基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置，包括设有加速度传感器及无线数据传输模块的终端控制系统，以及设有无线数据传输模块用于接收所述加速度传感器的数值分量以控制实体平衡小球游戏装置的单片机控制系统。本发明提供的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置使得游戏装置可以很容易的与具有无线数据传输模块的终端设备如手机、平板电脑等相连，只需具有加速度传感器的终端安装了本发明设计的APP，即可方便的控制游戏装置进行游戏操作，这样的设计不但大大提高了传统机械类游戏装置的可扩展性，而且增强了手机游戏与现实的交互性，软件与硬件结合，更有扩展性和趣味性。
【专利说明】基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装
【技术领域】
[0001] 本发明涉及平衡小球游戏装置，具体是一种基于无线数据传输技术及重力感应控 制的平衡小球游戏装置。
【背景技术】
[0002] 目前手机游戏凭借其炫目的动画效果及优异的游戏体验成为了各阶段人群生活 中娱乐消遣的重要方式之一。目前的手机游戏的种类包括使用重力传感器或陀螺仪的重力 类游戏、使用麦克风的语音类游戏、完全依赖屏幕操作的屏幕类游戏等等。但各类游戏都有 一个共同点，就是仅依靠手机操作，这样就会导致开发范围仅局限于手机上，不但屏幕大小 有限，而且玩法也有局限性，很难实现推陈出新。此外，长期使用手机会给使用者的眼睛带 来危害，而且易使人沉迷于虚拟世界。因此若想改变目前游戏市场的格局，打开未来的市场 前景，降低手机游戏对使用者带来的身心伤害，利用手机控制实物装置的游戏将是一个独 特的发展方向。将虚拟的手机游戏与实物相结合在目前的游戏市场上是一个新的领域，其 独特的操控方式和逼真的游戏体验使其具备很有优势的发展前景。
[0003] 申请号为201120173227. 8的专利申请提供了一种互动式滚动球游戏装置。其特 征在于，包括：背景板；滚动球；设置在上述背景板上的、供滚动球滚动通过的轨道槽；位 于轨道槽中的多个方向调节部件；和分别通过传动装置与上述多个方向调节部件连接的操 作盘。该游戏装置基于传统的滚动球游戏装置而设计出的可组装的新型儿童益智类教育游 戏装置。该方案中所提供的游戏装置为纯机械结构的实物装置而无法实现远程控制，无法 实现无线通信，这样就大大降低了娱乐性和可扩展性。此外，该项目的游戏虽然可以组装， 但是模式较为单一，机械结构较为复杂且不能实现场景的变换和模块的重构。单纯的机械 结构使得游戏的可扩展性较差，玩法很难创新。操作也不够灵活。因而面对的使用群体也 较为单一。
[0004] 申请号为201310039913. X的专利申请提供了一种模拟重力球游戏装置的跳跃处 理方法及模拟重力球游戏装置。该模拟重力球游戏装置包括外壳、以及安装在外壳上的显 示屏、存储单元、三维感测模块和运算单元等。该方法包括：调用场景数据，并在显示屏上 显示出游戏场景；并调用重力球数据，模拟重力球出现在游戏场景中；通过三维感测模块 感测三维运动数据，并结合场景数据，模拟出重力球在游戏场景中运动；其中，三维运动 数据包括坚直方向的坚直加速度、以及水平方向的水平加速度；模拟重力球游戏装置根据 坚直加速度、水平加速度，并结合重力加速度，运算处理得到重力球的跳跃轨迹，并结合 场景数据，模拟得到重力球在游戏场景中的跳跃运动。该方案中所提供的技术也将实物装 置游戏与电子显示屏相结合，在电子屏上显示重力球的跳跃轨迹，但该游戏装置缺少了控 制终端，在玩法上不够创新，较为单一，因此降低了游戏的娱乐性和扩展性。
【发明内容】
[0005] 本发明的首要目的在于提供一种将传统的纯机械类游戏与纯软件类游戏结合，基 于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置，为实现上述目的本发明的具体 方案如下：
[0006] -种基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置，包括设有加速 度传感器及无线数据传输模块的终端控制系统，以及设有无线数据传输模块用于接收所述 加速度传感器的数值分量以控制实体平衡小球游戏装置的单片机控制系统。
[0007] 优选的，所述终端控制系统还包括：
[0008] 加速度数值分析单元，所述加速度数值分析单元获取加速度传感器的数值分量并 进行分析，提取出需要的数据；
[0009] 数据传输算法单元，所述数据传输算法单元用于实现将加速度传感器的数据优化 并封包成安全、易于传输的形式。
[0010] 优选的，所述终端控制系统还包括：
[0011] 小球模拟单元，所述小球模拟单元根据加速度传感器的数值分量实时绘制模拟小 球图像。
[0012] 优选的，所述实体平衡小球游戏装置包括：
[0013] 底座、方台迷宫以及升降装置；
[0014] 所述底座通过两个大扭力舵机提供X轴、Y轴方向上的自由度；
[0015] 所述方台迷宫包括固定挡板以及通过小扭力舵机控制的移动挡板，所述固定挡板 设于所述底座外围，复数块所述移动挡板构成可变换的迷宫通道，所述迷宫通道设有陷阱 以及同于检测实体小球经过的检测传感器；
[0016] 所述升降装置包括设于所述陷阱入口的触碰开关，所述升降装置用于将掉入陷阱 中的实体小球输送回所述方台迷宫。
[0017] 优选的，所述单片机控制系统包括：
[0018] 舵机控制模块，所述舵机控制模块根据加速度传感器的数值控制大扭力舵机，进 而控制所述底座的动作；所述舵机控制模块还通过控制所述小扭力舵机实现所述迷宫通道 的变换。
[0019] 优选的，所述舵机控制模块包括7805稳压芯片，所述7805稳压芯片输入端和输出 端分别设有滤波电容。
[0020] 优选的，所述舵机控制模块包括三块7806稳压芯片并联构成的稳压芯片组，所述 稳压芯片组的输入端和输出端分别设有滤波电容，所述稳压芯片组的输出端与所述小扭力 舵机电连接。
[0021] 优选的，所述单片机控制系统包括：
[0022] 计分模块，所述计分模块包括红外发射管、红外接收管以及集成运放电路，所述红 外发射管与所述红外接收管相对设置，所述红外接收管的输出端连接于所述集成运放的同 相输入端，所述集成运放的反相输入端则通过电位器输入可调的参考电压。
[0023] 优选的，所述单片机控制系统包括：
[0024] 显示模块，所述显示模块包括四个八段数码管，每个所述数码管由八个共阳极的 LED灯组成。
[0025] 优选的，所述无线数据传输模块为蓝牙模块。
[0026] 本发明提供的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置使得 游戏装置可以很容易的与具有无线数据传输模块的终端设备如手机、平板电脑等相连，只 需具有加速度传感器的终端安装了本发明相关应用程序，即可方便的控制游戏装置进行游 戏操作，这样的设计不但大大提高了传统机械类游戏装置的可扩展性，而且增强了手机游 戏与现实的交互性，软件与硬件结合，更有扩展性和趣味性。并且游戏装置利用舵机和随 机算法的配合使装置表面的迷宫可以实现自我重构，从而大大增大了游戏的可玩性和新鲜 度。另外，本发明的升降台装置可以使游戏自动重新开始，实现了游戏装置的智能化，提升 了游戏的完整度。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的不当限定，在附图中：
[0028] 图1为本发明实施系统结构示意图；
[0029] 图2为本发明实施数据传输算法单元结构示意图；
[0030] 图3为本发明实终端坐标分量示意图；
[0031] 图4a为本发明实施实体平衡小球游戏装置结构示意图；
[0032] 图4b为本发明实施方台迷宫结构示意图；
[0033] 图5为本发明实施7805稳压模块接线图；
[0034] 图6为本发明实施稳压芯片组接线图；
[0035] 图7为本发明实施计分模块电路原理图；
[0036] 图8为本发明实施显示模块电路原理图。
【具体实施方式】
[0037] 下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例 以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0038] 实施例
[0039] 如图1所示，一种基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置， 包括：
[0040] 终端控制系统，该终端控制系统设有加速度传感器及无线数据传输模块；本发明 中的终端为智能手机，因此也可以成为智能手机控制系统；
[0041] 单片机控制系统，单片机控制系统设有无线数据传输模块用于接收所述加速度传 感器的数值分量以控制实体平衡小球游戏装置；
[0042] 目前市场上主流的三种无线通信协议分别为Wi-Fi、蓝牙、ZigBee。相比之下，三者 虽均为短距离无线通信技术，均使用2. 4GHz频段，但Wi-Fi功耗相当大，蓝牙次之，ZigBee 最低；对于传输速率、传输距离、硬件成本等也是同等的递减顺序。再者，新一代的智能手机 基本都集成了 Wi-Fi及蓝牙功能，开启功能后与单片机直接连接或者配对即可，方便快捷。 其次，在同等的短距离无线传输模块当中，综合传输速率、功率消耗、硬件成本等各方面考 虑，蓝牙模块是本发明最为适合的无线传输模块。而且蓝牙技术早已普及在多数移动设备 上，无需其他模块即可与实物游戏设备匹配连接，非常方便。其次，在蓝牙设备的相互连接 方面，为省去连接前的搜索、匹配等繁杂琐碎的步骤，在开发控制应用之际便直接将装置上 的蓝牙模块的MAC地址绑定到应用中，只要打开应用，手机将自动完成搜索、配对等一系列 过程从而实现了蓝牙的快速连接，一定程度上提升了用户体验。
[0043] 在蓝牙设备传输数据方面，由于最适宜用蓝牙传输的数据类型为字符串，而手机 重力坐标数值为单精度浮点型，游戏装置端的大舵机的控制信息为整型。为此，本发明设计 了一套蓝牙数据传输优化算法，即数据传输算法，可直接解决此问题：数据传输算法单元， 所述数据传输算法单元用于实现将加速度传感器的数据优化并封包成安全、易于传输的形 式。结合图1、图2所示，经研究发现，最适宜用蓝牙传输的数据类型为字符串，且采用字符 串能保存位数更宽、信息量更大的数据，采用ASCII码编制，每位可表示127个不同的字符， 其优越性及表现数据的丰富性可见一斑。本实施例中，携带信息的字符串由" $ "开头，第1 位（从〇开始编号）及第2位分别表示加速度传感器X、Y轴坐标分量的数值；第3位设置 成" # "以隔开不同性质的数据使之不互相干扰，一定程度上可以提高所发送数据的安全性 和准确性；第4、5位则分别表示游戏音乐的开关和用于提醒游戏者摇晃手机的幅度过大而 设置的振动开关；第6?9位这四位则表示游戏的得分，其范围为0?9999分。由于传输 位数较少且对传输速率有较高的要求，本算法并未设置校验位。
[0044] 此外，终端控制系统还包括了加速度数值分析单元，所述加速度数值分析单元获 取加速度传感器的数值分量并进行分析，提取出需要的数据，如图3所示，图3所示为手机 为例的终端坐标分量的标示。当手机平放在水平桌面上时，X轴和y轴分量数值均在0. 0左 右，z轴为屏幕法线，其值的改变不影响本算法，故不予考虑。当分别绕X轴和y轴转动手 机时，相应的分量数值将在-9. 999999?9. 999999的范围内变化。结合游戏装置，两个坐 标轴都只取-4. 0?4. 0为有效转动幅度，而控制装置转动的两个舵机的转动幅度只取-20 度?20度（取装置在水平状态下两舵机的度数为0度）。为形成--映射，手机坐标分量 数值每改变〇. 2对应的舵机就要转动1度，如手机X轴的值从0. 0变为0. 2, X轴舵机就要 从〇度转到1度。
[0045] 作为上述实施例方案的改进，终端控制系统还包括小球模拟单元，所述小球模拟 单元根据加速度传感器的数值分量实时绘制模拟小球图像。从而操作者不仅可以从实体平 衡小球游戏装置观察，也可以通过终端屏幕观察游戏进展效果。
[0046] 本发明的游戏过程为用户通过摇晃手机以控制实体小球穿越迷宫，躲避障碍及陷 阱，并尽可能多地通过得分项目得分（绿灯），避免减分项目（红灯）。随着时间的推移，游 戏难度会不断加大，一旦小球掉入陷阱中，游戏结束。结合以上过程，本装置如图4a及4b所 示，本发明还提供了一种实体平衡小球游戏装置，包括底座41、方台迷宫42以及升降装置 43 ;所述底座41通过两个大扭力舵机提供X轴、Y轴方向上的自由度，与终端控制系统的加 速度感应器的X轴、Y轴对应，通过驱动两个大扭力舵机使底座41与终端同步同向摆动；
[0047] 所述方台迷宫42包括固定挡板421以及通过小扭力舵机控制的移动挡板422,移 动挡板422通过十二个小扭力舵机来控制，会随机转动，从而使得游戏格局会随时间改变， 使游戏环境变得更复杂，提高了娱乐性，所述固定挡板421设于所述底座41外围，复数块所 述移动挡板422构成可变换的迷宫通道，所述迷宫通道设有陷阱以及同于检测实体小球经 过的检测传感器；此外，方台迷宫42还可以设置实体小球经过时加分的绿灯以及实体小球 经过时减分的红灯，检测传感器位于红灯、绿灯附近；
[0048] 所述升降装置43包括设于所述陷阱入口的触碰开关，所述升降装置43用于将掉 入陷阱中的实体小球输送回所述方台迷宫42。
[0049] 针对上述实施例提供的实体平衡小球游戏装置，所述单片机控制系统包括：
[0050] 舵机控制模块，所述舵机控制模块根据加速度传感器的数值控制大扭力舵机，进 而控制所述底座的动作；所述舵机控制模块还通过控制所述小扭力舵机实现所述迷宫通道 的变换，本发明采用Arduino mega2560作为MCU，并选用了辉盛MG90S作为控制挡板转动的 舵机。由于舵机的转动需PWM信号驱动，而MCU可用于输出PWM的引脚个数有限，不能满足 需求。故本发明采用了十六路舵机控制器模块，可用于同时对十二个小扭力舵机进行控制， 完美地解决了 MCU上PWM引脚不足的问题。
[0051] 如图5所示，由于大扭力舵机、小扭力舵机及其他模块所需电压、电流均有差异， 本发明特为舵机控制模块"量身订做" 了电源模块，具体如下：所述舵机控制模块包括7805 稳压芯片，所述7805稳压芯片输入端和输出端分别设有滤波电容，即可输出稳定的5伏电 压及1安电流，从而保证全部元器件能够正常工作。
[0052] 如图6所示，由于十六路舵机控制器的工作电压为6V?7. 2V，而经多次理论计算 及实际测试发现，12个小舵机同时工作时电流能达到2A左右，所述舵机控制模块包括三块 7806稳压芯片并联构成的稳压芯片组，所述稳压芯片组的输入端和输出端分别设有滤波电 容，所述稳压芯片组的输出端与所述小扭力舵机电连接，以达到输出6V、最大3A的电流，保 证舵机控制器及舵机的正常工作。
[0053] 如图7所示，所述单片机控制系统还可以包括：计分模块，所述计分模块包括红外 发射管、红外接收管以及集成运放电路，所述红外发射管与所述红外接收管相对设置，所述 红外接收管的输出端连接于所述集成运放的同相输入端，所述集成运放的反相输入端则通 过电位器输入可调的参考电压，工作状态下，红外发射管不断地向外发射红外线，若有能反 射红外光的实体小球靠近红外发射管、红外接收管适当距离时，红外接收管能检测到经该 实体小球反射的红外光，通过单片机控制系统加分或减分，利用终端如智能手机自身的存 储空间SharedPreference实现在手机端存储、读取游戏设置及游戏得分等相关信息。
[0054] 如图8所示，作为本发明实施例的优选方案，所述单片机控制系统包括显示模块， 所述显示模块该模块用于游戏装置实时显示游戏得分，本发明综合考虑了性能及设计难度 等多方面的因素，且经过多次实验，最后采用四位八段共阳的数码管作为显示模块。该模块 由四个八段数码管连结而成，每个数码管由八个共阳极的LED灯组成，其显示原理是利用 人眼的视觉暂留和发光二极管的余晖效应，每隔一段极短的时间便点亮想要显示的数值所 对应的数码管，并适当延迟显示时间，这样在人眼看来便是持续亮着的数字。因此当给数码 管不同的段位置以高低电平时，能使之组合出不同的数字显示出来。将所有数码管相同段 da, db, dc, dd, de, df, dg，dp连在一起，连同各个数码管阳极分别于与MCU上的10 口相接。
[0055] 本发明结合了虚拟与现实，利用软件控制实物游戏装置，弥补了传统游戏的不足 之处，给用户带来了一个充分整合了现实和数字世界的游戏效果。在如今这个充斥着智能 手机与平板电脑的生活中，将现实与数字结合起来从而具有现实生活的移动交互性是手机 游戏的发展空间。而软件控制实物游戏装置可以将人从电子的纯虚拟世界中解脱出来，具 有很强的人机交互、移动交互性。并且提供了玩法的多种可能性，具有很强的发展前景。软 件控制实物游戏装置将软件与硬件相结合，虚拟和现实相结合，带来独特游戏体验。
[0056] 以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例 对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本 发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方 式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【权利要求】
1. 一种基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置，其特征在于包 括： 设有加速度传感器及无线数据传输模块的终端控制系统，以及设有无线数据传输模块 用于接收所述加速度传感器的数值分量以控制实体平衡小球游戏装置的单片机控制系统。
2. 如权利要求1所述的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置， 其特征在于，所述终端控制系统还包括： 加速度数值分析单元，所述加速度数值分析单元获取加速度传感器的数值分量并进行 分析，提取出需要的数据； 数据传输算法单元，所述数据传输算法单元用于实现将加速度传感器的数据优化并封 包成安全、易于传输的形式。
3. 如权利要求1所述的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置， 其特征在于，所述终端控制系统还包括： 小球模拟单元，所述小球模拟单元根据加速度传感器的数值分量实时绘制模拟小球图 像。
4. 如权利要求1所述的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置， 其特征在于，所述实体平衡小球游戏装置包括： 底座、方台迷宫以及升降装置； 所述底座通过两个大扭力舵机提供X轴、Y轴方向上的自由度； 所述方台迷宫包括固定挡板以及通过小扭力舵机控制的移动挡板，所述固定挡板设于 所述底座外围，复数块所述移动挡板构成可变换的迷宫通道，所述迷宫通道设有陷阱以及 同于检测实体小球经过的检测传感器； 所述升降装置包括设于所述陷阱入口的触碰开关，所述升降装置用于将掉入陷阱中的 实体小球输送回所述方台迷宫。
5. 如权利要求4所述的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置， 其特征在于，所述单片机控制系统包括： 舵机控制模块，所述舵机控制模块根据加速度传感器的数值控制大扭力舵机，进而控 制所述底座的动作；所述舵机控制模块还通过控制所述小扭力舵机实现所述迷宫通道的变 换。
6. 如权利要求5所述的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置， 其特征在于： 所述舵机控制模块包括7805稳压芯片，所述7805稳压芯片输入端和输出端分别设有 滤波电容。
7. 如权利要求5所述的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置， 其特征在于： 所述舵机控制模块包括三块7806稳压芯片并联构成的稳压芯片组，所述稳压芯片组 的输入端和输出端分别设有滤波电容，所述稳压芯片组的输出端与所述小扭力舵机电连 接。
8. 如权利要求4所述的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置， 其特征在于，所述单片机控制系统包括： 计分模块，所述计分模块包括红外发射管、红外接收管以及集成运放电路，所述红外发 射管与所述红外接收管相对设置，所述红外接收管的输出端连接于所述集成运放的同相输 入端，所述集成运放的反相输入端则通过电位器输入可调的参考电压。
9. 如权利要求8所述的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装置， 其特征在于，所述单片机控制系统包括： 显示模块，所述显示模块包括四个八段数码管，每个所述数码管由八个共阳极的LED 灯组成。
10. 如权利要求1所述的基于无线数据传输技术及重力感应控制的平衡小球游戏装 置，其特征在于： 无线数据传输模块为蓝牙模块。
【文档编号】A63F13/235GK104096358SQ201410337301
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】陈虹, 黄文恺, 颜卓增, 钟智潮, 林若剑, 李雪, 陈佳宇, 谢海涛, 伍冯洁, 朱静, 姚佳岷, 韩晓英 申请人:广州大学