JP2005106465A - 射撃システムの標的位置調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位置調整の高精度化。
【解決手段】機械系座標（ｘ，ｙ）に基づいて電気系座標（ｘ’，ｙ’）を調整する調整ステップが提供される。その調整ステップは、電気系座標（ｘ’，ｙ’）が標的の中心点（Ｏ）の機械系座標（０，０）に一致するように、標的（４）と２次元受光ユニット（１３）との間の相対的位置を調整する機械的ステップを備えている。標的（４）と２次元受光ユニット（１３）との間の幾何学的位置関係の調整のためには、標的（４）と２次元受光ユニット（１３）との少なくとも一方の位置が調整される。機械系と電気系の一致の調整は、着弾点の機械系座標を電気的に出力する電気系座標の精度を高くすることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、打ち込まれる光弾の位置の高精度計測を含む光銃射撃システムの標的の位置を調整する射撃システムの標的位置調整装置に関する。

競技種目の１つとして、射撃が知られている。安全性と取り扱い等の点で注意が必要である実弾射撃の実弾銃に代わって、光線銃が用いられることが望まれる。光線銃から発射される光弾の位置は、特許文献１に示されるように、標的に設定される機械的座標系で検出される。光弾の光エネルギーは、特許文献２に示されるように、標的の標的面に形成される光電変換器により電気信号に変換される。その電気信号は、着弾位置の機械的座標を含んでいる。

銃とコンピュータとが有線で接続しないことにより射撃の命中精度を向上させる競技システムでは、光弾と標的との間の１対１の位置関係がより厳しく成立する技術の確立が求められる。その技術は、標的装置に設定される機械的座標系の上で光弾の着弾座標が厳密に計測されることが重要である。この場合に、電気信号が含む着弾位置座標が機械的座標系の上で厳密に計測されるためには、機械的座標系が固定されている標的面と光電変換面との間の相対的位置関係が競技開始前に初期的に厳密に調整されていることが重要である。

光電変換座標系と着弾座標系の間の相対的位置関係の調整が厳密であり、更には、その調整が容易であることが求められる。

特開２００２−３１８０９８号 特開２０００−６１１２９号

本発明の課題は、光電変換座標系と着弾座標系の間の相対的位置関係の調整が厳密である射撃システムの標的位置調整方法を提供することにある。
本発明の追加的課題は、その調整が容易である射撃システムの標的位置調整方法を提供することにある。

本発明による射撃システムの標的位置調整方法は、光弾（９）の照射を受ける照射点の機械系座標（ｘ，ｙ）を有する標的（４）と、照射点の光を受光し受光点の電気系座標（ｘ’，ｙ’）を出力する２次元受光ユニット（１３）とを含む射撃システムの標的位置調整方法である。射撃システムの標的位置調整方法は、機械系座標（ｘ，ｙ）に基づいて電気系座標（ｘ’，ｙ’）を調整する調整ステップを備えている。

着弾点の機械系座標は、電気的に即座に（リアルタイムに）出力される。着弾点の機械的位置座標の情報を持つ電気出力信号が機械系座標に１対１に対応する電気系座標で記述されることは、着弾点の計算速度を高速化することができると同時に、電気系座標と機械系座標の一致性により、着弾点の機械系座標の検出を絶対的に高精度化することができる。

その調整ステップは、電気系座標（ｘ’，ｙ’）が標的の中心点（Ｏ）の機械系座標（０，０）に一致するように、標的（４）と２次元受光ユニットとの間の相対的位置を調整する機械的ステップを備えている。ここで、標的は、競技に用いられる標的そのものが用いられることは可能であるが、位置調整のための専用の標的が用いられ得る。標的（４）と２次元受光ユニット（１３）との間の幾何学的位置関係の調整のためには、標的（４）と２次元受光ユニット（１３）との少なくとも一方の位置が調整される。その機械的ステップは、２次元受光ユニット（１３）の取り付け位置を調整することが好適に例示される。その調整ステップは、照射点の位置を変更する照射点変更ステップと、照射点変更ステップにより変更された照射点の機械系座標（ｘ，ｙ）に電気系座標（ｘ’，ｙ’）が完全に又は許容範囲内で一致するように、電気系座標（ｘ’，ｙ’）を数学的に調整する数学的ステップとを更に備えている。照射点変更ステップと数学的ステップとは、機械系座標（ｘ，ｙ）の座標系の複数の領域で独立的に実行され、受光ユニット（１３）の光学的部分の光学的歪みが領域ごとに補正される。このような調整方法を公式審判員が実行することにより、競技の公平さが担保される。

本発明による射撃システムの標的位置調整方法は、着弾位置を容易に検出する電気系座系と着弾位置を表現する機械系座標系との一致の精度が原理的に在し、着弾位置が高精度に電気的信号に変換されるので、その高精度調整が可能である。このような調整方法は、結果的に、調整作業を容易にする。

図に対応して、本発明による射撃システムの標的位置調整方法の実施の好ましい形態が記述される。複数の射撃ボックス１は、図１に示されるように、複数の着弾位置検出器２とともに配置されて設けられている。１つの射撃ボックス１と１つの着弾位置検出器２とは、位置的にも競技的にも１対１に対応し、１つの射撃ボックス１から複数の着弾位置検出器２に光弾が発射されることは必ずしも排除されない。１銃１標的に限られず、ｎ銃ｎ標的の射撃競技が行われることは排除されない。１つの射撃ボックス１は、２枚の仕切板３で仕切られて形成されている。着弾位置検出器２の前面には、正方形状又は円形状の標的板４が固着されている。

複数の標的板４の前面は、共通平面５を形成している。複数の射撃ボックス１には、共通射撃許容面６が形成されている。共通平面５と共通射撃許容面６とは互いに平行であり、且つ、ともに鉛直面である。

着弾位置検出器２は、赤外線ＬＥＤにより生成される光円錐ビーム、光楕円錐ビーム、又は、矩形錐ビームのような錐状ビーム８を発射する。５つの着弾位置検出器２から発射される光楕円錐ビーム８のうちの１つは、それぞれに真向かいにある１つの射撃ボックス１に届き、２つの射撃ボックスに届くことは原則的にはない。レーザー銃７から発射されるレーザービーム９は、そのビームを発射するレーザー銃７に固有に対応する信号を有する光弾である。光弾９は、その平行光束性が高く、後述されるレンズにより光点状に標的板４に届く。

錐状ビーム８は、レーザービーム９が発射される発射条件信号であり、レーザー銃７の受光部で受信される。０７は、物理的な発射条件信号を受信しない限り、光弾９を発射することができない。複数の着弾位置検出器２から発射される錐状ビーム８は、それぞれに個別に対応するレーザー銃との関係で固有化された発射条件信号であることが好ましい。

図２は、着弾位置検出器２を詳細に示している。着弾位置検出器２の筐体と内部支持構造は、熱的歪みの大きさが許容範囲内に抑えられるように高剛性に設計されて組立てられている。着弾位置検出器２は、既述の標的板４の他に、位置検出用光学素子１１を備えている。位置検出用光学素子１１は、集光用レンズ１２と位置検出用半導体素子１３とを備えている。着弾位置検出器２は、更に、赤外線ＬＥＤ１４を備えている。位置検出用半導体素子１３として、ＣＣＤデバイス又はＰＳＤが知られている。位置検出半導体素子１３として、ＰＳＤがコストの点と検出速度の点で好適に用いられる。

ＰＳＤ１３は、２次元電流生成膜を有し、その膜にレーザービームが集光用レンズ１２で集光されて当たる光点の座標位置（ｘ，ｙ）に２次元的に線形に対応する電流を２次元方向にその膜内で生成する。ＰＳＤ１３は、ｘ軸方向に互いに逆方向に電流Ｉｘ１と電流Ｉｘ２を生成し、ｙ軸方向に互いに逆方向に電流Ｉｙ１と電流Ｉｙ２を生成する。その光点座標（ｘ，ｙ）は、次式で表される。
ｘ＝ｋ（Ｉｘ２−Ｉｘ１）／（Ｉｘ２＋Ｉｘ１）
ｙ＝ｋ（Ｉｙ２−Ｉｙ１）／（Ｉｙ２＋Ｉｙ１）・・・（１）
従って、光点座標（ｘ，ｙ）は光点位置に１対１に対応して計算により決定される。（Ｉｘ２−Ｉｘ１）と（Ｉｙ２−Ｉｙ１）が共に零になる光点位置が、ＰＳＤ１３の電気系座標原点（０，０）として定められる。その電気系座標原点は、上式で規定される座標値が零になる位置であり、ＰＳＤ１３の電気的中心点に一致している。電気系座標原点は、着弾位置検出器２の高剛性の筐体構造上で固定され、電気系機械的原点として規定される。標的板４は、ＰＳＤ１３に対して規定される許容範囲の精度で２次元的に位置決めされる。このような座標変換補正は、電子機器の個々の特性、標的の取り付け誤差等に対応して、多様に実行される。標的板４には、機械系座標原点を含む機械系座標系が固定されている。機械系座標原点を含む機械系座標系と電気系座標原点を含む電気系座標系との空間的に相対的である位置関係は、後述されるように厳密に調整され得る。

標的板４は、光散乱性光透過膜を有し、標的板４に到達する光弾９は、直径が１ｍｍ程度である略円形像として光散乱性光透過膜に形成される。その略円形像は、集光用レンズ１２で集光されてＰＳＤ１３の受光面に点状に実像（既述の光点）として形成される。ＰＳＤ１３が生成する４つの電流の大きさがそれぞれに閾値より大きくなるためには、ＰＳＤ１３が受光するレーザービーム９の光量が閾値より大きくならなければならない。その光量がそれらの閾値より大きくなるためには、後述される光パルスの幅がある幅より大きくなっていなければならないが、その幅を大きくすることは、着弾時点からその位置検出までの時間が長くなることを意味する。

標的板４と着弾位置検出器２の筐体の前面側部位のそれぞれの複数箇所で、図３に示されるように、位置決め穴１７が開けられている。着弾位置検出器２の側の位置決め穴１７は、着弾位置検出器２の既述の機械系座標系を固定的に含む３次元座標系内で高精度に位置決めされ、着弾位置検出器２の側の位置決め穴１７の相対的位置関係は、標的板４の側の位置決め穴１７の相対的位置関係に厳密に一致している。標的板４は、競技種目により取り替えられ得るが、両側の位置決め穴１７にピンを通すことにより、取り換えられた標的板４は常にＰＳＤ１３の電気系座標原点に対して３次元的に（少なくとも２次元的に）厳密に調整可能に位置づけられている。

標的板４と集光用レンズ１２との間には、円錐状カバー１８が取り付けられている。円錐状カバー１８は、標的板４に形成され標的板４で散乱される散乱光を迷光として集光用レンズ１２に入射させない暗箱である。集光用レンズ１２とＰＳＤ１３とは、取付け基板１９に取り付けられている。取付け基板１９は、図３に示されるように、ボルト２１により着弾位置検出器２の筐体部分に強固に高剛性に取り付けられている。着弾位置検出器２には、空冷用窓、後述される多様な電子回路ユニットが内蔵され、標的板４の標的中心点が規定の高さ位置になるように強固に据え付けられている台（図示されず）の上に設置される。

図４は、標的板４の詳細を例示している。標的板４は、その得点領域が１０個の同心円で表される１０領域に分けられている。最外側の環領域の得点は１点であり、中心の円領域の得点は１０点である。標的板４としては、複数枚が用意され、既述の通り、位置決め穴１７にピンを通すことにより組み付ける標的板４を交換的に取り付けることができる。

標的板４の円形の幾何学的精度は、競技者の腕前の精度に対して十分に高いが、ＰＳＤ１３の電気的、機械的、光学的精度は十分ではない。集光用レンズ１２のＰＳＤ１３に対する幾何学的位置精度、集光用レンズ１２とＰＳＤ１３との取り付けに関する機械的精度、ＰＳＤ１３の歪みに起因する電気的対称性に関する電気的精度は、調整により十分に高く保持されることが重要である。そのような調整器具が、用意されている。

その調整器具は、位置検出用光学素子１１を固定する固定治具（図示されず）を２次元的に変位させて移動させる変位機構と、標的板４を固定する固定台とから構成されている。固定治具と変位機構の２次元的変位は、相対的に与えられる。このような固定治具と変位機構は、光学機器としてよく知られている。標的板４の受光面が変位機構の２次元的変位面に平行になり、且つ、位置検出用光学素子１１の光軸がその受光面に直交するように、変位機構と固定治具の位置関係が予め適正に調整される。そのような変位機構に取り付けられたＰＳＤ１３が、図３に示されるように着弾位置検出器２の支持構造に配置されて取り付けられている。標的板４は、そのような固定治具とともに着弾位置検出器２に取り付けられている。このような固定治具に、既述の位置決め穴１７が開けられている。

レーザーが、標的板４の１０得点領域の中心点に照射される。変位機構により位置検出用光学素子１１を２次元方向に連続的に移動させる。その移動は、移動途中の各点でＰＳＤ１３が生成する電流値Ｉｘ２，Ｉｘ１により表される式（１）の左辺の値が減少する方向に実行される。（Ｉｘ２−Ｉｘ１）と（Ｉｙ２−Ｉｙ１）とがともに零になる位置が、ＰＳＤ１３の電気的中心点として決定され、そのときの変位機構の２次元目盛が記録され、その目盛に対応して位置づけられるＰＳＤ１３の電気的中心点が着弾位置検出器２の電気系座標原点として決定される。

その機械的座標原点に電気的中心点が一致しているＰＳＤ１３を固定している変位機構により、ｘ座標方向とｙ座標方向にＰＳＤ１３を変位させて、（Ｉｘ２−Ｉｘ１）と（Ｉｙ２−Ｉｙ１）を測定する。次に、レーザースポット点を同心円間隔の長さだけ＋ｘ軸方向に移動させる。次にＰＳＤ１３を（Ｉｘ２−Ｉｘ１）が零になるまで−ｘ軸方向に移動させる。その−ｘ軸方向への移動を示す変位機構の目盛を原点対応目盛に対して読み取り、ｘ’を定める。次に、レーザースポット点を同心円間隔の長さだけ＋ｙ軸方向に移動させる。次にＰＳＤ１３を（Ｉｙ２−Ｉｙ１）が零になるまで−ｙ軸方向に移動させる。その−ｙ軸方向への移動を示す変位機構の目盛を既述の原点対応目盛に対して読み取り、ｙ’１をめる。ｘ軸方向とｙ軸方向にそれぞれにレーザースポットを標的板４の面上で移動させて、（Ｉｘ２−Ｉｘ１）と（Ｉｙ２−Ｉｙ１）とがそれぞれに零になる零点を見出して、（ｘ’，ｙ’）を定める。

このような実測により、
ｘ’＝ａｘ
ｙ’＝ｂｙ
の関数関係が求められる。レンズなどを含む光学系の写像関係が理想的であれば、ｊとｋは、同じであり不変数である。このような組（ｘ’，ｙ’）は、その位置における式（１）から求められる座標（ｘ，ｙ）と完全には、既述の非対称性により一致しない。その都度の（ｘ’，ｙ’）と（ｘ，ｙ）との関係は、領域ごとに近似的に線形関係で表される。

ｘ’＝ｊｘ
ｙ’＝ｋｙ
これらのｊとｋは、標的板４の第１象限〜第４象限に従って変動し、更に、原点からの距離によって変動する。標的板４の得点領域を複数領域に分けることが好ましい。複数領域の領域区別数をｓで示せば、
ｘ’＝ｊｓｘ
ｙ’＝ｋｓｙ
この組は、０２に装備されているテーブル（図示されず）に設定される。

既述の歪み補正は、レーザー照射点の絶対的位置の固定と、標的板とＰＳＤの間の相対的変位とに基づいて実行されているが、標的板とＰＳＤの両方の固定と、レーザー照射点の変位とに基づいて実行され得る。レーザー照射点の変位により歪み補正を行う場合には、レーザーを標的板に照射し、その照射位置を視認してその座標（ｘ，ｙ）を人為的に読み取り、その視認位置に対応するＰＳＤの出力座標（ｘ’，ｙ’）を記録する。（ｘ，ｙ）と（ｘ’，ｙ’）との変数変換は、既述の通りである。変数変換は、分割領域ごとに実行され、変数変換は分割領域ごとのテーブルで表現され得て、この場合は、計算は不要である。座標（ｘ，ｙ）は、直交座標に限られず、直交座標に代えられて極座標が用いられ得る。複数分割領域のそれぞれの領域の範囲は、ＰＳＤの電気的中心点より遠い領域で広くＰＳＤの電気的中心点より近い領域で狭く設定されることは好ましい。

調整方法は、公式審判員の指導のもとで技術員により競技会場で実行され得る。このような技術員による調整は、簡単であることが望ましい。簡単な調整方法は、下記の通りに実行される。着弾位置検出器２の前方に、適当な光ビーム発生器を置く。着弾位置検出器２の前面を形成する標的板４に、縦横に５ｍｍ間隔で小さい穴が開けられた座標板を位置決めして取り付ける。

光ビーム発生器から発射される光ビームを座標板の中心点にある穴に照射する。着弾位置検出器２のＰＳＤが出力する電気的座標値（ｘ’，ｙ’）は、（０，０）であるか、又は、それに近い座標値を示す。その電気的座標値（ｘ’，ｙ’）が（０，０）になるように、座標板とともに標的板４を微妙に移動させて標的板４の位置を調整する。標的板４の位置を調整しないで、ＰＳＤ１３の位置を調整することは可能である。このような調整により、ＰＳＤ１３の電気系座標原点（０’，０’）が、標的板４の機械系座標原点（０，０）に１対１の対応で厳密に一致する。

このような機械的調整の次に、数学的調整が実行される。標的板の原点に対応する穴の隣りの穴に光ビームを照射する。この時の穴の座標（ｘ，ｙ）は、ｍｍ単位で、（０，５）、（５，０）又は（５，５）である。この場合にＰＳＤ１３の出力が示す電気的座標値（ｘ’，ｙ’）は、必ずしも（５，５）に一致しているとは限らない。一般に、光ビームを照射した座標板の穴の機械的座標値（ｘ，ｙ）とその座標値に対応するＰＳＤ１３の電気的座標値（ｘ’，ｙ’）とは一致しない。機械的座標値（ｘ，ｙ）と電気的座標値（ｘ’，ｙ’）との間で、既述の座標変換を行う。このような座標変換は、並進座標変換又は回転座標変換である。

このような座標変換による数学的調整は、図に示される４つの象限について実行される。機械的調整により定められた原点Ｏを含む象限イ，ウ，エ，オを採択する。象限イ，ウ，エ，オは、それぞれに、１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形領域であり、それぞれに原点Ｏを共通に含んでいる。第１象限イについて、ｘ軸方向とｙ軸方向に光点を５ｍｍ間隔で移動させて、その光点の座標（ｘ，ｙ）に対応するＰＳＤ出力に基づく座標（ｘ’，ｙ’）を測定し、既述の数学的調整を実行する。このような調整が他の３つの象限について実行される。

図５は、競技の全体システムを示している。一人の競技者のレーザー銃７に対応する標的板４を含む着弾位置検出器２は、他の競技者のレーザー銃７に対応する標的板４を含む着弾位置検出器２とともに、ＬＡＮを介してパソコン６６に接続している。２つの標的板４と１つのパソコン６６との接続は、スイッチングユニット９６により選択的に切り換えられる。パソコン６６には、競技者のゼッケン番号、弾番号、その弾番号に対応する得点、総得点、標的板４に光弾が命中した命中位置が同時的に又は時間間隔的に表示される。最終集計表は、パソコン６６に接続するプリンタ９７から出力される。標的板４は、２５ｍの標的板４’と交換され得る。このような交換の際に０１７が利用され、必要に応じて、電気系座標原点と機械系座標原点の一致の調整が審判員により実行される。

図１は、本発明による射撃システムの標的位置調整方法の銃と標的の配置関係を示す平面図である。 図２は、標的装置を示す側面断面図である。 図３は、図２の正面図である。 図４は、標的を示す正面図である。 図５は、競技システムを示すシステムブロック図である。

符号の説明

４…標的
９…光弾
１３…２次元受光ユニット

Claims (5)

1. 光弾の照射を受ける照射点の機械系座標（ｘ，ｙ）を有する標的と、
   前記照射点の光を受光し受光点の電気系座標（ｘ’，ｙ’）を出力する２次元受光ユニット
   とを含む標的装置の位置調整方法であり、
   前記機械系座標（ｘ，ｙ）に基づいて前記電気系座標（ｘ’，ｙ’）を調整する調整ステップ
   を含む射撃システムの標的位置調整方法。
2. 前記調整ステップは、
   前記電気系座標（ｘ’，ｙ’）が前記標的の中心点の機械系座標（０，０）に一致するように、前記標的と前記２次元受光ユニットとの間の相対的位置を調整する機械的ステップを備える
   請求項１の射撃システムの標的位置調整方法。
3. 前記機械的ステップは、前記２次元受光ユニットの取り付け位置を調整するステップである
   請求項２の射撃システムの標的位置調整方法。
4. 前記調整ステップは、
   前記照射点の位置を変更する照射点変更ステップと、
   前記照射点変更ステップにより変更された照射点の機械系座標（ｘ，ｙ）に前記電気系座標（ｘ’，ｙ’）が一致するように、前記電気系座標（ｘ’，ｙ’）を数学的に調整する数学的ステップとを更に備える
   請求項２の射撃システムの標的位置調整方法。
5. 前記照射点変更ステップと前記数学的ステップとは、前記機械系座標（ｘ，ｙ）の座標系の複数の領域で独立的に実行される
   請求項４の射撃システムの標的位置調整方法。

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