基于雷达检测技术的射箭自动报靶系统及方法与流程

本发明涉及一种基于雷达检测技术的射箭自动报靶系统及方法，属于技术领域。

背景技术：

在射箭比赛中，报靶又称报分、报环，是裁判员对比赛成绩进行记录的方法。跟据箭的箭杆在靶上所嵌的位置记录环(分)数，射中最外面的白色环区得1分，分数向内依次增加，直到射中内黄心得10分。作为比赛成绩数据唯一的来源，报靶是整个射箭比赛当中最重要的工作之一，是保障射箭比赛顺利进行的核心因素。如何快捷、准确、科学地获得射箭运动员比赛成绩，一直都是射箭竞赛的重要课题。目前，在射箭训练、比赛中，报靶主要依靠人工完成，这样不但效率低、可靠性差，而且需要专门的报靶员进行长时间的报靶工作，耗时耗力。报靶能否做到稳定、高效、精确，直接关系到运动员比赛状态的好坏和射箭比赛的顺利进行。因此，研究适应性强、实时性高、成本合理的自动报靶系统，对提高射箭比赛效率和训练水平具有重要意义。

在实际应用中，自动报靶系统主要包含以下几种类型：双层电极短路采样系统、半导体电子靶系统、基于图像处理的报靶系统和声电定位自动报靶系统。双层电极短路采样系统技术水平较低，对命中目标识别率较低，因此无法得到推广和普及。半导体电子靶系统有着较高的精确度和便捷性，但是该类系统所用的特殊靶体在使用一次后就报废，无法重复利用，使用成本较高。基于图像处理的自动报靶系统凭借其低成本的特点受到了研究人员的广泛关注，但是相关研究仍处于初级阶段，现有的报靶算法在报靶精度方面表现不是很好。声电定位自动报靶系统精确度高且适合恶劣复杂的环境，但是既复杂又昂贵，限制了该类系统的实际应用。

在国外，许多欧美国家经过长时间的研究，研究水平始终走在世界前列。比如，俄罗斯SCATT公司通过与俄罗斯联邦射击队的长期合作，研发出一套激光瞄准测试系统，可帮助优秀的射击运动员更好地完善技术。美国军队正在使用的“Millers(米勒斯)”系列性能好，精度高，可对多种武器进行模拟，大大提高了美国部队的训练水平。再如，美国的Rots Burgun在1999年设计的“Advanced Target Scoring&Reporting System(先进的目标评分记录系统)”。该系统主要基于计算机视觉和图像处理与识别技术，抓取摄像机镜头所拍的子弹飞行图像，计算机将子弹击中前的图像和子弹击中后的图像相减得到结果的视频数据，成绩通过系统的图形显示传送到显示终端。

在国内，相关方面的研究相对来说起步较晚，但随着射击运动和军队建设的需要，各类自动报靶系统也有了一定的突破，如浙江大学研究的基于视频分析的自动报靶系统，提出了基于视频分析的自动报靶算法对报靶进行处理，然后对处理结果进行抓拍和发送，供终端实时显示。再如，由清华大学王培勇教授带头的课题组成功研制出基于超声定位技术的“实弹射击电子靶自动报靶系统”和“成绩记录排名系统”。该套系统射击精度达到两位小数，精度高，气手枪误差平均低于0.028环(0.224毫米)，气步枪误差平均低于0.05环(0.125毫米)，实时测试精度符合国际比赛要求并具有安全快速的功能。

从国内外关于自动报靶系统的相关研究中可以看出，自动报靶在射击竞赛和军事训练中的应用已经比较成熟。而关于本课题研究的基于雷达检测技术的射箭报靶系统研究与设计，国内外对于这方面的研究尚未成型，适用于射击竞赛和军事训练的自动报靶系统往往具有通用性差、技术成本高等缺点，并不适用于射箭比赛。技术方面，基于视觉图像技术的报靶系统往往存在图形不清晰的问题，而基于超声定位技术的报靶系统又十分复杂、昂贵，无法满足平时训练和业余健身的需求。

雷达检测技术一种高频电磁波发射与接收技术，运用各种无线电定位方法，探测、识别各种目标，测定目标的坐标和其它信息，具有快速、简易、精度高等突出优点。其原理主要是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。雷达检测与定位技术具有快速、简易、精确度高等特点，可以准确获得箭杆嵌在靶上的位置信息，将误差控制在毫米范围之内。同时，嵌入式设备体积小、功耗低、稳定性强，可以与箭靶集成为一体，是特别适合复杂操作环境的硬件载体。

技术实现要素：

针对上述现状，本发明提出应用雷达检测技术、嵌入式技术以及计算机网络通信技术，研究一套适用于射箭比赛的自动报靶系统。

本发明的技术方案如下：

一种基于雷达检测技术的射箭自动报靶系统，所述系统包括实时成绩采集子系统、靶位成绩处理子系统和综合成绩监控子系统；

所述实时成绩采集子系统包括赛时比赛数据采集与实时环值成绩计算；

所述靶位成绩处理子系统包括赛前竞赛信息录入、赛时接收实时成绩采集子系统发送的实时环值成绩、控制比赛的流程以及竞赛安排；

所述综合成绩监控子系统通过竞赛专网，负责成绩数据的传输、处理、存储，传输对象有成绩处理OVR、仲裁监控、现场终端显示；

所述实时成绩采集子系统通过无线网络将采集的实时成绩传输给靶位成绩处理子系统，然后靶位成绩处理子系统将信息传递给综合成绩监控子系统。

上述实时成绩采集子系统包括雷达设备和树莓派；

在每个箭靶上设置三组具有收/发模块的雷达设备，所述雷达设备安装在箭靶的左方、右方和正下方(或者正上方)，所述树莓派安装在箭靶的后面，所述雷达设备用于检测箭杆的扰动并进行靶心、箭孔、环线半径的识别，获取箭杆位置信息后发送给树莓派，树莓派再进行处理并将成绩发送到成绩处理子系统。

一种基于雷达检测技术的射箭自动报靶方法，利用上述的系统，包括如下步骤：

(1)、将三组具有收/发模块的雷达设备分别安装在箭靶的左方、右方和正下方(或者正上方)；

(2)、在箭靶的后方安装树莓派；

(3)、系统启动完成后，首先被射箭运动员的中靶操作触发，接着根据箭靶上雷达设备检测到的扰动信号，做检测定位获取箭杆嵌在箭靶上的位置信息，然后在树莓派中进行自动报靶处理，最后通过无线网络将处理结果发送至靶位成绩处理子系统；

(4)、然后靶位成绩处理子系统将信息传递给综合成绩监控子系统。

上述步骤(3)中自动报靶处理述步骤(3)中自动报靶处理选取基于三边测量法的环值判定算法进行设计并实现，算法如下：

(a)、在箭靶的左方、右方、正下方或者正上方部署测距雷达设备，雷达质心与箭靶靶心处于同一水平直线上，在整个平面构成一个二维坐标系，箭靶靶心坐标为(0,0)，三个雷达在这个坐标系当中的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)；

(b)、赛前部署雷达的时候事先测量好各个雷达与箭靶靶心之间的距离，分别得到三个坐标点的具体坐标值；

(c)、当射出的箭中靶之后，金属箭头嵌入箭靶，在此二维坐标上的位置为(x₀,y₀)，三面雷达分别测量出到雷达与目标位置的距离d₁、d₂、d₃，然后，由三边测量法计算得出目标位置坐标(x₀,y₀)的具体坐标值；

最后，根据距离计算公式，得到两点之间距离

(d)、由于箭靶是由均为形状规则的圆环组成，环与环之间存在等宽区，各圆环半径依次为r，2r，3r这样的等差数列，得到d的值就能确认箭头所嵌入位置与箭靶靶心之间的具体距离，然后推算出这个位置处于哪两个圆环半径之间，最终就得到本次射箭的环数。

本发明所达到的有益效果：

本发明的自动报靶系统结合雷达检测技术和嵌入式技术，相比过去人工报靶的方式，大大提高报靶的自动化程度和准确度。自动报靶系统不仅简化了射箭竞赛信息处理的工作流程，提高了成绩采集的效率，而且使加快比赛节奏成为可能，让比赛更加直观和具有观赏性。此外，较为低廉的成本可提高自动报靶的应用范围，这在推动整个射箭赛事系统发展中具有十分重要的作用。

附图说明

图1是本发明的系统总体结构图；

图2是基于三边测量法的环值判定法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于雷达检测技术的射箭自动报靶系统，所述系统包括实时成绩采集子系统、靶位成绩处理子系统和综合成绩监控子系统；

所述实时成绩采集子系统包括赛时比赛数据采集与实时环值成绩计算；

所述靶位成绩处理子系统包括赛前竞赛信息录入、赛时接收实时成绩采集子系统发送的实时环值成绩、控制比赛的流程以及竞赛安排；

所述综合成绩监控子系统通过竞赛专网，负责成绩数据的传输、处理、存储，传输对象有成绩处理OVR、仲裁监控、现场终端显示；

所述实时成绩采集子系统通过无线网络将采集的实时成绩传输给靶位成绩处理子系统，然后靶位成绩处理子系统将信息传递给综合成绩监控子系统。

上述实时成绩采集子系统包括雷达设备和树莓派；

在每个箭靶上设置三组具有收/发模块的雷达设备，所述雷达设备安装在箭靶的左方、右方和正下方(或者正上方)，所述树莓派安装在箭靶的后面，所述雷达设备用于检测箭杆的扰动并进行靶心、箭孔、环线半径的识别，获取箭杆位置信息后发送给树莓派，树莓派再进行处理并将成绩发送到成绩处理子系统。

一种基于雷达检测技术的射箭自动报靶方法，利用上述的系统，包括如下步骤：

(1)、将两组具有收/发模块的雷达设备分别安装在箭靶的四个角上；

(2)、在箭靶的后面安装树莓派；

(3)、系统启动完成后，首先被射箭运动员的中靶操作触发，接着根据箭靶上雷达设备检测到的扰动信号，做检测定位获取箭杆嵌在箭靶上的位置信息，然后在树莓派中进行自动报靶处理，最后通过无线网络将处理结果发送至靶位成绩处理子系统；

(4)、然后靶位成绩处理子系统将信息传递给综合成绩监控子系统。

上述步骤(3)中自动报靶处理述步骤(3)中自动报靶处理选取基于三边测量法的环值判定算法进行设计并实现，如图2所示，算法如下：

(a)、在箭靶的左方、右方、正下方或者正上方部署测距雷达设备，雷达质心与箭靶靶心处于同一水平直线上，在整个平面构成一个二维坐标系，箭靶靶心坐标为(0,0)，三个雷达在这个坐标系当中的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)；

(b)、赛前部署雷达的时候事先测量好各个雷达与箭靶靶心之间的距离，分别得到三个坐标点的具体坐标值；

(c)、当射出的箭中靶之后，金属箭头嵌入箭靶，在此二维坐标上的位置为(x₀,y₀)，三面雷达分别测量出到雷达与目标位置的距离d₁、d₂、d₃，然后，由三边测量法计算得出目标位置坐标(x₀,y₀)的具体坐标值；

最后，根据距离计算公式，得到两点之间距离

(d)、由于箭靶是由均为形状规则的圆环组成，环与环之间存在等宽区，各圆环半径依次为r，2r，3r这样的等差数列，得到d的值就能确认箭头所嵌入位置与箭靶靶心之间的具体距离，然后推算出这个位置处于哪两个圆环半径之间，最终就得到本次射箭的环数。

例如，选取70m射箭比赛所使用的122cm直径箭靶作为测验器材，箭靶靶心距离每环的长度由内向外是一个以12.2cm为公差的等差数列。如果R的值小于12.2，那说明本次成绩是10X环；如果R的值介于12.2与24.4之间，那说明是10环；如果R的值介于24.4与36.6之间，那说明是9环，以此类推，最后换算成对应的环数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。