ES3045384T3 - Optical gate and method for determining a velocity vector of a spherical projectile - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a una puerta óptica (100) para determinar un vector de velocidad (V) de un proyectil esférico (10), que comprende un conjunto de sensores (20) definido por una fila de sensores de detección de luz (22) dispuestos uno al lado del otro, y un conjunto de iluminación (30) definido por una fila de fuentes de luz puntuales (32) dispuestas una al lado de la otra e iluminando hacia los sensores (22), en donde el conjunto de iluminación (30) está dispuesto opuesto al conjunto de sensores (20). El conjunto de iluminación (30) y el conjunto de sensores (20) están dispuestos en un plano común (S), y una placa difusora óptica (40) está dispuesta entre ambos. Los sensores de detección de luz (22) definen un área de detección (42) en dicha placa difusora (40) paralela al conjunto de sensores (20). La puerta óptica (100) comprende una unidad de control electrónico (36) configurada para emitir destellos consecutivos de las fuentes de luz puntuales (32) a alta frecuencia en instantes predeterminados, y una unidad de medición electrónica (26) para procesar las señales generadas por los sensores de detección de luz (22). La unidad de medición (26) está configurada para determinar la distribución del brillo y el brillo total a lo largo del área de detección (42) basándose en los datos generados por los sensores (22) del conjunto de sensores (20). La invención también se refiere a métodos para determinar el vector de velocidad (V) de un proyectil esférico (10). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Puerta óptica y método para determinar un vector de velocidad de un proyectil esférico

[0003] La invención se refiere a una puerta óptica para determinar el vector de velocidad de un proyectil esférico.

[0004] La invención se refiere además a un método para determinar el vector de velocidad de un proyectil esférico usando una puerta óptica de acuerdo con la invención.

[0005] La invención se refiere además a un método para determinar el vector de velocidad de un proyectil esférico, en el que se proporcionan al menos dos puertas ópticas de acuerdo con la invención dispuestas una tras otra.

[0006] El método experimental más importante para determinar las propiedades dinámicas de los sistemas mecánicos es el denominado análisis modal experimental. Esto implica medir la salida (respuesta de frecuencia) de un sistema mecánico para una excitación de entrada conocida. Por lo tanto, tal análisis de vibración requiere un dispositivo o sistema de excitación que genere la excitación deseada.

[0007] La excitación del sistema se puede realizar de diversas formas, incluida la excitación armónica con agitadores electromagnéticos o hidráulicos, o la excitación de impulso de fuerza con martillos modales (martillo de impulso), etc. La desventaja de la excitación armónica mencionada anteriormente es que la configuración de medición es requiere mucho tiempo y suficiente espacio y componentes adicionales para conectar el agitador. En el caso del martillo modal, la calidad de la excitación suele ser menor en comparación con la excitación armónica, pero esta calidad puede mejorarse repitiendo los golpes de martillo varias veces y promediando. Una desventaja adicional de las soluciones conocidas es que, para mediciones largas en muchos puntos de excitación, las pruebas de vibración con agitadores o impactadores manuales pueden ser muy engorrosas. Un problema adicional en las pruebas de vibración es la necesidad de excitar los componentes mientras se mueven o giran. En primer lugar, conectar un agitador es muy complicado y, en segundo lugar, golpear tales partes de la máquina puede ser difícil, incluso peligroso. Con partes móviles, comunicar el impulso a la ubicación deseada en el momento requerido puede ser crítico.

[0008] Para superar los inconvenientes anteriores, el artículo "Medición de los parámetros modales de los husillos giratorios mediante excitación por impacto de disparo de bolas" de Takács D. et al.; 8a Conferencia CIRP sobre corte de alto rendimiento (HPC 2018) propone el uso de proyectiles esféricos para la excitación del sistema mecánico. La idea es disparar un proyectil esférico en un punto de excitación objetivo y luego determinar la magnitud y dirección del impulso de fuerza que actúa sobre el objetivo. El espectro de frecuencia de la fuerza de excitación de la excitación por impulso podría calcularse, en principio, sobre esta base. Dado que el impulso de fuerza puede determinarse a partir de la diferencia entre los momentos lineales del proyectil antes y después del impacto cerca del punto de excitación, es esencial medir el vector de velocidad espacial del proyectil con precisión antes y después del impacto. Aunque el análisis modal con proyectil es más ventajoso en comparación con otras soluciones, el principal inconveniente es que la determinación exacta del vector de velocidad del proyectil no es posible actualmente, o solo en una medida limitada. Una solución conocida para determinar la velocidad y la trayectoria de los proyectiles es usar, por ejemplo, dos o más cámaras de alta velocidad, pero estas son caras, en su mayoría inexactas y la extracción de datos requiere mucho tiempo.

[0009] Por ejemplo, documento de patente US 5.988.645 divulga un sistema de supervisión de objetos en movimiento. En una puerta óptica, una matriz de sensores de luz en una dirección y una matriz de fuentes de luz en la misma dirección están separadas por una distancia dada para definir un plano de detección. La trayectoria cruza el plano de detección. Un segundo par ortogonal de fuente de luz-sensor se coloca esencialmente en el mismo plano de detección de manera que las trayectorias ópticas del primer y segundo pares de fuente de luz-sensor formen un ángulo (preferiblemente un ángulo recto) entre sí. Los sensores detectan luz de múltiples fuentes de luz pero son insensibles a la luz de fuentes de luz ortogonales. La operación de los sensores y fuentes de luz se multiplexa, con una velocidad tal que un objeto que pasa a través de los planos parece detenerse en un ciclo. El punto de intersección de un plano de detección y una trayectoria dados se determina por la posición de la sombra proyectada en una u otra matriz de sensores del plano de detección dado marcando los puntos de intersección de las trayectorias ópticas. Dos puertas ópticas de este tipo, es decir, dos planos de detección, están ubicadas en el sistema a una distancia dada entre sí. Son ópticamente independientes entre sí. El vector de velocidad se determina mediante un cálculo basado en las intersecciones del primer y segundo planos de detección de puerta y la distancia entre las dos puertas. El control de las fuentes de luz, el procesamiento de las señales del sensor de luz y los cálculos se realizan mediante una unidad electrónica inteligente. Otras soluciones para determinar la velocidad de los proyectiles se describen en los documentos de patente US 2014/0118720, RU 2661 069 y HU P0700736.

[0010] Reconocemos que existe la necesidad de un dispositivo y método para determinar la velocidad y dirección de un proyectil esférico de manera simple y precisa.

[0011] También reconocimos que con la ayuda de una matriz de fuentes de luz puntuales de iluminación dispuestas una al lado de la otra y con una matriz de sensores con varios sensores de detección de luz dispuestos uno al lado del otro, en donde la matriz de iluminación está dispuesta opuesta a la matriz de sensores, se puede proporcionar una puerta óptica que pueda determinar la posición de un proyectil esférico que pasa a través de la puerta con alta precisión en un instante de tiempo dado y en un plano seleccionado.

[0013] También reconocimos que para determinar con precisión la posición del proyectil, es necesario el destelleo consecutivo de las fuentes de luz puntuales con una alta frecuencia (preferiblemente al menos 1 MHz). Como resultado, se crean sombras del proyectil esférico con diferentes proyecciones y contornos bien definidos a lo largo de la matriz de sensores, en intervalos de tiempo cercanos entre sí.

[0015] El objeto de la invención es crear una puerta óptica y métodos de medición que estén libres de las desventajas de las soluciones del estado de la técnica. En particular, la invención tiene como objetivo proporcionar una puerta óptica que pueda determinar el vector de velocidad de un proyectil esférico de manera más precisa y sencilla que las soluciones actuales, sin requerir componentes complejos y costosos (como una cámara de alta velocidad), y suficientemente compacto en tamaño que se utilizará para el análisis modal de proyectiles. También es un objeto de la invención proporcionar métodos para determinar el vector de velocidad de un proyectil esférico con alta precisión usando una o más puertas ópticas de acuerdo con la invención.

[0017] De acuerdo con la invención, el problema se ha resuelto mediante la puerta óptica de acuerdo con la reivindicación 1, el método de acuerdo con la reivindicación 7 y el método de acuerdo con la reivindicación 13.

[0019] Las realizaciones preferidas de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes.

[0021] Se explicarán detalles adicionales de la invención con referencia a los dibujos. En los dibujos

[0023] La figura 1 es una vista esquemática que ilustra una realización ilustrativa de una puerta óptica de acuerdo con la invención,

[0024] la figura 2a es una vista lateral esquemática que ilustra una primera posición del paso de un proyectil esférico a través de la puerta óptica mostrada en la figura 1,

[0025] la figura 2b es una vista lateral esquemática que muestra la posición del proyectil esférico en el plano común determinado por la matriz de iluminación y la matriz de sensores de la puerta óptica mostrada en la figura 1 en el momento de cruce,

[0026] la figura 2c es una vista lateral esquemática que ilustra una tercera posición del paso del proyectil esférico a través de la puerta óptica mostrada en la figura 1,

[0027] la figura 3 ilustra el brillo total que se puede medir en el área de detección en las posiciones del proyectil esférico mostrado en las figuras 2a-2c,

[0028] la figura 4a es una vista esquemática que ilustra la distribución de brillo que se puede medir a lo largo del área de detección cuando una primera fuente de luz puntual destellea en la posición del proyectil mostrado en la figura 2b,

[0029] la figura 4b es una vista esquemática que ilustra la distribución de brillo que se puede medir a lo largo del área de detección cuando una segunda fuente de luz puntual destellea en la posición del proyectil mostrado en la figura 2b,

[0030] la figura 4c es una vista esquemática que ilustra la distribución de brillo que se puede medir a lo largo del área de detección cuando una tercera fuente de luz puntual destellea en la posición del proyectil mostrado en la figura 2b, la figura 4d es una vista esquemática que ilustra la distribución de brillo que se puede medir a lo largo del área de detección cuando una cuarta fuente de luz puntual destellea en la posición del proyectil mostrado en la figura 2b, La figura 5 es una vista esquemática que ilustra el volumen de detección de una puerta óptica ilustrativa, la figura 6a es una vista lateral esquemática que ilustra la posición del proyectil esférico que acaba de entrar en el volumen de detección y toca el primer plano límite que delimita el volumen de detección,

[0031] la figura 6b es una vista lateral esquemática que ilustra la posición del proyectil esférico que cruza el primer plano de detección,

[0032] la figura 6c es una vista lateral esquemática que ilustra la posición del proyectil esférico que cruza el plano común,

[0033] la figura 6d es una vista lateral esquemática que ilustra la posición del proyectil esférico que cruza el segundo plano de detección,

[0034] la figura 6e es una vista lateral esquemática que ilustra la posición del proyectil esférico que acaba de salir del volumen de detección y toca el segundo plano límite que delimita el volumen de medición,

[0035] La Figura 7 ilustra el brillo total que se puede medir en el área de detección en las posiciones A-E del proyectil esférico mostrado en las Figuras 6a-6e.

[0037] La Figura 1 es una ilustración esquemática de una realización ilustrativa de una puerta óptica 100 de acuerdo con la invención. La puerta óptica 100 se usa para determinar el vector de velocidad de un proyectil esférico 10, es decir, la dirección y magnitud de la velocidad simultáneamente. En el contexto de la presente invención, el proyectil esférico 10 se refiere preferiblemente a un cuerpo que tiene una forma esférica regular, o un cuerpo cuya forma se desvía de una forma esférica regular solo ligeramente desde un punto de vista práctico (poliedros regulares con un gran número de caras, poliedros truncados, etc.) como es conocido por el experto en la materia. En una realización preferida, la velocidad del proyectil 10 es un par de 10 m/s, posiblemente un par de 100 m/s. El proyectil 10 puede dispararse, por ejemplo, con aire comprimido o cualquier otro medio que contenga energía, tal como electricidad, reacción química, energía mecánica (resorte o volante), etc., como es conocido por el experto en la materia. El proyectil 10 puede ser preferiblemente, por ejemplo, un proyectil de plástico o metal, de unos pocos mm de diámetro, comúnmente utilizado en airsoft o pistolas de aire comprimido.

[0039] La puerta óptica 100 comprende una matriz de sensores 20 definida por una fila de sensores de detección de luz 22 dispuestos uno al lado del otro, y una matriz de iluminación 30 definida por una fila de fuentes de luz puntuales 32 dispuestas una al lado de la otra e iluminando hacia los sensores 22, en donde la matriz de iluminación 30 está dispuesta opuesta a la matriz de sensores 20. La matriz de sensores 20 y la matriz de iluminación 30 están dispuestas entre sí de tal manera que la luz emitida por cualquiera de las fuentes de luz 32 de la matriz de iluminación 30 puede evaluarse por todos los sensores 22 de la matriz de sensores 20. En una realización ilustrativa, las fuentes de luz 32 están configuradas como fuentes de luz de LED, preferiblemente fuentes de luz de LED infrarrojas, minimizando de este modo el efecto perturbador de la luz ambiental. Se observa que, cuando sea apropiado, las fuentes de luz puntuales 32 pueden implementarse usando otros medios, tales como láseres, en lugar de LED, como es conocido por el experto en la materia. Los sensores 22 de la matriz de sensores de luz 20 están configurados como sensores conocidos per se (por ejemplo, como diodos de detección de luz) capaces de detectar la luz emitida por las fuentes de luz 32, preferiblemente, por ejemplo, luz infrarroja, y que tienen una salida que proporciona una tensión proporcional a la luz detectada. En la realización ilustrativa mostrada en la Figura 1, la matriz de iluminación 30 comprende cuatro fuentes de luz puntuales 32, en este caso LED, dispuestas en una línea recta, y la matriz de sensores 20 comprende treinta y dos sensores 22 (por ejemplo, diodos de detección de luz) dispuestos en línea recta, donde la matriz de sensores 20 y la matriz de iluminación 30 están dispuestas a lo largo de líneas rectas paralelas. Se observa que la matriz de sensores 20 y la matriz de iluminación 30 pueden incluir un número diferente de sensores 22 y/o fuentes de luz 32 que los descritos anteriormente, según sea el caso, y los sensores 22 y/o las fuentes de luz 32 pueden también estar dispuestas a lo largo de curvas planas distintas de líneas rectas (por ejemplo, arcos).

[0041] La matriz de sensores 20 y la matriz de iluminación 30 de acuerdo con la invención están ubicadas en un plano común S, a través del cual pasa una placa difusora óptica 40 dispuesta entre la matriz de iluminación 30 y la matriz de sensores 20. En una realización preferida, la placa difusora 40 está dispuesta más cerca de la matriz de sensores 20 de tal manera que su plano y el plano común S son perpendiculares entre sí (véase la Figura 1). En el contexto de la presente descripción, se entiende que la placa difusora 40 es un elemento óptico que dispersa la luz que pasa a través de ella, es decir, la sombra con un contorno nítido proyectado sobre ella aparece en el otro lado de la placa difusora 40 como una sombra sin un contorno nítido para los sensores 22, como es obvio para el experto. La placa difusora 40 puede ser, por ejemplo, vidrio opalino conocido per se, etc. Cada uno de los sensores de detección de luz 22 es capaz de detectar un ángulo sólido particular y, por lo tanto, los sensores 22 juntos definen un área de detección 42 que se extiende paralela al matriz de sensores 20 en la placa difusora 40. En la Figura 5, puede observarse que un primer y segundo planos imaginarios L1, L2 que conectan los lados del área de detección 42 paralelos a la matriz de sensores 20 con la matriz de iluminación 30 y el área de detección 42 delimitan un volumen de detección 50. Basándose en consideraciones ópticas simples, es fácil ver que se proyecta una sombra en el área de detección 42 por la luz de las fuentes de luz puntuales 32 solo si al menos una parte del cuerpo que crea la sombra (por ejemplo, el proyectil 10) está dentro el volumen de medición 50. Es decir, los sensores 22 solo pueden detectar la sombra creada por el proyectil 10 que reside en el volumen de detección 50.

[0043] La puerta óptica 100 de acuerdo con la invención comprende una unidad de control electrónica 36 configurada para destellar consecutivamente fuentes de luz 32 en instantes de tiempo predeterminados a altas frecuencias. En el contexto de la presente descripción, el destelleo consecutivo de las fuentes de luz 32 de la matriz de iluminación 30 significa que en un momento dado solo se enciende una fuente de luz 32 al mismo tiempo, después de lo cual la fuente de luz 32 dada se apaga y otra fuente de luz 32 se enciende (destelleando), y así sucesivamente. El tiempo transcurrido entre destellos consecutivos de las fuentes de luz 32 (por ejemplo, dos momentos de encendido consecutivos de las fuentes de luz 32) es del orden de una fracción de segundo, preferiblemente microsegundo, es decir, la unidad de control 36 realiza los destellos consecutivos de la luz fuentes 32 a alta frecuencia. En una realización preferida, la frecuencia de los destellos consecutivos en el tiempo es de al menos 1 MHz. Se observa que el destelleo de las fuentes de luz 32 puede no seguir necesariamente el orden físico de las fuentes de luz 32 que se suceden entre sí en la matriz de iluminación 30, sino que puede seguir cualquier secuencia. Si todas las fuentes de luz 32 en la matriz de iluminación 30 se encienden en sucesión, el proceso comienza de nuevo, es decir, con las fuentes de luz 32 en la matriz de iluminación 30 destelladas anteriormente. La unidad de control 36 realiza el destelleo de las fuentes de luz 32 a una alta frecuencia y en instantes de tiempo predeterminados, de modo que se puede determinar cuál de las fuentes de luz 32 destelleó en un momento de tiempo dado. La unidad de control 36 puede diseñarse como un circuito especial, por ejemplo, usando una matriz de puertas programables en campo (FPGA) como es conocido por el experto en la materia.

[0045] La puerta óptica 100 de acuerdo con la invención comprende una unidad de medición electrónica 26 para procesar las señales generadas por los sensores de detección de luz 22, estando la unidad de medición 26 configurada para determinar la distribución de brillo y el brillo total a lo largo del área de detección 42 basándose en las señales generadas por los sensores 22 de la matriz de sensores 20 en respuesta a la iluminación de cualquier fuente de luz puntual 32 de la matriz de iluminación 30. Por la unidad de medición 26 se entiende un dispositivo electrónico que convierte la señal analógica de los sensores 22 en una señal digital, la procesa, preferiblemente la almacena y, si corresponde, la transmite a otro dispositivo electrónico como es conocido por el experto en la materia. La unidad de medición 26 también puede proporcionarse como un circuito especial, por ejemplo, por medio de una FPGA insertada a través de un convertidor A/D. En una posible realización, la unidad de control electrónica 36 y la unidad de medición electrónica 26 están configuradas como partes de una unidad de TI común 200, tal como un ordenador. En una realización particularmente preferida, la matriz de sensores 20 comprende una pluralidad de grupos de sensores 24 formados por una pluralidad de sensores 22 dispuestos uno al lado del otro y que agregan señales desde los respectivos sensores 22. Esto tiene la ventaja de que la sensibilidad del grupo de sensores 24 es mayor que la sensibilidad de los sensores individuales 22 que forman el grupo de sensores 24, consiguiendo de este modo una mayor relación de señal a ruido. Preferiblemente, las señales de los sensores 22 del grupo de sensores 24 se agregan antes de la conversión de analógico a digital, es decir, antes de que las señales se transmitan a la unidad de medición 26, por ejemplo, por medio de un elemento electrónico especializado (no mostrado en las figuras).

[0046] El brillo total a lo largo del área de detección 42 es la suma de las señales medidas por todos los sensores 22 de la matriz de sensores 20 en el caso de que una fuente de luz 32 particular destellee. Si no hay ningún objeto de sombreado (por ejemplo, el proyectil 10) en el volumen de detección 50, el brillo total medido para una fuente de luz 32 dada, en ausencia de sombreado, muestra un valor máximo. A medida que el proyectil 10 entra en el volumen de detección 50, el brillo total que se puede medir cuando una fuente de luz 32 dada destellea se reduce debido a la sombra proyectada por el proyectil 10 en el área de detección 42. En la Fig. 3, el cambio en el brillo total a lo largo del área de detección 42 puede observarse en las posiciones del proyectil 10 ilustradas en las Figs. 2a-2c, en el caso de un destello de una fuente de luz 32 dada. Como se puede ver, el brillo total que se puede medir, en el caso de que cualquier fuente de luz 32 destellee, será mínimo cuando el proyectil 10 cruce el plano común S definido por la matriz de sensores 20 y la matriz de iluminación 30, es decir, cuando el centro del proyectil esférico 10 interseca el plano S. Cabe señalar que el brillo total máximo que se puede medir en el área de detección 42 para las diferentes fuentes de luz 32 puede ser diferente, por lo tanto, puede ser necesario calibrar el valores máximos de brillo total para las diferentes fuentes de luz 32.

[0048] Las figuras 4a-4d ilustran las distribuciones de brillo que se pueden medir a lo largo del área de detección 42 en el caso de destellos de las diferentes fuentes de luz 32. Obsérvese que en esta realización ilustrativa, la frecuencia de los destellos cae en el intervalo de MHz, mientras que la velocidad del proyectil 10 es unas pocas veces diez m/s, de modo que durante la duración de microsegundos de los destellos consecutivos de las cuatro fuentes de luz 32, el proyectil 10 es prácticamente estacionario. En la Figura 4a, puede verse que el proyectil 10 que reside en el volumen de detección 50, cuando la fuente de luz 32a destellea, proyecta una sombra en la dirección de la línea que conecta el proyectil 10 con la fuente de luz 32a dada en el área de detección 42, que es detectado por los sensores 22 ubicados debajo de la sombra proyectada. En las Figuras 4b-4d, se puede observar respectivamente que cuando las fuentes de luz 32b-32d destellean, la sombra del proyectil 10 aparece en diferentes áreas del área de detección 42, es decir, la distribución de brillo cambia para cada fuente de luz 32, de modo que las diferentes sombras son detectadas por diferentes sensores 22 de la matriz de sensores 20. Obsérvese que los sensores 22 en la matriz de sensores 20 están dispuestos a tal distancia entre sí que la sombra del proyectil 10 que reside en el volumen de detección 50 es detectada por al menos dos sensores adyacentes 22. Debido a la naturaleza puntual de las fuentes de luz 32, la sombra proyectada sobre el área de detección 42 tiene un contorno nítido (umbra), pero debido al efecto de la placa difusora 40, los sensores 22 medirán una distribución de brillo continua de tipo curva gaussiana. El centro de la sombra proyectada por el proyectil 10 puede determinarse basándose en los datos de los sensores 22.

[0049] La invención también se refiere a un método para determinar el vector de velocidad V de un proyectil esférico 10 usando la puerta óptica 100 de acuerdo con la invención. A continuación, se describirá el funcionamiento de la puerta óptica 100 junto con el método de acuerdo con la invención.

[0051] Durante el método, en el volumen de medición 50, se define un primer plano de detección imaginario Sa que conecta una primera línea de base 45a del área de detección 42 paralela a la matriz de sensores 20 con la matriz de iluminación 30, y se define un segundo plano de detección imaginario Sb que conecta una segunda línea de base 45b del área de detección 42 paralela a la matriz de sensores 20 con la matriz de iluminación 30. Los planos de detección imaginarios Sa, Sb son planos seleccionados cuyas líneas de base 45a, 45b están marcadas en posiciones predeterminadas; por ejemplo, las líneas de base 45a, 45b pasan a través de los cuartos de punto de la anchura del área de detección 42, como se observa en la figura 5. Por supuesto, los planos de medición Sa, Sb pueden tomarse en otras posiciones, por ejemplo, al menos uno de los planos de medición Sa, Sb puede ser el plano límite L1, L2 o el plano S.

[0053] En la siguiente etapa, el proyectil esférico 10 pasa a través de los planos de detección Sa, Sb, durante los cuales las fuentes de luz puntuales 32 de la matriz de iluminación 30 se destellan consecutivamente con una alta frecuencia usando la unidad de control 36. El destelleo consecutivo de las fuentes de luz 32 se lleva a cabo preferiblemente al menos hasta que el proyectil 10 esté en el volumen de detección 50. El proyectil 10 puede ser preferiblemente, por ejemplo, el proyectil 10 usado para el análisis modal de proyectil presentado anteriormente. Durante los destellos consecutivos de las fuentes de luz 32, la distribución de brillo y el brillo total a lo largo del área de detección 42 se determinan en el caso del destello de cada fuente de luz puntual 32 usando los sensores 22 de la matriz de sensores 20 y la unidad de medición 26, como se ha descrito anteriormente. En la Fig. 7, el cambio en el brillo total a lo largo del área de detección 42 puede observarse en las posiciones A-E del proyectil 10 ilustrado en las Figs. 6a-6e, en el caso del destello de una fuente de luz 32 dada. En la Figura 6a, el proyectil 10 acaba de entrar en el volumen de detección 50, es decir, el proyectil 10 toca el primer plano límite L1 por primera vez. Puede verse en la Figura 7 (posición A) que el brillo total que puede medirse cuando una fuente de luz 32 dada destellea comienza a disminuir desde el valor máximo. De manera similar, en la figura 6e, se puede ver cómo el proyectil 10 está saliendo del volumen de detección 50, por lo que el proyectil 10 toca el segundo plano límite L2 desde el exterior. Se puede ver en la Figura 7 (posición E) que el brillo total que se puede medir cuando una fuente de luz 32 dada destellea está volviendo a su valor máximo. En otras palabras, basándose en la curva de tiempo del brillo total, se pueden determinar los momentos de entrada y salida del proyectil 10 dentro y fuera del volumen de detección 50. Se observa que el brillo total solo puede medirse realmente cuando una de las fuentes de luz 32 destellea, por lo tanto, la curva de tiempo del brillo total viene dada por los valores discretos asociados con cada destelleo. Sin embargo, dado que la frecuencia de los destellos es alta, entre dos destellos el proyectil 10 no se mueve significativamente para el propósito de la medición. Sin embargo, en una realización preferida, por ejemplo, en el caso de un proyectil 10 con una velocidad más alta, se puede ajustar una curva continua a los puntos de medición del brillo total por interpolación, a partir de la cual se puede leer el brillo total en cualquier momento, es decir, por ejemplo, la hora exacta de llegada del proyectil 10 al volumen de detección 50 y su salida del volumen de medición 50, o la hora exacta de cruzar un plano de medición dado.

[0055] En la siguiente etapa del método, dados los tiempos de llegada y salida y el tamaño del proyectil esférico 10, se determinan los tiempos de cruce correspondientes a las intersecciones del proyectil 10 en el primer y segundo planos de detección Sa, Sb. En el contexto de la presente descripción, los tiempos de cruce se definen como los instantes de tiempo cuando una parte predefinida del proyectil 10, p. ej. el centro, está en el plano de detección dado Sa, Sb. Dado que se conoce la posición del plano de detección Sa, Sb, suponiendo que el proyectil 10 ha pasado a través del volumen de detección 50 a una velocidad constante, es fácil calcular los instantes de tiempo en los que el centro del proyectil estaba en el plano de detección Sa, Sb.

[0057] En la siguiente etapa, para cada uno de los planos de detección Sa, Sb, se determina la distribución de brillo a lo largo del área de detección 42 para una pluralidad de las fuentes de luz puntuales 32 de la matriz de iluminación 30 en el caso del destelleo de la fuente de luz dada 32 en el momento de cruce. Como se ha descrito anteriormente, debido a los destellos de alta frecuencia de las fuentes de luz 32, las fuentes de luz 32a-32d del conjunto de iluminación 30 son esencialmente destellos durante el tiempo de cruce, produciendo las distribuciones de brillo mostradas en las figuras 4a-4d. Sin embargo, en una realización preferida, por ejemplo, en el caso de un proyectil 10 con una velocidad más alta, para aumentar la precisión de la medición, las distribuciones de brillo a lo largo del área de detección 42 para los destellos de las fuentes de luz 32a-32d tomadas exactamente en el tiempo de cruce se determina interpolando las distribuciones de brillo medidas en instantes de tiempo ligeramente diferentes del tiempo de cruce, por ejemplo, mediante el ajuste de curva mencionado anteriormente, como es evidente para el experto en la materia.

[0059] Combinando las distribuciones de brillo del proyectil 10 para las diferentes fuentes de luz 32a-32d, se determina la posición del proyectil 10 en el plano de detección dado Sa, Sb en el tiempo de cruce. Esto se puede hacer, por ejemplo, midiendo las distribuciones de brillo para cada fuente de luz 32 en varias posiciones conocidas del proyectil 10 que cruzan el plano de detección Sa, Sb antes del método, y luego usándolas para crear una base de datos de correlación para las diferentes posiciones, que asocia las diferentes distribuciones de brillo para cada fuente de luz 32 con las diferentes posiciones del proyectil 10 que cruza el plano de detección Sa, Sb. Basándose en las distribuciones de brillo medidas, usando las bases de datos de correlación preparadas para el plano de detección Sa, Sb, se obtiene la posición del proyectil 10 en el plano de detección Sa, Sb. Finalmente, las posiciones resultantes y los tiempos de cruce se usan para determinar el vector de velocidad V del proyectil 10.

[0061] La invención también se refiere a un método adicional para determinar el vector de velocidad V de un proyectil esférico 10 usando al menos dos puertas ópticas 100 dispuestas en serie de acuerdo con la invención. Se proporciona una primera puerta óptica 100 que tiene una primera matriz de iluminación 30, una primera matriz de sensores 20 y un primer plano común S definido por la primera matriz de iluminación 30 y la primera matriz de sensores 20, y se proporciona una segunda puerta óptica 100 que tiene una segunda la matriz de iluminación 30, una segunda matriz de sensores 20 y un segundo plano común S definido por la segunda matriz de iluminación 30 y la segunda matriz de sensores 20, las puertas ópticas primera y segunda 100 están dispuestas en serie de tal manera que un proyectil 10 que se desplaza sustancialmente en línea recta puede pasar a través de los planos S de las puertas ópticas 100 en sucesión.

[0063] Durante el método, las fuentes de luz puntuales 32 de la primera matriz de iluminación 30 se encienden una tras otra, mientras se determina la distribución de brillo y el brillo total a lo largo de la primera área de detección 42 de la primera puerta óptica 100 para cada fuente de luz puntual 32 de la primero iluminando la matriz 30 como se ha descrito anteriormente, y luego determinando un primer tiempo de cruce correspondiente al mínimo del brillo total medido. El brillo total medido en la primera área de detección 42 para cualquier fuente de luz 32 en la primera matriz de iluminación 30 será mínimo cuando el proyectil 10 cruce el primer plano común S definido por la primera matriz de iluminación 30 y la primera matriz de sensores 20, ya que el proyectil 10 proyectará su sombra más grande sobre los sensores 22 de la primera matriz de sensores 20.

[0064] En la siguiente etapa del método, determinar las distribuciones de brillo que se pueden medir a lo largo de la primera área de detección 42 en el caso de los destellos de las fuentes de luz 32 de la primera matriz de iluminación 30 en el primer tiempo de cruce, y determinar la posición de el proyectil 10 en el primer plano común S en el primer tiempo de cruce combinando las distribuciones de brillo así determinadas para las diferentes fuentes de luz 32. Esta posición puede determinarse, por ejemplo, encontrando los centros de las sombras del proyectil 10 generados por el destelleo de cada fuente de luz 32 y conectándolos con la fuente puntual 32 respectiva. Las líneas resultantes se intersecan en el centro del proyectil 10, es decir, se puede determinar la posición del proyectil 10 en el primer plano común S. En otra posible realización, la posición del proyectil 10 en el primer plano común S se determina a partir de la base de datos de correlación mencionada anteriormente. En este caso, las mediciones de correlación deberían realizarse en el primer plano S común.

[0065] Después de pasar a través del primer plano común S, el proyectil 10 continúa hacia la segunda puerta óptica 100. En el método, las etapas descritas anteriormente también se realizan para la segunda puerta óptica 100, es decir, determinar las distribuciones de brillo y el brillo total que se puede medir a lo largo de la segunda área de detección 42 en el caso de los destellos de las fuentes de luz 32 de la segunda matriz de iluminación 30. A continuación, se determina un segundo tiempo de cruce como se ha descrito anteriormente, correspondiente al mínimo del brillo total medido, y para varias fuentes de luz puntuales 32 de la segunda matriz de iluminación 30, la distribución de brillo medible a lo largo de la segunda área de detección 42 se determina en la caso de un destello de la fuente de luz 32 dada en el segundo instante de tiempo de cruce, entonces, combinando las distribuciones de brillo asociadas con las diferentes fuentes de luz 32 determinadas de esta manera, la posición del proyectil 10 en el segundo plano común S en el se determina el segundo instante de tiempo de cruce. Como resultado, conocemos las dos posiciones del proyectil 10 en dos instantes de tiempo, de modo que podemos determinar el vector de velocidad V del proyectil 10 basándose en las posiciones y los tiempos de cruce obtenidos para el primer y segundo planos comunes S. Como se ha descrito para el primer método, en aras de una mayor precisión, el brillo total asociado con el tiempo de cruce en un plano común dado S puede determinarse interpolando el brillo total medido en un área de detección 42 dada, o las distribuciones de brillo que pueden medirse a lo largo de la banda de detección 42 dada, en el caso de los destellos de las fuentes de luz 32 del conjunto de iluminación 30 dado tomados en el tiempo de cruce que pertenece al plano S común dado, también puede producirse por interpolación de las distribuciones de brillo medidas.

[0066] Será evidente para los expertos en la materia que se contemplan soluciones alternativas a las otras realizaciones mostradas en el presente documento, pero están dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

1. Una puerta óptica (100) para determinar un vector de velocidad (V) de un proyectil esférico (10), comprendiendo la puerta óptica (100): una matriz de sensores (20) definida por una fila de sensores de detección de luz (22) dispuestos junto a entre sí, y una matriz de iluminación (30) definida por una fila de fuentes de luz puntuales (32) dispuestas una al lado de la otra y que iluminan hacia los sensores (22), en donde la matriz de iluminación (30) está dispuesta opuesta a la matriz de sensores (20), estando dicha matriz de iluminación (30) y dicha matriz de sensores (20) dispuestas en un plano común (S), estando la puerta óptica caracterizada por que comprende además una placa difusora óptica (40) que está dispuesta entre dicha matriz de iluminación (30) y dicha matriz de sensores (20), definiendo dichos sensores de detección de luz (22) un área de detección (42) en dicha placa difusora (40) paralela a dicha matriz de sensores (20), y la puerta óptica (100) comprende una unidad de control electrónica (36) configurada para destellar consecutivamente las fuentes de luz puntuales (32) a instantes de tiempo predeterminados a alta frecuencia, y una unidad de medición electrónica (26) para procesar las señales generadas por los sensores de detección de luz (22), estando dicha unidad de medición (26) configurada para determinar la distribución de brillo y el brillo total a lo largo del área de detección (42) basándose en los datos generados por los sensores (22) de la matriz de sensores (20).

2. Una puerta óptica (100) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que el plano de la placa difusora (40) y el plano común (S) son perpendiculares entre sí.

3. Una puerta óptica (100) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizada por que la unidad de control electrónica (36) y la unidad de medición electrónica (26) están configuradas como parte de una unidad de TI común (200).

4. Una puerta óptica (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que la matriz de sensores (20) comprende una pluralidad de grupos de sensores (24) formada por sensores adyacentes (22) y señales de agregación de los sensores (22).

5. Una puerta óptica (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que las fuentes de luz puntuales (32) están configuradas como fuentes de luz LED, preferiblemente fuentes de luz LED infrarrojas.

6. Una puerta óptica (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que la matriz de sensores (20) y la matriz de iluminación (30) están dispuestas a lo largo de líneas paralelas.

7. Un método para determinar un vector de velocidad (V) de un proyectil esférico (10) usando una puerta óptica (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, comprendiendo el método:

proporcionar un volumen de detección (50) delimitado por el área de detección (42) y por el primer y segundo planos límite (L1, L2) que conectan los lados del área de detección (42) paralelos a la matriz de sensores (20) con la matriz de iluminación (30), en el volumen de medición (50), se define un primer plano de detección (Sa) que conecta una primera línea de base (45a) del área de detección (42) paralela a la matriz de sensores (20) con la matriz de iluminación (30), y se define un segundo plano de detección (Sb) que conecta una segunda línea de base (45b) del área de detección (42) paralela a la matriz de sensores (20) con la matriz de iluminación (30), y hacer pasar un proyectil esférico (10) a través del planos de detección (Sa, Sb), durante lo cual:

- se hacen destellear las fuentes de luz puntuales (32) de la matriz de iluminación (30) consecutivamente por medio de la unidad de control (36), mientras se determina la distribución de brillo y el brillo total a lo largo del área de detección (42) para cada destello de fuentes de luz puntuales (32) por medio de los sensores (22) de la matriz de sensores (20) y la unidad de medición (26),

- basándose en el brillo total medido, se determinan los instantes de tiempo de llegada del proyectil (10) al volumen de detección (50) y de su salida del volumen de detección (50),

- dados los tiempos de llegada y salida y el tamaño del proyectil esférico (10), se determinan los tiempos de cruce correspondientes a las intersecciones del proyectil (10) en el primer y segundo planos de detección (Sa, Sb), y

para cada uno de los planos de detección (Sa, Sb):

- para una pluralidad de fuentes de luz puntuales (32) de la matriz de iluminación (30), determinar la distribución de brillo que se puede medir a lo largo del área de detección (42) en el caso de un destelleo de una fuente de luz dada (32) en el tiempo de cruce,

- determinar la posición del proyectil (10) en el plano de detección dado (Sa, Sb) en el momento de cruce combinando las distribuciones de brillo así determinadas para las diferentes fuentes de luz (32), y determinar el vector de velocidad (V) del proyectil (10) basándose en las posiciones y tiempos de cruce obtenidos.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por que al menos uno de los planos de detección (Sa, Sb) se selecciona como un plano que conecta un lado del área de detección (42) paralelo a la matriz de

sensores (20) con la matriz de iluminación (30), o como un plano común (S) que conecta la matriz de iluminación (30) a la matriz de sensores (20).

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, caracterizado por que la determinación del brillo total asociado con los instantes de tiempo de llegada del proyectil (10) al volumen de detección (50) y salida del proyectil (10) del volumen de detección (50) se realiza interpolando el brillo total medido.

10. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por que la determinación del brillo total que puede medirse en el tiempo de cruce correspondiente a la intersección del plano de detección dado (Sa, Sb) se realiza interpolando el brillo total medido.

11. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado por que la determinación de las distribuciones de brillo que se pueden medir a lo largo del área de detección (42) en el caso de un destelleo de una fuente de luz dada (32) en el tiempo de cruce correspondiente al plano de detección dado (Sa, Sb) se realiza interpolando las distribuciones de brillo medidas.

12. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado por que las fuentes de luz puntuales (32) tienen una frecuencia de destelleo de al menos 1 MHz.

13. Un método para determinar un vector de velocidad (V) de un proyectil esférico (10), caracterizado por que proporciona al menos dos puertas ópticas (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, dispuestas en serie, de las cuales una primera puerta óptica (100) comprende una primera matriz de iluminación (30), una primera matriz de sensores (20) y un primer plano común (S) definido por la primera matriz de iluminación (30) y la primera matriz de sensores (20), y una segunda puerta óptica (100) comprende una segunda matriz de iluminación (30), una segunda matriz de sensores (20) y un segundo plano común (S) definido por la segunda matriz de iluminación (30) y la segunda matriz de sensores (20), y hace pasar un proyectil esférico (10) a través del primer y segundo planos comunes (S), durante lo cual:

- se hacen destellear las fuentes de luz puntuales (32) de la primera matriz de iluminación (30) consecutivamente mientras se determina, para cada destello de las fuentes de luz puntuales (32), la distribución de brillo y el brillo total a lo largo de la primera área de detección (42) de la primera puerta óptica (100), y luego se determina un primer tiempo de cruce correspondiente al mínimo del brillo total medido, para una pluralidad de fuentes de luz puntuales (32) de la primera matriz de iluminación (30), se determina la distribución de brillo que puede ser medido a lo largo de la primera área de detección (42) en el caso de un destello de una fuente de luz dada (32) en el primer tiempo de cruce, y se determina la posición del proyectil (10) en el primer plano común (S) en el primer el tiempo de cruce combinando las distribuciones de brillo así determinadas para las diferentes fuentes de luz,

- se hacen destellear las fuentes de luz puntuales (32) de la segunda matriz de iluminación (30) consecutivamente mientras se determina, para cada destello de las fuentes de luz puntuales (32), la distribución de brillo y el brillo total a lo largo de la segunda área de detección (42) de la segunda puerta óptica (100), y luego se determina un segundo tiempo de cruce correspondiente al mínimo del brillo total medido, para una pluralidad de fuentes de luz puntuales (32) de la segunda matriz de iluminación (30), se determina la distribución de brillo que puede ser medida a lo largo de la segunda área de detección (42) en el caso de un destello de una fuente de luz dada (32) en el segundo tiempo de cruce, y se determina la posición del proyectil (10) en el segundo plano común (S) en el segundo el tiempo de cruce combinando las distribuciones de brillo así determinadas para las diferentes fuentes de luz, y

- determinar el vector de velocidad (V) del proyectil (10) basándose en las posiciones y tiempos de cruce obtenidos para el primer y segundo planos comunes (S).

14. Un método de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado por que la determinación del brillo total en el tiempo de cruce de un plano común dado (S) se realiza interpolando el brillo total medido en el área de detección dada (42).

15. Un método de acuerdo con la reivindicación 13 o 14, caracterizado por que la determinación de las distribuciones de brillo que se pueden medir a lo largo de un área de detección dada (42) en el caso de un destelleo de una fuente de luz dada (32) en el tiempo de cruce correspondiente a la plano común dado (S) se realiza interpolando las distribuciones de brillo medidas.