, размещаемых оптически сопряженно с двумя источниками излучения, и содержит входной и выходной последовательные порты приема и передачи информации, а также интерфейс управления. Сигналы интерфейса управления каждого модуля фиксации связаны с вычислительным устройством, и при затенении хотя бы одного фотоприемника любого из модулей фиксации на линии прерывания формируется сигнал, поступающий на вход вычислительного устройства. Далее управляющие импульсы, формируемые вычислительным устройством, производят побитовый сдвиг зафиксированной в модулях информации от самого дальнего в цепочке модуля и до входа в вычислительное устройство. После полного ввода информации в память вычислительного устройства оно определяет координаты точки попадания пули в зону регистрации. Технический результат - упрощение электронной схемы устройства, исключение в ней дорогостоящих быстродействующих БИС с большим количеством контактов, а также возможность изготовления электронных мишеней различного типоразмера, используя однотипные базовые фотоприемные модули, последовательно стыкуемые друг с другом и охватывающие периметр плоскости фиксации попаданий. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптико-электронная стрелковая мишень модульного типа, содержащая два пространственно разнесенных источника излучения, пересечение оптических потоков которых охватывает зону регистрации точек попадания пули и оптически сопряженных с линейным массивом фотоприемников, а также вычислительное устройство, отличающаяся тем, что линейный массив фотоприемников расположен на отдельных модулях фиксации, каждый из которых содержит ограниченный набор фотоприемников, оптически сопряженных с двумя пространственно разнесенными источниками излучения, и содержит входной и выходной последовательные порты приема и передачи информации, а так же набор входных-выходных управляющих сигналов, причем управляющие сигналы всех модулей фиксации связаны общей шиной управляющего интерфейса и подключены к параллельному интерфейсу вычислительного устройства, при этом при затенении хотя бы одного фотоприемника любого из модулей фиксации формируется активный уровень одного из сигналов управляющего интерфейса, по которому вычислительное устройство формирует сигнальную последовательность на общей шине управляющего интерфейса, которая вызывает сдвиг накопленной в модулях фиксации информации с последовательного выхода каждого модуля фиксации на последовательный вход соседнего с ним модуля фиксации, причем выход модуля фиксации, ближайшего к вычислительному устройству, связан с последовательным входом данных вычислительного устройства, а далее, после ввода в вычислительное устройство накопленной в модулях фиксации информации, вычислительное устройство определяет координаты точки попадания пули в зону регистрации.

2. Оптико-электронная стрелковая мишень модульного типа по п.1, в которой фотоприемники, размещенные в модуле фиксации, подключены ко входам компараторов, выходы которых в свою очередь связаны со входам регистра данных, фиксирующего изменение освещенности фотоприемников от засвеченного в затемненное, и, кроме того, содержит схему логического ИЛИ входных сигналов с выходов компараторов, которая вырабатывает активный низкий логический уровень при по меньшей мере одном затемненном фотоприемнике, причем этот сигнал, объединен «монтажным ИЛИ» с аналогичными сигналами остальных модулей фиксации, и далее в виде одного из сигналов общей шины управляющего интерфейса поступает на вход прерывания вычислительного устройства, которое в свою очередь, в обработчике этого прерывания формирует сигнал записи содержимого регистров данных в регистры сдвига, поступающий одновременно на все модули фиксации, и затем вычислительное устройство формирует тактовые сигналы сдвига, также поступающие одновременно на все модули фиксации, которые побитно сдвигают содержимое сдвигового регистра в направлении последовательного входа данных вычислительного устройства, при этом в память вычислительного устройства вводятся зафиксированные в модулях фиксации состояния освещенности фотоприемников, причем после ввода последнего бита вычислительное устройство сигналом сброса устанавливает модули фиксации в исходное состояние.

3. Оптико-электронная стрелковая мишень модульного типа по п.1 или 2, модули фиксации которой содержат программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), в которой реализован элемент логического ИЛИ входных сигналов с выходов компараторов и поступающий с нее на вход прерывания вычислительного устройства, реализован регистр данных, фиксирующий изменение входных сигналов компараторов при изменении освещенности фотоприемников и сбрасываемый в исходное состояние по сигналу из вычислительного устройства, а также реализован сдвиговый регистр, запись в который осуществляется из регистра данных по внешнему сигналу из вычислительного устройства, а побитовый сдвиг осуществляется по тактовым сигналам, поступающим из вычислительного устройства.

4. Оптико-электронная стрелковая мишень модульного типа по п.1 или 3, в которой сигнал прерывания, сигнал сброса регистра данных, сигнал записи из регистра данных в регистр сдвига, а также сигнал тактирования регистра сдвига образуют сигналы управления модулей фиксации и подключены к общей шине, связывающей модули фиксации с параллельным интерфейсом вычислительного устройства.