游戏设备中利用人体脚踏输入的控制电路的制作方法

本实用新型涉及一种游戏控制电路，属于游戏设备技术领域，尤其是指一种游戏设备中利用人体脚踏输入的控制电路。

背景技术：

目前，市面上绝大多数的VR虚拟现实游戏设备的人机交互输入设备普遍采用摇杆等手部输入结构形式，也就是通过人手操控进行人机交互，这种结构形式的缺陷是会对手部造成限制，无法空出手部进行一些真实模拟动作，例如持枪射击等，因此真实体验感比较欠缺。虽然市面上也有一些采用脚部输入作为人机交互控制输入，但是结构比较复杂，而且采用的是断续的开关量作为信号输入，人体操控舒适度有待提高，人机交互效果也不够理想。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺陷与不足，提供一种游戏设备中利用人体脚踏输入的控制电路，该控制电路采用脚部输入控制人机交互，而且采用电磁制动阻尼技术，通过对人体重量的检测，取得不同个体的惯量参数，对应不同的伺服电机阻尼程度，使得脚部在运动输入时，有舒适的阻尼体感，同时通过活动底盘带动伺服电机转动，然后检测编码盘的位置信息，可以得到脚部的运动方位和力度，再发送给游戏上位机实现人机交互。

为了实现上述目的，本实用新型按照以下技术方案实现：

一种游戏设备中利用人体脚踏输入的控制电路，包括有若干位于活动底盘的磅秤传感器及位于固定底盘且与活动底盘传动连接配合的正交布置的A 路伺服电机和B路伺服电机；还包括有系统供电电路模块、微控制器电路模块、体重测量电路模块、A路PWM高低压侧驱动电路模块、A路PWM三相功率开关桥电路模块、A路编码器接口及信号调理电路模块、B路PWM高低压侧驱动电路模块、B路PWM三相功率开关桥电路模块、B路编码器接口及信号调理电路模块、及485通信电路模块，其中：上述体重测量电路模块与微控制器电路模块连接，用以检测人体重量数据且计算人体重量；上述微控制器电路模块、A路PWM高低压侧驱动电路模块、A路PWM三相功率开关桥电路模块、A路伺服电机、A路编码器接口及信号调理电路模块相互连接形成A路伺服电机输入反馈控制电路；上述微控制器电路模块、B路PWM 高低压侧驱动电路模块、B路PWM三相功率开关桥电路模块、B路伺服电机、 B路编码器接口及信号调理电路模块相互连接形成B路伺服电机输入反馈控制电路。

进一步，所述系统供电电路模块包括有输入自恢复保险丝、第一级5V电压变换电路单元、滤波电路单元及第二级3.3V低压差线性稳压电路单元。

进一步，所述微控制器电路模块包括有微控制器芯片、微控制器电源退耦电路单元、微控制器复位电路单元、微控制器时钟振荡网络电路单元及微控制器固件烧录接口电路单元。

进一步，所述体重测量电路模块具有四路相同的测量电路，分别与位于活动底盘的四个磅秤传感器连接，每一测量电路包括有称重芯片、称重芯片电源退耦电路单元、磅秤传感器电源滤波稳压电路单元、称重芯片内部参考电源滤波电路单元、称重芯片通信总线上拉电路单元、及磅秤传感器接口电路单元。

进一步，所述A路PWM高低压侧驱动电路模块包括有A路PWM高压侧驱动电路和A路PWM低压侧驱动电路，所述B路PWM高低压侧驱动电路模块包括有B路PWM高压侧驱动电路和B路PWM低压侧驱动电路，其中：

所述A路PWM高压侧驱动电路包括有A路高压侧驱动供电电路单元、 A路PWM信号缓冲放大电路单元、限流上拉电路单元、A路PWM信号悬浮驱动芯片、及芯片稳压退耦滤波电路单元；所述B路PWM高压侧驱动电路的电路构造与A路PWM高压侧驱动电路的电路构造相同；

所述A路PWM低压侧驱动电路包括有A路PWM低压侧驱动芯片、信号输入电阻电路单元及芯片退耦电路单元；所述B路PWM低压侧驱动电路的电路构造与A路PWM低压侧驱动电路的电路构造相同。

进一步，所述A路PWM三相功率开关桥电路模块包括有A路三相同步交流伺服电机动力线接口电路单元、A路三相桥式开关电路单元、开关管驱动电路单元、平滑滤波电路单元、及静电泄放电路单元；所述B路PWM三相功率开关桥电路模块的电路构造与A路PWM三相功率开关桥电路模块的电路构造相同。

进一步，所述A路编码器接口及信号调理电路模块包括有编码器接口电路单元、编码器输入信号RC滤波电路单元、斯密特抗干扰输入芯片、及芯片电源退耦滤波电路单元；所述B路编码器接口及信号调理电路模块的电路构造与A路编码器接口及信号调理电路模块的电路构造相同。

进一步，所述485通信电路模块包括有通信接口及系统供电电路单元、通信芯片、芯片电源退耦电路单元、静电钳位电路单元。

进一步，所述控制电路还包括有零点检测电路模块，该零点检测电路模块包括有A、B两路零点输入接口电路单元、高电平电路单元、RC抗干扰滤波电路单元及信号钳位电路单元。

进一步，所述控制电路还包括有阻尼微调和启停电路模块，该阻尼微调和启停电路模块包括有阻尼微调和启停开关接口电路单元、阻尼微调信号RC 抗干扰滤波电路单元、阻尼微调信号钳位电路单元、启停信号RC抗干扰滤波电路单元、及启停信号钳位电路单元。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果为：

本实用新型在国内外的VR虚拟游戏硬件领域中，在VR虚拟现实跑步机游戏设备中率先采用了电磁制动阻尼技术，通过对人体重量的检测，取得不同个体的惯量参数，对应不同的伺服电机阻尼程度，使得脚部在运动输入时，有舒适的阻尼体感，同时通过活动底盘带动伺服电机转动，然后检测编码盘的位置信息，可以得到脚部的运动方位和力度，再发送给游戏上位机实现人机交互。

本实用新型的脚部输入的体感舒适自然，使得玩家在玩游戏时，手脚并用成为可能，给VR虚拟现实跑步机游戏设备中带来了全新的舒适自然感，开拓了一个更为先进的脚部摇杆技术方向。

为了能更清晰的理解本实用新型，以下将结合附图说明详细阐述本实用新型的具体实施方式。

附图说明

图1是本实用新型的电路连接框图。

图2是图1中系统供电电路模块的电路图。

图3是图1中微控制器电路模块的电路图。

图4是图1中体重测量电路模块的电路图。

图5a、5b、5c是图1中A路、B路PWM高低压侧驱动电路模块的电路图。

图6a是图1中A路三相同步交流伺服电机动力线接口电路单元电路图，图6b是静电泄放电路单元电路图，图6c是B路三相同步交流伺服电机动力线接口电路单元电路图，图6d是A路三相桥式开关电路单元电路图，图6e 是B路三相桥式开关电路单元电路图。

图7a是图1中A路编码器接口电路图，图7b是B路编码器接口电路图，图7c是信号调理电路模块电路图。

图8是图1中485通信电路模块的电路图。

图9是图1中零点检测电路模块的电路图。

图10是图1中阻尼微调和启停电路模块的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述游戏设备中利用人体脚踏输入的控制电路，包括有若干位于活动底盘的磅秤传感器及位于固定底盘且与活动底盘传动连接配合的正交布置的A路伺服电机和B路伺服电机；还包括有系统供电电路模块、微控制器电路模块、体重测量电路模块、A路PWM高低压侧驱动电路模块、A路PWM三相功率开关桥电路模块、A路编码器接口及信号调理电路模块、B路PWM高低压侧驱动电路模块、B路PWM三相功率开关桥电路模块、B路编码器接口及信号调理电路模块、及485通信电路模块，其中：上述体重测量电路模块与微控制器电路模块连接，用以检测人体重量数据且计算人体重量；上述微控制器电路模块、A路PWM高低压侧驱动电路模块、A 路PWM三相功率开关桥电路模块、A路伺服电机、A路编码器接口及信号调理电路模块相互连接形成A路伺服电机输入反馈控制电路；上述微控制器电路模块、B路PWM高低压侧驱动电路模块、B路PWM三相功率开关桥电路模块、B路伺服电机、B路编码器接口及信号调理电路模块相互连接形成B 路伺服电机输入反馈控制电路。

如图2所示，所述系统供电电路模块包括有输入自恢复保险丝、第一级 5V电压变换电路单元、滤波电路单元及第二级3.3V低压差线性稳压电路单元。输入自恢复保险丝F1能够对电路系统供电起到过流保护作用；C24是输入滤波电容，U18为非线性开关型稳压芯片，D12为肖特基续流二极管，L2 为电感，C22为平滑电容，C24、U18、D12、L2、C22共同组成第一级5V电压变换电路单元；C105和L1、C22共同组成滤波电路单元，滤除电源高频纹波与噪音；U12与C56、C57组成第二级3.3V低压差线性稳压电路单元。

如图3所示，所述微控制器电路模块包括有微控制器芯片、微控制器电源退耦电路单元、微控制器复位电路单元、微控制器时钟振荡网络电路单元及微控制器固件烧录接口电路单元。U13是微控制器芯片；C37、C58、C63、 C61组成微控制器电源退耦电路单元；C62和R95组成微控制器复位电路单元；X1和C59、C60组成微控制器时钟振荡网络电路单元；JP5是微控制器的固件烧录接口。

如图4所示，所述体重测量电路模块具有四路相同的测量电路，分别与位于活动底盘的四个磅秤传感器连接，每一测量电路包括有称重芯片、称重芯片电源退耦电路单元、磅秤传感器电源滤波稳压电路单元、称重芯片内部参考电源滤波电路单元、称重芯片通信总线上拉电路单元、及磅秤传感器接口电路单元。由于四路测量电路的电路构造相同，以其中一路进行说明，U14 是称重芯片；R64、C77、C78、C87组成称重芯片电源退耦电路单元；Q15 是扩大提供传感器稳压电源的电流，C75、C81对传感器电源滤波，R102、R103 是传感器稳压电源的电压值设定网络，R92、R99、C85是传感器输入RC滤波网络，共同组成磅秤传感器电源滤波稳压电路单元；C83是称重芯片内部参考电源滤波电路单元，对芯片内部参考电源进行滤波；R106、R107为芯片通信总线的上拉电阻；JP8是300KG的磅秤传感器接口。

如图5所示，所述A路PWM高低压侧驱动电路模块包括有A路PWM 高压侧驱动电路和A路PWM低压侧驱动电路，所述B路PWM高低压侧驱动电路模块包括有B路PWM高压侧驱动电路和B路PWM低压侧驱动电路，其中：

如图5a所示，所述A路PWM高压侧驱动电路包括有A路高压侧驱动供电电路单元、A路PWM信号缓冲放大电路单元、限流上拉电路单元、A路 PWM信号悬浮驱动芯片、及芯片稳压退耦滤波电路单元，其中：B4、B5、 B6为U、V、W高压侧驱动的悬浮电压变换模块，C68、C69、C70为其输入滤波电容；R50、R51、Q14组成A路PWM信号缓冲放大电路单元，驱动U5、 U6、U7的内部LED.缓解微控制器的输出压力；R52、R53、R54为限流上拉电阻，组成限流上拉电路单元；U5、U6、U7为U、V、W三路高压侧的PWM 信号悬浮驱动芯片；D5、C24、C27、R55、C30，D4、C25、C28、R56、C31， D65、C26、C29、R57、C32为芯片的稳压及退耦滤波电路单元；如图5b所示，所述B路PWM高压侧驱动电路的电路构造与A路PWM高压侧驱动电路的电路构造相同；

如图5c所示，所述A路PWM低压侧驱动电路包括有A路PWM低压侧驱动芯片、信号输入电阻电路单元及芯片退耦电路单元；所述B路PWM低压侧驱动电路的电路构造与A路PWM低压侧驱动电路的电路构造相同。U9、U10、U11为A路和B路PWM低压侧驱动芯片；R83、R84、R85、R86、R87、 R88、R89、R90为A路和B路的信号输入电阻；C50、C51、C52、C53、C54、 C55为芯片U9、U10、U11的退耦电容。

如图6a至图6e所示，所述A路PWM三相功率开关桥电路模块包括有A 路三相同步交流伺服电机动力线接口电路单元、A路三相桥式开关电路单元、开关管驱动电路单元、平滑滤波电路单元、及静电泄放电路单元，其中：JP1 为A路三相同步交流伺服电机的动力线接口；Q1、Q2、Q5、Q6、Q9、Q10 组成A路的U、V、W三相桥式开关电路单元，其中Q1、Q5、Q9是该桥式开关的高位电压侧，Q2、Q6、Q10是该桥式开关的低位电压侧；R3、R7、 R4、R8、R11、R15、R12、R16、R22、R24、R20、R25是开关管的驱动电阻； C3为平滑滤波电容，能够有效平滑电磁制动阻尼的颗粒感；R1、R2、C1、 C2组成静电泄放电路单元；所述B路PWM三相功率开关桥电路模块的电路构造与A路PWM三相功率开关桥电路模块的电路构造相同。

如图7a至图7c所示，所述A路编码器接口及信号调理电路模块包括有编码器接口电路单元、编码器输入信号RC滤波电路单元、斯密特抗干扰输入芯片、及芯片电源退耦滤波电路单元，其中：J2为编码器DB9接口，C31、 C22、C23组成编码器的供电滤波；RP1、C33、C34、C35、C36组成编码器输入信号RC滤波电路单元；U1为斯密特抗干扰输入芯片；R19、C40、C41为芯片的电源退耦滤波电路单元；所述B路编码器接口及信号调理电路模块的电路构造与A路编码器接口及信号调理电路模块的电路构造相同。

如图8所示，所述485通信电路模块包括有通信接口及系统供电电路单元、通信芯片、芯片电源退耦电路单元、静电钳位电路单元。其中，JP7是系统的外部通信和电源供给接口；U8是通信芯片；R73、C38、C39是芯片电源退耦电容；R77、R78、R76、D9、D11、D12组成静电钳位电路单元，起到对输入信号进行静电钳位，保护通信芯片的作用。

如图9所示，所述控制电路还包括有零点检测电路模块，该零点检测电路模块包括有A、B两路零点输入接口电路单元、高电平电路单元、RC抗干扰滤波电路单元及信号钳位电路单元。其中，JP3为A，B两路零点输入接口； R79、R81为感应开关的开路输出提供电流受限的高电平来源；R80、R82、 C48、C49为输入信号的RC抗干扰滤波；信号经过D13钳位到3.3V后送入微控制器。

如图10所示，所述控制电路还包括有阻尼微调和启停电路模块，该阻尼微调和启停电路模块包括有阻尼微调和启停开关接口电路单元、阻尼微调信号RC抗干扰滤波电路单元、阻尼微调信号钳位电路单元、启停信号RC抗干扰滤波电路单元、及启停信号钳位电路单元。其中，JP4为玩家的体感电磁制动阻尼微调和启停开关接口；R96、C73为阻尼微调输入信号的RC抗干扰滤波，阻尼微调电压信号经过D15钳位到3.3V后送入微控制器；R98,C74为启停输入信号的RC抗干扰滤波，启停信号经过D15钳位到3.3V后送入微控制器。

本实用新型控制电路的基本工作原理为：

运动底盘上装有四个磅称传感器，通过四路称重测量电路进行采集，微控制器取其数值总和，再减去毛重，即可得到人体的重量。根据人体的重量，换算出底盘的电磁制动阻尼系数。使得微处理器发出受控的A、B两路PWM 开关波形，每路各自分解为高低压侧驱动输入信号，经过各自的高低压驱动后，控制各自的PWM三相桥式开关管。使得人体脚部运动带动电机产生的再生能量，通过三相桥式功率开关管短路后，消耗在电机的内阻上；

同时，玩家脚部运动或者重心偏移后，使得底盘高低变化带动电机转动，使得电机的编码盘的位置信息有变化，通过采集两个正交安装在底座电机编码盘的位置信息变化，得到与玩家的输入意图一致的方位和力度信息，通过 485通信总线反馈给游戏上位机。游戏上位机收到运动信息后，将数据提供给 3D影片内，使得3D影片内的第一人称游戏和玩家的动作保持一致。

另外，在游戏设备的扶手圈上安装一个电位器，做为玩家可以自己进行阻尼微调，以及一个启停开关，控制游戏的开始结束；在活动底盘的水平位置点上，装有正交的两个过零点检测，可以校正输入数据的零点值。

本实用新型并不局限于上述具体实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变型不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型。