Электронная шахматная доска и способ ее работы
ELECTRONIC CHESS BOARD AND METHOD OF ITS OPERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройствам для демонстрации шахматной игры и способам их работы и может быть использована для целей обучения искусству шахматной игры, например, путем анализа учеником совместно с преподавателем записанной шахматной партии; проведения шахматных партий между удаленными шахматистами посредством сети интернет (позволяет шахматисту не отвлекаться на работу с компьютером). Устройство также позволяет проводить трансляцию шахматных турниров посредством сети интернет, вести репортажи в режиме реального времени, удовлетворяя потребности сколь угодно многочисленной аудитории.
Уровень техники
Известно периферийное устройство для проведения шахматной игры с подключением к компьютеру (патент РФ на изобретение №2391127, кл. МПК A63F3/02, опубл. 10.06.2010), которое содержит шахматную доску, включающую корпус с шахматными клетками на игровой поверхности, на корпусе закреплена выходная часть USB-разъема, соединенная с USB-кабелем, в корпусе под каждой клеткой игровой поверхности размещен соответствующий датчик регистрации установки шахматной фигуры на шахматную клетку, соединенный через соответствующий преобразователь сигнала с выходной частью USB-разъема, в корпусе расположены контакты для источника постоянного напряжения, каждый преобразователь сигнала представляет собой генератор импульсов. Для проведения партии на доске выставляются шахматные фигуры соперников (игрока-человека и компьютера). Под соответствующими шахматными клетками игровой поверхности замыкаются контакты соответствующих датчиков регистрации установки фигуры на шахматную клетку. Соответствующие выводы генераторов импульсов срабатывают и импульсы с разными значениями частот с сигнальных выводов генераторов импульсов поступают на выводы выходной части USB-разъема периферийного устройства. С выхода периферийного устройства импульсный сигнал поступает в системный блок, где под управлением введенного ранее в него драйвера периферийного устройства преобразует импульсный сигнал в игровую информацию. В памяти системного блока компьютера запоминается, а на экране монитора отображается диспозиция начальной стадии шахматной игры. С каждым ходом игроков срабатывают разные генераторы импульсов, передающие свои сигналы в системный блок компьютера. Под действием поступающих сигналов срабатывает сначала драйвер, который снимает и передает текущую игровую информацию для шахматной программы, установленной в системном блоке компьютера. Она фиксирует перемещение конкретной шахматной фигуры. Эту операцию позволяют сделать датчики, первый из которых регистрирует факт начала перемещения фигуры, а второй регистрирует факт окончания ее перемещения. Эти данные запоминаются в памяти системного блока компьютера и отображаются на его мониторе.
Известно периферийное устройство для проведения настольной игры с подключением к компьютеру (патент РФ на изобретение №2594553, кл. МПК A63F3/02, опубл. 20.08.2016), которое содержит игровую доску с как минимум одной игровой поверхностью, разбитой на отдельные клетки, и игровые фигуры, оснащенные метками, содержащими уникальный идентификатор или цифровой код, записанный в соответствующих ячейках памяти метки. В корпусе игровой доски размещена одна или несколько печатных плат, на которой расположены антенны так, что они распределены под каждой клеткой, микроконтроллер, соединенный со специализированной микросхемой опроса меток, элемент питания, модуль беспроводной связи с компьютером или сервером, а на корпусе закреплена панель с индикаторами работы и разъемами для подключения зарядного устройства, съемных накопителей информации, компьютера, планшета, смартфона, шахматных часов или других регистраторов и кнопка включения устройства. Устройство работает следующим образом: перед проведением игры шахматную доску подключают к питанию, при этом активируется соединение с персональным компьютером. Расставляют фигуры для игры в шахматы с установленными в них метками (транспондерами RFID). Встроенный микроконтроллер, проведя сканирование игровой поверхности, формирует пакет информации о расположении фигур на доске, осуществляет их идентификацию. Если это начальная позиция игры, то микроконтроллер отправляет на компьютер сигнал о готовности к игре; в том случае, если игра продолжается, то сигнал о готовности к игре формируется после выполнения сравнения текущего состояния игровой ситуации и сохраненной копии протокола игры. Микроконтроллер постоянно сканирует игровую поверхность и определяет изменение положения фигур путем сравнения полученной информации с ранее сохраненным в памяти положением фигур. Изменение положения фигур на игровой поверхности, подтверждаемое сигналом фиксации сделанного хода с шахматных часов, записывается в протокол игры в памяти микроконтроллера как очередной ход с фиксацией времени его выполнения, новая запись в протоколе передается на компьютер или сервер в виде информационного пакета по соответствующему протоколу передачи данных. Полученная компьютером или сервером информация обрабатывается в соответствии с заданным алгоритмом. При этом ходы запоминаются в памяти компьютера или сервера, а на экране монитора отображается текущая стадия шахматной игры, выводится протокол игры и текущее время.
Недостатками представленных выше устройств и способов их работы являются:
- относительно невысокая достоверность определения положения шахматных фигур вследствие взаимовлияния множества колебательных систем, ограниченных небольшим пространством шахматной доски;
- относительно невысокая скорость определения фигур, особенно при блиц-шахматах, что значительно ухудшает качество трансляции за счет высокой технической задержки.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство для обнаружения игровых фигур на доске (патент US6168158, кл. МПК A63F3/02; A63F9/34, опубл. 02.01.2001), содержащее игровое шахматное поле, разделенное на квадраты, и шахматные фигуры, средство обнаружения возможного присутствия и типа шахматной фигуры на каждом квадрате, средство для генерации соответствующих сигналов обнаружения, которые включает в себя: резонансные катушки, расположенные в шахматных фигурах, и катушки удлиненной передачи и приема, расположенные под игровым полем, управляющее устройство и устройство обработки (компьютер). В основе принципа работы устройства стоит усилитель, в цепи положительной обратной связи которого стоит колебательная система, состоящая из приёмной и передающей катушек. При появлении в зоне данной колебательной системы, колебательного контура, (находящегося в фигурах) возникает условие возбуждения, возникают автоколебаия на частоте, соответствующей параметрам колебательного контура, находящегося в фигуре. Анализируя данные процессы, можно сделать вывод о наличии, типе или отсутствии фигуры в рассматриваемой системе.
К недостаткам данного изобретения относятся следующие.
1. Невысокая скорость определения и передачи в ЭВМ и сеть интернет информации о состоянии игровых полей, зависимость времени сканирования поля от числа одновременно подключенных к линии связи устройств.
2. Необходимость оставлять широкую полосу по периметру игрового шахматного поля, что увеличивает габаритные показатели и, соответственно, массу устройства.
3. Более низкая достоверность определения фигур на полях, при определённых комбинациях возникают ошибочные определения на пустых полях.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства демонстрации шахматной игры, позволяющего вести качественную трансляцию шахматной игры, особенно блиц-шахмат.
Технический результат – повышение достоверности определения положения шахматных фигур, особенно фигур, находящихся на краях или границах игровых полей, за счет значительного снижения паразитных взаимных влияний колебательных систем, а также применения алгоритмов обработки принятых сигналов, а также повышение скорости определения положения шахматных фигур и уменьшение технической задержки и, как следствие, повышение качества трансляции шахматной игры, особенно блиц-шахмат.
Указанный технический результат достигается тем, что электронная шахматная доска состоит из доски для игры в шахматы, по всему игровому полю которой распределена передающая катушка, которая имеет электромагнитную связь с приемными катушками, расположенными под каждым из игровых полей шахматной доски, соединенными с многоканальным аналоговым коммутатором, и далее с усилительным каскадом, амплитудным детектором, генератором, аналого-цифровым преобразователем и микроЭВМ, имеющей двустороннюю связь с блоком связи с внешней ЭВМ, причем внутри каждой шахматной фигуры расположен колебательный контур на ферритовом сердечнике.
Блок связи шахматной доски может быть выполнен проводным и связь с внешней ЭВМ может быть осуществлена с помощью линии связи.
Блок связи также может быть выполнен беспроводным, который осуществляет связь со внешней ЭВМ с помощью радиоканала множественного доступа.
Указанный технический результат также достигается тем, что способ работы электронной шахматной доски заключается в том, что передающая катушка излучает электромагнитные колебания одной из частот, общее количество которых определяется по числу типов игровых фигур, при этом в приемных катушках, являющихся частью колебательного контура, также возникают колебания, приемные катушки подключены к многоканальному аналоговому коммутатору, управляемому программой микроЭВМ, коммутатор работает таким образом, что в каждый момент времени к входу амплитудного детектора подключена только одна из приемных катушек, остальные приемные катушки замыкаются накоротко, причем резонансные частоты контуров, расположенных в шахматных фигурах, и частоты сканирования, излучаемые передающей катушкой, подобраны таким образом, что при наличии в поле приемной катушки соответствующего колебательного контура фигуры, содержащей указанный колебательный контур, наступает индукционный баланс, что приводит к резкому снижению амплитуды колебаний в приемной катушке; на выходе амплитудного детектора сигнал представляет собой уровень постоянного напряжения и преобразуется в цифровой вид в аналого-цифровом преобразователе, далее сигнал поступает на микроЭВМ, где определяется состояние поля - тип или отсутствие фигуры на данном поле, соответствующего приемной катушке, подключенной в данный момент времени, при этом анализируются параметры сигнала, процедура повторяется для каждой из приемных катушек на каждой частоте, после распознавания всех катушек информация о состоянии полей передаётся в блок связи и далее во внешнюю ЭВМ.
Общее количество частот электромагнитных колебаний, излучаемых передающей катушкой, может составлять двенадцать.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена форма и взаимное расположение катушек, приемных и передающих колебательных систем на игровом поле шахматной доски.
На фиг. 2 представлена функциональная схема, поясняющая принцип работы устройства.
На фигурах приняты следующие обозначения: 1 – передающая катушка, 2 – приемная катушка: 2-1…2-64 – приемные катушки соответствующего игрового поля шахматной доски, 3 – многоканальный аналоговый коммутатор, 4 – усилительный каскад, 5 – амплитудный детектор, 6 – генератор, 7 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 8 – микроЭВМ, 9 – блок проводной связи, 9-2 – блок беспроводной связи с внешней ЭВМ, 10 – линия связи с внешней ЭВМ, М – электромагнитная связь.
Осуществление изобретения
Изобретение представляет собой электронное устройство, состоящее из доски для игры в шахматы (в дальнейшем доска). По всему игровому полю доски распределена передающая катушка 1, которая имеет электромагнитную связь с приемными катушками 2-1…2-64, расположенными под каждым из 64 игровых полей шахматной доски, соединенными с многоканальным аналоговым коммутатором 3, и далее с усилительным каскадом 4, амплитудным детектором 5, генератором 6, аналого-цифровым преобразователем 7 и микроЭВМ 8, имеющей двустороннюю связь с блоком связи с внешней ЭВМ.
Блок связи может быть выполнен проводным 9, в этом случае связь с внешней ЭВМ осуществляется с помощью линии связи 10. В случае использования беспроводного блока связи 9-2 информация во внешнюю ЭВМ передается посредством, например, радиоканала множественного доступа.
Для выполнения устройством своей функции внутри каждой шахматной фигуры должен быть расположен колебательный контур на ферритовом сердечнике.
Доска подключается к внешней ЭВМ посредством цифрового порта (через блок проводной связи 9 и линию связи 10) или беспроводного соединения (через блок беспроводной связи 9-2) и позволяет передавать в ЭВМ комбинацию постановки фигур на шахматном поле для дальнейшей ее обработки и анализа, что позволяет записывать, анализировать и транслировать в сеть интернет в режиме реального времени (во время реальной игры) шахматную партию.
Электронная шахматная доска работает следующим образом.
Представленное изобретение работает по принципу индукционного баланса.
На фиг. 2 показана функциональная схема, поясняющая принцип работы устройства. Передающая катушка 1 распределена по всему игровому полю (см. фиг.1), излучает электромагнитные колебания, амплитуда и частота которых задана программой микроЭВМ 8, управление амплитудой осуществляется посредством усилительного каскада 4 и микроЭВМ 8, частота задаётся генератором 6, также управляемым микроЭВМ 8. Катушка 1 имеет электромагнитную связь М с приемными катушками 2-1…2-64, расположенными под каждым из 64 игровых полей. Внутри каждой шахматной фигуры расположен колебательный контур на ферритовом сердечнике.
Определение наличия или отсутствия, а также типа фигур на игровых полях осуществляется следующим образом: передающая катушка 1 излучает электромагнитные колебания одной из двенадцати частот (по числу типов шахматных фигур), при этом в приемных катушках 2-1…2-64, являющихся частью колебательного контура, также возникают колебания. Приемные катушки 2-1…2-64 подключены к многоканальному аналоговому коммутатору 3, управляемому программой микроЭВМ 8. Коммутатор 3 работает таким образом, что в каждый момент времени к входу амплитудного детектора 5 подключена только одна из 64 приемных катушек, остальные приемные катушки замыкаются накоротко, что обеспечивает минимизацию взаимных влияний колебательных систем.
Резонансные частоты контуров, расположенных в шахматных фигурах, и частоты сканирования (излучаемые передающей катушкой 1) подобраны таким образом, что при наличии в поле приемной катушки 2 соответствующего колебательного контура (фигуры, содержащей соответствующий колебательный контур) наступает индукционный баланс, что приводит к резкому снижению амплитуды колебаний в приемной катушке 2.
На выходе амплитудного детектора 5 сигнал представляет собой уровень постоянного напряжения и преобразуется в цифровой вид в аналогово-цифровом преобразователе 7. Далее сигнал поступает на микроЭВМ 8, где определяется состояние поля (тип или отсутствие фигуры на данном поле), соответствующего приемной катушке, подключенной в данный момент времени. При этом анализируются амплитуда приемного сигнала, заданный уровень передающего сигнала, заданная частота, очередность анализируемой катушки и частоты и др.
Процедура повторяется для каждой из приемных катушек на всех 12 частотах (по числу типов фигур). После распознавания всех катушек, информация о состоянии полей передаётся в блок связи 9 или 9-2. Блок связи 9 передаёт информацию во внешнюю ЭВМ посредством линии связи 10, в случае использования беспроводного блока связи 9-2 информация в ЭВМ передаётся посредством, например, радиоканала множественного доступа.
Регулирование амплитуды в передающем тракте позволяет значительно расширить динамический диапазон измерения, а также снизить требования к степени точности используемых в схеме элементов (путем записи в память микроЭВМ 8 калибровочных констант). Калибровочные константы записываются в память микроЭВМ 8 в автоматическом режиме перед вводом в эксплуатацию устройства.
В существующих решениях также используются свойства влияния колебательного контура на систему приемных и передающих  катушек. Как и любая система, содержащая множество колебательных систем, ограниченных небольшим пространством (в нашем случае, площадью шахматной доски), подвержена взаимовлиянию между ними (например, эффектом интерференции), что снижает достоверность определения (при некоторых комбинациях могут возникать ошибочные определения фигур).
Схемные решения и конструкция, примененные в предложенном изобретении, позволяют значительно снизить паразитные взаимные влияния колебательных систем, используемые алгоритмы обработки принятых сигналов повышают достоверность определения, что позволяет с высокой достоверностью определять фигуры, находящиеся на краях или границах игровых полей.
Электрическая схема устройства содержит коммутатор, подключающий по очереди, в каждый момент времени, только одну из 64 приемных катушек, замыкая накоротко все остальные приемные катушки, что значительно снижает паразитные взаимные влияния колебательных систем (более чем на 20 db).
Использованный способ определения (индукционного баланса) имеет острую резонансную характеристику, что позволяет на небольшом участке спектра применить все необходимые 12 частот для сканирования и использовать приемные катушки большей добротности для получения выраженного сигнала, этим обеспечивается высокая чувствительность и избирательность системы, что позволяет определять фигуры, стоящие на краю или границах игровых полей.
Конструкция устройства представляет собой шахматную доску с нишей для размещения электроники. Электронная часть конструкции представляет собой плату печатного монтажа, с одной стороны которой расположены приемные и передающие катушки. Обратная сторона печатной платы содержит все элементы электронной схемы и обеспечивает их соединение. Печатная плата ориентируется по рисунку игровых полей таким образом, чтобы границы приёмных катушек совпадали с границами соответствующих игровых полей, и фиксируется в нише корпуса. Электронная часть закрыта крышкой.
В описанном изобретении более высокая скорость определения и передачи в ЭВМ и сеть интернет достигается применением проводного блока связи 9 или беспроводного блока 9-2 (фиг. 2), имеющего в своем составе собственную микроЭВМ, что позволяет микроЭВМ 8, входящей в состав сканирующей системы, не отвлекаться на прием, обработку, подготовку и отправку информационных пакетов.
Отсутствие необходимости оставлять широкие поля по периметру полей и высокая достоверность определения обусловлены применением решения по устранения взаимных влияний путем шунтирования не измеряемых в текущий момент времени катушек. А также применения алгоритмов распознавания, применяющих калибровку каждого поля на каждой частоте.
Примеры реализации
Была изготовлена партия описанных устройств, которая в данный момент находится в опытной эксплуатации. При ее использовании подтверждены следующие временные, электрические и эксплуатационные характеристики:
- потребляемый ток от источника питания 12 вольт не более 70 миллиампер;
- время сканирования всего поля не более 200 миллисекунд;
- время от сделанного хода до отображения на сервере в сети интернет - около 0,7 секунды;
- зона на границах игровых полей, на которой фигура может быть не определена (при максимальном удалении фигуры от центра,) - не более 5 мм.
Таким образом, при реализации заявленного устройства и способа достигается заявленный технический результат, а именно: повышение достоверности определения положения шахматных фигур, особенно фигур, находящихся на краях или границах игровых полей, а также повышение скорости определения положения шахматных фигур и уменьшение технической задержки и, как следствие, повышение качества трансляции шахматной игры, особенно блиц-шахмат.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного устройства и способа его работы не известна из уровня техники и значит соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного устройства для демонстрации шахматной игры, и поэтому оно соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».