操作手柄及运动方向判定方法

专利名称：操作手柄及运动方向判定方法
技术领域：
本发明涉及一种操作手柄，尤其涉及一种动感运动感应操作手柄及其运动 方向判定方法。
背景技术：
传统的影音设备多使用红外传输遥控按键方式进行操作，虽然其技术应用 已非常成熟，但其功能单一，只是作为一种按键式操作面板来使用，不具有互 动功能；随着人们对生活质量、生活多样性的追求，大量的具有互动功能的游 戏手柄被研制，丰富了人们的日常生活。但是，这种具有互动功能的手柄只局 限于游戏领域。在高清媒体与网络娱乐逐步在家庭影音设备中的过程中，原有 的遥控按键方式操作手柄，已远远不能满足现代人们的需要，所以急需一种能 够实现人机互动的设备被研制成功。

发明内容
本发明针对现有技术的不足，而研制一种空间三个维度方向上的运动速度 及旋转角度的识别，同时红外摄像定位技术的，二维平面坐标指向功能。采用 领先的无线传输方式，引入新颖的动作感应操作方式并附以震动音效等反馈响 应的动感游戏控制手柄。本发明所采用的技术手段如下
一种操作手柄，包括
外部壳体，用于固定手柄的组成部件；
按键处理电路，用于对功能按键进行扫描，并将按键信息发送给主控单元； 蓝牙或RF模组，用于将手柄的控制信息传送到主机端；
主控单元，用于对按键电路传输回来的按键信号进行处理，后通过蓝牙或 RF模组发送到主机端； 其特征在于还包括
红外模组，用于扫描红外发光二极管单元发出的红外信号； 3D运动感应单元，用以产生空间三个维方向上的运动速度信号，以及旋转角度 信号；所述主控单元还对红外模组扫描的外部红外发光二极管单元发出的红外信号进行处理，形成方向信息；同时主控单元还对3D运动感应单元传回的手柄 速度、角度信息进行处理；所述主控单元将上述信息处理后通过蓝牙或RF模组 传送到主机端。
还包括马达和喇叭，所述的蓝牙或RF模组还用于接收主机端传回的反馈信 息；并将反馈信息传送到主控单元，经主控单元处理后形成马达及喇叭的控制 信息，用来控制马达及喇叭振动或发出声音。
所述外部壳体为火炬造型，分上、下两个壳体，上壳体为平滑的弧面设计， 在其表面设有功能按键；下壳体为主要承载体，采用轴线曲度的近圆柱面设计， 并在其后部设有手持凸起。
一种操作手柄的运动方向判定方法，其特征在于包括如下步骤
a、 首先将红外发光二极管单元固定在基准位置，用以发射红外信号；
b、 手柄的红外模组以固定的频率扫描步骤a中红外发光二极管单元发出的 红外光学信号，以二维图像形似发送到主控单元；
c、 主控单元对歩骤b传回的所述图像进行对比，计算其接收的两相邻图像
中的红外发光二极管单元的相对位置的变化信息，并将此位置变化信息转变成 手柄移动方向信息；
d、 主控单元将步骤c中的手柄移动方向信息通过蓝牙或RF模组后发送到 主机端。
所述红外发光二极管单元为两组设置，并且每组由多个红外发光二极管组 成；且两组光源正对用户视线并成对称分布。
本产品主要应用了蓝牙通信技术或RF射频通信技术，红外摄像定位技术， 以及高速实时的数据处理，能够同时完成按键扫描以及音频信号的处理和震动 效果的控制。作为控制终端亦进行了细致的结构和造型设计使产品美观符合人 体工学的特点。其主要特色如下
1. 采用人体工学设计，握持舒适。
2. 使用Bluetooth通信技术或2.4G RF射频技术，两种通信方式均可保 证10m的使用距离。摆脱连接线的干扰与限制，抗干扰能力强，数据传输稳定。
3. 运动感应功能，可把肢体的动作转换为控制信号输送到电脑或互动平台， 实现人机交互。
4. 图像定位，可实现类似鼠标目标指向功能而又不放置平面的限制。
5. 振动功能，增加操作的代入感。
6. 声音输出，可以输出提示音，和播放音乐。
7. 控制器设置有多个传统按键，可以满足大部分操作的需求。
8. 可支持多副手柄同时联机工作。
综上所述本产品动作感应的控制机能，可方便的实现寓运动于娱乐的体验， 可在家庭娱乐领域有多方应用。


图l为本发明的结构框图2为手柄的主视图3为图2的侧视图； 图4为图2的后试图5为本发明方向判定方法的流程图。
具体实施例方式
如图1所示本发明所述的手柄的电路结构框图，其中按键处理电路104采 用比较普遍的GPIO扫描方式实现，用于对功能按键进行扫描，并将按键信息发
送给主控单元101;蓝牙或RF模组102将手柄的控制信息传送到主机端；其中
的蓝牙单元采用BCM2042是很出色的单片式蓝牙模块，集成了 HID协议和完整 的蓝牙协议栈，另外芯片内部集成有8051MCU和8K的RAM具有一定的数据处理 功能(可利用其分担主控单元的部分工作如负责实现按键扫描以及3D运动和 红外模块的后台数据处理以及其他模块(马达等)的控制功能。如图5所示)。 RF使用N0RDIG nRF24L01方案，其最大的特点是超低的功耗，可在1. 9至3. 6 电压范围内工作，2Mbit/s的数据率只需很小的工作电流，最高峰值为12.5ma， 数据处理方面使用SPCA563B， 16位u， nsp MCU内核，内置IK Words RAM, 32K Words ROM,以及图像处理DSP。可以替换蓝牙模组的通信及控制功能。在应用中 可根据只用环境与成本的需求对两种通信方式进行取舍。
主控单元101，用于对按键电路传输回来的按键信号进行处理，后通过蓝牙 或RF模组发送到主机端103;采用MCU(MicroControllerUnit，中文名称为微 控制单元)来实现，在使用环境较为简单，数据处理量不算大的情况下，可直接 利用蓝牙单元BCM2042种的MCU来实现。红外模组106，使用单色CMOS完成红
外发光二极管单元发出的红外信号的采集，由TI的SOC完成数据处理，由逻辑 算法得出光学坐标数据；3D运动感应单元105，采用MMA7360实现动作采集， 是飞思卡尔出品低加速度传感器，在电子消费市场已经得到广泛的应用，可完 成较高精度的设计，用以产生空间三个维方向上的运动速度信号，以及旋转角 度信号；使用时主控单元101对红外模组106扫描的外部红外发光二极管单元 发出的红外信号进行处理形成方向信息；同时主控单元还对3D运动感应单元传 回的手柄速度、角度信息进行处理；所述主控单元将上述信息处理后通过蓝牙 或RF模组传送到主机端103。
振动马达108的控制源自主机端；控制喇叭109发生的语音部分选择支持 WAV格式的芯片，配置了 Rohm的BU8844完成解码，这些功能在很多消费电子产 品中都有较多应用，此处不再详述。蓝牙或RF模组102接收主机端传回的反馈 信息，并将反馈信息传送到主控单元，经主控单元处理后，形成马达及喇叭的 控制信息，用来控制马达及喇叭振动或发出声音。
如图2、图3及图4所示为手柄的外部壳体采用火炬造型，分上、下两个壳 体，其中上壳体202为平滑的弧面设计，在其上面设有按键201及(图中未视 的硅胶衬垫，扬声器，LED导光柱等)；下壳体203为主要承载体，采用轴线曲 度的近圆柱面设计，并在其后部设有手持凸起204，(图中未视出的远红外线灯 罩，按键及硅胶键，PCB支架，电池组件，摄像头组件以及马达等模块)。手柄 的其他的配件都采取非对称的设计来达到防止误装配的效果，这在设计上提高 了难度却提升了流水线的效率。同时该产品要以运动感应的方式工作，对抗震 稳定性要求较高。在结构设计上一是保证设计精度，最终产品的公差为+/_0. lmm 另一是设计复杂度在上下壳上为每个附件都可设有吻合的固定沟槽，装配完成 的产品可使所有配件稳密结合。各配件均为稳固防止脱落可采用卡扣及胶垫固 定方式，最终产品的装配只需将两个组件以卡扣之力合紧，工艺流程简便，利 于生产。
一般红外定位需要两个模组协同工作来实现，红外发光二极管单元组及红外 模组106。如图5所示为方向判定方法的流程图，为操作手柄的运动方向判定方 法。包括如下步骤首先将红外发光二极管单元固定在基准位置，用以发射红 外信号，其中红外发光二极管单元的作用比较简单，它由两组的红外发光二极 管组组成，它们的工作只是发射出红外光学信号，而这些非可见光信号将会被
手柄的红外模组106中的CMOS以固定的频率扫描拾取(作为定位坐标的基准)， 以二维图像形似发送到主控单元；其实它要为光学定位系统提供一个基准坐标， 因此对它的摆放位置也有特殊要求，即红外发光二极管组一定要放置在主机端 的显示屏幕的正中间(根据实际操作需要，因为人们对电视等媒体设备进行遥 控时都是将遥控器指向显示屏幕的)，每组多个红外发光二极管设置可以产生很 大的发射角度，使其实用起来更方便。红外模组106置于手柄之内，透过手柄 前部的灯罩接收红外发光管的红外光信号。灯罩的作用是滤掉外界环境的可见 光，这样可使手柄在各种光线环境下工作。模组中的CMOS摄像头(360*296分 辨率)会以30fps的速率扫描图像，而它所能扫描到的信号即是红外放光管的 两组红外光源(步骤601);主控单元对红外模组106传回的二维图像进行对比， 看此次扫描图像中的红外发光二极管的位置同上次扫描图像中的红外发光二极 管的位置相对比是否发生变化(步骤602);如果有变化，则计算其接收的两相 邻图像中的红外发光二极管单元的相对位置的变化信息(即这两组数据差分得 出定位中心点的坐标数据信息)，将这样每一帧画面比较得到的数据连贯起来， 就可以认为是遥控器的移动轨迹，以此实现二维坐标面的指向功能(步骤603); 主控单元将步骤603中的手柄移动方向信息通过蓝牙或RF模组后发送到主机端 (步骤604);如果无变化则返回步骤601。实际使用中，红外发光二极管单元 的位置是不变的，相应的手柄中的摄像头(C0MS)则不断改变位置，两者的相 对位置不断变化，摄像头以每秒30帧的频率记录这些信息，这些数据反映的是 以摄像头自己为参照的两组红外光源的坐标信息，再借助软件算法就可以判断 出以固定位置(显示屏幕)的红外发光管为参照物，摄像头或手柄的位置变化， 在应用软件中则体现为光标在主机端的屏幕上的移动位置，而光标的表现形式 是由主机端的软件来处理完成，红外模组提供的坐标数据与主机之间的通信是 由蓝牙模组或RF模组来实现的。这个原理很类似人眼的工作机理，不同的是红 外发光管只能发出光线而摄像头只能接受光线，两种系统的光路正好相反，所 以我们还需要模组中的处理器对相对位置数据运算，推理出摄像头的坐标变化 就可以实现指向功能。
另外，对3D运动感应单元的核心是加速度传感器进行一下介绍，3D模组的 空间控制能力全赖于此。MMA7360加速度传感器采用了信号调理、单极低通滤波 器和温度补偿技术，提供4个量程可选，对应不同的灵敏度选择，最高可达
800mV/g @ 1.5g，并且集成了低通滤波用做零g补偿，使得定位更加准确。是 一种高精密度的MEMS器件。其对空间三轴动作的量测原理是依据自身运动的方 向及速度的变化而改变输出的电压信号。简单讲动作感应模组的作用就是一个 动作采集器，它的输入是空间位置的变化或者说是加速度的变化，而输出部分 由传感器输出的是电压信号，经由数字采样，量化为数字信号由蓝牙模组或RF 模组传送至主机端。 一般情况下我们都会以大地为参照物，而在大地的垂直方 向上存有lg的重力系数(加速度)。如下图中我们首先把传感器的横向，竖向， 纵向定义为其自身的X、 Y、 Z轴，与以大地为参照的空间XYZ三轴相区分。当 传感器的Y轴与大地垂直时，在Y轴的电压输出为2.45V，而XZ轴向的加速度 为0g，电压输出1.65V。而加速度是矢量具有方向性，空间三轴以+/_表示，而 -lg对应的输出是0.85V。上述是传感器在静止状态下，位置的变化(放置方向) 所对应不同的输出信号，通过这些数据，我们就可以判断传感器(手柄)当前 的状态，即横置，竖置或纵置。传感器可以感应到微小的加速度变化并给以对 应的电压输出，比如传感器以倾斜的角度放置，这样在XYZ三个轴向上都会有 不同于Og状态的电压输出，主机端软件将其与上图所示三种状态的数据比较即 可判断传感器(手柄)当前的放置状态。如果此时传感器发生一个或大或小的 运动，传感器同样可将这一运动变化以电压信号的形式输出，运动感应模组中 的ADC对传感器电压模拟信号处理的原则是将在三维轴向(X轴，Y轴，Z轴) 上加速度区间-3g +3g线性量化为0 255的8位数字信号区间，在主机端只需 对8位的数字信号或其对应的加速度进行处理。主机端不停的从蓝牙模组或RF 模组得到经由数字量化的传感器的动作采集信号，就可以将传感器的实际运动 映射为应用软件中的各种控制应用。
首先要说明的是手柄在工作时并非所有的模块都同时发挥作用，系统中的红 外模组106、 3D运动感应单元105及按键处理电路104都具备输入器的特性， 它们都可以对主机的应用软件进行操作控制，从系统组成中可以看到三个模组 相对独立互不影响，可以同时产生输入，也可只有一组后两组有输入；系统中 的马达108和喇叭109具有输出器的特性，产生振动或释出语音信号。蓝牙模 组或RF模组负责系统中的各个模组与主机端的通信以，始终处于工作状态。它 不停的将输入器产生的信号以无线的方式送至主机，同时也要接收主机的反馈 信息对输出器发出控制命令。
举例来讲，当手柄突然向上抬，而没有向其它方向运动，3D运动感应单元将 此信好传送到主控单元，经主控单元处理后发送到主机端，就相当于在主机端 系统只检测到Z轴的数值由初始值变为255的最大值，也即在Z轴的加速度有 +^变化为-3§，同时对应X， Y轴的输出只有很微弱的变化，即这两个轴向上的 加速度变化非常微弱。主机端在通过蓝牙模组得到这些有动作感应模组输出的 信息后应用软件会发出向上跳越的控制信号，而此时是控制器的运动方式正是 快速向上抬起即及沿空间+Z轴向运动；在主控端可以表现为，应用软件中的主 角可以是体操运动员，上文己经描述了跳跃动作的实现(还可以只按下一个操 作按键实现这一操作)，由蓝牙或RF模组将信息送至主机端，应用软件收到控 制信息后就可以是主角完成360度转身的动作(或者说是调出这一组动作的动 画)，如果这一系列的动作完成，应用软件会发出一个提示命令，蓝牙或RF模 组收到这一信号后会对输出器进行操作，使马达工作另手柄产生震感，并将由 主机发出的语音信号送至语音模组，扬声器则发出观众鼓掌的音效。
再列举一个图片浏览的应用，这里红外模组发挥主要作用。图片浏览器中可 以将光标设为手型，上文中已经描述了，红外模组的工作机理，将手柄指向图 片的方向，光标也会停留在屏幕中图片之上，按下按键，蓝牙或FR模组将信息 送至主机端，软件得到信号后将光标由张开的双手变为握紧的拳头，这时向左 (-X轴)甩动手柄，蓝牙模组会将动作感应模组的数字信号送至主机，软件收 到指令后会做两件事，首先判断当前状态，图片处于锁定状态；同时发出翻页 的命令，浏览器会显示下一张图片。而如果两段程序都成功执行，应用软件同 时发出提示命令并有蓝牙模组送至手柄的输出部分，控制马达工作，使语音模 组发出反动纸页的沙沙声。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。
权利要求
1.一种操作手柄，包括外部壳体，用于固定手柄的组成部件；按键处理电路，用于对功能按键进行扫描，并将按键信息发送给主控单元；蓝牙或RF模组，用于将手柄的控制信息传送到主机端；主控单元，用于对按键电路传输回来的按键信号进行处理，后通过蓝牙或RF模组发送到主机端；其特征在于还包括红外模组，用于扫描红外发光二极管单元发出的红外信号；3D运动感应单元，用以产生空间三个维方向上的运动速度信号，以及旋转角度信号；所述主控单元还对红外模组扫描的外部红外发光二极管单元发出的红外信号进行处理，形成方向信息；同时主控单元还对3D运动感应单元传回的手柄速度、角度信息进行处理；所述主控单元将上述信息处理后通过蓝牙或RF模组传送到主机端。
2、 根据权利要求1所述的操作手柄，其特征在于还包括马达和喇叭，所述 的蓝牙或RF模组还用于接收主机端传回的反馈信息；并将反馈信息传送到主控 单元，经主控单元处理后形成马达及喇叭的控制信息，用来控制马达及喇叭振 动或发出声音。
3、 根据权利要求2所述的操作手柄，其特征在于所述外部壳体为火炬造型， 分上、下两个壳体，上壳体为平滑的弧面设计，在其表面设有功能按键；下壳 体为主要承载体，采用轴线曲度的近圆柱面设计，并在其后部设有手持凸起。
4、 一种操作手柄的运动方向判定方法，其特征在于包括如下步骤a、 首先将红外发光二极管单元固定在基准位置，用以发射红外信号；b、 手柄的红外模组以固定的频率扫描步骤a中红外发光二极管单元发出的 红外光学信号，以二维图像形似发送到主控单元；c、 主控单元对步骤b传回的所述图像进行对比，计算其接收的两相邻图像 中的红外发光二极管单元的相对位置的变化信息，并将此位置变化信息转变成 手柄移动方向信息； d、主控单元将步骤c中的手柄移动方向信息通过蓝牙或RF模组后发送到 主机端。
5、根据权利要求4所述的操作手柄的运动方向判定方法，其特征在于所述 红外发光二极管单元为两组设置，并且每组由多个红外发光二极管组成；且两 组光源正对用户视线并成对称分布。
全文摘要
本发明公开了一种操作手柄及操作手柄的运动方向判定方法，其中手柄包括外部壳体、按键处理电路、蓝牙或RF模组及主控单元；其特征还包括红外模组，用于扫描红外发光二极管单元发出的红外信号；3D运动感应单元，用以产生空间三个维方向上的运动速度信号，以及旋转角度信号；所述主控单元还对红外模组扫描的外部红外发光二极管单元发出的红外信号进行处理，形成方向信息；同时主控单元还对3D运动感应单元传回的手柄速度、角度信息进行处理；所述主控单元将上述信息处理后通过蓝牙或RF模组传送到主机端。方法包括发射红外信号、扫描、对比及发送的步骤；该手柄具有实用方便、结构新颖等特点，适于在家电遥控领域广泛推广。
文档编号G08C17/00GK101369182SQ20081001297
公开日2009年2月18日 申请日期2008年8月26日 优先权日2008年8月26日
发明者刘观伟, 封连重, 欣 詹, 冬 赵, 瑜 赵, 赵婧禾, 金宝财, 韩建国 申请人:中国华录集团有限公司