用于为可移动且任意定位的设备供电的系统和方法

专利名称：用于为可移动且任意定位的设备供电的系统和方法
技术领域：
本发明主要涉及用于为可移动且任意定位的机电设备供电和/或控制系统的系统和方法。
背景技术：
各种机电设备与用于为设备供电的方法一起得到了发展。例如，已经开发了在蓄电池电源下工作的无线电控制的汽车。随着无线电控制的汽车不断工作，蓄电池会被耗尽，为了能持续工作，必须对蓄电池进行再充电。在一种典型情况中，在汽车保持不工作的情况下在固定的地方将蓄电池取下进行再充电。
其它的玩具，如轨道汽车和电动火车，包括有持续电源，该持续电源是从汽车或火车与这些玩具运行的轨道之间的接触中得到的。为了使这些玩具能正确地运行，火车或轨道汽车必须保持与轨道正确对准。在出现没有对准的情况时，电源就会中断，导致运行停止。典型地，这些汽车和火车的移动局限于在预定的路径上来回移动，这样，就限制了通过使用这种设备的可能的娱乐性。
还存在将电力传递到机电设备的其它方案。例如，在碰碰车中，通过在头顶上高高支起的杆，以及与大电源的接触来提供系统电源。当电力传到碰碰车运行的地面上时实现了电力的传递。这种方案需要将碰碰车夹在不同的电力等级之间。这种夹在中间的设置限制任何机电设备的可用性和/或可操作性。
因此，在本领域中需要克服前述的一个或多个局限性以及其它的局限性。

发明内容
本发明提供了用于为可移动的并且/或者任意定位的机电设备供电的各种电接触系统或表面，并提供了用于制造、使用和控制这种接触系统和机电设备的方法。接触系统的例子包括表面，该表面具有一组处于第一电压电平的衬垫和另一组处于第二电压电平的衬垫。这种接触系统例如可以被用来将电力传递到设置在其上的机电设备。在一个特定的例子中，该机电设备可以包括电源存储元件和两个或多个联接器。当联接器其中一个联接器接触处于第一电压电平的衬垫，且联接器另一个联接器接触处于第二电压电平的衬垫时，形成电路，在该电路中在第一电压电平和第二电压电平之间的差的结果被施加到电源存储元件。电路的形成导致电源存储元件进行充电，从而可以从电源存储元件中得到电力来操作机电设备。
这种接触系统可以被用于许多目的，如自动化系统、显示器系统、测试系统、娱乐系统等。一个例子可以是完整的游戏系统，在某些情况下，该游戏系统可以结合视频娱乐(arcade)游戏的复杂性、挑战性、多样性和/或可编程序性与实际的机电游戏设备的吸引力，作为游戏的主题。在这种系统的一个实施例中，基于中央控制器的结构允许独立的机电游戏设备智能地工作，并参与像视频游戏的游戏场景。中央游戏控制器与独立的机电游戏设备的位置通信，并监控其位置，并且，中央控制器通过闭环反馈控制系统指挥并操纵独立的机电游戏设备的动作。在某些情况下，中央控制器还监控独立的机电游戏设备的临界状态、传感输入和标识。这种中央控制器可以利用分级的功能块进行操作，以实现同游戏控制器的界面，因此实际的机电游戏设备可以用和在成熟的视频游戏技术中操纵虚拟角色一样的方式来操纵。
根据本发明的接触系统尤其可适合于克服前面所描述的一个或多个局限性。例如，本文中公开的一个或多个接触系统可以提供一种装置，从而电力被持续传递、或几乎持续传递到放置在接触系统上的机电设备。因此，当电池被充电时，不会导致机电设备不工作。作为另一个例子，可以这样实现各种接触系统，使得持续的或几乎持续的电力从接触系统传递到在接触系统表面上在不同地方随意移动或按控制的方向移动的机电设备上。此外，可以这样设计各种接触系统，使得从单个的表面上进行电力的传递，这样便于在机电设备跨过接触系统时从机电设备的上方观察该机电设备。
本发明特定的实施例提供了包括两组或多组衬垫的游戏表面。通过绝缘区，每组衬垫都与其它组衬垫电隔离。这种隔离使得一组衬垫处于与另一组衬垫不同的电压电平上。所包括的电源联接器具有电连接到一组衬垫上的一个导线，以及电连接到另一组衬垫上的另一个导线。这些导线可以连接到电源，使得连接到一个导线的该组衬垫处于第一电压电平，而连接到另一个导线的该组衬垫处于第二电压电平。
衬垫可以以适合于产生所希望的接触可能性的频率、尺寸和/或形状分布在游戏表面上。这种接触可能性表示在游戏表面上随意移动的机电设备会接收到来自于游戏表面的电力的时间的百分比。在一个特定的实施例中，采用重复的矩形衬垫形状来实现大于80％的接触可能性。
在某些情况下，跨过绝缘区从一组衬垫到另一组衬垫的距离大于与放置在游戏表面上的机电设备有关的接收触点或联接器的尺寸。这种接收触点例如可以是带腿的机电设备的脚、带轮的机电设备的刷子、柔性腿/刷子设备的刷子等。在其它原因中，该距离可以限制在处于不同电压电平的衬垫之间出现短路的可能性。
游戏表面可以包括变压器，该变压器提供电力输出给游戏表面。该电力输出可以被用来得到出现在各组衬垫上的不同的电压电平。在一种特定情况下，得到不同的电压电平包括提供一种电极的电力输出给一组衬垫，并提供另一种电极的电力输出给另一组衬垫。在各种情况下，不同的电力输出是在提供给各组衬垫之前进行限制的电流和/或电压。在某些情况下，电力输出是直流输出，例如，其中一种电极的电力输出是正5伏电源，而另一种电极的电力输出是地。在其它的情况下，电力输出是8伏的交流。因此，提供给各组衬垫的电压电平交流。在交流输出导致衬垫和与在游戏表面上使用的机电设备有关的接收触点之间的电弧被减小时，这可以作为一个优点。
根据本发明可以有多种表面结构。例如，包括有多个第一衬垫、多个第二衬垫和绝缘区的游戏表面的上部分可以被形成为连续的、二维的表面；连续的、三维的表面；或不连续的、三维的表面。在本文的详细描述中提供了这些表面结构中每一种的例子。
本发明的其它实施例提供了使用上面描述的各种游戏表面的游戏系统。该游戏系统包括电源，该电源提供电力，以使各组衬垫处于不同的电压电平。该系统进一步包括一个或多个机电设备。每个机电设备都包括移动元件、电源存储元件和多个联接器。该多个联接器接触游戏表面，并形成电路，该电路包括电源存储元件、来自于一组衬垫的衬垫之间的第一导电触点以及，另一个联接器和来自于另一组衬垫的衬垫之间的第二导电触点。电路的形成导致电源存储元件进行充电。
电源存储元件可以包括，但并不局限于，一个或多个电容器和/或一个或多个可充电的电池组。此外，移动元件可以是，但并不局限于，腿、柔性刷子、轮子等。与机电设备有关的联接器或电触点例如可以是刷子或其它类型的电触点。
本发明的其它实施例提供了用于制造接触系统的方法。该方法包括提供基本上不导电的基底。导电材料被形成在基本上不导电的基底上，并在导电材料中限定出各组衬垫，同时在各组衬垫之间限定出绝缘层。在某些情况下，在限定出衬垫和绝缘区之前在基本上不导电的基底上形成导电材料，而在其它情况下，在基本上不导电的基底上形成导电材料之前或与此同时限定出衬垫和绝缘区。
该综述仅提供了本发明某些实施例的概要。从接下来的详细描述、所附的权利要求和附图中本发明的许多其它的目的、特征、优点和其它实施例会变得更完整清楚。


通过参考在本说明书的剩余部分中描述的附图可以进一步理解本发明的各种实施例。在附图中，在所有图中使用相同的附图标记来表示相同的部件。在某些例子中，由小写字母组成的下标与附图标记一起表示多个相同部件中的一个。当参考没有指定下标的附图标记时，其是要指所有的这种多个相同的部件。
图1示出了根据本发明的各种实施例的一些接触系统；图2是根据本发明的某些实施例的电源阵列图案的特写顶视图；图3是图1的接触系统的特写侧视图，其包括置于接触系统上面的带腿的和带刷子的机电设备；图4说明了根据本发明的某些实施例的包括电力存储元件的示例性机电设备的典型设计图案；图5是根据本发明的各种实施例的电力存储元件的示意图；图6是无源机电设备的顶视图，其示出了根据本发明的某些实施例的示例性连接设计图案；图7-10示出了根据本发明的各种实施例的游戏系统以及其各种特征；和图11-26说明了根据本发明的某些实施例的游戏系统控制器。
具体实施例方式
图2a中示出了三个可移动的、电力供电的机电设备的例子24、84、94，它们都设置在电接触系统部分200上，根据本发明，该电接触系统部分200供电给这些机电设备24、84、94。为了概述本发明的原理，首先参考机电设备24，其采用能走的机械小虫的形式，例如，但并不局限于，在未审的美国专利申请No.10/613,915中所描述的形式，该机械小虫通过它的腿26支撑在接触系统部分200的几个衬垫部分45的表面上。衬垫部分45经由导线78、79连接到电源20，机电设备24通过它的腿26从衬垫部分45上获得其电力以进行操作，例如，在接触系统部分200上到处活动。如通过与机电设备24接近的衬垫部分45上的负(-)和正(+)符号所表示的，衬垫部分45a处于由“-”所表示的一种电压电平，而衬垫部分45b处于由“+”所表示的另一种电压电平。在至少一个腿26与具有一种电压电平“-”的衬垫部分45a接触，且至少另一个腿26与具有另一种电压电平“+”的另一个衬垫部分45b接触的任意时刻，电流都可以流到机电设备24，以对存储设备44(图3a)进行充电，和/或为机电设备24中的电机48(图3a)供电。因此，机电设备24可以到处活动到接触系统部分200的不同地方，并始终能从这些不同地方的各种衬垫45上得到用于其操作的电力。
如在图3a中最清楚看到的，每个腿26都有电触点或“脚”34，它们与衬垫部分45的表面进行电接触。因此，当腿26将机电设备24支撑在衬垫部分45的表面上时，脚34提供了机电设备24与接触系统部分200的电源阵列21的电气连接。导电部件65从脚34起在腿26中延伸，其可以由绝缘材料27覆盖，以防止与图3a中未示出的其它机电设备的腿发生短路，该导电部件65把电路延伸到机电设备10的身体部分26，其内设置有整流器电路62、存储设备44和电机48。如本领域的技术人员应理解的，根据设计和结构标准，导电部件65可以是腿26的结构构件，或者仅仅是电线或其它导线。任何适当的电线或导线66都可以将腿26内的导电部件65连接到整流器电路62，这将在图5中更详细地示出。实际上，下面将更详细描述的整流器电路62将具有正确极性的电力传送到存储设备44和/或电机48(图3a)，而不用考虑恰好在任何特定的时刻，特定的脚34是否正好与处于“-”电压电平的衬垫部分45a接触，还是与处于“+”电压电平的衬垫部分45b接触。因此，无论什么时候至少一个脚34，例如图3a中的脚34c接触处于“-”电压电平的衬垫部分45a，并且至少另一个脚34，例如图3a中的脚34f接触处于“+”电压电平的衬垫45b，电流都可以通过腿26的导电部件65、导线66和整流器电路62而流到存储设备44和/或电机48，以供电并操作机电设备24。
下面将更详细地描述图2a的接触系统和其它变形，但是，如图2a和3a中所示，该接触系统可以包括基底28，其支撑着电源阵列21的衬垫部分45。衬垫45a、45b处于不同的电压电平，并由缝隙67分隔开，该缝隙67可以填充有电绝缘材料68，用以在衬垫部分45a、45b之间提供连续、平滑、非导电的表面69。当然，许多其它的接触系统结构也可以被用来实现本发明，它们可以具有许多目的，例如，游戏板、玩具、儿童脚踏车、作战武器显示器、可移动设备的监控显示器、自动机械系统及许多其他等目的。许多不同的控制系统和其它的变形也可以用于本发明，以控制机电设备24在接触系统上的不同地方移动，其中的某些例子下面会进行讨论。
本发明还提供了各种接触系统、游戏控制器、游戏设备以及用于制造和使用这些系统的方法。接触系统的例子包括一组衬垫处于第一电压电平而另一组衬垫处于第二电压电平的表面。
这种接触系统可以被用在例如游戏系统中，其包括在接触系统上操作的一个或多个机电设备。在图7中示出了一个这种游戏系统，并且下面将更充分地描述该系统。在图7的游戏系统中，例如机电设备24的一个或多个机电设备被放在接触系统上，该接触系统如上所述能够传输电力给这些机电设备。在一个特定的例子中，机电设备可以包括电力存储元件和两个或多个如在图3a和4中示出并且在下面将更充分描述的联接器。在图3a和4的情况中，联接器包括附连到像小虫的机电设备24的腿26上的脚34。这些联接器将来自于下面的接触系统的电力导电到机电设备24。图2a中说明了示例性接触系统200的顶部表面图案，其包括设置在其上的像小虫的机电设备24，以及圆盘84和汽车形状的设备94。接触系统200的表面包括多组处于不同电压电平的衬垫，由衬垫上的“+”和“-”符号来表示。像小虫的机电设备24的一些脚34与“+”衬垫45b接触，其它的与“-”衬垫45a接触。与衬垫45a、45b接触的这些脚34形成一个电路，在该电路中，“+”衬垫和“-”衬垫之间的电压差施加在与像小虫的机电设备24相关的电力存储元件44(图3a)上。这致使电力存储元件44进行充电，并且来自于电力存储元件44的电力可以用来操作像小虫的机电设备24。应理解的是，前面的讨论仅是一个综述，本发明包含大量不同的方案、硬件和应用，它们中的某些例子会在下面更充分地讨论。
此外，应理解的是，在前面讨论的游戏系统中，机电设备可以在它们移动到接触系统上的不同地方时被供电。因此，游戏系统可以实现成结合视频娱乐(arcade)游戏的复杂性、挑战性、多样性和/或可编程序性与实际的机电游戏设备的吸引力，以作为游戏的主题。在一个实施例中，基于中央控制器的结构允许独立的机电游戏设备智能地工作，并参与像视频游戏的游戏场景。中央游戏控制器与独立的机电游戏设备的位置联系，并监控其位置，并且，中央控制器通过闭环反馈控制系统指挥并操纵独立的机电游戏设备的动作。在某些情况下，中央控制器还监控独立的机电游戏设备的临界状态、传感输入和标识。这种中央控制器可以利用分级的功能块进行操作，以提供同游戏控制器的界面，因此实际的机电游戏设备可以用和在成熟的视频游戏技术中操纵虚拟角色一样的方式来操纵。
各种机电设备可以用在前面描述的游戏系统中。这些机电设备可以包括，但并不局限于，可以在自身的电力下移动的有轮的机电设备94和带腿的机电设备24，以及更多的无源设备，如必须通过接触系统上的其它机电设备来移动的圆盘84。例如圆盘84的这些无源设备可以通过接触系统200来供电，电力被用来操作无源设备内的位置电路，其可以与中央控制器或接触系统上的其它设备联系。
参考图1，其说明了根据本发明的某些实施例的各种接触系统100a、100b、100c。转到图1a，接触系统100a包括电源阵列21，该电源阵列21由多个衬垫45组成，这些衬垫45由基本上导电的材料形成或涂覆有基本上导电的材料(这些衬垫的例子分别标记成45a、45b和45c)。如本文中用到的，基本上导电的材料可以包括任何能够作为传导足够电力来操作接触系统100上的机电设备的电导体的材料。因此，基本上导电的材料可以包括，但并不局限于，金属、金属氧化物、掺杂的半导体材料等。在某些实施例中，衬垫45镀有锡或镍，并被钝化，以提供经久耐用、导电、耐腐蚀的表面。钝化的镍相对较硬，并可充分导电以提供很好的性能。作为另一种替换，锡提供非常好的性能。作为性能和成本因素的考虑可以选择其它的材料。
衬垫45设置在基本上不导电的基底28上。如本文中用到的，基本上不导电的材料可以包括任何能够作为电介质的材料。因此，基本上不导电的材料包括，但并不局限于，塑料、玻璃、橡胶、不导电的油漆、大气、纸或纸纤维、陶瓷、未掺杂的半导体材料等。在某些情况下，基底28基本上可以比电源阵列21厚，并可以提供对接触系统100a的支撑，并且/或者限定出接触系统100a的表面拓扑。
电源阵列21可以压或粘到基底28上。或者，电源阵列21可以通过蚀刻、沉积、用导电墨水印刷和/或本领域中公知的电极形成的任何其它方法形成在基底28的顶上。用于将电源阵列21与基底28联系起来的方法可以包括机械稳定性的考虑和制造的简便。
通过环绕衬垫45周边的边界缝隙或绝缘区67限定出衬垫45的表面区域。如本文中所用到的，绝缘区可以是相邻或不相邻的基本上不导电的材料的任何区域。因此，绝缘区67可以包括多个子区域，它们可以彼此连接、彼此隔离开并且/或者是连接和隔开的组合。作为一个例子，绝缘区67可以包括多个间隔开的开口，它们形成横跨接触系统100a表面的线，并散布在衬垫45之间。这种间隔开的开口可以填充有基本上不导电的材料68(图3a)，或者它们可以保持开口状利用大气作为电介质材料填充这些间隔开的开口。如下面进一步讨论的，图2中示出了衬垫45和绝缘区67的两个示例性图案，但是，只要本领域的普通技术人员理解了本发明的原理，就可以在本发明的范围内提出许多其它的图案。
形成这样的接触系统100a，即使得衬垫45和绝缘区67的上表面限定出连续、二维的上表面。如本文中所用到的，连续、二维的表面可以是在二维空间中伸展的任何连续的表面区域。
在一个特定的实施例中，利用冲切技术构造电源阵列21。这种方法例如可以包括，对电源阵列21但不对基底28进行冲切。在某些情况下，在将电源阵列21粘到基底28上之前就对电源阵列21进行冲切。在其它的情况下，在将电源阵列21粘到基底28上之后才进行冲切。
如所说明的，在将电源阵列21粘到基底28上之后再进行冲切时，电源阵列21上的导电材料通过图3a中的弯曲边缘71、72在冲切的地方弯曲，留下裂隙67以在电源阵列21的相邻衬垫45之间形成电开路。在某些情况下，如果脚34、刷子或其它触点的接触表面宽到足够跨过缝隙67，则相邻衬垫45之间的缝隙67可能不够大到防止由于在电源阵列21上操作机电设备而产生的短路。为了减小出现短路的可能性，可以在切口上丝印不导电的油漆。油漆可以是条状的，其宽度足以防止在接触相邻衬垫45时出现短路，或者它们可以在衬垫45a、45b的表面上足够高的，以防止位于条上的机电设备上的接触表面和相邻衬垫接触。油漆也可以用来填充裂隙，使得该表面是平滑的。此外，油漆可以帮助确保金属不发生能导致短路的弯曲和变形。另外，多种油漆颜色可以用来在电源阵列21的表面上标记图案。
应注意的是，接触系统100a可以包括单个的连续、二维区域，其中，如图1a中所说明的，均匀分布衬垫45。或者，接触系统100a可以包括的某些区域要么不包括衬垫45，要么其中的衬垫45不连接到电源20，或者不能传递电力。这种实施例在下述情况下是需要的，当在接触系统100a上放置的机电设备要切断电源时，该设备在没有衬垫45或者衬垫45不工作的区域上操作。如本领域的技术人员可以理解的那样，开关电路或其它的控制系统(图中未示出)可以用来转换衬垫45中选定的一个为开和关，用以改变衬垫的可操作性。这种不可操作的衬垫45可以用于任何所希望的目的，例如，用以改变在作为游戏板的接触系统上作为游戏块工作的机电设备的优势。
接触系统100a经由包括导线77的电源联接器25连接到电源20。导线77可以通过本领域公知的任何处理和/或方法电连接到电源阵列21，这些处理和/或方法包括，但并不局限于，焊接或铆接。在所说明的实施例中，导线77包括第一电压电平导线78和第二电压电平导线79。另一个电源联接器61将电源20连接到电源插头63。插头63用于接收来自电源插座的处于一定电压电平的交流电(下文中表示成“AC”)。在一个实施例中，来自于电源插座的AC电通过电源20被转换成处于不同的电压电平的另一个AC电源。在另一个实施例中，来自于电源插座的AC电通过电源20被转换成处于不同的电压电平的直流电(下文中表示成“DC”)电源，而在又一个实施例中，插头63用于接收DC电，其被转换成处于不同的电压电平的DC电。还应认识到，在某些情况下，可能不需要电力转换，在这些情况下，电源20可能不包括转换能力。仅作为一个例子，在不转换电力的情况下，电源20可以是电池组。
落在电源阵列21上的任何足够大的导电物体(例如硬币)都可以无意地地导致形成短路。因此，在某些情况下，电源20可以包括限流电路，还可以进行热保护。可复位的保险丝和串联的限流电阻器都可以被用作便宜的保护装置，但保护并不局限于这种技术。
根据本文中提供的内容，应认识到，电源20可以是任何能够为接触系统100a供电和/或转换用于接触系统100a的电力的单元。在一个实施例中，由电源20提供的电力是DC电力。在另一个实施例中，由电源20提供的电力是AC电力，其包括单相的、两相的和三相的AC电。电源20可以包括电池组、连接到普通家用AC电源的AC变压器、连接到普通家用AC电源的AC-DC整流器/转换器等。
从电源20输出的电力被馈送到接触系统100a。因此，例如，插头63可以接收120VAC电，并且电源20将该120V AC电转换成8VAC电，其被提供给接触系统100a。在一个特定的实施例中，一组衬垫45通过与导线78、79中的一个电连接而处于第一电压电平，另一组衬垫45通过与导线78、79中的另一个电连接而处于另一个电压电平。根据本文中所提供的内容，本领域中的普通技术人员应认识到，三组或更多组衬垫中的每一组都可以处于不同的电压电平和/或相位。
如果电源20提供AC电力输出给接触系统100a，则与在相同电压电平下的DC电源相比，对于给定的平均电流，由于电源阵列21的更大的阻性(I2R)损耗而可能损失一定的效率。但是，与阻性限流和可复位的保险丝组合使用的AC电源可以提供便宜的供电给电源阵列21的装置。此外，AC激励有助于灭弧，并会延长在接触系统100a上操作的机电设备的间歇接触的脚和/或刷子的寿命。AC电源的使用还可以减少辐射的电磁噪声，该电磁噪声可能会干扰与接触系统100联系的控制系统。
在本发明的一个特定的实施例中，电源阵列21是由设置在纸纤维板基底28顶部上的多个镀铜或镀锡的铜衬垫45形成的。处于一个电压电平的衬垫组45通过缝隙或绝缘区67与处于另一个电压电平的衬垫组分隔开，该缝隙或绝缘区67是由填充有大气或绝缘材料的间隔开的开口形成的。接触系统100a可以基本上是刚性的，或者，可以基本上是柔性的，使得其在处理、运输和储存时可以容易地被卷起、折叠和/或进行操作。
转到图1b，其说明了根据本发明的某些实施例的接触系统100b。接触系统100b基本上与前面描述的接触系统100a相同，只是接触系统100b的形成是这样的，即衬垫45(这种衬垫的例子被标记成45d、45e、45f)和绝缘区67的上表面限定出不连续的、三维的上表面，其包括表面84、85、86。如本文中所用到的，不连续的、三维的表面可以是任何包括有两个或更多个由台阶或其它的不连续特征所分隔开的表面区域的表面区域。从本说明书中，应认识到，不连续的、三维的表面可以包括连续的、二维的和/或连续的、三维的表面(下面会进一步说明)的任意组合。
如图1b中说明的，衬垫45和绝缘区67中形成表面84的部分通过台阶87与表面85的那些部分分隔开。同样地，由于通过台阶88分隔开，表面85与表面86也不连续。仅作为一个例子，在设置在接触系统100b上的机电设备要跨过一个或多个台阶、交错的拓扑和/或其它障碍时可能会希望是这种接触系统。
图1c的接触系统100c也基本上与前面描述的接触系统100a相同，只是该接触系统100c的形成是这样的，即使得衬垫45(这种衬垫的例子被标记成45g、45h、45i)和绝缘区67的上表面限定出连续的、三维的上表面。如本文中所用到的，连续的、三维的表面可以是任何在多于二维的空间中延伸的连续的表面区域。从本说明书中，应认识到，连续的、三维的表面可以包括可被描述成是连续的、二维区域的部分。
应注意到，接触系统100c可以包括单个的连续区域，其中，衬垫45如图所示均匀分布。或者，接触系统100c可以包括要么不包括衬垫45、要么其中的衬垫45不能传递电力的区域。这种实施例在下述情况下是需要的，当在接触系统100c上放置的机电设备要切断电源时，该设备在没有衬垫45或者衬垫45不工作的区域上操作。
接触系统100可以被形成为包括连续的、二维的表面区域、连续的、三维的表面区域和/或不连续的、三维的表面区域的组合。此外，接触系统100可以由多个接触系统部分或块(图中未示出)形成，它们装配在一起以形成一个接触系统。在例如与包含跨过接触系统的表面的机电设备的游戏相关的随时间要使用各种不同的拓扑时会希望是这种系统。在某些情况下，这种建立块的方案可以包括彼此邻近地放置两个或多个电源阵列21和/或基底28，用以增加可使用的区域。每个电源阵列21可以电连接到同一个电源20，或者可以使用其自己独立的电源20。
接触系统100可以用于提供一个或多个所希望的特征。例如，接触系统100可以用于提供一种装置，从而电力被持续传递、或几乎持续传递到在接触系统上操作的机电设备。在某些情况下，当机电设备在接触系统100的表面上在不同的方向上移动时，这种电力传输可以持续地或近乎持续地进行，因此，使得在接触系统100上操作的机电设备好像是它们自己带有源源不断的(或者看上去源源不断的)电源一样。在特定的情况下，接触系统100可以被配置成使得在单个的表面上进行电力传递，这样便于在机电设备接触系统时从上面观察该机电设备。根据本文中提供的内容，本领域的普通技术人员应认识到可以利用图1中所示出的一个或多个接触系统来实现的许多其它的优点。
图2是说明了根据本发明的不同实施例的电源阵列21和另一种电源阵列22的图案的特写顶部视图200、201。请看图2a，视图200示出了多个基本上为矩形的衬垫45(这些衬垫的例子被标记成45a、45b、45c)，它们重复出现形成电源阵列21。通过散布的绝缘区67限定出衬垫45。如通过“+”和“-”符号所表示的，一组97衬垫45处于一种电压电平(由“+”表示)，另一组98衬垫45处于另一种电压电平(由“-”表示)。
通过分别与导线78、79中的一个进行连续的电接触使衬垫45处于两种电压电平。如可以看到的，如通过延续符号85、86所注明的，电源阵列21的侧边87和88继续延续。相反，侧边91和92示出了电源阵列21的终端。如沿侧边91所示出的，所有的“+”衬垫97通过沿侧边91延伸的电源阵列21的相对较窄的导电区域而电连接到导线78。如在侧边92上所示出的，来自于导线79的“-”偏压电连接到沿侧边92延伸的衬垫。图中没有示出，沿侧边92的这些衬垫45也沿侧边88终止的地方进行电连接。在侧边88终止处的连接与前面所讨论的与侧边91相关的内容相同。因此，所有的负衬垫都可以彼此连接，并连接到导线79。
为了提供电源阵列21的最大的覆盖率，并在衬垫45之间提供最小的间隔空间，在图示的实施例中的衬垫45对称地且规则地间隔开。下面针对图3进一步讨论这种最小间隔。通过使衬垫45之间的距离最小，增加了由衬垫形成的表面覆盖率，以及进行电接触的可能性。
根据本文中所提供的内容，应认识到，衬垫45可以根据所需要的结果而由任意形状形成。这种所需要的结果可以包括，但并不局限于，使腿26和处于不同电压电平的衬垫45之间进行接触的可能性最大、根据要在表面上进行的游戏分配电力，等等。图案可以由不规则的形状、规则的形状和/或它们的任意组合形成。规则的形状可以包括，但并不局限于，三角形、矩形、正方形或其它多边形；圆形；椭圆形；等等。
视图200还示出了放在由电源阵列21和绝缘区67限定出的表面上的带轮的机电设备94、带腿的机电设备24和无源的圆盘设备84。无源的圆盘设备包括多个刷子99，用于接收来自于下面的接触系统的电力。用假想线示出这些刷子99，这是因为它们是位于圆盘94的下面，当然，它们用来与接触衬垫45进行电连接。而且，尽管在图2a中由于示图比例的限制所示出的这些刷子99很大，但实际上它们比缝隙67或覆盖缝隙67的绝缘材料要窄，用来防止在不同电压电平的衬垫45之间出现短路，这如上面的解释。对于带轮的设备94的刷子95也是这种情况。带腿的机电设备24包括多个导电的腿26(或腿上连接的脚)，用于带腿的机电设备24的移动和充电。下面针对图3a进一步描述带腿的机电设备24，此外，在美国专利申请No.10/613,915中也描述了机电设备24，为此其全文作为参考被包含在本文中。
在某些情况下，带腿的机电设备24的腿26通过任何公知的技术彼此电绝缘，这些公知的技术例如，不导电的套管、连接销以及把腿26与其它驱动部件机械连接的类似部件(图中未示出)，它们允许在电源阵列21不出现短路的情况下，多个带腿的机电设备24的任意的腿26与任意的衬垫45之间进行接触，而不考虑与腿26接触的各个衬垫45的电压极性或相应的电压电平。而且，理想的是用绝缘物27覆盖腿26除接触衬垫45的点或表面区域以外的部分，使得在同一个接触系统100上操作的同一个机电设备24的各个腿26之间或者两个或更多个不同的带腿机电设备24的腿26之间的接触不会使电源阵列21短路。
如所说明的，一个或多个腿26接触一种电压电平(由“+”所表示的)，而其它的腿26接触另一种电压电平(由“-”所表示的)。但是，请注意，“+”和“-”符号是为了方便才采用的，并且它们可以，但并非必须，表示严格意义上的正和负极性。该符号是相对的，其例如可以包括“8伏”和“0伏”等级“8伏”或者“9伏”和“3伏”等级。换句话说，“+”和“-”符号包括任何不同的电压电平，可以从其获得电力以操作或充电机电设备24。图3a中在示例性的机电设备24中不同腿26之间的电压差用来充电与带腿的机电设备24相关的电源存储设备44，并且/或者用来操作与带腿的机电设备24相关的电机48。下面针对图4和5进一步描述该操作。
在示例性的设置中，带腿的机电设备24能够或者不能够从衬垫45上获得电力，这依赖于腿26在电源阵列21表面上的分布。如果任意的两个腿26接触着相反的“+”和“-”衬垫45，则电力可以被引导通过这两个腿26来充电存储设备和/或操作该机电设备24。如果所有的腿26都接触着处于同一种电压电平的衬垫45，则不会有电力被传递到带腿的机电设备24，直到有一个或多个腿26被移动到处于不同的电压电平的衬垫45为止。但是，电源存储设备具有足够的容量来在这种没有电力传递的短暂周期内操作该机电设备10，直到至少有两个腿26再一次移动到接触着相对的“+”和“-”衬垫45的地方为止。
在示例性的机电设备24中，某些腿26处于举步模式，如图3a中的腿26e的脚34e在衬垫45的表面上方抬起，而其它的腿26处于迈步模式，如图3a中的腿26b、26c和26f的各自的脚34b、34c和34f与衬垫45的表面接触，用以在衬垫45上支撑并推进设备24。当然，随时在任意时刻在衬垫45上都必须有足够多的脚34来为设备24提供稳定性，使得为设备24供电的电流可以随时在任意时刻从衬垫45流过恰巧与衬垫45接触的任意的脚34。然后，当这些脚中的任意一个，例如脚34f在其举步模式中在衬垫45的表面上方抬起时，至少一个其它的脚，例如脚34e将完成其举步模式，并返回到与衬垫45接触。因此，当在迈步和举步模式之间循环时，电流会在任意特定的腿26中间歇性地流动，但无论在何时只要有至少一个脚34正接触处于一种电压电平“-”的衬垫45，并且同时至少有另一个脚34正接触着处于另一种电压电平“+”的另一个衬垫45，就会有电流流过。而且，如果设备24以某种方式转到或移到不同的地方，其中在该地方脚34从具有一种电压电平“-”的衬垫45移到具有不同的电压电平“+”的衬垫45，都会始终有另一个脚34保持在具有一种电压电平“-”的衬垫45上，并且/或者设备24的这种移动会把不同的腿26从具有另一种电压电平“+”的衬垫45上移到具有一种电压电平“-”的衬垫45上，使得始终有电流流过。整流器电路62以适当的方式引导这些电流从所有的腿26中流出，以充电存储设备44和/或隔开电机48，而不用考虑究竟是哪个脚34恰巧与处于不同电压电平“-”或“+”的衬垫45进行电接触。
带轮的机电设备94包括四个轮子93，这四个轮子机械地连接到能够驾驶并移动带轮的机电设备94的电机系统(图中未示出，但与设备24的电机44相同)上。此外，带轮的机电设备94包括两个或多个柔性刷子95。如图3b中所示，柔性刷子95从带轮的机电设备94的底部伸出。
如图2a中所说明的，如果一个或多个刷子95接触一种电压电平(由“+”所表示)，而其它的刷子95中至少有一个接触另一种电压电平(由“-”表示)，则不同的刷子95之间的电压差被用来充电与带轮的机电设备94相关的电源存储设备，并且/或者操作与带轮的机电设备94相关的电机系统。下面针对图4和5进一步描述该操作。以与上面针对腿26所描述的基本上相同的方式通过刷子95来提供对带轮的机电设备95的电力传输。
转到图2b，视图201示出了根据本发明其它实施例的用于电源阵列22的其他图案。该图案包括多个处于交流电压电平97、98的条形衬垫46(这些衬垫的例子被标记成46a、46b、46c)。从衬垫46到在衬垫上操作的机电设备的电力传输基本上与上面针对电源阵列21所讨论的相同。
图3提供了接触系统100的特写侧视图300、301，该接触系统100包括放置其上的带腿和带刷子的机电设备24、94。转到图3a，带腿的机电设备24设置在接触系统上，腿26与电源阵列21接触。每个腿26都包括导电脚34。为了避免衬垫45a与衬垫45b短路，绝缘区68的表面之间的距离73大于导电脚34与接触系统的表面接触部分的宽度。
图3b示出了放置在接触系统上的带轮的机电设备94，其中刷子95朝衬垫45伸出，使得刷子触点92接触衬垫45和/或绝缘区68。为了避免衬垫45a与衬垫45b短路，绝缘区68的表面之间的距离73大于导电刷子触点92中与接触系统的表面接触部分的宽度。刷子95通过电线或导线66(设备94中没有示出，但与设备24中的相同)连接到整流器电路62(在设备94中也未示出，但大体与设备24中的相同)，其对从接触系统中得到的用于为设备94供电的电力进行整流。无源设备84中的刷子99与整流器电路92的相似的连接被用来为设备84供电。
转到图4和5，带腿的机电设备24的导电脚34通过电线66独立地电连接到整流器组件62。整流器组件62提供了电压差输出64(例如，V+58和V-59之间的差)，如针对图5的电路图更充分描述的。来自于各个导电脚34的电线66连接到整流器组件62上各个二极管42之间的点。二极管42的设置是这样的，即电压差64为正，电流从V+58流到V-59。作为一种说明，假设“+”电压电平大于“-”电压电平，电压差输出64在以下位置得到，例如，电线66a、66b和66c电连接到各自的脚34，其每个都与处于“-”电压电平的衬垫45接触，电线66e和66f电连接到各自的脚34，其每个都与处于“+”电压电平的衬垫45接触，电线66d电连接到与任何衬垫45都不接触的脚34。继续示例性的说明，电压V5和V6是“+”电压电平，电压V1、V2和V3是“-”电压电平；电压V4悬空。因此，V+58近似为“+”电压电平减去二极管42i上的电压降(即，近似与V6减去二极管42k上的电压降相同，或与V5减去二极管42i上的电压降相同)。同样，V-59近似为“-”电压电平加上二极管42b上的电压降(即，V1加上二极管42b上的电压降，V2加上二极管42d上的电压降，或V3加上二极管42f上的电压降)。因此，电压差输出64是“+”电压电平减去“-”电压电平和二极管42i和42b上的电压降。还可以包括电阻器46以限制电流的流动。当使用电阻器46时，电压差输出64要减去电阻器46上的电压降。下面的等式概括性地表示出电压差输出64V电压差输出64＝|(V“+”电压等级-V“-”电压等级)|-2(V二极管42)-V电阻器46根据该内容，本领域的普通技术人员会认识到，脚34(或设备94的刷子95或者设备84的刷子99)的任何放置，其中至少一个脚34(或刷子95、99)位于处于“-”电压电平的衬垫45上，并且至少另一个脚34(或刷子95、99)位于处于“+”电压电平的衬垫45上，都会导致近似相同的电压差输出64。此外，根据本文中所提供的内容，本领域的普通技术人员会认识到，能够从两个或多个触点中接收处于不同电压电位的电力，并将该电力转换成单向电流的其它电路也可以用在本发明中。
应认识到，当导电脚34的组合不与具有电位差的至少两个衬垫45连接时，在标记为V1-V6的所有点上的电位都会不时地同时中断。为了减少提供给机电设备的电力的中断，可以使用电容器44来存储电荷，用以使得在发生这些中断时在输出端64有连续的电力供应，其中，该电容器44可以被看作是整流器组件62的一部分，或者被看作是与整流器组件62实际隔开的。基于对该内容的理解，本领域的普通技术人员会认识到，其它的设备也可以与电容器44一起使用，或替代电容器44，例如，可再充电的电池。一种这样的设备可以是镍镉蓄电池。
电力从接触系统100到带轮的机电设备94的传输可以基本上与针对图4和5所讨论的相同。具体地，刷子95可以电连接到整流器组件62，如上面所描述的，用于从接触系统100接收电力，以充电存储元件并且/或者为电机系统供电。
根据本发明的接触系统可以用于一个或多个独立的机电设备。包括选择电源阵列的图案的接触系统的实现可以至少在某种程度上取决于接触系统所建议的操作使用。例如，因为刷子通常是拖过接触系统的表面，与跨过表面从离散位置移动到离散的位置的腿相反，所以可能希望有不同的设计，其中，带刷子的机电设备或者用来取代带腿的机电设备，或者与带腿的机电设备一起使用。包含带刷子的机电设备的接触系统可以经常设计成提供百分之一百的接触可能性，而由于各种原因，包含带腿的机电设备的接触系统可以经常设计成提供较低的接触可能性。
下面提供了一些常用的设计考虑，它们可以用于在接触系统上操作的带腿的机电设备中。这些常用的设计考虑适合于确保在使用带腿的机电设备时有很高的接触可能性。这些常用的设计考虑的应用导致形成衬垫的棋盘状布局，这与图2a所示相同。在常用的设计考虑之后，调整衬垫的尺寸，并且调整的结果反映在接触可能性中。
为了使来自于电源20的电流能够将电荷引导到带腿设备24上的电容器44(或某些其它的电源存储元件)，至少有两个脚34必须与电源阵列21上不同电位的两个衬垫45接触。当带腿的机电设备24移动到接触系统上的任意位置时，假设是与接触系统相关的任意方位，并且/或者脚34处于移动的随意状态，各种参数影响这种情况发生的可能性。
已经发现，规则的衬垫45的图案提供了可重复性的接触可能性，其因此也是可预测的。此外，已经发现，具有转动对称性的所选衬垫45的图案经常引起最佳的电源阵列21。这种转动对称性在转过某个角度时看上去是相同的。
可以在比带腿设备24的脚34的跨度小的尺寸混合具有不同电压电位的衬垫45，以使在给定的位置和方位上至少两个脚34遇到具有不同电位的一对衬垫45的机会最大。这决定了每个单个衬垫45的最大尺寸。
具有不同电位的相邻衬垫45可以通过绝缘缝隙(例如，绝缘区67的距离73)间隔开，以防止短路。而且，缝隙的最小宽度可以限定为超过接触接触系统100表面的脚34的端部的宽度，使得脚34不能在两个相邻的衬垫45之间产生短路。衬垫45之间的这些绝缘缝隙消耗掉了接触系统100表面区域的一个小的百分比。被缝隙消耗的表面区域的百分比越大，两个脚34接触具有不同电压电平的衬垫45的可能性就越低。因此，为了增加将电力传递到带腿设备24的可能性，可以通过将缝隙的宽度保持到依然能够防止由脚产生短路的最小值，并通过优化由缝隙勾勒出的衬垫45的尺寸来使缝隙部分的区域最小。根据多种因素，包括脚的数量、脚之间的最小和最大距离以及衬垫的形状，可以优化衬垫45的尺寸，用以实现当机电设备24在接触系统100上移动时随时在任何时刻都至少有两个腿26接触不同电压电平的衬垫45的最大可能性。
该讨论概括为，规则、对称的衬垫45的阵列是最优的，但也可以使用任何图案尺寸或形状。衬垫的尺寸和形状可以进行优化，以使得最大可能地将电力从接触系统传递到机电设备。衬垫的形状可以在由缝隙分隔开的图案中紧紧地配合在一起，该缝隙仅稍稍大于脚34的宽度。此外，较大的衬垫45可以增加它们在接触系统100整个表面区域上的比例，但不能太大，否则会减小至少两个脚34接触具有不同电压电平的衬垫45的可能性，该接触大概是带腿的机电设备24的尺寸。
考虑这些常用的设计规则并假设衬垫45仅处于两种不同的电压电平之后，可以选择设置在交流电压电平的棋盘图案上的大概为方形的衬垫。而且，在图2a中示出了这种衬垫45的图案。当然，根据本文中所提供的内容，本领域的普通技术人员会认识到，可以根据一个或多个功能性的希望结果或外观来选择许多其它的图案。
方形衬垫45的最优的尺寸可以取决于所选定的带腿机电设备24的指定细节。对于这种讨论，以唯一的方式用六条腿行走的玩具用作为目标设备。因此，所得到的尺寸可能对于其它类型的设备不是最优的。不过，同样的数字技术可以应用于可能采用的设备或设备组。
利用一个或多个考虑了衬垫45的尺寸和布局的计算模块可以模拟六条腿设备的操作。下面所讨论的示例性模拟数据描述了与电源阵列21有关的六条腿的机电设备，该电源阵列21包括以棋盘格式布局的方形衬垫45栅格。模拟包括了各个衬垫45之间的缝隙。该模拟针对一组实验放置，反复地测试连接是否能建立。对于每种放置，带腿的机电设备24在电源阵列21上的定位和方位都是随意选择的。所模拟的特定带腿设备24具有独立的两个每组三条腿26的组。这些腿的组分别被称作左和右组。各组腿26对于主动齿轮的每次旋转都重复地在图案中移动。对于每种试验放置，左侧主动齿轮和右侧主动齿轮的角度也是随意选定的，并且是独立的。
在表1中给出了独立的机电设备(在这种情况下是一种玩具)的关键元件的尺寸。


表1指定了指定玩具中脚的定位的尺寸为了计算建立连接的可能性，可以数值地进行大量的试验位置。如果在特定的试验中建立了连接，即，发现至少有两个脚34与处于不同电压电平的各个衬垫45接触，则赋值1。如果没有进行连接，则赋值0。对于大量的试验累计这些结果的和。通过用试验数目对累计值归一来计算建立连接的可能性。
可以用具有不同尺寸值的衬垫45进行多次模拟。然后可以确定产生最大连接可能性的衬垫45的尺寸。从该过程中，可以发现，衬垫45之间的缝隙宽度73为0.020英寸、边长为1.130英寸的方形衬垫45阵列可以使特定的带腿的机电设备24(在这种情况下是玩具)在大量随机布置的累计中建立电路的时间百分比为81％。
由于通过腿26的电力会频繁地中断(根据该累计为19％的时间)，所以整流器阵列在电容器44中存储电能，使得输出电压64保持相对恒定。电阻器46限制了突入电流，如果电容器44恰好在通过电源阵列21重新被连接到电源20上之前放电，则会出现该突入电流。
作为一个例子，考虑用于具有六条腿的独立机电玩具而设计的多端口整流器62。假设该玩具以12英寸/秒的全速得到200mA，电阻器46是4欧姆，电容器44是0.5F。还假设电源20提供6.4V直流电。在全速时，电阻器46上的压降为0.8V。如果到电源阵列21的连接断开，则电容器上的电压会以0.43伏/秒的速率下降。以另一种方式考虑，在全速时，电压66在2.35秒内会下降1伏。在12英寸/秒时，几乎有百分之一百的可能性，脚会在不到一秒的时间内重新定位以与电源衬垫进行连接，从而将输出电压维持在几乎全电位上。
如果电容器44完全放电，并且变为连接到电源阵列21上，则电阻器46会将突入电流限制到1.25A。当电容器44充电时，突入电流会在1.3秒内下降到该值的一半，并在3秒内下降到0.25A。
在典型的全速操作中，间歇电力损失的间隙不到一秒钟，使得整流器组件62的输出电压64下降得非常少。当移动的脚34再次连接到电源阵列21上时，突入电流仅稍大于额定的全速电流大约200mA。这种中等的、非感应的接触电流会产生最少的接触磨损(脚34的磨损)。
有时由于脚34的特定设置，独立的机电设备可能停在电力正好中断的位置上。如果停留在这种结构中，整流器组件62的输出电压64可能下降到接近于零，致使该设备不工作。如果设备包含智能的或专用的电路，则这种情况就可以避免。该设备可以用于检测和电源阵列21的连接。在连接断开的情况下，带腿的机电设备24可以命令腿34重新定位，同时整流器组件62的存储设备44的输出电压64始终足够高以操作并移动该设备24。由于到电源阵列21的连接的性质，可能少量的几次重新定位就会把设备重新连接到电源阵列21。
在上面的例子中所选定的参数与智能的重新定位结合使系统能够非常实用并稳定的将电力传递到设备。应注意，尽管六条腿的设备24被用作示例性的机电设备，但是，可以稳定地支撑设备24的任意数量或任意组合形式的腿、轮子、滑板或其它部件也都可以用来实现本发明。带刷子的设备94在从电源阵列21上获取电力的方式与带腿的设备24非常相近。而且，连接到多端口整流器组件62的触点92的数量不必一定是6个。由于刷子95是专用的，并且可以很自由地将它们设置在任意固定的图案上，所以可以找到一种设置方式来维持近似100％(或其它任何所希望的百分比)的电力传递可能性。
根据本发明的实施例，用来设计和/或优化这类接触系统的用于模拟与接触系统有关的移动的其它方案也都是可能的。在美国临时专利申请No.60/432,072中提到了一些这类方案和结果，其作为参考已事先被包含在本文中。
转到图6，其说明了触点在无源设备如圆盘84上的分布。如图6的例子所示，5个触点99从圆盘84的底部伸出，用以接触位于下面的接触系统，例如，上面所描述的接触系统。触点99相互之间间隔开适当距离的这种分布可以确保具有100％的机会从位于下面的接触系统中接收电力，其中该接触系统具有衬垫45，衬垫45具有与圆盘84有关的适当的尺寸和形状，触点99的这种分布在无源设备不能靠自身在接触系统上重新定位来获取电力的情况下可能是很重要的。这种无源设备可以使用接收到的电力来将定位信息发射到与接触系统联系的游戏控制器上。
此外，这种游戏控制器可以包括两个或多个触点，它们被设置成与接触系统相联系。这样，游戏控制器可以从接触系统获得操作电力。在一个特定的实施例中，游戏控制器吸附在接触系统的一侧，与游戏控制器有关的触点设置成与接触系统表面上的衬垫相联系。
此外，根据本发明不同的实施例可以实现一个或多个控制系统和/或游戏系统。作为一个例子，游戏系统可以实现为结合视频娱乐游戏的复杂性、挑战性、多样性和/或可编程序性与实际的机电游戏设备的吸引力，以作为游戏的主题。。基于中央控制器的结构可以允许独立的机电游戏设备智能地工作，并参与像视频游戏的游戏场景。中央游戏控制器可以与独立的机电游戏设备的位置联系，并监控其位置。游戏控制器通过闭环反馈控制系统指挥并操纵独立的机电游戏设备的动作。在某些情况下，中央控制器可以监控独立的机电游戏设备的临界状态、传感输入和标识。对独立的游戏设备的控制和监控可以是分级的功能块，以提供同游戏控制器的界面，因此实际的机电游戏设备可以和在成熟的视频游戏技术中操纵虚拟角色一样的方式来操纵。
图7示出了根据本发明的各种实施例的游戏系统1000。用户输入设备1021a、1021b连接到中央控制器1029。这种用户输入1021可以是，但并不局限于，操纵杆、键盘、游戏衬垫等。中央控制器1029可以经由从天线1027发射的射频信道将命令通信到设置在游戏系统1000的接触系统100上的一个或多个机电设备1025。中央控制器1029利用两个或多个接收机1026A、1026B接收来自于机电游戏设备1025的声音信号。这种接收机1026可以是如麦克风的声音接收机、如天线的电接收机等。利用声纳技术、三角测量、干涉测量和/或其它的如本领域中公知的接收和/或定位技术可以通过中央控制器1029感应机电游戏设备1025的定位。
在典型的游戏场景中，某些机电游戏设备1025处于用户的控制下，而剩余的机电游戏设备1025处于通过中央控制器1029可访问的游戏算法的控制下。在处于用户控制下的那些机电游戏设备1025中，通过中央控制器1029、格式化和广播得到的移动和其它的控制输入，使得适当的机电游戏设备1025解码并唯一地响应那些用户输入。
通过如图8中所示的闭环定位反馈系统1100来操纵处于通过中央控制器1029可访问的的游戏算法控制下的其余的机电游戏设备1025。这样，处于游戏算法控制下的机电游戏设备1025可以被移动到特定的位置或一串位置，以形成包括速度变动的轨迹。
参考图8，在加法器1130中，所期望的定位1110(即，通过游戏算法产生的定位)与机电游戏设备1025的定位测量1120进行比较，以形成定位误差信号。利用软件环补偿器，中央控制器1029可访问的算法将定位误差信号转换成移动命令(即，所期望的定位被用来产生移动命令，其用于将特定的机电游戏设备1025移动到所期望的位置)。软件环补偿器1140考虑整个控制环的动态，使得机电游戏设备1025用最少的寻找时间集中到所希望的定位。格式化并发射移动命令1150，使得受控的机电游戏设备1025响应该增加的移动命令。在很短的时间内，可以通过机电游戏设备1025发射另一个定位信号，使得机电游戏设备1025最终的定位可以被测量。重复上面的过程，以维持最小的定位误差信号。
如上面提到的，对于包含有机电元件的像视频游戏的实际游戏，中央控制器1029必须至少知道每个机电游戏设备1025的定位，并具有将命令发送给它们的能力。但是，为了提高游戏能力，本发明包括超出该最小要求的改进。
在游戏关场景可以用到的技巧的数量可以与中央控制器1029可以得到的关于机电游戏设备1025的信息量有关。例如，如果除了位置以外，还可以知道机电游戏设备1025的方位，则该游戏可以包括适合于该方位的响应。例如，只要中央控制器1029可以估算出预定的指向，就可以通过一个机电游戏设备(在游戏的范围内)用有意义的方式射出虚拟的激光。
特定机电游戏设备1025的方位可以从对其位置的连续测量和有关发送给它的运动命令的信息中得到。仅了解位置是不够的，这是因为，机电游戏设备1025能够在不改变其位置的情况下改变其方位，即，机电游戏设备1025可以具有原位旋转的能力。通过从用户输入1021和通过单个的发射信道从与中央控制器1029有联系的中央处理器中传递的所有的命令来解决该问题。
图9是中央控制器1029的发射部分的方框图。中央控制器1029包括中央处理器(CPU)1031、缓冲器1037、数据多路复用器和格式器1036、发射机1033和连接到发射机1033的天线1027。CPU 1031连接到缓冲器1037，缓冲器1037进一步连接到数据多路复用器和格式器1036以及发射机1033。
工作中，用户输入在数据多路复用器和格式器1036中被接收，并被传送到缓冲器1037。CPU1031对保持在缓冲器1037中的用户输入进行操作。因此，CPU 1031可以修改用户输入，并可以在产生移动命令时采用用户输入。得到的移动命令通过缓冲器1037传送到发射机1033，并通过发射机1033发射到机电游戏设备1025。这样，CPU 1031可以监控用户输入，可以监控并操纵发送到机电游戏设备1025的命令，并可以在软件控制下将各种命令发送到机电游戏设备1025。
图10是流程图1200，其说明了根据本发明一个实施例的迭代的方法的一次操作。开始后，在步骤1，中央控制器从用户输入设备1021得到用户输入。例如，用户输入可以包括通过操纵杆、按钮、轮子或其它用户输入设备发射并从它们得到的用户移动命令。可以从连接到中央控制器1029或与中央控制器1029通信的多个用户输入设备1021中得到用户输入(参见图7)。
在步骤2，中央控制器1029获得并更新用于每个机电游戏设备1025的当前的位置和状态。在一个实施例中，位置和状态可以在反馈和控制环的每次迭代中进行测量，或者可以在位置报告命令可被发送到任何机电游戏设备1025时进行测量。在一个实施例中，中央控制器1029在每次迭代时都确定并更新多个机电游戏设备的位置。
在一个实施例中，中央控制器1029发出射频(RF)位置报告命令。该位置报告命令促使一个或多个机电游戏设备1025进行响应，并从该响应中可以得到位置。在一个实施例中，该位置报告命令被广播到所有的机电游戏设备1025，但只寻址其中的一个。相应地，被寻址的机电游戏设备1025产生声音信号(如，线性调频脉冲)，中央控制器1029通过接收机1026A、1026B接收该声音信号。中央控制器1029使用接收到的声音信号(和位置计算算法)来执行测距和三角测量操作，用以确定位置。或者，不止一个机电游戏设备1025可以接收并响应该位置报告命令。
在步骤3，中央控制器1029利用游戏算法，在计算机的控制下确定用于每个机电游戏设备1025的下一个所希望的位置。游戏算法利用来自于用户输入设备1021的用户输入以及当前的游戏设备的位置、方位、时间和状态来作为输入。
在步骤4，在一个实施例中，实现了图8的闭环控制系统的位置伺服算法在计算机的控制下计算要被发射到机电游戏设备1025的增加的移动命令。从步骤3所希望的位置中减去步骤2位置的测量结果，以产生误差信号。软件环补偿器处理该误差信号，以产生初始的增加的移动命令，当，并如果通过机电游戏设备1025来执行时，该增加的移动命令会有助于使步骤3中指定的位置和步骤2中测量得到的位置之间的差值最小。增加的移动命令存储在缓冲器1037中，用于随后的发射(参见图9)。
在步骤5，在一个实施例中，游戏算法确定是否应修改任何移动命令。可以通过游戏算法修改移动命令，以使得以特定的方式引导游戏的进行。例如，特定游戏者的游戏设备1025可以表现为停止或死机一定时间，或者可以在游戏过程中修改用户的输入。因此，用户输入可以不直接发送到机电游戏设备1025，而是可以根据游戏进行修改、延迟、阻止等。应理解的是，中央控制器1029可以以任何方式修改用户输入。此外，CPU 1031可以在计算机的控制下修改在步骤4中产生的给机电游戏设备1025的移动命令。作为一个例子，如果机电游戏设备由于位置伺服环的过冲而跨出游戏区域的边界，或者在可接受的距离内已达到静态位置时，可以冻结移动。
在步骤6，中央控制器1029将移动命令(或一组移动命令)发射到对应的机电游戏设备或多个设备1025。该发射可以是无线发射，并可以包括RF发射、红外线(IR)发射、超声波发射等。
在一个实施例中，移动命令被广播到所有的机电游戏设备1025。在另一个实施例中，移动命令可以只针对指定的机电游戏设备1025，如通过码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或其它任何方法。同样，任何其它的信息也可以发射到机电游戏设备1025，如初始化信息、初始化命令、总体系统命令等。
在一个实施例中，用户输入被看作是所希望的输入，并可以在发送到机电游戏设备1025之前通过中央控制器1029截取和修改。作为一个例子，游戏规则可以要求机电游戏设备1025在一定时间静止不动。在该时间内，中央控制器1029忽略用户输入，并迫使用于该特定的机电游戏设备1025的初始电机命令为零。同样，用户控制的机电游戏设备1025可以反应缓慢地或不稳定地工作，或者模拟重要的要素。
本发明的新的特征是，通过设计给出的机电游戏设备1025智能很小。预定的命令是简单的，如控制设备中各种电机的速度。随着时间的推移，中央控制器中的控制算法可能被改进。此外，可能会实现新的特征和能力，以反映出新的游戏需要。只响应简单命令的机电游戏设备1025会保持可兼容性，并随着发展进步反映所增加的能力。
该实施例的一个特征是机电游戏设备1025将信息反馈回中央控制器1029的能力。该信息可以包含，但并不局限于，传感输入、状态信息和ID号。传感输入可以反映来自于接近度检测器的输入，或探针触发的开关闭合。状态信息可以包含这类信息，如电源状态、剩余存储量或可能的与游戏有关的参数如剩余的秒数等。也可以发射表示机电游戏设备1025的类型和其唯一的特征的标识号。
该实施例的另一个特征是，可以通过不可耗尽的电源来为机电游戏设备1025供电。具有远程机电游戏设备1025的像视频游戏的游戏每次可吸引游戏者的注意达几个小时。但是，由于机电游戏设备1025耗电，所以不希望它们使用可消耗的电源如一次电池来工作。为此，本发明的实施例包括提供无穷的电力给机电游戏设备1025的装置。在该实施例中所采用的方法通过机电游戏设备1025上的腿或刷子与游戏表面22上的通电的电极阵列进行直接的电接触。
在该系统的一个实施例中，用于位置感应和通信的声音脉冲是可听到的，可以进行测量以防止其造成干扰。在一个实施例中，脉冲之间的周期是随机的。此外，在一个实施例中，用像小虫的外形来形成机电游戏设备1025，所以会很自然地与可听到的随机的滴答声适应。应理解的是，可以用多种形状形成机电游戏设备1025，并且机电游戏设备可以像动物、人、视频游戏角色或物体、汽车或其它车辆等。
在该实施例中，可以使用动态寻址系统，从而可以在不使用开关的情况下动态地对机电游戏设备1025赋予唯一的地址。这样，任意组机电游戏设备1025都可以组合运行，而不用手动进行重新配置。
在单个的机电游戏设备1025是从关状态开始加电时，动态寻址很简单。在这种情况下，机电游戏设备1025用预定的默认地址进行初始化。中央控制器1029将识别出响应该地址的设备1025，并为该设备1025赋予新的地址。
但是，在多于一个的机电游戏设备1025同时加电的情况下就会出现困难。在这种情况下，响应该默认地址的所有设备都会被同时重新赋予同样的新地址。可能需要的是一种区分响应同一默认地址的机电游戏设备1025的方法。
可以通过结合位置传感和随机的响应统计来解决该问题。设计上来讲，机电游戏设备1025用随机统计来响应默认地址。具体而言，当被请求发射位置信号时，具有默认地址的机电游戏设备1025只在有些时候才会响应。
在这种方法中，中央控制器1029根据其测量位置集中处理响应默认地址的特定机电游戏设备1025，直到为其赋予新的地址为止。对于特定机电游戏设备1025可以在其指定的位置上随机发射的每个位置信号，中央控制器都发射应答。一定时间之后，只有在该位置的特定的机电游戏设备1025才能够区分其是正被集中处理的那个设备。使用默认地址但在其它位置的其它机电游戏设备1025由于它们随机的发射未被地回应，因此它们不会把自己做为被集中处理的那个设备。此时，可以将唯一的地址赋予正集中处理的那个机电游戏设备1025。然后，转而集中处理具有该默认地址但处于另一个特定位置的下一个机电游戏设备。
在系统中使用动态赋址要解决的另一个问题可能是，用户输入设备1021必须正确地与它要控制的期望的机电游戏设备1025进行联系。在该实施例中，可以通过称为“催眠”的方法来实现该联系。
游戏者通过使输入设备1021紧挨着所希望的机电游戏设备1025并按下“催眠”键来对所希望的机电游戏设备1025进行“催眠”。在这种模式下，输入设备1021检测机电游戏设备1025发射的位置信号。这为系统给出足够的信息来确定所希望的机电游戏设备1025的地址。根据前面的这点，中央控制器1029会将命令从该特定的输入设备1021引导到完成该联系的指定的机电游戏设备1025。
前面提到的动态寻址和“催眠”法可以用在实施例中。但是，也可以使用其它的技术。例如，手动寻址系统会使用多位置开关来在机电游戏设备1025和输入设备1021上设置地址。设置成特定地址的输入设备1021会与手动设置成同样地址的机电游戏设备1025联系，并进行控制。
在一个特定的实施例中，接收机1026是麦克风2026，并且通过超声波通信信号来执行控制。此外，机电设备1025可以是靠它们自己的电源移动的设备，并且/或者可以是只响应于施加的外力移动的无源设备。针对这种讨论，这种机电设备通常称为远程设备，从中央控制器1029到远程设备1025的通信，以及远程设备1025的位置传感都通过本发明的方法来完成。本发明独特的特征是，这三个功能彼此相互呼应地实现。换句话说，特定实施例的不同要素同时提供了多种功能。尽管这并不是本发明必须的要求，但它可以实现更经济的解决方案。
图11大致示出了系统各元件之间的联系。中央控制器1029提供单个的射频发射机35(参见图12)，其同时发射(即，广播)到一个或多个其它的远程设备1025。每个远程设备1025都可以预先赋予一个唯一的地址。在一个实施例中，使用采用了直接寻址和时隙寻址的协议，使得来自于中央控制器1029的消息可以唯一地发送到指定的远程设备1025。
中央控制器1029可以发射命令使指定的远程设备1025发射时间同步的声音脉冲。中央控制器1029用两个麦克风2026a和26b来接收该声音脉冲。测量脉冲到达每个麦克风2026a、2026b的时间，并通过中央控制器1029使用该时间来确定远程设备1025的位置。此外，在一个实施例中，声音脉冲携带着一位从远程设备1025到中央控制器1029的信息。
图12是中央控制器1029的特定实施例的方框图2100，该中央控制器1029包括智能控制器2031、数据编码器2033、RF发射机2035、两个麦克风2026a和2026b和位置/数据检测器2037。智能控制器2031产生要发送到远程设备的命令。在一个实施例中，智能控制器2031以一组子程序的形式存在中央处理器(CPU)中。CPU中剩余的计算电力执行图12中其它方框的多种功能。
数据编码器2033从CPU接收预定的消息字节，并将预定的消息字节转换成曼彻斯特脉码调制(PCM)串行数据流。如下面所描述的，曼彻斯特编码与本发明与特定的数据序列组合允许在接收机中进行有效的时钟恢复，这如所采用的声音测距技术所使用的一样。数据编码器2033可以通过键控RF发射机2035来调制带有100％AM调制的射频(RF)载波。这有时也被称作开关键控(OOK)。
图13示出了由中央控制器1029发射的串行数据流和形成的RF载波信号。在串行数据流2014中的数字值“1”调制RF载波2012为全开，而在串行数据流2014中的数字值“0”调制RF载波2012为全关。再次参考图12，位置/数据检测器2037处理从两个麦克风2026a和2026b中接收到的信号，并将结果发送到智能控制器2031。
现在将描述在一个实施例中中央控制器1029使用的与远程设备通信的数据格式。本领域的技术人员可以提出其它的可接受的格式。该描述并非要把本发明限定到特定的格式。相反仅用于描述一种实施例，并帮助说明本发明的方法。
图14示出了根据本发明的一个实施例在检测到的曼彻斯特数据流的每个字节中使用的位格式2400。该信息可以用串行字节序列的形式来发射，每个串行字节序列包括六位。这些位定义如下

D0、D1、D2和D3表示构成要发送的信息的16种可能的4位二进制数。P是用于误差检测的校验位，S是起始位，其始终被设定为数字值“1”。12字节的序列构成数据帧。
图15示出包括有12字节的单个数据帧2500的格式。一帧的各个字节定义如下字节0)线性调频脉冲地址2510字节1)线性调频脉冲请求2515字节2)命令2520字节3)同步2525字节4)用于设备0或8的数据2530字节5)用于设备1或9的数据2535字节6)用于设备2或10的数据2540字节7)用于设备3或11的数据2545字节8)用于设备4或12的数据2550字节9)用于设备5或13的数据2555字节10)用于设备6或14的数据2560字节11)用于设备7或15的数据2565这些字节和它们包括的这些帧被没有间隙地反复发送，使得位转移与稳定时钟同步形成。同样，以稳定且可预测的速率形成每个帧的开始。每一位的持续时间为352微秒，每个字节的持续时间为2.112毫秒，每个帧的持续时间为25.344毫秒。数据流可预测且稳定的特性使得远程设备1025能够以+/-5us的精确度重新产生本地帧同步信号。在到达时间测量中+/-5us的不确定性会在距离测量中引入大约1/16th英寸的不确定性。
图15中示出的帧戳记(frame epoch)2580定义了了发射声音信号的适当时刻。由于帧的构成字节与稳定的时钟是同步的，结果帧戳记以恒定速率出现。对于基站，帧戳记被看作测量延迟到达时间的零时间参考点。
每个远程设备接收数据流，并与字节分界和帧分界同步。软件计数器参照每个帧的开始逐步追踪字节数。
图16是远程设备1025的方框图，该远程设备1025包括RF接收机/检测器2041、时钟恢复和数据译码器2043、智能控制器2045、音频调制器2047和音频转换器2049。RF接收机41检测调制的RF载波12(参见图13)，用以重新产生串行数据流2014的本地副本。在一个实施例中，RF接收机41是单个的晶体管超再生接收机/检测器，后面连接交流(AC)放大器。由于曼彻斯特串行数据流2012不包含DC成分，因此可以使用AC连接的放大器。但是，应理解的是，也可以使用其它类型的RF接收机。
曼彻斯特时钟恢复和数据译码器2043获得发射的数据以及基站的时钟和帧同步的本地副本。
接收到的数据提供给主板上的智能控制器2045，该智能控制器2045解释由中央控制器1029发送的命令。当被命令这样做时，智能控制器2045通过产生表示标志或空间的两个预定串行码中的一个来启动声音响应。音频调制器2047使用选定的串行码双相调制载波信号。载波信号(和串行码)与中央控制器1029的主时钟同步。
音频转换器将双相调制的载波信号转换成音频信号，该音频信号沿远程设备1025滞留的二维表面在所有的方向上用基本上相等的强度辐射(参见图7)。
当广播线性调频脉冲请求字节时，每个远程设备1025对照自己的赋值地址检查该值。如果匹配，则设定一标记，使得在下一个帧戳记中通过该远程设备1025产生音频脉冲。每个远程设备1025都被赋予其自己唯一的地址，如从0到15的值。每个远程设备1025以逐帧的方式接收并译码所有由中央控制器1029发送的信息。
图17是位置/数据检测器2037的方框图2700，该位置/数据检测器2037包括三角测量算法38和两个相同的音频接收机信道，每个都包括麦克风2026、标志滤波器2032、空间滤波器2034、峰值检测器2036和相位求精功能2030。每个麦克风2026a和2026b都连接到两个相同的接收机信道中的一个上。对于每个信道，来自于麦克风的信号(1026A或1026B)通过标志滤波器2032和空间滤波器2034被同时过滤。标志滤波器2032对于标志信号的响应很强，对于空间信号的响应很弱。同样，空间滤波器2034对于空间信号的响应很强，而对于标志信号的响应很弱。
峰值检测器2036确定在给定信道上的来自于标志2032和空间2034滤波器的信号中最大的那一个。这确定了从远程设备1025返回的数据的一位。此外，峰值检测器2036存储检测到峰值的时刻。发射的时刻和峰值出现时刻之间的差值通过正比例关系确定了声音转换器2049和给定的麦克风2026a或1026B之间的距离。
图18是说明了得到远程设备位置的一组步骤的流程图2800。中央控制器1029通过将字节0，即线性调频脉冲地址设定到要测量的指定远程设备的地址中而开始了该组步骤。远程设备1025检测该情况，并等待要在字节1中发送的信息。然后，中央控制器1029发送字节1，即线性调频脉冲请求，用以指定查询远程设备1025要用单个一位数据响应的一列预定询问中的一个。接收到线性调频脉冲请求后，远程设备1025确定对该特定的预定询问的适当响应。在下一个帧戳记中，即在字节3和4之间的分界处(参见图15)，远程设备1025启动音频信号的发射。
在帧戳记后的各个时刻，音频信号将到达两个或多个麦克风2026a和2026b，这些麦克风位于预定的几何结构中。该流程图说明了使用两个麦克风的系统，但该原理可以被扩展到超过两个麦克风，用以增加明确的空间尺寸量，或提高测量的精确度或可靠性，或者两者同时满足。如所示的，在图18的两个平行的列中处理来自每个麦克风的信号。
对于每个麦克风，信号都由标志和空间滤波器接收并同时处理。滤波器的输出值与峰值进行比较。对于滤波器中之一的峰值大于最近的峰值的每一次采样，都会表明出现了新的峰值。在每次出现峰值时存储标志和空间滤波器的输出值。在下一个帧戳记时，最近的峰值被表明成为发射的峰值。
标志和空间滤波器的值(在该间隔存储的最大峰值)通过直接比较确定了响应线性调频脉冲请求询问的一位。与峰值相关的时间确定了信号到达的经过时间，因此，确定了从远程设备经过的距离。最后，峰值时信号的相位被用来对该麦克风的距离测量求精。该组测量到的到每个麦克风的距离和对麦克风几何结构的信息用来计算远程设备1025的位置。
调制该音频载波的标志和空间码属于一类特定的码。被称作巴克脉冲压缩码(Barker pulse-compression code)的一组n位的码具有独特的特性，当由巴克脉冲压缩码匹配的滤波器(本文中也称作巴克滤波器(Barker filter))接收到时，输出在某个时间峰值很大，而在其它的所有时间内都接近为零。图19示出了7位的巴克码2900，图20示出了与其响应的巴克滤波器的输出3000。本文中，有时该码的每一位被称作片。如果7位码的长度是T秒，则主峰值的半电压宽度为T/7秒——因此证明了“脉冲压缩”这个名字是适合的。这类码的性能对于雷达技术领域的技术人员来说是公知的。可以用软件将适当匹配的滤波器实现为有限脉冲响应(FIR)滤波器，其对一串接收到的信号的数字化采样值进行操作。
在实际的系统中，图20中理想的响应实际上是不能实现的，这是因为，有限的系统带宽和幅值以及在声音转换器中的相位非线性。通常，，这些问题使峰与图20中所示的相比更圆。在有噪声时，很难精确地检测到圆形峰值，如经常在实际的系统中所遇到的。为了最好地利用便宜的现有音频转换器，码被用来对处于频带中央的音频载波进行调制，其可以通过这些转换器而精确地复制。该调制处理在载波频率附近集中了该信号的大部分能量。
一种检测方法使用基带解调器，其后连接滤波器。考虑到固有的系统带宽限制，从巴克滤波器形成的信号看上去像图21中所示的。所示的这种圆形峰值为峰值检测器带来困难，这是因为，由于噪声而产生的波动可使相邻的值超过所希望的峰值。峰值检测中的误差直接转换成距离测量中的误差。
在这种应用中，关于信号的其它信息是已知的，其被用来提高面对该问题时的性能。声音载波和巴克码调制之间的相位关系是固定的，这与雷达或声纳回波的类似组成不同。为此，接收到的相位的测量可以用来校正峰值检测中的小误差。
测量的距离d可以表示成波长λ的整数n倍加上小数部分α，其中，0≤α＜1，结果为d＝λ(n+α)。小数部分α是直接从接收到的信号相位φ中得到的，α＝φ/2π。峰值检测器必须足够精确地确定出距离d，以确定适当的整数n。然后，相位φ可以对距离d的测量求精。
只要峰值检测中相应于相位的误差小于±π，该方法就可以工作。如果不是这样，则不能确保峰值检测的精度高到确定出适当的整数n。当在巴克调制的每个片中音频载波的周期数减少时，峰值检测更能够满足该要求。在特定的实施例中，巴克调制的每个片的持续时间为两个音频载波周期。因此，整个的7位巴克调制码的持续时间为14个音频载波周期。所产生的这个信号如图22的示意图3200所示。需要具有相对较低的Q值的转换器来精确地复制这种信号。(Q是中心频率与带宽的比)。
对于该波形，并利用最标准的检测方法(如上面提到的)，峰值检测必须被精确到对应于半个音频载波周期的时间。最好的情况下，即在没有系统带宽限制的情况下，峰值的斜率使得其幅值在此时比峰值小25％。这意味着，幅值为峰值的25％的噪声可以产生导致不能正确选择n的误差。
另一种方法进一步利用了声音载波和巴克码调制之间的相位关系是固定的这一事实。在特定的实施例中，通过与声音载波和巴克码调制的相位之间的已知的特定关系相匹配的滤波器来直接检测该信号。该滤波器不是巴克滤波器，但具有与其相似的特性。本文中，该滤波器将被称作调制匹配滤波器。
图23包括示意图3300，其示出了调制匹配滤波器对图22的波形的响应。使用调制匹配滤波器相比于上面提到的显而易见的方法提供了两个很重要的优点。它的计算更有效，并且其峰值更明显。该尖峰有利于进行非常可靠的峰值检测。该方法显著地减小了在各种各样的不利环境下造成的峰值检测误差。
如可以在图23中看到的，被过滤的响应具有多个峰值，但所希望的峰值的幅值是最接近的不希望的峰值的两倍。该差别有效地提供了在存在噪声时对错误的峰值检测的更高程度的抗扰性。就幅值而言，其对噪声的抗扰性是更标准的检测方法的两倍。就功率而言，其是更标准检测方法抗扰性的四倍。该方法和更标准的方法之间的对比在限制了带宽的实际系统中变得更明显。
主要由各种转换器引起的频率相关的幅值和相位失真会引起很难预测和控制的各种偏离理想响应的变化。为此，在接收机中包括了相对的带通滤波器。该滤波器相比于转换器更窄带，因此，其效果决定了响应。
该滤波器可以用作同时提供多种功能。首先，它的带宽可以被选择得比转换器还要窄，用以来决定响应。其次，它可以提供与采样的系统结合使用的图形保真功能。第三，可以选择它的群延迟，使得通过调制匹配滤波器对其输出进行很好的解调。这第三个更细微的要求转换成多个半周期的群延迟的选择。在特定的实施例中，使用Q为1.8的滤波器，该滤波器影响着前面提到的三个问题的最好的组合。1.8的Q值提供了1/2周期的群延迟。由于上面的选择，可以足够好地确定峰值，以确保适当地选择n。信号的相位可以被用来进一步对位置测量求精，其是利用调制匹配滤波器技术得到的。
在特定的实施例中，音频载波为5680Hz，其在水平面上的波长为2.3英寸。脉冲持续时间为3.8ms。数字化采样速率是每秒钟22727个采样值。一次采样的峰值检测误差对应于90度的音频载波，所以n可以用+/-1个采样值的峰值检测误差来确定。实际上，利用中等的发射容量，对于小于10ft的距离，峰值检测误差只有在很严重的噪声条件下才会出现。因此，峰值检测精确度足以确定n。信号的相位可以被用来对测量求精，使其精确度近似为+/-0.1英寸。在这个特定的实施例中，为了从远程设备发射一个信息位到基站，可以使用两个不同的巴克码。这里有四种可能的7位巴克码(a)-+--+++(b)+-++---(c)+++--+-(d)---++-+在一个实施例中，使用上面的码a)和c)。所有的四种码通过其各自的巴克滤波器给出如图20所示的响应。码(a)的滤波器对于码(c)输入给出很差的响应，反之亦然。图24的示意图3400中示出了响应于码(c)输入的码(a)的巴克调制匹配滤波器的输出。相对较低的输出信号使得两个滤波器的输出可直接比较，以确定发射哪个码。
图25的示意图3500中示出了三角测量几何图。测量远程设备1025发射到麦克风2026a、2026b的信号的传播时间ta3510、tb3520。然后利用下式计算该距离la＝ctalb＝ctb其中c＝声音的速度利用下式计算远程设备的坐标x=la2-lb24d]]>并且y=lb2-(d-x)2]]>如公式所示出，y不能是负的，其反映出这种两个麦克风的几何图不可能唯一地区分出y＜0的位置。
或者，可以使用干涉测量技术来取代三角测量。在该方法中，在尺寸小于波长的图案中设置了多个麦克风。已知的结构和接收到的信号之间的相位关系用来确定发射机的方位。到达的时间确定了范围。范围和方位足以唯一地指定出二维中的位置。
在一个实施例中，三个等间距放置的麦克风构成二维表面平面上的等边三角形。因此，麦克风之间的间距是波长的150度。麦克风间隔得越近，下面的近似方位就变得越精确。但是，更近的间隔也导致对噪声和测量中出现的相位误差更敏感。很宽的麦克风放置方式减小了下面给出的近似方位的精确度，但也减小了对噪声的敏感度，以及在测量中出现的相位误差。可以选择150度的元件间隔，用以在这两个相对立的考虑因素之间找到适当的折衷点。
干涉测量技术的方法如下所述峰值检测算法确定到一个麦克风的到达时间。此时，存储从所有这三个麦克风中接收到的信号的值。这些值用来计算表示接收到的信号的方位的单位向量。单位向量乘以到达时间所确定的范围以确定发射机的坐标。
将在峰值检测时来自于三个麦克风的信号的存储的复数值定义为A、B和C，通过近似公式给出方位向量VVx≈13(cqai-ciaq-bqci+bicq)]]>并且Vy≈13(2aqbi-2aibq-bqci+bicq-cqai+ciaq)]]>其中按惯例选择A＝ai+jaq，并且j是 然后，单位方位向量U为Ux=Vx|V‾|,]]>并且，Uy=Vy|V‾|]]>最后，通过用范围R乘以单位方位向量U以计算位置PP＝UR上面的等式并不是精确的，而是出于简单考虑得出的，以容易地适用于低成本、低性能的微处理器。
图26的示意图3600中的曲线示出了用度数表示的单位向量U关于用度数表示的实际入射角的函数的偏差。在半径为10英尺的范围内对应于2.5英寸误差的最大方位误差为1.4度。该误差是对称的，如果需要的话可以将其消除。但是，注意，它说明了位置失真。在只有相对位置是重要的，且只在两个设备彼此间相对靠近的应用中，该失真的影响就变得不重要了。换句话说，当两个设备彼此间非常接近时，该近似值对它们的间隔或相对方位的计算都只有非常小的影响。
为了清楚理解，详细地描述了本发明。但是，应认识到，在所附权利要求的范围内可以进行一定的改变和修改。因此，尽管参考特定实施例和其附图描述了本发明，但这些实施例和附图仅是说明性的，而并不是对本发明的限制。相反，本发明的范围完全是由所附的权利要求来确定的。
权利要求
1.机电装置，包括机电设备，该机电设备由电力供电，并可以在支撑表面上在任何方向上转动和移动，所述机电设备具有多个电触点，该多个电触点在位置上彼此相互间隔开，用以与支撑表面进行电接触，所述电触点电连接到整流器电路，只要至少一个所述电触点处于第一电压电平并且至少另一个所述电触点处于第二电压电平，该整流器电路就能够对来自于所述电触点的电力进行整流；接触系统，该接触系统具有多个衬垫，该多个衬垫包括所述支撑表面的至少一部分，其中，一些所述衬垫处于第一电压电平，其它的所述衬垫处于第二电压电平，并且处于第一电压电平的衬垫与处于第二电压电平的衬垫交叉散布，其设置方式是这样的，即该机电设备在支撑表面上任何方向上的移动都可以导致至少一个触点接触处于第一电压电平的至少一个衬垫，并且至少另一个触点接触处于第二电压电平的至少一个衬垫。
2.一种用于为机电设备提供电力的方法，该机电设备可以移动到并定位在支撑表面上的若干个地方，该方法包括为该支撑表面提供具有多个处于一种电压电平的衬垫和多个处于另一种电压电平的衬垫，二者交叉散布；为该机电设备提供具有多个电触点，至少两个电触点彼此间隔开足够的距离以将所述触点中的一个定位成与处于所述一种电压电平的所述衬垫中的一个电接触，同时将所述触点中的另一定位成与处于所述另一种电压电平的所述衬垫中的另一个电接触；和对在所述触点之间流动的电流进行整流以提供用于操作所述机电设备的电力，而不用考虑究竟是所述触点中的哪一个定位成与处于所述一种电压电平的衬垫电接触，以及究竟是所述触点中的哪一个定位成与处于所述另一种电压电平的衬垫电接触。
3.一种游戏表面，包括多个第一衬垫；多个第二衬垫；电源联接器，其中，该电源联接器包括电连接到该多个第一衬垫的第一导线和电连接到该多个第二衬垫的第二导线，并且其中该第一导线和第二导线用于分别在第一电压电平和第二电压电平被偏置；和绝缘区，其中，该多个第一衬垫通过绝缘区与该多个第二衬垫间隔开。
4.如权利要求3所述的游戏表面，其中，该多个第一衬垫与该多个第二衬垫间隔开一定距离；并且其中该距离大于与放置在该游戏表面上的机电设备相关的接收触点的尺寸。
5.如权利要求3所述的游戏表面，其中，该游戏表面进一步包括变压器，其中，该变压器提供基于电力输入的电力输出，并且其中第一电压电平和第二电压电平是从该电力输出中导出的。
6.如权利要求5所述的游戏表面，其中，该电力输出是交流输出。
7.如权利要求3所述的游戏表面，其中，包括该多个第一衬垫、该多个第二衬垫和该绝缘区的游戏表面的上部分是连续的二维表面。
8.如权利要求3所述的游戏表面，其中，该多个第一衬垫、该多个第二衬垫和该绝缘区被设置成用以形成连续的三维表面。
9.如权利要求3所述的游戏表面，其中，该多个第一衬垫、该多个第二衬垫和该绝缘区被设置成用以形成不连续的三维表面。
10.如权利要求3所述的游戏表面，其中，该绝缘区是不导电的基底的一部分。
11.如权利要求10所述的游戏表面，其中，该多个第一衬垫设置在不导电的基底上。
12.如权利要求10所述的游戏表面，其中，该多个第一衬垫形成在不导电的基底内的多个印模内。
13.如权利要求3所述的游戏表面，其中，该多个第一衬垫、该多个第二衬垫和该绝缘区设置在不导电的基底上。
14.如权利要求3所述的游戏表面，其中，该多个第一衬垫中的至少一个被偏离地与该多个第一衬垫中的至少另一个分隔开。
15.如权利要求3所述的游戏表面，其中，该多个第一衬垫形成为多个基本上为多边形的衬垫。
16.如权利要求15所述的游戏表面，其中，该基本上为多边形的衬垫是基本上为矩形的衬垫。
17.一种接触系统，该接触系统包括表面，其中该表面包括基本上不导电的基底、多个第一衬垫和多个第二衬垫；其中，该多个第一衬垫和该多个第二衬垫放置在基本上不导电的基底上；并且其中该多个第一衬垫和该多个第二衬垫的上表面是连续的表面；和电源，其中，该电源电连接到该多个第一衬垫和该多个第二衬垫，并且其中该电源用于在第一电压电平偏置该多个第一衬垫，并且在第二电压电平偏置该多个第二衬垫。
18.如权利要求17所述的接触系统，其中，该电源是变压器。
19.如权利要求17所述的接触系统，其中，该连续的表面是从下面组成的一组中选出的连续二维的；和连续三维的。
20.一种游戏系统，该游戏系统包括游戏表面，其中，该游戏表面包括放置在基本上不导电的基底上的基本上不导电的绝缘区、多个第一衬垫和多个第二衬垫；电源，其中，该电源电连接到该多个第一衬垫和该多个第二衬垫，并且其中该电源用于在第一电压电平偏置该多个第一衬垫，并且在第二电压电平偏置该多个第二衬垫；机电设备，其中，该机电设备包括移动元件、电源存储元件和多个联接器；和其中，该多个联接器形成一电路，该电路包括该电源存储元件、多个联接器中的一个和多个第一衬垫中的一个之间的第一导电触点以及这些联接器中的另一个和多个第二衬垫中的一个之间的第二导电触点。
21.如权利要求20所述的游戏系统，其中，该电源存储元件包括从下面组成的一组中选出的设备电容器和充电电池。
22.如权利要求20所述的游戏系统，其中，该移动元件是从下面组成的一组中选出的腿、柔性刷子和轮子。
23.如权利要求20所述的游戏系统，其中，该基本上不导电的基底的至少一部分是由从下面组成的一组中选出的材料形成的塑料、玻璃、橡胶、纸纤维、陶瓷和硅。
24.如权利要求20所述的游戏系统，其中，该多个第一衬垫和该多个第二衬垫的上表面是连续的、二维的。
25.一种用于制作接触系统的方法，该方法包括提供基本上不导电的基底；在基本上不导电的基底上形成导电的材料；在导电的材料内限定出多个第一衬垫；在导电的材料内限定出多个第二衬垫；和在该多个第一衬垫和该多个第二衬垫之间限定出绝缘区。
26.如权利要求25所述的方法，其中，该方法进一步包括将电源联接器电连接到多个第一衬垫和多个第二衬垫，其中，该电源用于在第一电压电平偏置该多个第一衬垫，并且在第二电压电平偏置该多个第二衬垫。
27.如权利要求25所述的方法，其中，在基本上不导电的基底上形成导电的材料包括在导电的材料和基本上不导电的材料之间形成粘合层。
28.一种游戏系统，该游戏系统包括接触系统；放置在接触系统上的机电设备；和控制器系统，其中，该控制器系统包括发射机，用于将一个或多个命令发送到该机电设备；和接收机，用于接收与该机电设备有关的位置信息。
29.一种游戏系统，该游戏系统包括多个机电游戏设备，该多个机电游戏设备能够响应于移动命令而进行移动，并能够发送位置信号；无线接收机，其用以接收来自于该多个机电游戏设备的位置信号；适合于接收用户输入的多个用户输入设备；无线发射机，其将移动命令发送到该多个机电游戏设备；和处理系统，其与无线接收机、多个用户输入设备和无线发射机通信，该处理系统包括位置计算算法和游戏算法，该处理系统用于接收来自于多个用户输入设备的用户移动输入，根据位置计算算法和根据自特定的机电游戏设备接收的一个或多个连续的位置信号确定一特定的机电游戏设备的当前的位置、当前的方位以及当前的状态，根据游戏算法得到该特定的机电游戏设备希望的位置，用希望的位置处理当前的位置、当前的方位和当前的状态，从而确定用于该特定的机电游戏设备的移动命令，并将该移动命令从该游戏控制器发射到该特定的机电游戏设备。
30.一种控制游戏系统中的多个机电游戏设备的方法，该方法包括以下步骤从一个或多个用户输入设备接收用户移动输入；从一特定的机电游戏设备接收一个或多个连续的位置信号；根据位置计算算法和根据一个或多个连续的位置信号确定该特定的机电游戏设备的当前的位置、当前的方位以及当前的状态；根据游戏算法得到该特定的机电游戏设备希望的位置；和用希望的位置处理当前的位置、当前的方位和当前的状态，从而确定用于该特定的机电游戏设备的移动命令；以及将该移动命令发送到该特定的机电游戏设备；其中，该特定的机电游戏设备响应于该移动命令而进行移动。
31.如权利要求30所述的方法，其中，该特定的机电游戏设备通过反复接收该用户移动输入和该连续的位置信号，通过反复确定该特定的机电游戏设备的连续位置、连续方位和连续状态，并通过反复确定和发送连续的移动命令，而到达希望的位置。
32.一种用于定位多个远程设备中的一特定远程设备的定位系统，该定位系统包括射频(RF)发射机和天线；两个或多个间隔开的麦克风；和与RF发射机和两个或多个间隔开的麦克风通信的处理系统，该处理系统用以通过RF发射机将音频响应命令发射到该多个远程设备，响应于该音频响应命令在该两个或多个间隔开的麦克风内接收来自于该特定远程设备的音频响应信号，并确定该特定远程设备的单个位信息和相对于该两个或多个间隔开的麦克风的位置。
33.一种用于定位多个远程设备中的特定远程设备的定位方法，该方法包括通过RF发射机将音频响应命令发射到该多个远程设备；响应于该音频响应命令在两个或多个间隔开的麦克风内接收来自于该特定远程设备的音频响应信号；和确定该特定远程设备的单个位信息和相对于该两个或多个间隔开的麦克风的位置。
全文摘要
本文中公开了各种接触系统和用于制造并使用这些接触系统的方法。接触系统的例子包括表面，该表面具有一组处于第一电压电平的衬垫和另一组处于第二电压电平的衬垫，其例如可以用来将电力传递到放置在其上的机电设备。在一个特定的例子中，机电设备可以包括电源存储元件和两个或多个联接器。当联接器中的一个接触处于第一电压电平的衬垫，而联接器中的另一个接触处于第二电压电平的衬垫时，形成一个电路，在该电路中在第一电压电平和第二电压电平之间的差的结果被施加到电源存储元件上。电路的形成导致电源存储元件进行充电。可以从电源存储元件中得到电力以操作该机电设备。
文档编号A63F9/24GK1913941SQ200480041549
公开日2007年2月14日 申请日期2004年12月10日 优先权日2003年12月10日
发明者米奇·兰德尔 申请人:米奇·兰德尔