确定箭在靶上命中点的设备的制作方法

专利名称：确定箭在靶上命中点的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述用于确定带尖头的箭，尤其是一种投掷游戏的投箭，在平面靶上的命中点的设备。
投掷箭游戏(通常由于其源自英国而称为投镖游戏(Dart-Spiele))无论在私人用的领域或在比赛的领域均受到越来越广泛的欢迎和爱好。
由DE-A-1 4207497已知，在靶上的命中点通过光学方法确定，为此沿两个互相垂直的方向，在靶外面的一侧设一光源，在相对侧设一传感器，它们互相同步移动。当插入靶中的投箭的箭头遮蔽了传感器的光源时，传感器便发出一个测量信号。两个传感器的测量信号均输入一运算器，运算器根据这些信号确定投箭命中点的X坐标和Y坐标。据此，在运算器内算出和必要时显示投掷的得分和其他参数。
这种已知设备速度慢、机构比较复杂、以及由于有许多运动的零件因而易出故障。
由EP-A1-0182397已知，围绕着靶设多个例如点状的光源，在光源之间分别布设由多个并列的单个传感器组成的长的传感器带。
这种设计昂贵和造成严重的布线困难，因为所有的传感器均设有数据线和电源线，而且只有比较低的运算精度，因为单个传感器已经比较大以及彼此间没有空隙因而不可能互相并合。
本发明的目的是提供一种用于确定投箭命中点的设备，它可以与具有金属箭头的传统的投掷箭和常规的靶结合使用，它便于制造，在计算得分时允许有高的运算速度和高的精度。
此目的按本发明通过权利要求1的特征达到。
据此，设置一个固定安装具有带状发光面的光源，光线在整个靶的上方也照在一个平行于靶的表面内并与插入靶中的投箭的箭头相交。光源可设计为还同时照明靶，使游戏时感到更加舒适。
用于此设备的传感装置有一些角度传感器，它们布置在靶的外面靶表面的上方。角度传感器在一个相对于靶的表面平行和有小间距的平面内进行测量并分别发出测量信号，测量信号对应于传感器与投箭之间的连线和传感器与一个或多个已知基准点之间的连线(例如直的基线)之间的夹角。
这些角度传感器分别由许多小的光敏的互相邻接地排列成行的单个传感器和一个按照要求的分辨能力限定单个传感器和整个角度传感器视场的光学镜片组成。一个角度传感器中单个传感器的总体最好是一个CCD元件。每个角度传感器的这些单个传感器被电子扫描，其中，用作测量信号的是那些没有接收到处于相对位置的光源光线的单个传感器的信号，因为这些光路径被一个或多个插入靶中的投箭的箭头隔断。为保证这些传感器仅在一个相对于靶的表面平行和隔开一个小距离的平面内测量，当然可以设置适当的光学镜片和遮光板。不过有利的是此测量平面通过适当地设计读出和运算电子装置的软件来确定，当然在这种情况下通过光学镜片可协助进行测量平面的选择。
各角度传感器的测量信号传送给中央运算器，在那里通过三角运算确定投箭具体的命中点。由此可以得出得分以及由得分算出当前的比赛名次。这些结果通过监视器也可根据选择通过LED显示器显示。设备所需的所有部件可能还有附加的靶照明装置都装入一个外壳内，例如一个木质外壳，它的形状和尺寸大体与市场上常见的软头飞镖(Soft-Tip-Dart)自动机的形状和尺寸一致。此自动机例如还有一钱币投入口和多个操作键，它们用于比赛选择和表征比赛者的变换。
光源最好有一扩散器，例如构成发光面的带状扩散板，在背对靶的扩散板后面设有一个或多个排成一列的灯，使扩散板在其整个表面有大体相同的亮度。扩散板例如用毛玻璃如霜花玻璃或乳白玻璃制造，或用有类似效果的塑料例如聚甲基丙稀酸酯制造。当然也可以采用有灯丝和不透明的灯玻璃的灯组件，例如不透明的灯或硅灯或Linestra管。替代这种装置，也可以采用围绕着靶的发光物质管，最好是一氖管，必要时有一放在前面的扩散板。
在本发明中，借助于固定设置的简单构件，可以具有高速度和高精度地确定投箭在靶上的命中点。若例如在角度传感器内使用约有1600象素的线性CCD芯片和位于其前面的适当的光学镜片及适用于分选和将CCD数据传输给运算器的电子装置，则达到的检测速度可以没有困难地对相继快速投掷的箭逐个地进行检测和运算，以及计算命中点的精度理论上约为0.3mm，但实际上可达到的精度则由于映象误差和映象模糊而略低。
原则上当然可以使用小的旋转的光敏单个传感器作为角度传感器，它的视场根据希望的分辨能力由光学镜片限定；或使用具有二维排列的单个传感器的CCD芯片，单个传感器例如排成多个处于上下位置的列。
在传统的飞镖游戏中，三支箭相继投掷，只有在三次投掷结束后才将它们从靶上取下。因此可能产生这样的情况，即，多个同时处于靶内的箭不能单一地检测。这种情况出现在例如一支箭使另一支箭不能被角度传感器“看到”(也就是说第二支箭在从角度传感器到第一支箭的视线上位于第一支箭的后面)时，或当一支箭正好在两个角度传感器之间的连线上，所以对于这些传感器没有投下阴影。
为排除这一问题，此设备含有至少四个但最好五个角度传感器。此外规定，直接在每个角度传感器前，在此角度传感器的镜片与另一个角度传感器的镜片之间的连线上设一半透明的镜子，它对于第一个角度传感器是透明的并按这样的方式定位，即，使处于相对位置的角度传感器可以看到在第一个角度传感器(与之有角度)的位置处一个适当布设的光源的镜像。现在，命中在角度传感器到角度传感器连线上的箭，在第二个角度传感器对面遮住了反射的光，所以此角度传感器检测到这支箭。
若没有此半透明的镜子，则不可能检测在两个角度传感器连线上的箭，因为一个角度传感器的镜片对另一个角度传感器而言表现为暗的背景，所以通过命中的箭并不能实现可检测到的进一步的遮蔽。
按本发明的最佳实施形式，半透明的镜子组合成带状和最好截锥状的环形镜，它布置在传感装置里面围绕着整个靶，光线通过一个或多个光源在恰当的位置映入环形镜中。作为光源最好采用单一的图形散射和均匀的发光面，例如有适当形状的发光材料管或氖管的表面。因此，采用这种结构简单的布局可以沿整个靶的表面而不只是在传感器与传感器的连线上提供必要的背景亮度。因此不需要其他的光源。
按照本发明另一种实施形式，最好使用两组角度传感器，利用它们彼此独立地确定各支箭的位置。采用这样的配置可以排除上面已提及的遮挡问题。
各组传感器最好设在不同的平行平面内，平面之间互相有一小的间距，所以借助于其中一组传感器检测紧挨着表面的例如在靶面上方3mm处的箭头位置；借助于另一组检测在这之上几个毫米处的箭头位置。这样一来还可以确定箭头相对于靶的斜度，所以对于任意的箭的斜度通过外插法可以确定箭头直接在靶表面上的精确位置，其结果是尤其对于严重倾斜的箭进一步提高了检测精度。
采用按本发明的设计基本排除外来光的干扰。与此有关的是角度传感器不再需要任何遮光板或只需小块遮光板。
按本发明的优先实施形式，角度传感器还附加地提供模拟的亮度信息。如果投箭的亮度例如由于反射外部光源而超过了构成背景的光源的亮度，则识别此亮度差并同样作为角度信息处理，所以在这种尽管出现的概率很低的情况下，仍能可靠地检测投箭。
由从属权利要求可知本发明的其他设计。
下面借助于附图表示的实施例进一步说明本发明。附图表示

图1 投掷自动机示意透视图，它有按本发明的包括三个角度传感器和一个有三个带状发光面的光源用于确定投箭在靶上的命中点的设备；图2 在靶和角度传感器及光源上方看的示意俯视图；图3 沿图2中线111-111的局部剖面；图4 光源的局部透视图；图5 角度传感器剖切示意图；图6 运算器和显示器示意图；图7 只有两个角度传感器的用于确定投箭命中点的设备另一种实施例示意图；以及图8 另一种实施形式的示意图；图9a 图解说明一种情况，此时通过三个角度传感器不能对三支箭单一地进行检测；图9b 图解说明一种情况，此时，通过四个传感器不能对三支箭单一地进行检测，因为一支箭处于角度传感器与角度传感器的连线上；图10 按本发明具有布置在每个角度传感器前面被照亮的半透明镜子的用于检测命中点的设备的示意图；图11a 在半透明镜子所在区检测命中点的示意图；图11b 借助于一个围绕着靶的带状的并被氖管照亮的半透明环形镜检测命中点的示意图；图12 按本发明借助于各由三个角度传感器组成的两组角度传感器检测命中点的示意图；以及图13 图12所示设备的侧视图，其中每一组有自己的检测平面。
图1表示一台投掷自动机1，它有一个立式外壳2，在其上部往后错移的区域内有靶Z，靶被一个由三个弧状发光带5组成的光源4围绕。名发光带5的端点大体位于一个围绕靶的等边三角形的顶点A、B、C上，在这些顶点处各布置有一外角度传感器S。在靶的上方还设有附加照明靶的灯7。在立式外壳2下部的坡状操纵台区域内，设有接通和切断此机器的主开关8，带退币按钮10的钱币投入口9、三个操作键11以及一个显示器12。
图2详细表示了弧形发光带5和角度传感器S的布局。三角形ABC的边是靶Z圆形计分区14的切线。比赛者必须将投箭P投掷在此靶的计分区14内，此时这次投掷才应计分。角度传感器S各有一视场，它大体由从角度传感器出发的两个三角形边界定，也就是视场约为60°。
每一条弧形发光带5有一外壳16，外壳内按规则的小的间隔距离装一些小灯泡，例如12V小灯泡17。外壳16在面朝靶Z的一侧设扩散板18。小灯泡17的相互距离和它们相对于扩散板18的距离设计为，使扩散板18有尽可能均匀的亮度。为避免亮度随时间波动，采用经稳压的直流电源向小灯泡17供电。
每个角度传感器对准位于靶Z另一侧的弧形发光带5。若在此发光带5与角度传感器之间如图3所示有一支插入靶3中的投箭P，那么与处于相对位置的发光带5明亮的背景相比，这支箭作为阴影显得分外的暗。角度传感器S如同在测方位时那样确定在基线A、B与阴影的投影亦即从角度传感器S到投箭P的连线之间的角度α，或确定在基线B、C与角度传感器和投箭P的连线之间的互补角β。若对于一支投箭存在至少两个方位，便可以单值地确定它的位置并由此确定获得的分值。若还存在第三个方位(这在本设备中始终是这种情况)只要不是两支箭互相阻挡角度传感器的视线，那么这一附加的信息可利用来提高位置确定时的精度。从而基本补偿了可能出现的映象误差或映象模糊。
如图3所示，角度传感器S在靶Z表面上方不远的一个平面E内进行测量，此平面处于离靶Z的表面有这样的距离，即，对于投箭P，即使是斜插着的投箭，也基本上只是检测到箭头的位置。此平面的这种位置可借助于图中没有表示的在角度传感器处的调整螺钉作相应的调整。
角度传感器S有一个外壳19，在外壳面朝靶Z的正面装有一光学镜片20，在它的象面内设有一带许多单个传感器22的线性CCD芯片21。单个传感器的尺寸再结合光学镜片的光学特性征确定可能的分辨能力。每个单个传感器为一个象原素亦即象素(Pixel)提供一个测量信号。通过芯片可直接连接一读出电子装置23，由它经导线24将测量信号传给运算器25，如图6所示。运算器25可以是简单的计算机，例如个人计算机，各个角度传感器的导线24通过适用的接口与计算机连接。在运算器25中算出的命中点连同算出的得分和比赛者的资料显示在显示器12上。
如前面已提及的那样，此角度不仅可定义为相对于基线的角度，而且可定义为相对于任何从角度传感器出发的基准线的角度。
图7表示用于确定投箭在靶Z上的命中点的设备的一种简化的实施形式。此设备只有两个角度传感器S，它们布置在靶下边缘上的点A和B处。光源4成弧形地围绕着靶Z，而且从A点开始，终止于B点。角度传感器设计为，检测计分区14中插入靶内的全部投箭，并能确定它们从两个角度传感器S出发相对于基线A、B的角度γ或δ。信号分析与上面已说明的同样进行。
在按图8的实施例中，光源4由两条直的发光带5组成，它们互相成直角定向并将靶安置在它们之间。在与发光带5的相对侧设角度传感器S在图8中靶Z的左侧设有两个角度传感器，另一个角度传感器S布置在靶Z上方。
图9a示意表示在大体相当于图1的布局中的一个靶Z、三个角度传感器S1、S2、和S3及三条发光带5，按图9a，当全部三支箭P1、P2和P3处于不利的位置时，要想无差错地检测，三个角度传感器S1、S2和S3是不够用的。在图中所表示的局面下，由于被P2遮档，角度传感器S1不能检测到箭P3。这同样也适用于S3，因为在这里P1遮挡住箭P3。这种情况尤其在需要准确计分的比赛中有特别重要的意义。类似的情况还可能发生在有四个呈矩形布置的角度传感器时，尽管这种情况比较少见。可以证明，当有五个角度传感器时，保证与投箭的位置无关可以无误差地检测所有三支箭。
同样可以证明，对于偶数个角度传感器以及角度传感器等距离布置时，总是至少有一条角度传感器与角度传感器连线穿过靶(Z)。在图9b中图解表示了设有四个角度传感器时出现的上述情况。在此图中，角度传感器安排在围绕靶的矩形或正方形的角点上。图中没有表示发光带，但它们位于各传感器的对面。一支位于连线S1-S3上的箭不能被检测到，因为为了检测所需要的阴影已经被处于相对位置的角度传感器(例如S3)的暗的镜片所蒙蔽。
同样的问题也可能出现在有三个角度传感器的情况下，即如果角度传感器到(假定是圆形的)靶(2)的圆心的距离小于靶的直径。因此在这种情况下在角度传感器之间的连线也会穿过靶并造成上面已说明的后果。
通常，在等距分布奇数的n个角度传感器(n＞1)时，当角度传感器到靶心的距离a至少等于1/sin(90°/n)靶半径r时，也就是n＝3时a＝2r；n＝5时a＝3.24r；n＝7时a＝4.49r等，则所有的连线都将位于靶的外面。实际上这样的配置几乎没有什么意义，因为这样一来增大了设备的尺寸，同时损失了精度和分辨率。因此按本发明采取下述措施按图10，在围绕靶Z的正方形角上布置四个角度传感器S1、S2、S3和S4。图中示意表示了发光带5，它们沿各正方形的边延伸。当然在这里可以设一根氖管或多根依随各传感器之间的圆环段形状的发光物质管。角度传感器各含有一个有数千个单个传感器的CCD芯片，在它前面装一镜片。因此，确定箭命中点的精度可以达到十分之一毫米的范围内。
直接在每个角度传感器前面，在此角度传感器的镜片与位于对角相对处的角度传感器镜片之间的连线上，各设一半透明的镜子M。由图11a可见，镜子M的镜面与两个处于相对位置的角度传感器连线之间的角度等于45°在镜子M下方各设一光源L1、L2、L3或L4。一支命中在角度传感器与角度传感器连线上的箭P，对于两个传感器S1和S3的每一个均遮住了来自对面的镜子所反射的光线，所以每个传感器均可检测到此箭P。在这样的情况下采用了四个小的平面镜；也可以是其他的形状，只要能达到相同的目的。
如图11b所示，半透明的镜子可合并成带状的沿一截锥外表面延伸最好用有机玻璃或聚碳酸酯树脂制造的环形镜RS，其余则和图11a相同。在这种情况下通过光线经环形镜反射可提供全面的背景亮度。这可以通过一个圆环状光源L实现，例如环绕靶安置的发光物质管和尤其是一氖管。
作为另一种方案也可考虑间接照明，例如通过一块映射在环形镜内的环状扩散板。此扩散板可相对于靶装在前面或后面。
图12表示靶Z、具有在图中没有表示的氖管的按图11b所示的环形镜RS以及具有两个互相错开60°各由三个等间距布置的角度传感器S1(A)、S2(A)、S3(A)和S1(B)、S2(B)、S3(B)组成的组A和B的布局。这种方式的配置带来的优点是，提高了确定命中点的精度，因为这两个组互相独立地检测一支箭。
因此，可以在精度和可靠性同时得到提高的情况下排除上面曾提及的遮挡问题。
各组的传感器布置在不同的平行平面E1和E2内，如图5所示它们彼此有一个小的间距(例如3mm)。
图13示意表示在这种配置中一支倾斜地插入靶Z内的箭P。这一配置允许确定一支箭的准确命中点，因为命中点可在平面E1和E2内由沿箭头的两个点的坐标算出，并因而可以算出箭的斜度。
前面仅借助于飞镖游戏说明了本发明，但尽管如此本发明当然也可以结合其他箭术游戏或体育项目使用，例如在射箭运动中使用。
权利要求
1.确定带尖头的箭(P)在平面靶(Z)上命中点的设备，有至少一个光源(4)，光源(4)布置在靶(Z)一侧且在靶的外面；有一个布置在靶(Z)相对侧的光学传感装置(S)，它对准至少一个光源(4)，当一个插入靶(Z)的箭(P)的尖头遮蔽传感装置(S)的光源(4)时传感装置便输出一个测量信号，以及，有一个运算器(25)，它根据传感装置(S)的测量信号确定箭(P)在靶(Z)上的命中点，其特征为固定设置的光源(4、L)有带状的至少部分包围靶的发光面(5)；传感装置有一些固定安装在靶(Z)外面的角度传感器(S)，它们在一个与靶(Z)表面平行和与插入靶(Z)中的箭(P)的尖头相交的平面(E)内测量并输出测量信号，这些信号对应于在基线(AB、AC、BC)和角度传感器与箭(P)的尖头连线之间形成的夹角(α、β；γ、δ)；以及，运算器(25)根据角度传感器(S)的测量信号经三角运算确定箭(P)在靶(Z)上的命中点。
2.按照权利要求1所述的设备，其特征为传感装置有三个角度传感器(S)，它们布置在一个围绕靶(Z)的三角形顶点(A、B、C)处。
3.按照权利要求1所述的设备，其特征为传感装置至少含有四个角度传感器(S)。
4.按照权利要求3所述的设备，其特征为传感装置含有五个角度传感器(S)。
5.按照权利要求4所述的设备，其特征为传感装置至少含有六个角度传感器(S)。
6.按照权利要求1所述的设备，其特征为角度传感器(S)再分为至少两个传感器组，它们彼此独立检测。
7.按照权利要求6所述的设备，其特征为传感器组布置在不同的平行平面内，这些平面彼此有一小的间距。
8.按照权利要求6或7所述的设备，其特征为设置两个传感器组，它们各由三个角度传感器组成。
9.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为角度传感器(S)由基本上点状的互相紧邻地排列的光敏的单个传感器(22)与按照要求的分辨能力限定单个传感器(22)和角度传感器(S)视场的光学镜片(20)组成。
10.按照权利要求9所述的设备，其特征为单个传感器(22)的总体是一个CCD元件(21)。
11.按照权利要求9所述的设备，其特征为角度传感器是旋转的光敏单个传感器，它们的视场由光学镜片根据所要求的分辨能力限定。
12.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为角度传感器(S)附加地还检测接收到的光的强度；以及，在运算器内将接收到的光的强度与至少一个光源的强度相比较。
13.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为直接在每个角度传感器(S)前设置对此角度传感器为透明的半透明镜子(M)，它按这样的方式设计以及它的面朝处于相对位置的角度传感器的一侧通过光源(L)按这样的方式照明，即，使处于相对位置的那个角度传感器能看到在第一个角度传感器位置处的光源(L)的镜像。
14.按照权利要求13所述的设备，其特征为半透明的镜子(M)有一倾斜的镜面，此镜面在一个与靶的平面垂直的平面内相对于两个角度传感器(S)之间的连线成一个45°角；以及，此光源(L)以基本上同样为45°的入射角照亮此镜面。
15.按照权利要求13或14所述的设备，其特征为半透明的镜子(M)统一成一个基本上平行包围着靶的带状环形镜(RS)；以及，带状环形镜的镜面被平行于环形镜布设的光源(L)照亮，所以环形镜及光源构成了具有带状发光面的固定光源。
16.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为光源(4、L)基本上沿一圆环完全包围了靶(Z)。
17.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为光源(4、L)有一个扩散器(19)。
18.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为光源(4、L)是一氖管。
全文摘要
本发明涉及一种确定带尖头的箭(P)在平面靶(Z)上命中点的设备,它有一固定安装的有带状的至少部分包围靶的发光面(5)的光源(4、L)和有一传感装置,后者有多个固定布设在靶(Z)外面的角度传感器(S),它们分别测量箭相对于一基准线的角度位置。运算器(25)根据角度传感器(S)的测量信号通过三角运算确定箭的命中点。可以设一半透明的环形镜(RS),它包围着靶(Z)以及它的镜面被光源(Q)照明。环形镜布设在靶与角度传感器之间。
文档编号G01B11/00GK1244250SQ98801925
公开日2000年2月9日 申请日期1998年1月20日 优先权日1997年1月20日
发明者托马斯·克谢尔, 马丁·卡斯滕贝格, 弗朗茨·保尔 申请人:多莫泰克系统技术有限公司