ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА
MEASURING OBJECT MOTION CHARACTERISTICS

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для измерения или определения характеристик движения объекта или объекта и мяча посредством детектирования изменений в пучках как, например, прерывания пучков электромагнитных волн, при этом объектом является край или проецированный край ударной поверхности орудия. Изобретение особенно, но не исключительно относится к способу и устройству для измерения или определения характеристик движения по существу прямого края или плоской поверхности, как, например, переднего края или ударной поверхности клюшки для игры в гольф. Кроме того, изобретение особенно, но не исключительно относится к способу и устройству для измерения или определения характеристик движения мяча, по которому ударили по существу прямым краем или плоской поверхностью как, например, мяча для игры в гольф, по которому ударили ударной поверхностью клюшки для игры в гольф.
Из предшествующего уровня техники известны различные устройства, которые предназначены для измерения определенных характеристик движения ударных поверхностей клюшек для игры в гольф и мячей для игры в гольф посредством детектирования прерывания пучков электромагнитных волн.
В патентах США № 4150825 на имя Уильсона, 4542906 на имя Такасе и др., 5333874 на имя Арнольда и др., 5481355 на имя Иидзима и др. и 5626526 на имя Пао и др., во всех описываются устройства, которые, как утверждается, измеряют определенные характеристики движения мяча для игры в гольф, проходящего через один или большее число по существу вертикальных, плоскостных рядов оптических пучков, и датчики, расположенные по ходу на сравнительно коротком расстоянии от исходного положения мяча.
В патенте США № 4254956 на имя Руснака описывается устройство, которое, как говорится, измеряет определенные характеристики движения тени от головки клюшки для игры в гольф, проходящей над матом, который содержит горизонтальный плоскостной ряд оптических датчиков, при этом тень создается единственной верхней лампой, которая отбрасывает по существу вертикальные оптические пучки. Это устройство служит также средством для определения вертикальной высоты клюшки для игры в гольф.
В патенте США № 4630829 на имя Уайта описывается устройство, которое, как утверждается, измеряет скорость головки клюшки для игры в гольф, проходящей через две пары по существу горизонтальных, поперечных оптических пучков.
В патенте США № 6302802 на имя Пао описывается устройство, которое, как говорится, измеряет определенные характеристики движения мяча для игры в гольф и головки клюшки для игры в гольф, проходящих через единственный плоскостной ряд оптических пучков, и датчики, расположенные по ходу на сравнительно коротком расстоянии от исходного положения мяча. Плоскостной ряд оптических пучков ориентирован под углом, который является средним между горизонталью и вертикалью. Все измерения проводятся после завершения удара и контакта между клюшкой и мячом, когда клюшка уже не обладает характеристиками, относящимися к удару.
Ни в одном из этих описаний прототипов не описывается устройство, которое может точно измерить важные характеристики движения ударной поверхности клюшки для игры в гольф или ударной поверхности клюшки для игры в гольф и мяча. В настоящем изобретении предпринимается попытка устранить многие из недостатков, присущих предшествующему уровню техники.
Изобретение, в частности, определено в прилагаемой формуле изобретения на способ и устройство, которая инкорпорирована в описание изобретения в качестве отсылки.
Настоящее изобретение связано с пониманием того, что различные характеристики движения объекта, движущегося в плоскости, могут быть определены по прерыванию или восстановлению пучков в той плоскости, где пучки расположены под разными углами друг к другу. Кроме того, пучки могут быть расположены под острыми углами к направлению движения или намеченному направлению движения.
Один аспект изобретения связан с пониманием того, что относительное направление и относительная скорость объекта, движущегося в плоскости, могут быть определены по продолжительности - и разностям продолжительностей - между прерываниями в двух парах параллельных пучков в той плоскости, где эти пары пучков расположены под разными относительными углами, при условии, что имеется определенное знание относительно формы той части объекта, которая первая прерывает пучки.
Дополнительный аспект изобретения связан с пониманием того, что относительный угол и относительное смещение по существу прямого края, движущегося в плоскости, могут быть определены по продолжительностям - и разностям продолжительностей - между прерываниями множества пучков в той плоскости, где, по меньшей мере, три или четыре пучка расположены под разными относительными углами друг к другу, при условии, что имеется определенное знание относительно формы той части объекта, которая первая прерывает пучки.
Еще один аспект изобретения связан с пониманием того, что относительное направление и относительная скорость объекта, движущегося в плоскости, могут быть определены по продолжительностям - и разностям продолжительностей - между прерываниями и восстановлениями двух пучков в той плоскости, где пучки расположены под разными относительными углами, при условии, что имеется определенное знание относительно формы той части объекта, которая первая прерывает и первая восстанавливает пучки.
В приложении к взмаху при игре в гольф первый указанный аспект изобретения связан с пониманием того, что относительное направление и относительная скорость движущегося мяча или движущейся ударной поверхности клюшки для игры в гольф, проецированные на по существу горизонтальную плоскость, могут быть определены по продолжительностям - или разностям продолжительностей - между прерываниями в двух парах параллельных пучков в той плоскости, где пары пучков расположены под разными относительными углами.
Второй указанный аспект изобретения связан с пониманием того, что относительный угол и относительное смещение движущейся ударной поверхности клюшки для игры в гольф, проецированные на по существу горизонтальную плоскость, могут быть определены по продолжительностям - или разностям продолжительностей - между прерываниями множества пучков в той плоскости, где, по меньшей мере, три или четыре пучка расположены под разными относительными углами друг к другу.
Третий указанный аспект изобретения связан с пониманием того, что относительное направление и относительная скорость движущегося мяча для игры в гольф, проецированные на по существу горизонтальную плоскость, могут быть определены по продолжительностям - и разностям продолжительностей - между прерываниями и восстановлениями двух пучков в той плоскости, где пучки расположены под разными относительными углами.
Необходимо учесть, что во всем этом описании изобретения и в прилагаемой формуле изобретения характеристики движения, которые проявляются в трех измерениях, могут быть показаны и математически обработаны в виде проекций на двухмерную плоскость, которая иногда называется общей плоскостью. В предпочтительном варианте выполнения устройства, которое измеряет характеристики движения мяча для игры в гольф и ударной поверхности клюшки для игры в гольф, бóльшая часть характеристик движения рассматривается в качестве проекций на общую горизонтальную плоскость. Кроме того, рассчитывается вертикальная составляющая характеристик движения, но отдельным средством.
Теперь изобретение будет конкретнее описано со ссылкой на сопровождающие чертежи на фиг.1-10(b), на которых только в качестве примера показан вариант осуществления изобретения, подходящий в качестве устройства для измерения характеристик движения ударной поверхности клюшки для игры в гольф и мяча для игры в гольф, по которому ударили ударной поверхностью клюшки для игры в гольф.
Описание чертежей
Фиг.1 - схематический вид сверху области детектирования устройства, подходящего для измерения характеристик движения ударной поверхности клюшки для игры в гольф и мяча для игры в гольф и содержащего средство излучения пучков и средство детектирования пучков. Кроме того, на этой фигуре показан мяч для игры в гольф, находящийся в положении до удара по нему клюшкой, а также показана воображаемая линия и стрелка, отображающие намеченное направление движения мяча справа налево. Средство излучения, показанное в верхней части фигуры, излучает пять пар пучков, которые детектируются средством детектирования, показанным в нижней части этой фигуры. Каждая пара пучков представляет собой два пучка с обратными углами, которые пересекаются на линии намеченного направления движения мяча. На этой фигуре каждый пучок имеет опознавательное обозначение, и эти обозначения приведены в нижней части фигуры для пучков, излучаемых в переднем направлении, и в верхней части фигуры для пучков, излучаемых в обратном направлении.
Для удобства во всем этом описании изобретения и в прилагаемой формуле изобретения углы к намеченному направлению, которые имеют равную величину, но расположены при противоположных поворотах относительно намеченного направления, будут называться углами, "обратными" друг к другу. Любая ссылка на пучки, расположенные при "противоположном повороте" или "одинаковом повороте" относительно намеченного направления, касается направления - а не величины - поворота пучка относительно намеченного направления, при этом следует также отметить, что пучки обычно имеют ориентацию от излучателя к детектору. Для удобства во всем этом описании изобретения и в прилагаемой формуле изобретения делается также ссылка на "намеченное направление". При двухмерном измерении оно обычно обозначает наиболее типичное направление движения измеряемого объекта и обычно будет соответствовать целевому направлению или намеченному направлению. Однако в некоторых случаях фактическое целевое направление иногда может отличаться от типичного направления. При трехмерном измерении термин "намеченное направление" будет относиться к типичному целевому или намеченному направлению движения, проецированному на общую плоскость.
Три пары пучков расположены на входной стороне между клюшкой и мячом, т.е. справа, а два пучка расположены на выходной стороне, т.е. слева. Две пары из пар пучков на входной стороне имеют пучки, которые параллельны друг другу и имеют точки пересечения, расположенные на расстоянии друг от друга. Третья пара пучков расположена при других обратных углах, но имеет свою точку пересечения, совпадающую с точкой пересечения одной из других пар. Обе пары пучков на выходной стороне имеют пучки, которые параллельны друг другу и имеют точки пересечения, расположенные на расстоянии друг от друга.
Фиг.2 - увеличенный вид центральной входной области устройства, изображенного на фиг.1, при этом для ясности исключена третья пара пучков. Кроме того, на этой фигуре показаны четыре изображения ударной поверхности клюшки, приближающейся к мячу, при этом каждое изображение показывает положение ударной поверхности клюшки, когда она первой прерывает каждый из четырех пучков. Каждое изображение относится к по существу плоской поверхности или переднему краю ударной поверхности клюшки, проецированному на горизонтальную плоскость. Кроме того, на этой фигуре показаны различные линии построения и углы, используемые при определении направления и скорости ударной поверхности клюшки.
Фиг.3 - вид, сходный с видом на фиг.2, за исключением того, что в этом случае исключенной парой пучков является та, которая имеет свою точку пересечения, расположенную на расстоянии от других точек пересечения. Кроме того, на этой фигуре показаны различные линии построения и углы, используемые при определении угла ударной поверхности клюшки.
Фиг.4 - вид, сходный с видом на фиг.2, но содержащий воображаемую прямую линию, проходящую через средние точки изображений ударной поверхности клюшки. Кроме того, на этой фигуре показаны различные линии построения и углы, используемые при определении положений ударной поверхности клюшки относительно точки удара по мячу.
Фиг.5 - увеличенный вид центральной выходной области устройства, изображенного на фиг.1. Кроме того, на этой фигуре показаны четыре дополнительных изображения мяча после удара, нанесенного по мячу в направлении справа по намеченному направлению. На каждом изображении показано положение мяча, когда он первый прерывает каждый из четырех пучков. Кроме того, на этой фигуре показаны различные линии построения и углы, используемые при определении направления движения и скорости мяча.
Фиг.6 - увеличенный вид центральной выходной области устройства, изображенного на фиг.1, но в этом случае имеющего только одну пару пересекающихся пучков. Кроме того, на этой фигуре показаны четыре дополнительных изображения мяча после удара, нанесенного по мячу в направлении справа по намеченному направлению подобно тому, что показано на фиг.5. На каждом изображении показано положение мяча, когда он первый прерывает и первый восстанавливает каждый из двух пучков. Кроме того, на этой фигуре показаны различные линии построения и углы, используемые при определении направления движения и скорости мяча.
Фиг.7 - вид, сходный с видом на фиг.1, но имеющий дополнительную пару пучков на выходной стороне, которая представляет собой два пучка с обратными углами и со своими точками пересечения, лежащими на линии намеченного направления движения мяча, но расположенными на расстоянии от точек пересечения других пучков. Пучки в этой паре параллельны пучкам в других парах в выходной области.
В описании предпочтительного варианта осуществления изобретения средство излучения и средство детектирования могут называться соответственно «излучателем» и «детектором».
Фиг.8 - схематический вид сверху устройства, показанного на фиг.7. На этой фигуре показаны отражатель излучателя, отражатель детектора и поверхность площадки для игры. Этот вид содержит изображение центральных коллимированных пучков, показанных пунктирными линиями.
Фиг.9 - схематический местный вид сверху устройства на фиг.8, показывающий выполнение устройства под поверхностью площадки для игры в гольф при сохранении изображений отражателя излучателя и отражателя детектора. Этот вид содержит изображение неколлимированных пучков, показанных пунктирными линиями.
Фиг.10 - вид сбоку в разрезе по линии Х-Х устройства, показанного на фиг.8 и 9. Это выполнение устройства подходит для детектирования характеристик движения при ударе "гольф", когда по мячу ударяют из положения первого удара.
Фиг.11 - вид, сходный с видом на фиг.10, но в этом случае выполнение устройства подходит для детектирования характеристик движения при ударе толканием.
Фиг.12 - вид, сходный с видом на фиг.10, но в этом случае отражатель детектора имеет высоту меньше, чем высота отражателя излучателя.
Фиг.13 - вид в большем масштабе нижнего правого угла устройства, показанного на фиг.8. На этом виде показана часть отражателя детектора.
Ниже приводится перечень позиций, используемых на чертежах:
1. Устройство
2. Средство излучения
3. Средство детектирования
4. Мяч в исходном положении
5. Линия, показывающая намеченное направление полета
6. Пучок
7. Точка пересечения пучком
8. Изображение движущейся ударной поверхности клюшки
9. Изображение движущегося мяча
10. Поверхность площадки для игры
11. Источник излучения и первая линза излучателя
12. Отражатель излучателя
13. Блок матрицы излучателей
14. Основание средства излучения
15. Детектор
16. Отражатель детектора
17. Средство экранирования детектора
18. Блок матрицы детекторов
19. Основание средства детектирования
20. Опора основания отражателя детектора при наружном расположении
21. Опора основания отражателя детектора при внутреннем расположении
22. Фасетка отражателя
23. Металлизированная поверхность фасетки отражателя
Измерение движения ударной поверхности клюшки
Отсылаем к фиг.1-4, где устройство содержит три пары пучков F1-B1, F2-B2 и F3-B3. Каждая пара представляет собой два пересекающихся пучка, которые по существу лежат в горизонтальной плоскости. Пучки расположены относительно мяча таким образом, что ударная поверхность клюшки прерывает их до удара по мячу.
Точки пересечения каждой пары пучков лежат на прямой линии, которая проходит через центр мяча и лежит в горизонтальной плоскости. Кроме того, она совпадает с проекцией намеченного направления полета мяча на горизонтальную плоскость или "намеченным направлением". Пучки F1 и F2 расположены под равными углами, S, к намеченному направлению. Пучки В1 и В2 также расположены под равными углами, S, к намеченному направлению, но в противоположных направлениях поворота относительно направлений поворота пучков F1 и F2, т.е. они расположены при "обратных" углах друг к другу. Пучки F3 и В3 подобным же образом расположены при обратных углах друг к другу, но в этом случае под углом Т к намеченному направлению полета мяча. На фигурах углы S и T показаны равными соответственно 75° и 65°. При установлении этих углов необходимо учитывать следующие принципиальные соображения. Углы пучков F1-B1, F2-B2 и F3-В3 относительно намеченного направления должны превышать максимальные пределы угла ударной поверхности клюшки, по которой делается измерение. Для получения достаточной точности углы пучков F3-B3 должны значительно отличаться от углов пучков F1-B1 и F2-B2. Чтобы свести к минимуму длину средства излучения и средства детектирования, углы должны быть максимизированы в пределах конструктивных ограничений. Выбранные углы являются балансом между этими отчасти противоположными соображениями.
Точки пересечения пар пучков F2-B2 и F3-B3 являются совпадающими. Они расположены на небольшом расстоянии от края мяча, достаточном для обеспечения того, чтобы пучки проходили мимо поверхности мяча. На фигуре это расстояние показано равным 5 мм. Точка пересечения пары пучков F1-B1 находится на некотором расстоянии от совместной точки пересечения пар пучков F2-B2 и F3-B3. На фиг.2 и 4 это расстояние показано равным 50 мм, а на других фигурах - равным 60 мм.
На каждой из фигур показан один и тот же пример движения при взмахе клюшкой, который преднамеренно сделан несовершенным в отношении направления движения клюшки, угла ударной поверхности клюшки и положения ударной поверхности клюшки относительно точки удара по мячу. Направление движения клюшки показано под углом -U относительно намеченного направления. Угол ударной поверхности клюшки показан как угол +Z относительно направления ударной поверхности клюшки и, следовательно, -(U-Z) к намеченному направлению. Положение ударной поверхности клюшки при ударе показано при нанесении удара со смещением от центра ближе к носку клюшки.
Устройство выполнено с возможностью определения направления движения клюшки, скорости клюшки, угла ударной поверхности клюшки и положения ударной поверхности клюшки с применением способов вычисления, которые начинаются с точкой регистрации моментов времени, в которые первыми прерываются шесть пучков на входной стороне. Для удобства во всем этом описании изобретения характеристика, относящаяся к положению ударной поверхности клюшки при ударе, будет называться "смещением" ударной поверхности клюшки.
Направление ударной поверхности клюшки
Определение направления движения клюшки основывается на понимании того, что расстояние, проходимое любой точкой на ударной поверхности клюшки между двумя параллельными пучками F1 и F2 или двумя параллельными пучками В1 и В2, будет изменяться в зависимости от относительного угла этого направления к пучку, становясь короче по мере приближения направления движения клюшки к перпендикулярному направлению к пучку и длиннее по мере отклонения от него. Таким образом, так как две пары параллельных пучков расположены под разными углами, то отношение расстояний, пройденных между ними, предоставляет достаточную информацию для того, чтобы дать прямое указание об относительном угле направления движения клюшки.
Отсылаем снова к фиг.2, на которой показана ударная поверхность клюшки, проходящая в направлении, параллельном линиям DА и НЕ под углом с величиной U к намеченному направлению. Ударная поверхность клюшки обозначена как DH, CG, BF и АЕ, где она первой встречается с пучками соответственно F2, F1, B1 и В2.
Все ссылки на ударные поверхности клюшки относятся к ее по существу прямому переднему краю, проецированному на горизонтальную плоскость. Например, в случае линии DH точка D обозначает угол плоского переднего края клюшки, ближайший к ее носку или дистальному концу. Точка Н обозначает угол, ближайший к ее пятке или концу стержня.
Предполагается, что, когда ударная поверхность клюшки первой прерывает четыре пучка, она остается при по существу постоянной скорости и при по существу постоянном угле к ее направлению движения. Следовательно, два интервала времени, которые регистрируются между прерываниями F1 и F2 и между прерываниями В1 и В2, будут пропорциональны расстояниям соответственно АС и FH. Следовательно, измерение этих двух интервалов времени будет давать отношение AC/FH.
На этой фигуре, кроме того, доказана перпендикулярная линия CJ, проведенная от точки С к линии, обозначающей пучок F2, и перпендикулярная линия НK, проведенная от точки Н к линии, обозначающей пучок В2.
Треугольник CAJ является прямоугольным треугольником, и угол CAJ=S+U.
Следовательно, CJ=АС×sin(S+U).
Треугольник KFH является прямоугольным треугольником, и угол KFH=S-U.
Следовательно, НK=FH×sin(S-U).
Так как две пары параллельных пучков являются равноудаленными друг от друга, то CJ=НK.
Следовательно, FH×sin(S-U)=AC×sin(S+U) и AC/FH=sin(S-U)/sin(S+U).
Так как S и отношение AC/FH известны, то, следовательно, можно вычислить угол направления движения клюшки, U, относительно намеченного направления.
Выражение AC/FH=sin(S-U)/sin(S+U) показывает, что отношение относительных моментов времени или разностей относительных моментов времени между изменениями в одной параллельной паре по сравнению с другой параллельной парой имеет постоянную зависимость с углом направления ударной поверхности клюшки и углами пучков.
Скорость клюшки
Скорость ударной поверхности клюшки, проецированной на горизонтальную плоскость, может быть определена, когда определен угол U движения клюшки, так как это позволяет вычислить расстояния между двумя зарегистрированными случаями первого прерывания пучков, параллельные пары пучков обеспечивают основу для этого вычисления расстояний.
Отсылаем снова к фиг.2, на которой можно видеть, что, когда угол ударной поверхности клюшки у конца носка первым прерывает пучки F1 и F2 в соответственно С и А, пройденное расстояние равно АС. Так как расстояние CJ между параллельными пучками является известной характеристикой устройства, то, следовательно, можно вычислить АС согласно АС=CJ/sin(S+U). Обозначая продолжительность времени между зарегистрированными первыми прерываниями пучков F1 и F2 как TF, можно, следовательно, определить скорость согласно:
Скорость=(расстояние)/(время)=TF/[CJ/sin(S+U)].
Скорость можно также определить в том случае, когда конец клюшки у пятки первым прерывает пучки В1 и В2. Так как HK=CJ, то, обозначая продолжительность времени между зарегистрированными первыми прерываниями пучков В1 и В2 как TF, можно тогда подобным же образом определить скорость согласно:
Скорость=(расстояние)/(время)=ТВ/[CJ/sin(S+U)].
В том случае, когда движение клюшки является прямолинейным, обе величины скорости должны быть одинаковыми, при этом может быть взята средняя величина, если результаты немного различаются.
Угол и смещение ударной поверхности клюшки
Ударная поверхность клюшки, которая расположена под углом к перпендикуляру к намеченному направлению, будет соприкасаться с пучками способом, отличным от того, который имеет место при ее перпендикулярном расположении к намеченному направлению. В общем, при расположении, показанном на фигурах, где ударная поверхность клюшки все более "открывается" (т.е. где ударная поверхность клюшки все более отклоняется по часовой стрелке от перпендикуляра к намеченному направлению), угол ударной поверхности клюшки, ближайший в пятке, будет соприкасаться с пучками раньше, чем он делал бы в противном случае, а угол, ближайший к носку, будет соприкасаться с пучками позже. И наоборот, в том случае, когда ударная поверхность клюшки все более "закрывается" (т.е. когда ударная поверхность клюшки все более отклоняется по часовой стрелке от перпендикуляра к намеченному направлению), угол ударной поверхности клюшки, ближайший к пятке, будет соприкасаться с пучками позже, чем он делал бы в противном случае, а другой угол будет соприкасаться с пучками раньше.
Кроме того, смещенная ударная поверхность клюшки, т.е. ударная поверхность клюшки, которая перемещается таким образом, что траектория ее центра смещена от точки пересечения пучков и центра мяча, будет соприкасаться с пучками способом, отличным от того, который имеет место тогда, когда местоположение центра находится вровень с точкой пересечения пучков и центром мяча. В общем, при расположении, показанном на фигурах, в случае увеличенного смещения центра ударной поверхности клюшки ближе к игроку, угол ударной поверхности клюшки, ближайший к пятке клюшки, будет соприкасаться с пучками раньше, чем он делал бы в противном случае, а угол, ближайший к носку клюшки, будет соприкасаться с пучками позже. И наоборот, в случае увеличенного смещения центра ударной поверхности клюшки от игрока, угол ударной поверхности клюшки, ближайший к пятке, будет соприкасаться с пучками позже, чем он делал бы в противном случае, а угол, ближайший к носку, будет соприкасаться с пучками раньше.
Характеристики, относящиеся к углу и смещению ударной поверхности клюшки, влияют каждая на относительные последовательности, с которыми углы ударной поверхности клюшки первыми прерывают пучки, и эти зависимости, кроме того, подвергаются влиянию постоянного угла между пучками и намеченным направлением. Один аспект настоящего изобретения связан с пониманием того, что эти зависимости по-разному влияют на изменения в угле и изменения в смещении и что можно использовать эти различия для распознавания угла и смещения в тех случаях, когда используются две группы пучков под разными углами к намеченному направлению.
Одно важное различие связано со способом, с которым угол и смещение ударной поверхности клюшки влияют на первое прерывание групп пучков, которые расположены под разными углами, и групп пучков, которые расположены под обратными углами - в каждом случае относительно намеченного направления. Например, когда удар в остальном является прямым и ровным, наклонная ударная поверхность клюшки будет первой прерывать F2 и В2 в разные моменты времени и также первой прерывать F3 и В3 в разные моменты времени, и это будет иметь сходное или одинаковое влияние на относительное первое прерывание между F2 и F3, как и на относительное первое прерывание между В2 и В3. Это не имеет места в случае смещенной ударной поверхности клюшки, когда удар в остальном является прямым и ровным. В этом случае смещение будет подобным же образом приводить к первому прерыванию F2 и В2 в разные моменты времени и также к первому прерыванию F3 и В3 в разные моменты времени, но это будет иметь совершенно иное влияние на относительное первое прерывание между F2 и F3, как и на относительное первое прерывание между В2 и В3. Различие в первом прерывании будет сравнительно больше между F2 и F3, если ударная поверхность клюшки смещена от игрока, и будет сравнительно больше между В2 и В3, если ударная поверхность клюшки смещена ближе к игроку.
Эти аспекты применимы к общему случаю измерения угла или смещения края. Группа пучков содержит два пучка, расположенных в одном направлении поворота и под разными острыми углами к намеченному направлению и либо двух дополнительных пучков, расположенных в противоположном направлении поворота и под разными острыми углами к намеченному направлению, либо одного дополнительного пучка, расположенного в противоположном направлении поворота и под острым углом. Когда край будет проходить через группу пучков, угол края будет отмечаться ближе к углу пучков, которые будут изменяться позже, и дальше от угла пучков, которые будут изменяться раньше. Кроме того, смещение края будет отмечаться ближе к области, содержащей самый передний пучок, который будет изменяться раньше, и отмечаться дальше от области, содержащей пучок, который будет изменяться позже. Увеличенное различие в относительных изменениях между пучками с противоположными направлениями поворота указывает на то, что характеристикой движения является постепенно изменяющийся угол, а не смещение, и уменьшенное различие в относительных изменениях между пучками с одинаковым направлением поворота указывает на то, что характеристикой движения является постепенно изменяющееся смещение, а не угол.
Важной отличительной особенностью этих аспектов является то, что уникальное измерение угла и смещений может быть выполнено посредством соответствующего математического анализа изменений. Более полное понимание будет достигнуто посредством тригонометрического анализа в приложении к примеру, показанному на фигурах.
Угол ударной поверхности клюшки
Отсылаем теперь к фиг.3, на которой крупным планом показан вид расположения пучков, где для ясности исключена пара пучков F1-B1. На фигуре показана ударная поверхность клюшки, которая движется в направлении, параллельном линиям GM и BR и под углом U к намеченному направлению. Ударная поверхность клюшки изображена в виде линий FL, EK, DJ и СН, которыми она первой встречает пучки соответственно В3, В2, F3 и F2.
Движение ударной поверхности клюшки аналогично тому, что показано на фиг.2, и, как снова предполагается, при прохождении ударной поверхности клюшки через четыре пучка, она сохраняет по существу постоянную скорость и по существу постоянный угол к ее направлению движения. Ударная поверхность клюшки расположена под углом к перпендикуляру к направлению движения и также под углом к перпендикуляру к намеченному направлению. Кроме того, траектория движения центра ударной поверхности клюшки смещена от точки пересечения пучков, А, и от центра мяча.
Система получает результаты измерения моментов времени, когда первым прерывается пучок времени, и на основе этого определяет длину KL, JK и HJ, зная скорость клюшки и периоды времени, необходимые для прохождения этих расстояний, как это непосредственно измерено датчиками на пучках F2, B2, F3 и В3. При этом также определяется длина EF, DE и СD, которая равна соответственно KL, JK и HJ.
На этой фигуре показаны две дополнительные линии, BG и FM. ВG проходит через А и перпендикулярна к BF и GM. FM начинается от точки F и также перпендикулярна к BF и GM. Кроме того, на этой фигуре угол GАН обозначен как "V", угол AFB - как "W", угол BAЕ - как "Х", угол EAF- как "Y" и угол LFM - как "Z".
Y известен, потому что Y=S-Т, которые оба известны.
Так как GА расположена под углом U к перпендикуляру к намеченному направлению, то рассмотрение угла GАN показывает, что X+S=90°+U. Следовательно, X известен, потому что известны S и U.
W известен, потому что ABF - прямоугольный треугольник с (X+Y)+W=90°, где известны X и Y.
V также известен, потому что прямой угол слева от пучка F2 около точки А равен 180°=V+X+2S. Следовательно, V=[180°-X-2S]=[180°-(90°+U-S)-2S]=[90°-U-S].
AB находится следующим образом. АЕ находится первой посредством применения стандартного тригонометрического решения для косоугольного треугольника AEF, т.е. АЕ=EF×sinW/sinY. Следовательно, АЕ известна, так как известны EF, W и Y. EF определена посредством измерения первого прерывания пучков В3 и В2. Следовательно, находится АВ, так как АВ=АЕ×cosX.
АG находится следующим способом, сходным со способом нахождения АВ. АН находится посредством применения стандартного тригонометрического решения для косоугольного треугольника AHJ, в котором угол HJA=T+U и угол HAJ=Y, т.е. АН=HJ×sin(Т+U)/sinY. Следовательно, АН известна, так как известны HJ, W и Y. HJ определена посредством измерения первого прерывания пучков F2 и F3. Следовательно, может быть найдена АG, так как AG=AH×cosV, а V и AH известны.
Теперь следующим образом могут быть определены стороны треугольника LMF. GM известна, так как GM=BF, BF=BE+EF, где EF известна и BE=АВ×tanX. GH известна, так как GН=АG×tanV, а AG и V - обе известны. LM известна, так как LM=GM-(GН+HJ+JK+KL), a GM, GH, HJ, JK и KL - все известны. FM известна, так как FM=АВ+АG, а АВ и AG - известны.
Теперь из треугольника LMF может быть определен угол Z ударной поверхности клюшки относительно перпендикуляра к направлению движения клюшки. Z известен, так как tanZ=LM/FM, a LM и FM - обе известны. Угол ударной поверхности клюшки относительно перпендикуляра к намеченному направлению равен (Z+U).
Смещение ударной поверхности клюшки
Как можно видеть на фиг.3, точка А на (AB-AG)/2 отдалена от средней точки линии ВG. Следовательно, смещение траектории движения центра ударной поверхности клюшки от точки A пересечения пучков F2-B2 и F8-B3 определяется (AB-AG)/2, при этом смещение измеряется под прямыми углами к направлению движения клюшки. В том случае, когда клюшка не будет перемещаться в одном и том же направлении, например намеченном направлении, это смещение не будет таким же самым, как смещение от центра мяча. Смещение от центра мяча может быть определено добавлением к смещению относительно точки пересечения или вычитания из него в зависимости от того, что подходит, при этом дополнительная составляющая смещения обусловлена перемещением мяча под другим углом к намеченному направлению. Это показано на фиг.4.
Отсылаем снова к фиг.4, на которой показан взмах, одинаковый с тем, который показан на фиг.3, при этом ударная поверхность клюшки снова обозначена линиями FL, EK, DJ и DH, на которых она первой встречается с пучками соответственно BS, B2, F3 и F2. На этой фигуре для ясности исключены пучки F2 и В2. В - это точка центра мяча, а А - это точка пересечения пучков F3, В3, F2 и В2. Каждое из положений ударной поверхности клюшки, показанных на этой фигуре, имеет среднюю точку М. RG - это траектория этих средних точек. Средняя точка ударной поверхности клюшки перемещается на короткое расстояние при по существу прямолинейном движении, приближаясь к мячу. RG расположена под углом U к намеченному направлению ОG.
АР - перпендикулярная линия от точки А к линии RG - является расстоянием смещения от траектории средних точек до точки пересечения пучков. Как обсуждалась ранее, оно равно величине (AB-AG)/2, показанной на фиг.3.
ВN - перпендикулярная линия от центра мяча к линии GR - является расстоянием смещения от траектории средних точек до центра мяча. Оно может быть определено следующим образом. ВN=AP-AQ, так как BN=PQ. AQ=AB×sinU. AB и U известны, при этом АВ является постоянным расстоянием между центром мяча и точкой пересечения пучков.
Смещение ВN является важной характеристикой взмаха при гольфе, так как оно является непосредственным мерилом горизонтальной составляющей "точности" взмаха или того, как близко средняя точка ударной поверхности клюшки расположена к точке удара, так как средняя точка, как общепринято, совпадает с центром инерции клюшки. В тех случаях, когда известно, что с центром инерции совпадает другая точка ударной поверхности клюшки, необходимо соответствующим образом видоизменить вычисление. Следует отметить, что горизонтальная составляющая точности считается более важной, чем вертикальная составляющая, вследствие вероятности того, что при ударе горизонтально смещенная ударная поверхность клюшки будет вызывать значительный поворот ударной поверхности клюшки вокруг оси стержня клюшки, в то время как вертикально смещенная ударная поверхность клюшки надежнее удерживается против поворота стержнем клюшки.
Измерение движения мяча
Отсылаем к фиг.1 и фиг.5, на которых устройство содержит две пары пучков F4-B4 и F6-B6. Каждая пара представляет собой два пересекающихся пучка, которые по существу расположены в горизонтальной плоскости.
Точки пересечения обеих пар пучков лежат на прямой линии в намеченном направлении, которая проходит через центр мяча и расположена в горизонтальной плоскости.
Пучки F4 и F6 расположены под равными углами, S, к намеченному направлению. Пучки В4 и В6 расположены под равными обратными углами по отношению к углам пучков F4 и F6. На этих фигурах угол S показан равным 75°.
Точка пересечения пары пучков F4-B4 расположена на небольшом расстоянии от точки, где после удара мяч отделяется от ударной поверхности клюшки. На фигуре это расстояние показано равным 15 мм.
Точка пересечения пары пучков F6-B6 расположена на расстоянии 60 мм от точки пересечения пары пучков F4-B4.
Направление движения мяча показано под углом -U к намеченному направлению.
Устройство выполнено с возможностью определения направления и скорости движения мяча после того, как мяч отделился от ударной поверхности клюшки и начал свободный полет, посредством способов вычисления, которые начинаются с точной регистрации моментов времени, в которых первыми прерываются четыре пучка.
Направление движения мяча
Подобно описанному ранее определению направления движения клюшки определение направления движения мяча основывается на понимании того, что расстояние, проходимое любой точкой на мяче между двумя параллельными пучками F4 и F6 или двумя параллельными пучками В4 и В6, будет изменяться с относительным углом направления к пучку, становясь короче по мере приближения направления движения мяча к перпендикуляру к пучку и длиннее по мере отклонения от него. Таким образом, так как две группы параллельных пучков расположены под разными углами, то отношение расстояния, проходимого между ними, предоставляет достаточную информацию для того, чтобы дать прямое указание об относительном угле направления движения мяча.
Отсылаем снова к фиг.5, на которой показан мяч, центр которого движется по линии АG, лежащей под углом с величиной U к намеченному направлению. Мяч показан с его центром в положениях D, Е, F и G, в которых он первым прерывает пучки соответственно, F4, В4, F6 и В6. Первоначальная точка прерывания находится там, где пучок расположен как касательная к передней поверхности мяча, а точка первого контакта может быть определена на перпендикуляре от центра мяча к пучку. Эти первые точки контакта находятся в местах Н, I, J и K на пучках соответственно F4, B4, F6 и В6.
Разумно предположить, что мяч может оставаться при постоянной скорости и при постоянном угле к его направлению движения, когда он первым прерывает четыре пучка. Следовательно, два интервала времени, которые регистрируются между первыми прерываниями пучков F4 и F6 и между первыми прерываниями пучков В4 и В6, будут пропорциональны расстояниям соответственно HJ и IK. Следовательно, измерение этих двух интервалов времени будет давать отношение HJ/IK. Эти расстояния связаны также с относительными положениями мяча, так как HJ=DF и IK=EG.
На фигуре также показаны линии HN и IM, которые обе параллельны намеченному направлению, при этом N лежит на пучке F6, а M лежит на пучке В6.
Как можно видеть на фигуре, IK>JH и мяч движется направо. Как будет сразу же понятно, IK=HJ, когда мяч движется прямо, и IK<HJ, когда мяч движется налево. Кроме того, понятно, что существует специфическая величина для отношения HJ/IK для каждого направления мяча и что знание этой величины на основании измерения соответствующих интервалов времени между первыми прерываниями пучков позволяет определить направление мяча.
Нижеследующий тригонометрический анализ предоставляет прямую зависимость между углом U и отношением IK/HJ.
В треугольнике IKM, используя стандартное решение для косоугольного треугольника, IK/IM=sin(IMK)/sin(IKM). Длина IМ и угол (IMK) являются известными величинами. Кроме того, угол(IMK)+угол(IKM)+угол(KIM)=180°, поэтому угол(IKM)=([известная величина]-U).
Следовательно, IK=(известная величина)/sin([известная величина]-U).
Аналогичным образом в треугольнике HJN HJ/HN=sin(HNJ)/sinV. Длина НN и угол (HNJ) являются известными величинами. Кроме того, как и раньше, угол V=([известная величина]-U). Следовательно, HJ=(известная величина)/sin([известная величина]-U).
Объединяя их, IK/HJ=(известная величина)×sin([известная величина]-U)/sin([известная величина]-U).
Вышеприведенный анализ показывает, что отношение относительных моментов времени или разностей относительных моментов времени между изменениями в одной параллельной паре по сравнению с другой параллельной парой имеют постоянную зависимость с углом направления мяча и углами пучков.
Скорость мяча
Скорость мяча, проецированная на горизонтальную плоскость, может быть определена, когда измерен угол U движения мяча, так как это позволяет вычислить расстояния между двумя зарегистрированными случаями первого прерывания пучков. Параллельные пары пучков обеспечивают основу для этого вычисления расстояний, так как расстояние между ними является известной характеристикой устройства.
Отсылаем снова к фиг.5, на которой проведены перпендикуляры HP и IQ из точек соответственно Н и I к пучкам соответственно F6 и В6. Углы НJР и IKQ обозначены соответственно как "V" и "W".
Как можно видеть на этой фигуре, когда мяч первым прерывает пучки F4 и F6 в соответственно H и J, пройденным расстоянием является HJ. Так как расстояние HP между параллельными пучками является известной характеристикой устройства, то, следовательно, можно вычислить HJ, так как НJ=HP/sinV является известной величиной. В треугольнике HJN V+U+S=180°, при этом U и S - обе являются известными величинами. Аналогичным образом, как можно видеть на этой фигуре, когда мяч первым прерывает пучки В4 и В6 в соответственно I и K, пройденным расстоянием является IK. Так как расстояние IQ между параллельными пучками является известной характеристикой устройства, то, следовательно, можно вычислить IK, так как IK=IQ/sinW, a W является известной величиной. Угол IMK=180°-S. Следовательно, в треугольнике IKM W+U+[180°0S]=180°, т.e. W=S-U, при этом U и S - обе являются известными величинами. Обе величины скорости должны быть одинаковыми, при этом может быть взята средняя величина, если результаты немного различаются.
Альтернативные способы вычисления направления и скорости мяча
На фиг.6 показан альтернативный способ измерения направления и скорости мяча. В этом случае система регистрирует первое прерывание и восстановление пучков и использует только одну пару пучков, F6-B6.
Подобно способу, описанному ранее, альтернативное определение направления движения мяча опять основывается на понимании того, что пройденное расстояние будет изменяться с относительным углом направления пучка, становясь короче по мере приближения направления движения мяча к перпендикуляру к пучку и длиннее по мере отклонения от него. Отношение расстояний, пройденных через два пучка под разными углами, предоставит достаточную информацию, чтобы дать прямое указание об относительном угле направления движения мяча.
Отсылаем снова к фиг.6, на которой показан мяч с движением его центра по линии AF, которая расположена под углом с величиной U к намеченному направлению. Мяч показан с нахождением его центра в положениях C, D, E и F, в которых он соответственно первый прерывает F6, первый прерывает В6, восстанавливает F6 и восстанавливает В6. Первоначальная точка первого прерывания или восстановления находится там, где пучок расположен как касательная к передней или задней поверхности мяча, а точка первого контакта может быть определена на перпендикуляре от центра мяча к пучку. Эти первые точки контакта находятся в местах G, Н, I и J на пучках соответственно F6, В6, F6 и В6. Траектория движения центра мяча начинается в А и пересекает пучки F6 и В6 в соответственно N и M. Кроме того, траектория движения центра мяча расположена под углами Y и W к пучкам соответственно F6 и В6.
Разумно предположить, что мяч может оставаться при постоянной скорости и постоянном угле к его направлению движения, когда он первым прерывает и восстанавливает два пучка.
В дальнейшем изложен один аспект изобретения. Угол направления и скорость мяча могут быть вычислены лишь при знании интервалов времени между первым прерыванием и восстановлением двух пучков. В том случае, когда эти интервалы времени равны, мяч движется по намеченному направлению. В том случае, когда интервал времени короче через пучок F6, направление смещается вправо. В том случае, когда интервал времени короче через пучок В6, направление смещается влево. Чем больше различие в интервалах времени, тем больше отклонение от намеченного направления.
Нижеследующий тригонометрический анализ дает прямую зависимость между углом U и отношением EN/DK. SinY=EH/EN. SinW=DI/DK. EH и DI - обе являются известными величинами, будучи радиусом мяча. Отношение EN/DK также является известной величиной, так как оно равно отношению интервалов времени между первым прерыванием и восстановлением пучка F6 и между первым прерыванием и восстановлением пучка В6, поскольку скорость мяча является постоянной, а EN и DK - каждая соответствует половине расстояния, пройденного за каждый интервал времени. Следовательно, sinY/sinW=известная величина. Из рассмотрения треугольника ABK можно видеть, что W+U+(180°-S)=180°, т.е. W=S-U. Из рассмотрения треугольника CGN можно видеть, что Y=180°-S-U. Следовательно, sin(180°-S-U)/sin(S-U)=известная величина. Так как S также является известной величиной, то может быть определен угол U.
Этот анализ показывает, что отношение относительных моментов времени или разностей относительных моментов времени между изменениями в одном пучке по сравнению с другим пучком имеет постоянную зависимость с углом направления мяча и углами пучков.
После того, как стало известно направление движения, можно определить скорость, так как известен диаметр мяча. Отсылаем снова к фиг.6, на которой можно видеть, что расстояние, пройденное мячом, когда он первым прерывает и затем восстанавливает пучок В6, определяется линией DF. Это расстояние превышает диаметр мяча на длину LM. LM определяется следующим образом. В треугольнике FJK sinW=FJ/(FM+KM). Следовательно, KM - известная величина, так как FJ и FM являются известными величинами, равными каждая радиусу мяча. FJK и DIK - подобные треугольники, потому что FJ=DI, следовательно, KМ=KL. Следовательно, известно значение для LM. Следовательно, известно значение для DF. Затем можно вычислить скорость, разделив это расстояние на интервал времени, зарегистрированный при первом прерывании и последующем восстановлении пучка В6.
Очень сходное упражнение будет давать значение для СЕ. Скорость можно вычислить подобным же образом, разделив это расстояние на интервал времени, зарегистрированный при первом прерывании и последующем восстановлении пучка F6. Обе величины скорости должны быть одинаковыми, при этом может быть взята средняя величина, если результаты немного различаются.
В дальнейшем сравниваются два способа измерения движения мяча. Описанный ранее способ только с прерыванием пучков обеспечивает следующие возможные преимущества. Регистрирование интервалов времени не будет искажаться переменными величинами, которые в равной степени влияют на оба сигнала, так как интервалы времени определяются между похожими сигналами о прерывании пучков. Расстояние, на котором измеряется интервал времени, не ограничивается до размера, связанного с диаметром мяча для игры в гольф. Измерения не зависят от предшествующего знания о диаметре мяча для игры в гольф. Описанный позже способ с прерыванием и восстановлением пучков может обеспечить следующие возможные преимущества. При этом способе требуется только одна группа пучков. Кроме того, он дает возможность детектировать идущую следом ударную поверхность клюшки, так как сигнал всегда восстанавливается сразу же после прохождения мяча через него.
При втором альтернативном способе используется исходное положение мяча в качестве одной из базовых точек для измерения направления движения и скорости мяча. Как можно также легко показать, отношение относительных периодов времени или различия в относительных периодах времени между изменениями в одном пучке по сравнению с другим пучком имеют постоянную зависимость с углом направления ударной поверхности клюшки и углами пучков. Подобно первому альтернативному способу требуется только одна группа пучков, но в этом случае отсутствует недостаток в виде ограничения до размера, связанного с диаметром мяча для игры в гольф. Однако имеется несколько сравнительных недостатков. В их число входит зависимость от точности или постоянства исходного положения мяча. Кроме того, в их число входит необходимость в измерении или оценке времени начала отлета мяча из исходного положения. В их число дополнительно входит необходимость учитывать ранний период движения мяча, когда он соприкасается с ударной поверхностью клюшки и когда скорость постоянно изменяется, а движение необязательно происходит по прямой линии.
Можно также легко показать, что отношение относительных моментов времени или разностей, относительных моментов времени между изменениями в одном пучке по сравнению с другим пучком имеют постоянную зависимость с углом направления движения мяча и углами пучков.
Положение пучков для отслеживания мяча
В тех случаях, когда позади измеряемого объекта или мяча движется второй объект, важное значение имеет то, чтобы движущийся позади объект не влиял на прерывание или восстановление пучков. Например, когда по мячу ударили клюшкой для игры в гольф, необходимые сигналы о прерывании или восстановлении пучков при измерении движения мяча должны завершаться до прерывания пучков ударной поверхностью клюшки.
Это обычно не будет представлять никакой проблемы в тех случаях, когда сигналами об измерении движения мяча будут лишь сигналы о прерывании пучков, потому что передняя поверхность мяча будет находиться на, по меньшей мере, одном диаметре впереди области контакта движущейся позади ударной поверхности клюшки, и это достаточно для обеспечения того, что мяч будет прерывать пучки впереди ударной поверхности клюшки.
Однако это условие не применимо в тех случаях, когда пучки должны восстанавливаться до их разрыва движущейся позади ударной поверхностью клюшки. В этом случае должен быть обеспечен промежуток между пучками и исходным положением мяча. Минимальный размер этого промежутка можно определить с учетом механики клюшки, ударяющей по мячу. При обычном плоском ударе мяч и ударная поверхность клюшки остаются в соприкосновении на расстоянии около 11,5 мм. Во время периода контакта клюшка соприкасается с мячом при скорости около 30 м/с и постепенно замедляется до около 24 м/с. Мяч отделяется от ударной поверхности клюшки при скорости около 52 м/с. Таким образом, после отделения мяч обычно движется со скоростью, которая в два с лишним раза превышает скорость ударной поверхности клюшки.
В идеальной ситуации, когда совершается безупречный удар центральной квадратной ударной поверхностью клюшки в намеченном направлении, пучок расположен перпендикулярно к намеченному направлению и скорость мяча вдвое превышает скорость ударной поверхности клюшки, пучок мог быть размещен как раз на один диаметр мяча впереди мяча в точке, где разделяются мяч и ударная поверхность клюшки. При диаметре мяча в 42 мм пучок восстанавливался бы в промежутке в 21 мм, все еще оставаясь между мячом и движущейся позади ударной поверхностью клюшки.
В реальной ситуации необходимо приспосабливаться к тому, что ударная поверхность клюшки не является центральной и квадратной и что пучки не расположены перпендикулярно к намеченному направлению. Необходимо также приспосабливаться к плохому удару, когда скорость мяча могла бы упасть значительно ниже значения, вдвое превышающего скорость ударной поверхности клюшки. В общем, обычно будет достаточен промежуток около 70-100 мм между пучками и передней поверхностью мяча до удара.
Соображения о вертикальной высоте
Вплоть до этого момента уделялось внимание только определению движения в горизонтальной плоскости. Однако как клюшка, так и мяч имеют важные составляющие движения в вертикальной плоскости, которые должны учитываться этим способом и устройством.
Один аспект вертикального движения касается измерения движения в горизонтальной плоскости. При прослеживании ударной поверхности клюшки обычно будет желательно детектировать соответствующий прямой край как, например, наиболее выступающий передний прямой край, близкий к нижнему краю ударной поверхности клюшки. При прослеживании мяча обычно потребуется детектировать полный диаметр в горизонтальной плоскости через центр мяча, а не меньший диаметр выше или ниже этого уровня. Предпочтительный способ для достижения детектирования этого типа заключается в использовании пучка полосового типа, который представляет собой по существу плоскую удлиненную полосу с поперечным сечением, у которого ширина намного больше толщины. В предпочтительном варианте ширина полосы расположена вертикально и может также называться ее высотой. Полосовой пучок имеет достаточную вертикальную высоту, так что ряд возможных положений детектируемых клюшки или мяча будет прерывать в некоторой точке на полосе. В общем, система выполнена с возможностью детектировать изменение в состоянии полосового пучка, обычно в виде частичного прерывания клюшкой или мячом, входящими в любую точку на поперечном сечении, или восстановления к состоянию, существующему до прерывания.
В предпочтительном варианте плоскость или ширина полосовых пучков расположена перпендикулярно к общей или горизонтальной плоскости. Это имеет несколько преимуществ, включая следующие. При проецировании на общую плоскость пучок преобразуется в линию, что тем самым упрощает регистрацию изменений в пучке из-за его прерывания клюшкой или мячом или его восстановления при разных вертикальных высотах и облегчает измерение характеристик движения. Это облегчает позиционирование многочисленных пучков, расположенных в тесной близости. Это обеспечивает приемлемый общий угол плоскости пучка для пучков, детектирующих мяч и клюшку, ударяющую по мячу, причем при измерении клюшка, главным образом, опускается, а мяч, главным образом, поднимается.
Независимо от того, расположены ли пучки перпендикулярно к общей плоскости или иным образом, они в каждой группе, измеряющей характеристики движения, будут содержать, по меньшей мере, одну составляющую в общей плоскости, которая является продольной составляющей пучка.
Другой аспект вертикального движения касается измерения движения в вертикальной плоскости. Опять можно использовать пучок полосового типа. Однако в этом случае определение связано с измерением высоты или степени, до которой прерывается пучок. Обычно детектируется наинизшая или наивысшая точка на клюшке или мяче, в то время как предшествующий способ обычно связан с детектированием передней или задней точки на клюшке или мяче.
Два аспекта вертикального движения можно определять, детектируя отдельными пучками или пучками, предназначенными для выполнения обеих функций. В предпочтительном варианте осуществления изобретения пучки выполняют обе функции. Это имеет преимущество в отношении уменьшения количества пучков и тем самым уменьшения количества составных частей с возможностью снижения затрат и уменьшения проблем. В тех случаях, когда отдельные пучки предназначены для выполнения двух функций, имеется возможность предоставить следующие сравнительные преимущества. Вертикальные пучки могут быть в виде единственного пучка, перпендикулярного к намеченному направлению, вместо того, чтобы следовать наклонным парам, используемым для горизонтального измерения. Вертикальные пучки могут также располагаться для детектирования низа или верха мяча, а горизонтальные пучки могут располагаться для детектирования краев мяча впереди или сзади его центра, что тем самым уменьшает необходимый вертикальный диапазон для каждого. Горизонтальные пучки могут быть расположены как простые детекторы "да-нет", при этом особое внимание уделяется точности переключателя "да-нет". При определенных условиях могут быть использованы вертикальные пучки, когда один и тот же пучок измеряет верх низкопосланных мячей или низ высокопосланных мячей.
Возможная проблема возникает с пучками полосового типа, детектирующими вертикальное движение при ударе "гольф". Она связана со сравнительно крутой посылкой мяча вверх при определенных ударах "гольф" и, в меньшей степени, с крутым взмахом вниз при определенных движениях клюшки. В случае использования пучка полосового типа требуется очень высокая полоса, если полоса не размещена вблизи исходного положения мяча. Однако размещение полосы вблизи исходного положения мяча обуславливает ряд возможных недостатков, включая компромисс точности горизонтального движения и предотвращения использования сигналов о восстановлении пучков при детектировании горизонтального движения мяча вследствие прерывания движущейся позади ударной поверхностью клюшки.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один пучок полосового типа заменен множеством полос. В альтернативном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один пучок полосового типа наклонен под углом к вертикали так, чтобы движение в горизонтальной плоскости при сравнительно низкой посылке мяча детектировалось дальше от начального положения мяча, чем движение в горизонтальной поверхности при сравнительно более высокой посылке мяча.
Это дает несколько возможных преимуществ, включая следующие. Можно увеличить горизонтальное расстояние между пучком и исходным положением мяча для ударов с низкопосланным мячом как, например, плоских ударов, тем самым повышая точность детектирования движения в горизонтальной плоскости. Этот вид точности имеет особо важное значение для ударов с низкопосланным мячом. Вторым преимуществом является то, что можно детектировать при ударах с высокопосланным мячом без необходимости в чрезмерно высоких пучках полосового типа. Третьим возможным преимуществом является то, что уменьшается максимальная вертикальная высота устройства, излучающего и принимающего пучки, что тем самым делает его менее подверженным повреждению от неосторожных взмахов при игре в гольф и менее визуально отвлекающим внимание игрока.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения на выходной стороне предусмотрена дополнительная пара пучков, представляющая собой два пучка при обратных углах и с их точкой пересечения, лежащей на линии намеченного направления движения мяча, но расположенной на расстоянии от точек пересечения других пучков. Пучки в этой паре параллельны пучкам в других парах на выходной стороне. Схема выполнения этого типа показана на фиг.7, где F5 и В5 - дополнительная пара пучков, и их точка пересечения показана посередине между точками пересечения пучков пары F4-B4 и пары F6-B6. Все три пары действуют при выполнении удара, при этом пары F4-B4 и F6-B6 взаимодействуют для измерения характеристик движения средне- и низкопосланных мячей, a F4-B4 взаимодействуют для измерения характеристик движения высоко-, средне- и низкопосланных мячей. В тех случаях, когда удар нанесен должным образом в пределах измерения парой пучков F6-B6, измерения, полученные от этой пары, используют для определения характеристик движения. Вторая пара пучков также предоставляет дополнительную информацию о вертикальной высоте мяча, а пары F6-B6 и F5-B5 расположены таким образом, чтобы исключить неясность при определении вертикальной высоты мяча.
Нейронное средство
В обсуждавшихся математических моделях ударная поверхность клюшки рассматривается как прямолинейная поверхность постоянной ширины с четко очерченными краями. В действительности, ударная поверхность клюшки может не быть совершенно плоской, а края не будут четко очерченными. Кроме того, хотя в математических моделях автоматически рассматриваются все специфические размеры ширины клюшки, в действительности, эффективная ширина плоской ударной поверхности клюшки также может немного изменяться с наклонением ударной поверхности клюшки.
Эти отклонения от простой математической модели могут рассматриваться различными способами. Одним из них является использование более уточненных математических моделей для учета этих отклонений. Другим способом является использование интеллектуального средства типа искусственной нейронной сети, которое ранее обучалось посредством информации, касающейся широкого ряда сигналов пучков для получения характеристик движения ударной поверхности клюшки и мяча. Интеллектуальное средство типа искусственной нейронной сети, именуемое впредь нейронным средством, означает средство определения решения проблемы, которое действует способом, имеющим сходства с определением человеком решения проблемы. В частности, этот вид определения решения проблемы связан с ранее приобретенным опытом, на основе которого может быть определено или интерполировано решение в случае возникновения новой проблемы или ситуации.
При использовании нейронного средства обычно будет полезно предварительно обрабатывать некоторые или все первичные сигналы пучков для представления их к нейронному средству и оценивать их относительное значение для конкретных типов выходных сигналов. Эта стадия предварительной обработки может быть осуществлена обычными электронными способами и устройствами для обработки.
Например, при измерении пучками на входной стороне выходные сигналы об ударной поверхности клюшки, направлении клюшки и скорости клюшки в горизонтальной плоскости оцениваются близко к предварительно обработанным сигналам, касающимся продолжительностей - или различий в продолжительностях - между прерываниями в группах параллельных пучков, относящихся к ударной поверхности клюшки. Угол и смещение ударной поверхности клюшки в горизонтальной плоскости оцениваются близко к предварительно обработанным сигналам, касающимся различий в продолжительностях между прерыванием соответствующих наклонных пучков и пучков под обратными к ним углами равной величины, для групп пучков, которые расположены под разными относительными углами друг к другу. Угол и смещение ударной поверхности клюшки также оцениваются близко к определенным значениям направления и скорости клюшки. Выходные сигналы о направлении и скорости мяча в горизонтальной плоскости оцениваются близко к предварительно обработанным сигналом, касающимся продолжительностей - или различий в продолжительностях - между прерываниями в группах параллельных пучков, относящихся к мячу. Когда также используются сигналы о восстановлении, выходные сигналы оцениваются близко к предварительно обработанным сигналам, касающимся продолжительностей или различий в продолжительностях между прерываниями и восстановлениями отдельных пучков, относящихся к мячу.
Устройство
На фиг.8, 9 и 10 показан предпочтительный вариант выполнения устройства, подходящего для определения характеристик движения ударной поверхности клюшки и мяча с использованием схемы расположения пучков, соответствующей той, которая показана на фиг.7.
Отсылаем теперь к фиг.8, на которой показан схематический вид сверху, содержащий изображение центральных коллимированных пучков в виде пунктирных линий. Устройство содержит площадку для игры и мяч, расположенный непосредственно на площадке или на Т-образной опоре на площадке до нанесения удара по нему. На площадке для игры может иметься долговечный искусственный дерн или полимерный мат.
Отражатель излучателя, содержащий множество вертикальных фокусирующих отражательных полосок, расположен вдоль стороны площадки для игры, самой дальней от игрока, а отражатель детектора, также содержащий множество вертикальных фокусирующих отражательных полосок, расположен вдоль стороны, ближайшей к игроку. Эти отражатели располагают по бокам достаточно далеко от траектории движения клюшки и мяча, чтобы избежать удара по ним при любом нормальном ударе по мячу и, кроме того, свести к минимуму визуальную навязчивость, вертикальная высота также сведена к минимуму, чтобы избежать удара по отражателям и свести к минимуму визуальную навязчивость. Отражатели установлены на блоках, которые поддерживаются общей рамой ниже уровня площадки для игры для обеспечения того, чтобы поддерживать правильное выравнивание между ними. Игрок стоит на платформе или мате так, чтобы выравнивать свое стоячее положение с положением площадки для игры.
Отсылаем теперь к фиг.9 и 10, где на фиг.9 показан схематический местный вид сверху устройства на фиг.8, показывающий выполнение устройства под поверхностью площадки для игры при сохранении изображений отражателя излучателя и отражателя детектора. Этот вид содержит изображение пучков, показанных пунктирными линиями. На фиг.10 показан вид сбоку в разрезе по линии Х-Х устройства, показанного на фиг.8 и 9. На фиг.10 показано выполнение устройства в том случае, когда по мячу ударяют из приподнятого положения первого удара, что обычно происходило бы, например, при первом ударе.
Двенадцать излучателей, соответствующих по одному каждому требующемуся полосовому пучку, расположены вдоль блока излучателей, который расположен под поверхностью площадки для игры. Излучатели содержат лазерные диоды и своей длинной осью ориентированы в вертикальной плоскости. Каждый излучатель испускает пучок, который сильно расходится в вертикальной плоскости. Каждая пара из излучателя и линзы наклонена таким образом, чтобы ее пучок был направлен вверх к граням соответствующей вертикальной отражательной полосы на отражателе излучателя, который расположен выше уровня поверхности площадки для игры. Вертикальная плоскость, которая содержит расходящийся пучок, приблизительно совпадает с вертикальной плоскостью, которая содержит пучок над поверхностью площадки для игры, но может немного изменяться для допущения преломляющих эффектов поверхности отражателя. Пучок отражается фокусирующим отражателем в виде параллельного коллимированного пучка, требующегося согласно варианту выполнения, показанному на фиг.7. Параллельный коллимированный пучок пересекает площадку для игры и падает на фасетки соответствующей отражательной вертикальной полосы на отражателе детектора. Отражатель детектора фокусирует параллельный пучок в фокусе во входном окошке или соответствующем детекторе, который расположен под поверхностью площадки для игры. В блоке детекторов установлен ряд из двенадцати таких детекторов, каждый из которых имеет входное окошко, расположенное и направленное в фокусе соответствующего входящего пучка. Пучки могут пересекать плоскость поверхности площадки для игры либо через полимерные окошки на уровне поверхности площадки для игры, которые прозрачны для сигнализирующего излучения, либо через отверстия на уровне поверхности площадки для игры. В тех случаях, когда используются отверстия, излучатели и детекторы защищены от загрязнения вертикальными или почти вертикальными окошками, расположенными между ними и отверстиями.
Важно обеспечить, чтобы пучок был хорошо коллимирован в параллельные лучи через главную центральную область между отражателями. Кроме того, важно, чтобы он имел распределение интенсивности, которая по возможности незначительно изменяется поперек пучка, а в тех случаях, когда изменение интенсивности является неизбежным, оно сводится к минимуму и происходит регулярным предсказуемым образом.
В качестве источника излучения используются лазерные диоды, которые могут быть получены при небольшой стоимости и с очень небольшими размерами источника около 0,001 мм при расходимости около 30° на 8° при полной ширине на полувысоте. Лазерный диод ориентирован таким образом, что бóльшая ось расходимости ориентирована к вертикали для обеспечения вертикальной высоты пучка, а меньшая ось расходимости ориентирована к горизонтали для обеспечения его толщины. Меньшая расходимость вдоль горизонтальной оси лазерного пучка почти полностью коллимируется на единственной стадии в лазерной линзе, например, когда исходит расходимость в 8°; она снижается до менее 1°. Небольшая степень умышленно удерживаемой расходимости обеспечивает важный и полезный элемент в восприятии позиционного допуска, который описывается ниже. Бóльшая расходимость вдоль вертикальной оси коллимируется в две стадии. В варианте выполнения устройства, показанном на фигурах, расходимость в 30° является недостаточной для обеспечения подстроечного пучка достаточной высоты для приспособления к полному диапазону ударов "гольф", при этом лазерная линза увеличивает расходимость до около 44-45° на вертикальной оси. Этот вертикально расходящийся пучок падает на фасетки отражателя излучателя, где он фокусируется в параллельный коллимированный пучок.
Выход излучения из лазерного диода следует структуре естественного гауссового распределения через каждую ось, увеличиваясь в интенсивности по направлению к центру и уменьшаясь в ней по направлению к краям. Это нежелательное изменение ухудшается из-за отбрасывания пучка вверх на вертикальный отражатель, который, если иначе не было исправлено, стремился бы уменьшать интенсивность снизу вверх в центральном выходящем пучке от отражателя. Эти изменения уменьшают, используя два основных способа. Одним способом является отделение или экранирование слабых краев пучка, устраняя около 30% общей интенсивности пучка. Вторым способом является модификация пучка в лазерной линзе. Вдоль своих вертикальной и горизонтальной осей увеличения лазерная линза постепенно растягивает излучение, передаваемое ближе всего к центру линзы, чтобы уменьшить его интенсивность, и постепенно сжимает излучение, передаваемое ближе всего к краям линзы, чтобы увеличить его интенсивность. В меньшей степени лазерная линза дополнительно постепенно растягивает и сжимает излучение для компенсации влияний отбрасывания пучка вверх. В общем, можно довольно легко достигнуть вертикальной интенсивности пучка лучше чем ±20%.
При этом выполнении устройства важное значение имеет регулирование положения пучков по различным оптическим составляющим. Система должна быть способна воспринимать воздействие различных факторов, включая производственные допуски и изменения, возникающие из-за колебаний температуры и влажности. Основным способом приспособления к возможной разрегулировке является выполнение детектора таким образом, чтобы он нуждался только в небольшой части первоначально излученного пучка, и выполнение пучка расходящимся на каждой стадии, после которой он подстраивается или переприспосабливается на каждой стадии, чтобы позволить возможную местную разрегулировку. В предпочтительном варианте осуществления изобретения лазерные диод и линза выполнены для излучения расходящегося пучка, который достигает толщины около 2 мм, когда он встречается с отражателем излучателя. Фасетки на отражателе излучателя имеют ширину около 6 мм, обеспечивая достаточный позиционный допуск по 2 мм с каждой стороны. Этот отражатель выполнен с фасетками, которые не увеличивают по горизонтальной оси, так что они отражают пучок шириной около 2 мм с такой же самой степенью небольшой расходимости, с какой он покидал лазерную линзу. Эта расходимость приводит к достижению им толщины около 10 мм ко времени прибытия к отражателю детектора. Фасетки на отражателе детектора имеют ширину около 6 мм и эффективно уменьшают ширину пучка с 10 мм у входящего пучка до 6 мм у выходящего пучка при условии, что смещение от заданного взаимного расположения между двумя отражателями не превышает 2 мм с любой стороны. Когда это смещение превысит 2 мм, выходящий пучок на эту величину уменьшит свою номинальную толщину в 6 мм. Например, смещение в 5 мм между отражателями излучателя и детектора все же приведет к пучку шириной 3 мм, отражаемому к детектору. Отражатель детектора также выполнен с фасетками, которые не увеличивают по горизонтальной оси, так что они отражают пучок шириной вплоть до около 6 мм с аналогичной остающейся степенью небольшой расходимости. Это приводит к достижению толщины пучка вплоть до около 8 мм ко времени его прибытия к области детектора. Средство детектирования снабжено средством экранирования, которое содержит узкую вертикальную прорезь, расположенную перед окошком детектора. В предпочтительном варианте осуществления изобретения оно содержит прорезь шириной 1 мм, расположенную близко перед окошком детектора. В тех случаях, когда в средстве детектирования разрешается позиционный допуск в ±1 мм, от отражателя детектора будет достаточен входящий пучок в 3 мм. Как упоминалось ранее, это соответствует позиционному допуску ±5 мм между отражателями излучателя и детектора, который легко контролируется предложенным устройством. Контроль допуска в вертикальном направлении осуществляется сходным и легче достижимым образом вследствие того, что высота пучка намного больше его ширины.
Как можно отметить, использование предложенного конечного экрана шириной 1 мм значительно уменьшает толщину активной части пучка до 1 мм по всей его длине. Это успешно обеспечивает получение активного пучка с минимальной толщиной и хорошей четкостью края.
Лазерная линза - это небольшое сложное оптическое устройство, которое образовано в виде полимерной детали, изготовленной литьем под давлением. Она расположена перед выходом лазера, будучи удерживаемой при точном совмещении посредством формованного за одно целое фланца или крепления на отливке линзы. Линза может принимать различные формы и при типичном выполнении имеет две поверхности, при этом первая поверхность имеет цилиндрическую вогнутую полиномиальную форму, а вторая поверхность - цилиндрическую выпуклую асферическую или тороидальную форму. В число подходящих полимерных материалов входят циклоолефиновый полимер или циклоолефиновый сополимер, которые имеют низкие водопоглощающие свойства.
Отражатели могут быть изготовлены литьем под давлением в виде цельных полимерных отливок, произведенных из того же самого материала, что и лазерная линза. Корпусы отражателей расположены по всей длине средства излучения и средства детектирования. Они с пользой имеют плоскую поверхность, обращенную в устройстве к его области для игры, что уменьшает их загрязнение и позволяет легко очищать тряпкой. Хотя это и не показано на фигурах, формованные отражатели оребрены обычным образом для обеспечения жесткости при небольшой толщине материала. Отражательные поверхности отражателя содержат вертикальную полосковую матрицу из горизонтально расположенных фокусирующих фасеток типа Фрешнеля, которые при необходимости направляют и коллимируют пучок. На фиг.13 показан увеличенный вид сверху в разрезе двух из этих вертикальных полосковых матриц. Полоски и фасетки имеют ширину около 6 мм. Фасетки на отражателе детектора имеют высоту около 1 мм и являются по существу плоскими. Фасетки на отражателе излучателя имеют высоту около 1-2 мм и являются по существу плоскими при виде в горизонтальном сечении, но изогнутыми при виде в вертикальном сечении. Если использовались бы плоские отражатели, то при коллимировании потребовались бы фасетки намного меньшей высоты. Изогнутый профиль позволяет использовать фасетки большего размера, что дает возможность изготавливать деталь при меньших расходах на литье под давлением. Фасетки отражателя не требуется выполнять изогнутыми, и они могут быть легко изготовлены высотой в 1 мм. Отражательные поверхности фасеток создаются как внутренняя поверхность в материале. При формовании фасетки образуют полость на ее задней стороне, которую затем металлизируют для образования отражательной поверхности. Это имеет преимущество в том, что качество отражательной поверхности определяется поверхностью полимера, а не металла, поверхность которого может подвергаться окислению или царапанию. Может быть использован недорогой металлизирующий материал, как, например, алюминий. Пучок должен поступать к поверхности полимерного материала и покидать ее, будучи отраженный фасеткой, и он будет преломляться в тех случаях, когда пучок поступает или удаляется под углом, который не является ортогональным. Угол направления фасеток и угол пучка, поступающего от лазерной линзы, или пучка, выходящего к детектору, регулируют соответствующим образом, чтобы учитывать такие эффекты преломления. Отражатели изготавливают в виде недорогих взаимозаменяемых составных частей, которые могут быть легко установлены в устройстве или сняты с него. На фигурах показано лишь схематическое изображение монтажной конструкции, которая содержит пазы в основании средств излучения и детектирования. При реальных способах монтажа обеспечивается крепление отражателя по всей его длине и расположение перпендикулярно к площадке для игры. При альтернативном варианте этого аспекта изобретения отражатели заменены эквивалентными фокусирующими линзами.
Лазерный диод имеет выходную мощность около 1 мВт и испускает излучение при почти инфракрасных длинах волн между 780 нм и 1000 нм. Его расходимость обычно составляет 30° на 80° полной ширины на полувысоте. Детектором является фотодиод с фильтром, который не пропускает видимый свет. Его входное окошко имеет размер 2,5×2,5 или больше. Он обеспечивает электронную выходную мощность, которая пропорциональна величине соответствующего излучения, поступающего в его окошко. Лазерные диоды и фотодиоды являются импульсно модулированными в согласованных парах, так что сигналы-помехи от любого излучателя не будут регистрироваться никаким несогласованным детектором. Кроме того, модуляция предотвращает регистрацию детекторами нежелательного окружающего излучения. Модуляция достигается посредством согласованного электронного привода к лазерному диоду и фотодиоду.
Блок матрицы излучателя представляет собой отливку, которая изготовлена прецизионным литьем под давлением и которая удерживает лазерные диоды и лазерные линзы в правильном точном совпадении. Блок матрицы детектора аналогичным образом представляет собой отливку, которая изготовлена прецизионным литьем под давлением и которая удерживает их в правильном точном совпадении. Блок матрицы детектора может также успешно содержать средство экранирования детектора с экранирующими щелями, образованными непосредственно в отливке. Средство экранирования в увеличенном масштабе показано на фиг.10-12 и, в действительности, расположено ближе к окошку фотодиода. Блок матрицы излучателя и отражатель излучателя расположены на общей базе средства излучения. Блок матрицы детектора и отражатель детектора - оба аналогичным образом установлены на общем основании средства детектирования. Основание средства излучения и основание средства детектирования удерживаются во взаимном расположении основанием или рамой, которая простирается на ширину устройства.
Вариант выполнения устройства, в котором пучок отражается от излучателей или к детекторам ниже уровня поверхности площадки для игры в гольф, обеспечивает различные преимущества, включая следующие. Во-первых, использование взаимозаменяемых отражателей позволяет использовать средство излучения и средство детектирования разной высоты для различных видов ударов по мячу, тем самым уменьшая преграждаемость по высоте только до той, которая необходима. Во-вторых, использование взаимозаменяемых отражателей позволяет средство излучения или средство детектирования, ближайшее к игроку, изменять в отношении его расположения между игроком и мячом, как это требуется при различных видах ударов по мячу. В-третьих, это позволяет располагать все составные части, исключая отражатели, вдали от зоны игры. Это имеет несколько преимуществ. Отражатели являются тонкими, в значительной степени прозрачными составными частями, которые являются относительно невыступающими. Кроме того, они имеют небольшой вес и выполнены легко смещаемыми при ударе клюшкой, что тем самым исключает опасение их разрушения или повреждения при случайном ударе о них. Отражатели изготовлены в виде недорогих заменяемых составных частей, которые могут быть легко и недорого заменены при случайном повреждении.
Отсылаем теперь к фиг.10, на которой изображен вариант выполнения устройства, пригодный для первых ударов, когда мяч помещают на Т-образную подставку, которая поднимает его на высоту вплоть до около 30 мм над поверхностью площадки для игры. На этом виде показана высота наивысшей необходимой полоски отражателя для варианта выполнения, при котором будут измерять движение клюшки и мяча на всем диапазоне нормальных ударов. По выбору, составные части отражателя могут сохранять эту высоту по своей длине или они могут быть изготовлены с изменением их верхнего края по высоте, требуемой высотами отдельных полосок отражателя. Отражатели, показанные на фиг.10, будут соответствующим образом измерять движение клюшки и мяча в широких пределах ударов по мячу с земли, т.е. ударов, при которых мяч не поднят на Т-образную подставку. В некоторых случаях дополнительная высота отражателя, требуемая мячом, поднятым на Т-образную подставку для первого удара, согласуется с дополнительной высотой, требуемой для ударов с земли, когда мяч может быть более высоко запущен или когда клюшка может описывать намного более крутую траекторию вниз при приближении к мячу. Таким образом, одна группа отражателей может быть использована для всех этих ударов, которые включают в себя почти все удары, за исключением ударов толканием. Далее приводится пример необходимых высот отражателя для устройства, которое будет измерять все удары с земли и все первые удары с Т-образной подставки высотой вплоть до 30 мм над поверхностью площадки для игры, когда устройство сходно с тем, которое изображено на фигурах. Полоски отражателя для F6-B6 и F5-B5 имеют высоту около 75 мм; полоски отражателя для F4-B4, F3-B3 и F2-B2 имеют высоту около 40 мм; и полоски отражателя для F1-B1 имеют высоту около 80 мм. В тех случаях, когда мяч расположен на Т-образной подставке выше 30 мм над поверхностью площадки для игры, используют соответственно более высокие полоски отражателя. Пучок от лазерного диода имеет достаточный размер для охвата всех высот отражателя и не изменяется при замене отражателя.
Отсылаем теперь к фиг.11, на которой изображен вариант выполнения устройства, подходящего для ударов толканием. Удары толканием отличаются от других ударов при игре в гольф тем, что игрок обычно будет стоять намного ближе к мячу, а скорость головки клюшки является сравнительно низкой. Для приспособления к этим ударам устройство соответственно имеет второе расположение отражателя детектора ближе к мячу. Для ударов толканием требуется намного меньшая высота отражателя, как это показано в нижеприведенном примере. Полоски отражателя для F6-В6, F5-В5 и F4-В4 имеют высоту около 25 мм; полоски отражателя для F3-B3 и F2-В2 имеют высоту около 40 мм; и полоски отражателя для F1-B1 имеют высоту окало 50 мм.
Отсылаем теперь к фиг.12, на которой показано выполнение устройства, сходное с выполнением на фиг.10, но в этом случае средство излучения и средство детектирования расположены так, чтобы уменьшить необходимую высоту отражателя детектора посредством увеличения высоты отражателя излучателя. Фасетки на отражателе излучателя расположены так, чтобы вызвать схождение пучка по направлению к отражателю детектора. Преимуществом этой системы является то, что она уменьшает необходимую высоту отражателя, который стоит между игроком и мячом, что тем самым уменьшает его возможную преграждаемость. Это преимущество может быть сопоставлено с недостатками в виде более высоких отражателей излучателя и более сложного вычисления в средстве измерения вследствие более сложного геометрического расположения сходящихся пучков.
Средство измерения устройства содержит программируемый электронный процессор, который способен функционировать для преобразования сигналов от пучков в характеристики движения клюшки и мяча, в общем, в соответствии со способами, которые уже описаны. Оно может содержать уже обсуждавшееся интеллектуальное средство типа искусственной нейронной сети. Сигналы детектируются при двух основных режимах. Одним из этих режимов является регистрация момента времени при первоначальном прерывании пучка. Первоначальное прерывание определяется с использованием аналогового триггера, как, например, триггера Шмитта, который приводится в действие, когда выходное напряжение от фотодиода падает на небольшую заданную величину ниже уровня его устойчивого состояния. Использование аналогового триггера обеспечивает намного более высокий уровень точности, чем это может быть обеспечено обычно преобразованными цифровыми сигналами. Время первоначального прерывания используется для определения характеристик движения, проецированных на горизонтальную плоскость. Второй режим детектирования - это измерение степени, до которой пучок загораживается при прохождении клюшки или мяча через него, и последующее определение вертикальной высоты низа клюшки или мяча. Это достигается использованием высокоскоростных электронных способов слежения за выходным сигналом от фотодиода и регистрации его наименьшей величины. Эта наименьшая величина сравнивается с сигналом устойчивого состояния, который присутствовал до прерывания пучка. Это сравнение преобразуют в вертикальную высоту, используя предварительно программированную группу величин преобразования, хранящихся в памяти процессора.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления изобретения, который будет называться вторым предпочтительным вариантом, устройство по этому варианту следующим образом отличается от устройства по первому предпочтительному варианту осуществления изобретения. Средство излучения и средство детектирования расположены на одной и той же стороне устройства, предпочтительно на стороне, противоположной игроку. Излученный пучок пересекает поверхность площадки для игры и отражается обратно по тому же самому пути для восприятия средством детектирования. Общее средство отражения, содержащее множество вертикальных матриц из отражательных фасеток, выполняет две задачи по направлению расходящихся лучей от излучателей и линз к главным действующим пучкам и фокусировке отраженных пучков в сходящиеся лучи, которые падают на окошки детекторов. Хотя каждая вертикальная матрица из фасеток распределена на излучатель и детектор, это устройство в остальном сходно с устройством по первому предпочтительному варианту осуществления изобретения. Дополнительное средство отражения расположено на другой стороне устройства. По габаритным размерам оно сходно со средствами детектирования и отражения в первом предпочтительном варианте осуществления изобретения, будучи достаточно большим для перехвата группы излученных пучков. Оно содержит ретроотражательную поверхность, которая в предпочтительном варианте имеет плотно упакованные матрицы из оптических уголковых кубиков, которые отражают любой пучок света точно назад по направлению к источнику. Уголковые кубики имеют три отражательные поверхности под углом в 90 градусов друг к другу. Ориентация уголкового отражателя является очень некритической. Уголковый отражатель может быть изготовлен при низкой стоимости, например, в виде полимерной отливки, произведенной литьем под давлением. При этом устройстве требуется детектированный пучок, отделяемый от оптического пути излученного пучка. Это может быть достигнуто вставлением косонаклоненного полупрозрачного зеркала, обычно с отражением около 50%, на пути излученного пучка между лазерной линзой и средством отражения. Около половины возвращающего пучка отражается от оптического пути излучателя по направлению к детектору, который расположен в соответствующем фокусе отраженной части. Составные части средства излучения и средства детектирования могут быть успешно установлены на общих блоке матрицы и основании, что может в значительной степени способствовать позиционному совмещению между составными частями.
По сравнению с первым вариантом осуществления изобретения второй предпочтительный вариант имеет несколько недостатков, включая следующие. В полупрозрачном зеркале может теряться вплоть до около 75% энергии пучка, что вызывает необходимость в более мощных излучателях для обеспечения равного уровня сигнала у детектора. Часть пучка над поверхностью площадки для игры удваивается в длине, тем самым увеличивая степень нежелательного внутреннего расхождения внутри пучка.
По сравнению с первым предпочтительным вариантом осуществления изобретения второй предпочтительный вариант имеет также несколько преимуществ, включая следующие. Позиционная регулировка между средством излучения и средством детектирования обеспечивается лучше, благодаря сравнительно некритическому позиционному допуску уголкового отражателя и благодаря близкому расположению средства излучения и средства детектирования на общем основании. Тот же самый уголковый отражатель может быть также использован при разных расстояниях от исходного положения мяча в тех случаях, когда изменения в расстоянии могут удовлетворять требованиям разных видов ударов или разных игроков. Группирование вместе излучающих и детектирующих составных частей также позволяет изготавливать устройство при меньшей стоимости и способом, который может способствовать легкому монтажу и демонтажу составных частей устройства для облегчения упаковывания, хранения и транспортировки.
В дополнительном альтернативном варианте осуществления изобретения матрица из двенадцати излучателей заменена одним общим излучателем или двумя общими модулированными излучателями. Излучатели расположены на стороне устройства со средством детектирования за точкой детектирования конечных пучков F6-В6 и, по выбору, над уровнем поверхности площадки для игры. Излучатели испускают излучение по направлению к отражателю излучателей, который расположен подобно тому, что показано на фиг.8. Общие излучатели и средство детектирования предпочтительно расположены на стороне устройства, противоположной игроку. На отражательных полосках отражателя фасетки расположены таким образом, что они перенаправляют излучение обратно к отражателю детектора в геометрических направлениях, сходных с теми, что показано на фиг.8. Сигналы от пучков детектируются способом, сходным с описанным способом для первого предпочтительного варианта осуществления изобретения. Начинающееся излучение от излучателей может быть фокусировано линзами для преимущественного направления излучения на отражательные полоски и близко окружающие области отражателя излучателя. Необходимо учесть, что изобретение не ограничивается конкретными подробностями, описанными здесь, и что возможны различные модификации и изменения, не выходящие за пределы изобретения, как они определены в прилагаемой формуле изобретения на способ и устройство.