本发明具体涉及一种适用于实弹射击训练和比赛用的自动计分靶装置。
背景技术：
在实弹射击训练和比赛中，可以使用以下两种现有方法进行记分。
使用靶纸实现人工报靶。靶纸上印刷了不同区域的分界线和分数值，根据弹头在靶纸上的着弹点位置可以查看分数。其缺点是，靶纸是一次性消耗品，存在资源浪费，而且使用靶纸无法进行自动计分，需要专人报靶计分。
使用激光测量着弹点实现自动报靶。激光测量的原理是，在着弹区域外发射数条不同方向平行激光线，如相互垂直的两条平行激光线，每条平行激光线都有相应的排列成直线的数个感光元件来接收激光，当弹头穿过激光线时会遮挡激光，这样对应位置的感光元件会检测激光亮度变化，通过检测到变化的感光元件位置，即可计算出着弹点。其缺点是需要平行激光光源，体积大造价高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种以较低的成本实现对射击结果自动计分的自动计分靶装置。
本发明采用以下技术方案。
一种适用于实弹射击训练和比赛的自动报靶装置，由一个中间开有射击孔的矩形框体，三个分别放置于框体上方、左方、右方的红外线接收器组，两个放置于框体左下角、右下角的红外线发光器，一个主控电路，以及框体之外与主控电路进行无线连接的显示设备组成。
所述框体中间开有射击孔，上、左、右三个边均有朝内的开口。框体由金属材质以焊接或冲压工艺制成。
所述红外线接收器组由排列成直线的50~1000个红外线接收元件、数个负脉冲整形电路单元、数个从单片机组成。负脉冲整形电路单元的数量与红外线接收元件的数量相同且一对一连接。从单片机数量大于等于红外线接收元件数量除以从单片机的io输入引脚数量，且每个负脉冲整形电路单元的输出都与一个单独的从单片机的io输入引脚相连。
所述红外线接收元件采用接收范围大于60度的无聚光透镜的平头红外接收二极管型号。
所述负脉冲整形电路单元由三极管放大电路、电压比较电路、单稳态延时电路组成。
所述红外线发光器由一个功率0.5w-10w的红外发光二极管组成。此红外发光二极管选用照射角度为90度的型号。其中放置于框体左下角的红外线发光器发光方向朝向框体右上角，放置于框体右下角的红外线发光器发光方向朝向框体左上角。
所述主控电路由主单片机和无线适配器组成。
所述主单片机与所有红外线接收器组的从单片机都使用串口进行一对多连接，每个从单片机都预先设置了一个唯一id作为自身的通讯地址。
主单片机和从单片机的数据通讯模式为轮询模式，即主单片首先在发送的数据传输请求消息中指定接收地址为第一个从单片机id、向第一个从单片机发送数据传输请求消息，第一个从单片机收到此数据传输请求消息，并对别请求消息的接收地址与自身的id相符后，将要传输的数据以应答消息形式返回至主单片机，然后主单片再在发送的数据传输请求消息中指定接收地址为第二个从单片机id进行同样处理，直至主单片在数据传输请求消息中使用完所有从单片机id后，再重新从第一个从单片机id开始进行新一轮的数据传输处理。
所述无线适配器根据实际射击场地的大小和需要无线传输的距离，采用通用的低功率wifi适配器、蓝牙适配器，或者专用频率大功率无线数据传输适配器。
所述显示设备采用通用的智能手机、平板电脑、台式电脑或服务器，射击成绩显示设备通过wifi适配器、蓝牙适配器或专用频率无线适配器接收主单片机发送的射击结果数据并以图、文、声音的形式显示播报。
所述红外线接收器组、红外线发光器、主控电路都以螺丝固定于框体内。
可选的，红外线接收元件、红外线发光器也可以采用可见光接收元件、可见光发光器组成。
与现有技术相比，本发明的优点在于以下两点。
首先是不需要平行光源进行照射，使用普通红外发光二极管即可，降低了系统成本。
其次是框体上方的红外线接收器组可同时接收框体左下、右下两个红外线发光器的光线，进一步降低了系统成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构图，其中101为框体，102为射击孔，201为红外线接收器组，301为红外线发光器，302为左下角红外线发光器的发光中心方向指示箭头，303为左下角红外线发光器的照射范围角度，304为右下角红外线发光器的发光中心方向指示箭头，305为右下角红外线发光器的照射范围角度，401为控制电路。
图2为本发明的着弹点检测原理示意图，其中201为红外线接收器组，301为红外线发光器，501为弹头，211为红外线接收器组201所包含的数个红外线接收元件，212-215为处于弹头穿过射击孔的瞬间所造成的阴影位置上的红外线接收元件，212为弹头501遮挡右下角红外线发光器301所发出光线而造成的阴影的起始位置上的红外线接收元件；213为弹头501遮挡右下角红外线发光器301所发出光线而造成的阴影的结束位置上的红外线接收元件；214为弹头501遮挡左下角红外线发光器301所发出光线而造成的阴影的起始位置上的红外线接收元件；215为弹头501遮挡左下角红外线发光器301所发出光线而造成的阴影的结束位置上的红外线接收元件。
图3为本发明的主控电路和红外线接收器组的电路结构图，其中201为红外线接收器组，211为红外线接收元件，222为负脉冲整形电路单元，221为从单片机，401为主控电路，411为主单片机，412为无线适配器，601为显示设备。
图4为发明的负脉冲整形电路单元原理示意图，其中222为负脉冲整形电路单元，q为三极管，rl为负载电阻，223为电压比较电路，224为单稳态触发器电路，vcc为电源正极，gnd为电源接地端，211为红外线接收元件，221为从单片机。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
如图1所示为本发明的整体结构图。
101为框体，框体101中间开有射击孔102，射击的弹头从正面向背面穿过射击孔102。
框体101由金属材质以焊接或冲压工艺制成。
框体101上、左、右三个边均有朝内的开口，上、左、右的开口内各设置有一个红外线接收器组201。
框体101左下角和右下角各设置一个红外线发光器301，其中左下角红外线发光器301的发光中心方向是如箭头302所示，指向上、右方的红外线接收器组201连接处，其有效发光范围角度303所示，覆盖上、右方两个红外线接收器组201的接收范围。其中右下角红外线发光器301的发光中心方向是如箭头304所示，指向上、左方的红外线接收器组201连接处，其有效发光范围角度305所示，覆盖上、左方两个红外线接收器组201的接收范围。
红外线发光器301由一个功率0.5w-10w的红外发光二极管组成。此红外发光二极管选用照射角度为90度的型号，照射角度略大于角度304和角度305。
如图2所示为本发明的着弹点检测原理示意图。每个红外线接收器组201均设置有排列成直线的50~1000个红外线接收元件211，红外线接收元件用于检测弹头501穿过射击孔102的瞬间对红外线发光器301所造成的阴影。
红外线接收元件211采用接收范围大于60度的无聚光透镜的平头红外接收二极管型号。
如图2所示弹头501对右下角红外线发光器301所造成的阴影覆盖从红外线接收元件212到红外线接收元件213之间的所有红外线接收元件，弹头501对左下角红外线发光器301所造成的阴影覆盖从红外线接收元件214到红外线接收元件215之间的所有红外线接收元件。
由于每个红外线接收元件相对于框体101的位置信息都是固定的，预先存储于显示设备中，只要检测得出红外线接收元件212-215是具体哪一个红外线接收元件，显示设备就可以计算得出两个阴影在框体的相对位置。
同时红外线发光器301相对于框体101的位置也是固定的，也预先存储于显示设备中。所以显示设备可以计算得出两个直线方程：第一个直线方程代表的直线经过右下角红外线发光器301与红外线接收元件212和红外线接收元件213的中心点，第二个直线方程代表的直线经过左下角红外线发光器301与红外线接收元件214和红外线接收元件215的中心点。
显示设备计算两个直线方程的解，即两条直线的相交点，就得出了弹头501穿过射击孔102的相对位置，从而对射击结果进行计分。
两条直线的相交点计算过程如下。
设两条直线的方程如下。
直线1：a1x+b1y+c1=0。
直线2：a2x+b2y+c2=0。
则这两条直线的交点的x、y坐标值如下。
x=(b1c2-b2c1)/(a1/b2-a2b1)。
y=(a1c2-a2c1)/(a1/b2-a2b1)。
图2仅表示出弹头501所造成的两个阴影都位于框体101上方的红外线接收器组201接收范围内的一种场景，实际根据弹头501的具体位置不同，还存在一个阴影位于框体101左方的红外线接收器组201接收范围内、一个阴影位于框体101上方的红外线接收器组201接收范围内，或者一个阴影位于框体101上方的红外线接收器组201接收范围内、一个阴影位于框体101右方的红外线接收器组201接收范围内，或者一个阴影位于框体101左方的红外线接收器组201接收范围内、一个阴影位于框体101右方的红外线接收器组201接收范围内等三种场景。这三种情况下计算弹头501穿过射击孔102的位置与图2所示的场景都是相同的，这里不再重复说明。
红外线接收元件211以焊接的方式固定在红外线接收器组201上。为了进一步提高接收红外线接收元件211接收效果，还可将位于框体101上方的红外线接收器组201的靠近左侧和右侧边缘的红外线接收元件211朝向中心倾斜一定角度焊接，倾斜角度为0~15度，以均衡红外线接收元件211同时接收左下角红外线发光器301和右下角红外线发光器301的红外线的灵敏度。
如图3所示为本发明的主控电路和红外线接收器组的电路结构图，阐述了红外线接收元件211所检测到的阴影信息传递到显示设备601，并由显示设备显示射击成绩的原理。
如图3所示红外线接收器组201有多个红外线接收元件221、与红外线接收元件221一对一连接的负脉冲整形电路单元222、每个输入io引脚都与一个负脉冲整形电路单元222连接的从单片机221组成。
红外线接收元件211由于弹头穿过瞬间的阴影产生的光电流变化由负脉冲整形电路单元222处理成一个负脉冲传给从单片机221的输入io引脚，从单片机221检测到此负脉冲后，将io引脚编号发送至主控电路401。
主控电路401由主单片机411和无线适配器412组成。主单片机401与所有从单片机221连接并进行一对多通讯。当主单片机411接收到某个从单片机221所发出的检测到负脉冲的io引脚编号数据后，就把从单片机的id和从单片机的io引脚编号拼接在一起作为一个新编号，这个编号能唯一代表检测到阴影的红外线接收元件211，然后通过无线适配器412发送给显示设备601。
无线适配器412由通用的wifi适配器、蓝牙适配器，或者专用频率大功率无线数据传输适配器组成。
显示设备601直接使用通用的智能手机、平板电脑、台式电脑或服务器。由于其具备数据处理能力和图、文、声音输出能力，所以可以使用内置程序，根据代表具体检测到阴影的红外线接收元件211的编号、根据预先存储的每个红外线接收元件211和红外线发光器310相对于框体101的位置，计算出两个直线方程，继而对直线方程求解得出弹头501穿过射击孔102的准确位置，根据位置计算出射击得分，最后把射击结果数据并以图、文、声音的形式显示播报。
如图4所示为本发明的负脉冲整形电路单元222原理示意图，阐述了阴影使负脉冲整形电路单元222产生负脉冲的原理。
负脉冲整形电路单元222由三极管q和负载电阻rl、电压比较电路223、单稳态触发电路224组成。
红外线接收元件211上的阴影会导致光电流减少，即三极管q的基电极电流减少。由于三极管的放大特性，三极管q的集电极电流也会按一定倍数减少，具体倍数值为三极管的固定参数，一般为200倍左右。三极管q的集电极电流减少导致负载电阻rl的电流减少，即三极管q的集电极的电压上升。
电压比较电路223由一个“-”输入端接入参考电压，“+”输入端三极管q的集电极的运算放大器组成，参考电压预先设置为vcc电压的1/2到1/5，当三极管q的集电极的电压上升超过参考电压值时，电压比较电路223的输出端，即运算放大器的输出端输出高电平。
单稳态触发器电路224为高电平触发的负脉冲输出单稳态触发电路，单稳态触发器电路224输出的负脉冲宽度根据从单片机的主频而定，要大于从单片机读入所有io引脚输入信号的时间，一般设置为数毫秒到几十毫秒。根据单稳态触发器的特性，单稳态触发器电路224接收到电压比较电路223的高电平输出时，就触发一次负脉冲输出，即向从单片机的io引脚发送一个固定脉冲宽度的负脉冲。
本发明的自动报靶过程如下。
在没有弹头穿过框体101的射击孔102时，系统处于待机状态，此时主单片机411向各个从单片机221发送查询数据的消息，从单片机均返回未检测到数据的结构。
当有弹头穿过框体101的射击孔102时，弹头会瞬间阻挡两个红外线发光器301的光线，产生两个阴影。
两个阴影的起止位置上的红外线接收元件分别假设是图2着弹点检测原理示意图所标记的红外线接收元件212、红外线接收元件213和红外线接收元件214、红外线接收元件215。
根据红外线接收元件本身的特性，弹头501产生阴影的瞬间，从红外线接收元件212到红外线接收元件213、从红外线接收元件214到红外线接收元件215之间的所有红外线接收元件，都会由于光照的减低，瞬间减少吸收电流。
根据负脉冲整形电路单元的电路原理，红外线接收元件瞬间减少吸收电流，会由于三极管q的电流放大作用，负载电阻rl上的电流将按一定倍数减少，具体倍数值为三极管的固定参数，一般为200倍左右，所以在电压比电路223的输入端上产生瞬间的电压上升。
根据电压比电路223自身的特性，负载电阻rl上电压上升超过参考电压，电压比电路会输出高电平。
根据单稳态触发器电路224自身的特性，对其输入高电平会触发单稳态触发器电路224输出一个固定宽度的低电平脉冲。
至此，所有与红外线接收元件212到红外线接收元件213之间、红外线接收元件214到红外线接收元件215之间的红外线接收元件所连接的负脉冲整形电路单元222都输出一个地电平脉冲。
然后与上述负脉冲整形电路单元连接的从单片机221，都检测到低电平脉冲，当下一次主单片机411查询检测结果时，将产生负脉冲的负脉冲整形电路单元编号发送至主单片机411。
最后主单片机411将所有接收到的负脉冲整形电路单元编号通过无线适配器412发送至显示设备601，由显示设备601根据负脉冲整形电路单元编号计算两个出阴影位置，然后计算出两个直线方程，通过解两个直线方程得出弹头501穿过射击孔102的准确二维坐标，从而得出射击结果分数，再使用其内置的显示屏、扬声器用图文、语音的方式播报射击结果分数。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
技术特征：
1.一种自动计分靶装置，其特征在于所述自动计分靶装置由一个中间开有射击孔、上左右三个边均有朝内的开口的矩形框体、三个分别固定于框体内上左右三个边的红外线接收器组、两个分别固定于框体左下角和右下角的红外线发光器、一个固定于框体内的主控电路、以及框体内之外与主控电路进行无线连接的显示设备组成。
2.根据权利要求1所述的自动计分靶装置，其特征在于红外线接收器组由排列成直线的50~1000个红外线接收元件、数个负脉冲整形电路单元、数个从单片机组成；负脉冲整形电路单元的数量与红外线接收元件的数量相同且一对一连接，从单片机数量大于等于红外线接收元件数量除以从单片机的io输入引脚数量，且每个负脉冲整形电路单元的输出都与一个单独的从单片机的io输入引脚相连。
3.根据权利要求2所述的自动计分靶装置，其特征在于红外线接收元件选用无聚光透镜的平头红外接收二极管型号。
4.根据权利要求2所述的自动计分靶装置，其特征在于负脉冲整形电路单元由三极管放大电路、电压比较电路、单稳态延时触发器组成。
5.根据权利要求1所述的自动计分靶装置，其特征在于红外线发光器由一个功率0.5w-10w的红外发光二极管组成。
6.根据权利要求1所述的自动计分靶装置，其特征在于主控电路由一个主单片机和一个无线适配器组成，主单片机采用串口通讯方式与所有的红外线接收器组的从单片机相连。
7.根据权利要求6所述的自动计分靶装置，其特征在于无线适配器由蓝牙适配器、wifi适配器或者专用频率大功率无线数据传输适配器组成。
8.根据权利要求1所述的自动计分靶装置，其特征在于显示设备由智能手机、平板电脑、台式电脑或服务器组成。
技术总结
本发明具体涉及一种适用于实弹射击自动计分靶装置。自动计分靶装置的主体是一个中间开孔的框体，框体上方、左方、右方各分别放置了一个红外线接收器组，框体左下角、右下角各分别放置了一个红外线发光器。对射击进行自动计分的主要原理是，通过检测弹头穿过框体时在上方、左方、右方的红外线接收器组上所造成阴影的位置，计算出弹头穿过框体时的具体位置，从而计算出射击得分。
技术研发人员：杨茂杰
受保护的技术使用者：湖南智极风智能科技有限公司
技术研发日：.06.19
技术公布日：.12.27
