Установка для тренировок в различных видах спорта с мячом
INSTALLATION FOR TRAININGS IN VARIOUS TYPES OF SPORT WITH THE BALL

Изобретение относится к спортивным техническим средствам обучения, более конкретно, к тренажерам для игры c мячом, предпочтительно для футбола.
Уровень техники
Известны различные устройства в данной области техники. Рассмотрим некоторые из них.
RU, патент на ПМ №136354 ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ТРЕНИРОВКИ ТОЧНОСТИ УДАРОВ И БРОСКОВ СПОРТСМЕНОВ ПО ВОРОТАМ тренировочная зона ограничена размерами ворот, что не позволяет тренировать удары в различные зоны, точность попаданий может быть оценена более 100%, невозможно проведение тренировок в автоматическом режиме.
RU, патент на ИЗ №2570497 ТРЕНАЖЕР недостатком является ограниченная зона для ударов, равная площади ворот, используются электромеханические контакты, снижающие надежность устройства в целом.
RU, патент на ИЗ №2166976 ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ФУТБОЛИСТОВ – механический тренажер, удар по мячу наносится за счет вращения планки, прикрепленной к валу электродвигателя. Дальность и высота полета устанавливаются с помощью изменения угла наклона поверхности на которой лежит мяч. Недостатки: невозможно с высокой точностью задавать траекторию полета мяча
К наиболее близким аналогам предлагаемого изобретения относятся:
• Площадка для игры в мяч, содержащая установку для выбрасывания мяча и детекторы для регистрации движения мяча в соответствии с европейским патентом EP 2358449.
• Устройство для тренировки игроков в мяч, в соответствии с патентом США №8,979,548.
Недостатками аналогов является следующее:
- ячейки мишени не разделены на зоны, что не позволяет оценить точность попадания;
- каждая ячейка имеет свой вычислительный модуль, что удорожает устройство и усложняет управление и обслуживание;
- предлагается размещать ворота-мишени только с 3-х сторон игровой площадки. Это затрудняет тренировку ситуаций, при которых мяч может подаваться из-за спины игрока
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является «Установка для тренировок, матчей и соревнований в видах спорта с мячом» по патенту EP 2358449, выбранная в качестве прототипа.
Известная установка представляет из себя игровую площадку (1), ограниченную изгородью (2) и, включающую, по меньшей мере, одну пушку для выбрасывания мяча (3) для его введения в игру, для чего в изгороди (2) или на ее уровне предусмотрены отверстия (5) и/или детекторы (6) для регистрации мяча, движущегося (запущенного) от удара игрока, и данные, касающиеся выброшенного мяча и результата удара игрока, обрабатываются компьютером и запоминаются. Причем известная установка состоит из нескольких установок, соединенных между собой, предпочтительно, центральным компьютером. Игровая площадка (1) имеет прямоугольную, предпочтительно, квадратную форму. Пушки для выбрасывания мяча (3) располагаются в центре каждой стороны и/или в углах. Позиция выбрасывания мяча (4) может быть модифицирована. Пушки для выбрасывания мяча (3) интегрированы (встроены) в изгородь (2) или соответствуют изгороди (2), и тем, что мяч может вводиться в игру пушкой для выбрасывания мяча под углом, определенным /выбранным заранее и с силой выбрасывания, определенной /выбранной заранее, и/или тем, что мяч может вводиться в игру пушкой для выбрасывания мяча в зависимости от игровой ситуации, которая может быть определена/выбрана заранее.
Недостатками прототипа являются:
- тренировка на известном устройстве значительно отличается от реальных игровых ситуаций, так как ворота-мишени не соответствуют по конструкции стандартным воротам, применяемом в конкретном виде спорта, поэтому невозможно тренировать попадание в мишень отскоком от штанги,
- отсутствуют помехи на игровой площадке (в реальной игре это свои и чужие игроки),
- нет устройств, вынуждающих игроков совершать перемещения по игровой площадке для отработки навыков владения мячом в движении
- невозможно отрабатывать удары навесом,
- область мишени, куда надо попасть мячом, неподвижна, а в реальной игре перемещения вратаря или игроков заставляют изменять точку попадания
- отсутствует необходимость решения когнитивных задач, связанных с игровой ситуацией
- невозможно подавать мячи по настильной траектории
Все вышеперечисленное снижает ценность тренировки на тренажере по сравнению с реальной тренировкой и затрудняют перенос навыков, полученных на тренажере в реальную игру.
Таким образом, технической проблемой, существующей в настоящий момент, является проблема создания условий проведения тренировок на тренажере как можно более приближенных к условиям реальных игр. Именно на решение этой технической проблемы и направлено создание предлагаемого изобретения. Предлагаемая установка позволяет тестировать и тренировать как интегрированный навык игры с мячом, так и отдельные навыки, и их сочетания.
При этом установка с помощью дополнительных устройств, расположенных на игровом поле, позволяет приблизить тренировку на ней к реальной игре. Такими устройствами являются:
-  устройства инициации выброса мяча, расположенные в произвольных местах площадки, заставляющие игроков перемещаться;
- устройства для приема мяча при ударах навесом, расположенные в углах площадки;
- створ ворот, размещенный перед воротами-мишенями для отработки рикошетов;
- дополнительная пушка для мячей, расположенная над пушкой, установленной на поле, для настильных пасов;
- отражатели (ребаундеры), расположенные на игровом поле и имитирующие игроков;
- интерактивные экраны для предъявления когнитивных задач.
Одновременное либо последовательное использование этих устройств позволяет максимально приблизиться к реальной игровой ситуации и переносить полученные навыки в реальную игру.
Техническим результатом является повышение эффективности проведения тренировок за счет высокой мотивации и создания условий наиболее приближенным к реальной игре.
Технический результат достигается за счет того, что  установка для тренировок в различных видах спорта с мячом, по меньшей мере, одного игрока, включающая  игровую площадку, ограниченную ограждением, по меньшей мере, одну пушку для выбрасывания мяча  для его введения в игру под любым углом, выбранным заранее, причем перед ограждением установлены ворота-мишени, в которых  предусмотрены отверстия и/или детекторы   для регистрации мяча, запущенного  ударом игрока,  за воротами-мишенями расположено устройство гашения скорости мяча и лоток для сбора мячей, причем данные, касающиеся выброшенного мяча и результата удара игрока обрабатываются устройством управления и запоминаются,
дополнительно включает:
-  звуковые и световые сигнализаторы, установленные над пушкой для выбрасывания мяча для информирования игрока о том, какая пушка должна сработать,
- по меньшей мере, одно устройство инициации выброса мяча пушкой, снабженное световой и звуковой сигнализацией, с помощью которого игрок сам может выбрать пушку для выброса мяча,
- по меньшей мере, одно дополнительное устройство улавливания мяча с изменяющимися или фиксированными высотой и углом наклона, установленное в углу площадки и снабженное звуковыми, световыми сигнализаторами и датчиками прохождения мяча, предназначенное для  тренировки ударов навесом,
- створы ворот, имеющие меньшие или стандартные по ширине и стандартные по высоте размеры, используемых в том виде спорта, по которому проводится данная тренировка и размещенные перед воротами-мишенями с установленными на них датчиками удара, звуковыми и световыми сигнализаторами,
- причем все датчики, сигнализаторы, механические и электронные устройства соединены с устройством управления тренажера беспроводной или проводной связью.
Дополнительными отличиями являются:
- установка включает по меньшей мере один ребаундер (отражатель) произвольной формы и размера, позволяющий выполнять протоколы отправки мяча в створ ворот, сокращая время выхода на ударную позицию, и  снабженный датчиками попадания, блоком беспроводной или проводной связи с устройством управления и блоком световой сигнализации;
- установка содержит систему определения местоположения игроков и мяча на игровой площадке;
- в качестве системы определения местоположения игроков и мяча на игровой площадке используется система локального позиционирования, при этом на спортсменах и мячах размещаются датчики определения местоположения;
-  в качестве системы определения местоположения игроков и мяча на игровой площадке используется камера для отслеживания положения мяча и/или игроков оптическим способом в видимом, ИК или УФ диапазоне;
-  в качестве системы определения местоположения игроков и мяча на игровой площадке используется 3D оптический сканер пространства;
- в качестве системы определения положения мяча может быть использована инфракрасная шторка (световая решетка)
-  на воротах-мишенях может быть установлена система предъявления задач игроку для осуществления протоколов попадания в предъявляемую мишень, которая может быть представлена в виде визуальной подвижной или статичной картинки  на экран, в виде голографической проекции или в виде  пространственной конструкции, разбитой на ячейки, которые снабжены световыми сигнализаторами;
- установка  включает, по меньшей мере, 2 пушки для выброса мячей, установленные одна над другой;
-  над пушкой для выбрасывания мячей может быть установлен интерактивный экран, связанный с устройством управления и отображающий ход тренировки, а также обеспечивающий интерактивное управление тренировкой с помощью пульта управления, имеющегося у спортсмена;
- установка включает автоматический сборщик мячей.
Установка дополнительно может включать блок идентификации, представляющий собой считыватель RFID меток, имеющихся у каждого спортсмена.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - представлен общий вид установки,  где:
1 – игровая площадка, 2 – наружное ограждение, 3 – пушка, 4 – ворота-мишени, 5 - устройства улавливания мяча (бочки), 6 – интерактивный экран, 7 - световой и звуковой сигнализаторы
Фиг. 2 – Вид установки сверху, где:
8 – лотки для сбора мячей, 9 – ребаундер, 10 - устройство инициации выброса мяча, 11 – створ ворот перед воротами-мишенями
Фиг. 3 - Вид установки внутри ограждения, где:
12 – спортсмен, 13 – мяч, 14 – условная траектория полета мяча из пушки, 15 – условная траектория полета мяча в мишень, 16 – верхнее ограждение ворот-мишеней
Фиг. 4 – Вариант установки с одной пушкой
Фиг.5 – Система предъявления задач в виде ворот-мишеней с дополнительными воротами, где:
17 – подсветка ячейки, 18 – датчик удара, 19 – световой сигнализатор
Фиг. 6 – Система предъявления задач в виде ворот-мишеней с экраном для проекции, где:
20 – экран для проекции, 21 – проекция
Фиг.7 - Реализация системы предъявления задач с помощью голографической проекции, где:
22 – зона голографической проекции, 23 – сетка – гаситель скорости мячей
Фиг.8 Блок-схема взаимодействия электронных устройств установки, где:
24 – устройство управления, 25 – блок управления пушкой, 26 – автоматический сборщик мячей (податчик мячей), 27 – блок идентификации, 28 – база данных для хранения результатов,
Фиг. 9 Вариант расположения проектора с камерой для захвата движений перед экраном для проекции, где:
29 – потолок, 30 – короткофокусный проектор с камерой для определения движения
Фиг 10. Инфракрасная шторка, где 31 – блоки излучателей, 32 – блоки приемников, 33 – инфракрасные или световые лучи,
Принцип работы установки
Установка представляет собой игровой тренажер для игры в футбол и другие игровые виды спорта с мячом, позволяющий тестировать и тренировать как интегрированный навык игры в футбол, так и отдельные навыки, и их сочетания под управлением устройства управления 24. Установка содержит игровую площадку 1, ограниченную ограждением 2. Результаты тестирований и тренировок накапливаются в базе данных 28 для дальнейшего анализа и иного использования. Принципиальное отличие от других известных -  это наличие переноса приобретаемых навыков в игру на поле. Это достигается наличием следующих устройств:
- устройства управления 24 с программами обработки результатов;
- отражателей (ребаундеров) 9, создающих помехи (имитирующих игроков) на площадке как в реальной игре, позволяющих приобретать и тренировать навык передачи и приема паса, попадать в мишень рикошетом от отражателя;
- устройств улавливания мячей (бочек) 5, позволяющих отрабатывать навесные удары, приобретать и тренировать навык переключения между типами ударов
- отдельно стоящих створов ворот 11 перед воротами- мишенями, позволяющих отрабатывать навык попадания рикошетом в створ ворот;
- системы предъявления задач, имитирующих реальные игровые ситуации;
- интерактивных экранов 6 для решения когнитивных задач в процессе тренировки и отображающих результаты тренировок для повышения мотивации:
- звуковых и световых сигнализаторов 7 над пушками для развития периферического спортивного зрения, интегрированного в процесс приема мяча;
- автоматический сборщик мячей 26, позволяющий проводить тренировки любой длительности без перерыва;
Рассмотрим отдельные технические решения, используемые в тренажере и работающие совместно с помощью устройства управления.
Блок идентификации 27 представляет из себя считыватель RFID меток, имеющихся у каждого спортсмена. В случае отсутствия такой метки, возможна ручная регистрация спортсмена для проведения тренировки.
Пушка для выбрасывания мяча 3, снабжена блоком управления 25 и системой изменения вертикального угла выброса мяча, скорости и закрутки мяча. Пушка 3 может устанавливаться как в произвольном месте, так и в промежутке между воротами и используется для выбрасывания мяча 13 по траектории 14 для последующей обработки мяча спортсменом 12 в соответствии с выданным заданием.
Световой и звуковой сигнализатор 7 над пушкой обозначает спортсмену 12, какая именно пушка будет стрелять.
Интерактивный экран 6 – информирует спортсмена о ходе тренировки и позволяет выдавать когнитивные задачи, решаемые в процессе тренировки других навыков. Умение принимать решения и осуществлять логические решения во время выполнения специфических футбольных действий, является основой игры.
Устройства 10 инициации выброса мяча пушкой 3, имеют световую, звуковую сигнализацию и сенсор, с помощью которого спортсмен 12 может сам ввести в игру любую из пушек 3, и устанавливаются в произвольных местах площадки 1 с целью заставлять спортсмена покидать зону приема мяча 13 из пушки 3, с целью учиться принимать мяч на бегу, обрабатывать его в движении. Устройство 10 инициации выброса мяча состоит из светового сигнализатора, включаемого отдельно звукового сигнализатора и сенсора, расположенного на полу, в произвольной точке площадки 1.
Устройства 5 улавливания мяча (бочки), установленные в углах. Предназначены для тренировки ударов навесом. Используются как в протоколах тренировки попадания навесом, так и в протоколах навыка переключения между прямым ударом в створ ворот, низким пасом в створ ворот, ударом рикошетом от штанги (см. ниже) и ударом рикошетом в створ ворот от ребаундера (отражателя) (см ниже). Устройства 5 улавливания мяча (бочки) снабжены световыми сигнализаторами, с помощью которых обозначается задача попасть мячом в бочку. Также в бочке 5 установлены датчики попадания, передающие данные о успешности или не успешности попадания в бочку в устройство управления. Также бочка может устанавливаться на подвижный привод, обеспечивающий изменение угла положения и/или высоты бочки, а значит и угла навеса. Изменения происходят по программе, заложенной в устройство управления.
Задача спортсмена 12 – отправить мяч в ворота или в бочку. Створ ворот 11 выполняется из металлического профиля, идентичного профилю ворот по требованию международной ассоциации футбола или других видов спорта или из другого профиля. В одной плоскости устанавливается 1 или 2 створа ворот. Створ ворот является интерактивным, снабженным световым сигнализатором 19 и датчиком удара 18 (см. фиг. 5). Световой сигнализатор 19 может быть установлен на одной из 3х поверхностей профиля створа ворот.
Задачей спортсмена 12 является попасть рикошетом от штанги в створ ворот 11. Фиксация факта попадания и зоны попадания в заданный профиль осуществляется снятием информации с датчиков попадания, установленных в профилях. Попадание в створ ворот 11 определяется одной из имеющихся в устройстве систем определения положения мяча (см. ниже). Внутри створа ворот 11 находится система предъявления задач на расстоянии не менее 10 см, для осуществления протоколов попадания в предъявляемую оптическую мишень, используя или не используя рикошет от штанги: (система может поставляться в разной комплектации по выбору заказчика.
Используется одна из обозначенных систем предъявления задач, две или более одновременно
а. Оптическая задача предъявляется путем проекции визуальной картинки (подвижной или статичной) на экран для проекции 20
б. Оптическая задача предъявляется путем использования гибких светодиодных излучателей, смонтированных, как на сплошной поверхности, так и на поверхности, состоящей из сегментов в произвольной форме.
в. Голографическая проекция, внутри створа ворот позволяет реалистично имитировать наличие объёмной задачи, например, такой как вратарь. Объёмная задача позволяет тренировать не линейную подачу мяча.
г. Пространственная конструкция, разбитая на ячейки, которые снабжены световыми сигнализаторами
Для определения положения мяча в установке может использоваться одна из следующих систем:
а. система локального позиционирования - позволяет определить положение мяча в 3D пространстве, с целью:
- анализа обработки мяча спортсменом
- определения траектории полета мяча 15 и ее соответствия траектории, выданной имитационной задачей
- определения попадания мяча в зону предъявляемой цели или игровой задачи
б. Инфракрасная шторка (световая решетка) - позволяет определять попадание мяча в конкретную точку створа ворот 11. Используется в настраиваемых пользователем протоколах симуляции.  Инфракрасная шторка (световая решетка) состоит из блока излучателя 31, генерирующего пучок параллельных инфракрасных лучей 33 в одной плоскости с заданным шагом и блока приемника 32, принимающего эти лучи 33. При использовании 2-х взаимно перпендикулярных блоков излучателей 31 и приемников 32, расположенных в одной плоскости, возможно определение положения предмета (мяча), пересекающего эту плоскость, относительно блоков приемников (фиг.10).
в. 3D оптический сканер пространства - позволяет анализировать полет мяча начиная с фронтальной плоскости створа ворот 11 и дальше внутри объёма створа ворот. Что позволяет анализировать полет мяча в протоколах с рикошетом от штанги или при анализе закрутки мяча. Так же анализ ударов с изменяемой траекторией мяча используется в протоколах с предъявленной голограммой
К полу в определенном или произвольном порядке, могут монтироваться отражатели 9 произвольной формы и размера для отскока мяча (ребаундеры). Это позволяет выполнять протоколы отправки мяча в створ ворот, сокращая время выхода на ударную позицию. Что позволяет развивать:
- логическое оперативное и ситуационное мышление по поиску максимально быстрой и эффективной траектории полета мяча в створ ворот;
- тренировку навыка расчёта эффективного паса, когда ребаундер в приобретаемом навыке воспринимается как игрок принимающий пас. Таким образом, игрок приобретает навык расчёта эффективной траектории после передачи паса, позволяющий вычислять эффективность паса с оценкой вероятности реализации паса ударом в створ ворот.
Ребаундеры 9 снабжены датчиком попадания мяча и световой сигнализацией, позволяющей реализовывать протоколы попадания в створ ворот только через отскок от ребаундера.
Определение положения игрока на поле осуществляется локальной системой позиционирования. Определение положения игрока может осуществляться в каждый момент времени, для:
- реализации интерактивных протоколов, выдающих задачу на устройстве в зависимости от положения игрока;
- количественный анализ эффективности выполнения предъявляемых на устройстве задач;
- оценка эффективности обработки мяча путем сопоставления положения в пространстве мяча и спортсмена.
- оценка индивидуальной эффективности при парных тренировках с другим спортсменом
В одном из вариантов реализации установки мишень для мяча состоит из створа ворот 11 с размерами, имеющие меньшие или стандартные по ширине и стандартные по высоте размеры, соответствующие стандартным футбольным воротам.  На створе ворот 11 установлен датчик удара 18, позволяющий зафиксировать попадание мяча в штангу.  За воротами на некотором расстоянии могут быть установлены дополнительные ворота-мишени 4, снабженные верхним ограждением 16, или экран для проекции 20. Дополнительные ворота – мишени 4 используются только для создания цели с помощью включения подсветки 17 нужной ячейки. Задача игрока состоит в том, чтобы за заданное время попасть в заданную ячейку ворот – мишени 4, используя отскок от штанги створа ворот 11 или не используя отскок.
Для указания ячейки, в которую необходимо отправить мяч, ячейка подсвечивается по периметру. Подсветка 17 может состоять из светодиодов, люминесцентных лампам или иных источников видимого света. В зависимости от состояния ячейки используются разные цвета:
- зеленый, в эту ячейку надо отправить мяч, время упражнения не закончилось;
- желтый, до конца упражнения осталось менее 2-х секунд;
- красный, время упражнения вышло или игрок отправил мяч в другую ячейку.
Управляющий сигнал подается с устройства управления установкой.  В случае использования дополнительных ворот – мишеней 4 за ними устанавливается устройство для гашения скорости мяча.  После попадания в устройство гашения скорости, расположенное за дополнительными воротами – мишенями 4, мяч падает в специальный лоток для сбора мячей 8. В случае, если устройство оборудовано автоматическим сборщиком мячей 26 (системой автоматического сбора и загрузки мячей), мячи подаются к пушкам для производства следующего выстрела. Если такой системы нет, то мячи накапливаются в лотке 8 откуда их вручную извлекают и загружают в пушку.
В зависимости от тренировочного задания может быть несколько алгоритмов назначения ячеек.
1. Статичная ячейка. В этом случае случайным образом назначается какая-либо ячейка и задача игрока состоит в том, чтобы отправить мяч именно в эту ячейку.
2. Динамическая ячейка. В этом случае первоначально показанная игроку ячейка может смениться на другую по заданному алгоритму и игроку необходимо отправить мяч в другую ячейку.
3. Множественная ячейка. В этом случае может выбираться сразу несколько ячеек, куда можно направить мяч, а по мере истечения времени количество разрешенных для попадания ячеек уменьшается до 1.
Алгоритм подсветки ячеек во всех случаях одинаков.
В другом варианте мишень состоит из створа ворот 11 с датчиком удара 18, световым сигнализатором 19 и расположенным за ними экраном для проекции 20. Световые сигнализаторы 19 на воротах служат для информирования игрока, в какие ворота надо отправить мяч. В зависимости от тренировочного задания игрок отправляет мяч непосредственно в мишень, отображаемую на экране для проекций 20 в виде проекции 21, или направляет в мишень с помощью отскока от штанги.
Датчик удара 18 передает в устройство управления информацию о попадании мяча в штангу.
Экран для проекции 20 расположен за створом ворот 11 на некотором расстоянии и выполняет следующие функции:
- гашение скорости мяча
- отображение проекции целевых зон
Один или несколько проекторов для проецирования заданий могут располагаться перед экраном или за ним. На фиг.9 показан вариант расположения проектора 30, закрепленного на потолке 29 перед экраном для проекции 20. Камера для захвата движения мяча всегда располагается перед экраном для проекции 20. На основании данных с этой камеры определяется место на мишени, куда попал мяч.
Отображение целевых зон может производиться по разным алгоритмам
- отображение статичных зон одного или разного размера
- отображение динамически меняющихся целевых зон, меняться могут размеры, форма и/или местоположение зон
- для повышения реалистичности тренировки может отображаться перемещающаяся проекция силуэта вратаря. Проекция вратаря может перемещаться внутри ворот по заданному алгоритму, менять позу и т.д. Для имитации выбега вратаря навстречу спортсмену проекция фигуры вратаря может менять размер.
В другой модификации вместо проекционного экрана может использоваться гибкий светодиодный экран, выдерживающий попадание мяча и может быть оснащен датчиками удара или использоваться без них. В этом случае мишени отображаются на поверхности экрана и могут быть произвольной формы. Попадание мяча в экран фиксируется датчиками удара или иным способом.
Также в качестве мишени могут быть использованы ворота, имеющие меньшие или стандартные по ширине и стандартные по высоте размеры, соответствующие стандартным футбольным воротам с датчиком удара, световой сигнализацией и сеткой – гасителем скорости мячей 23. Мишени в данном варианте конструкции создаются с помощью голографической проекции в зоне голографической проекции 22.  Достоинством такой реализации является высокая реалистичность тренировки.
Положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в том, что:
- занятия на устройстве максимально приближены к реальной игровой ситуации
- позволяет отрабатывать навыки недоступные для отработки на аналогичных устройствах
- развивает игровое мышление
- повышает скорость реакции и точность пасов игрока
- при наличии системы позиционирования игроков позволяет проводить парные тренировки с оценкой индивидуальной эффективности каждого игрока
- устройство позволяет не только формировать и развивать навыки приема и передачи мяча, но и посредством встроенных рабочих протоколов способствовать быстрой интеграции их в реальную игровую ситуацию
- набор инструментов, являющихся частью устройства, позволяет помимо работы с мячом предъявлять спортсмену дополнительные стимулы (световые, звуковые), в ответ на которые тот должен выполнять определенные протоколами двигательные задачи, взаимодействуя с интерактивными сенсорами для тренировки скорости переключения, динамичности и устойчивости внимания, скорости и объема восприятия, быстроты реагирования и вариативности навыков.