专利名称：定向照明手腕灯及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种可以对手腕运动进行捕捉和反应的手腕灯。特别是涉及一种利用MEMS加速度计与MEMS陀螺仪进行动作捕捉，通过微处理器与伺服电机进行光线控制的定向照明手腕灯及其控制方法。
背景技术：
手电筒早已被人们普遍使用，其为人们提供一种可以随身携带灵活使用的照明工具。但手电筒的使用需要一只手持握，这就使得在许多需要双手操作的活动中很难使用手电筒照明。而像外出露营、修理保险丝等许多活动又不便使用其他光源，这就为生活带来了 极大不便。鉴于此人们尝试使用手腕灯，将手解放出来。但手腕灯存在的一个巨大问题是，手腕的微小转动也会引起光线的巨大偏转。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种保证手腕运动时手腕灯射出的光线方向恒定；实现只通过手腕的运动便能够对光线照射方向进行控制的定向照明手腕灯及其控制方法。本发明所采用的技术方案是一种定向照明手腕灯及其控制方法。定向照明手腕灯，包括第一基座、通过可弯曲支撑轴与第一基座相连接的第二基座以及设置在第二基座上的带有LED灯的双轴云台机构，所述的第一基座内设置有与所述的双轴云台机构电连接的控制芯片和向双轴云台机构供电的电源，所述的第二基座上还设置有用于采集手腕运动状态的加速度计陀螺仪模块，所述的加速度计陀螺仪模块电连接所述的控制芯片，所述的第一基座上还设置有用于与手腕连接的腕带。所述的控制芯片和供电的电源是通过贯穿可弯曲支撑轴内的导线分别与双轴云台机构和加速度计陀螺仪模块电连接。所述的双轴云台机构包括有水平支架和垂直支架，所述的水平支架的上面固定设置有与控制芯片电连接的第一伺服电机，所述的垂直支架上固定设置有与控制芯片电连接的第二伺服电机和与供电电源电连接的LED灯，其中，所述的第一伺服电机的电机轴穿过水平支架并与水平支架固定连接，穿过水平支架的电机轴的端部可旋转的连接在第二基座上；所述的水平支架上还固定设置有支架，所述的第二伺服电机的机身与垂直支架固定连接，第二伺服电机的电机轴与所述的支架固定连接。所述的LED灯设置在垂直支架的远离第二伺服电机的那一侧面上。一种用于定向照明手腕灯的控制方法，其特征在于，包括如下步骤( I)读取加速度计陀螺仪模块的加速度值，记为％，读取加速度计陀螺仪模块所测角速度，记为Oci，读取两次加速度值读取之间的时间间隔，记为t ；(2)设滤波之后的加速度为a，则a的算法为a=a’ +Kia^ )，其中a’为前一次计算得的滤波后加速度，ka为滤波系数；
(3)设滤波之后的角速度为ω，则ω的算法为ω = ω ’+ku ( ω ^ ω ’)，其中ω’为前一次计算得的滤波后角速度，为滤波系数；(4)用X表示光线照射方向的方向向量，X’表示上次计算得的光线照射方向的方向向量，X=X，— X’ X ω Xt ；(5)将X转为极坐标形式(r，Φ, Θ)，其中φ为X与z轴的夹角，即云台水平轴的转动角度，Θ为X在xoy平面上的投影与X轴的夹角，即云台竖直轴的转动角度；(6)根据步骤(3)给出的滤波后的角速度计算公式计算出滤波后云台水平轴转动角度和云台竖直轴转动角度；(7)分别判断滤波后云台水平轴转动角速度和云台竖直轴转动角速度值是否超过设定的阈值，若超过，返回步骤(I )，若未超过，进入下一步骤；(8)将ao+x定义为新的X,返回第(I)步骤。 步骤(4)中所述的光线照射方向的方向向量X与加速度计使用相同坐标系，即为要保持光线照射方向恒定所需的光线照射方向向量。本发明的定向照明手腕灯及其控制方法，结构简单，便于制作和使用。能够保证手腕运动时手腕灯射出的光线方向恒定；能够实现只通过手腕的运动便能够对光线照射方向进行控制的定向照明。
图I是本发明的定向照明手腕灯的整体示意图；图2是本发明的双轴云台机构的整体示意图；图3是本发明电连接的框图。其中I:第一基座2:可弯曲支撑轴3 :第二基座4 =LED 灯5 :双轴云台机构 6 :加速度计陀螺仪模块7 :控制芯片8 :水平支架9 :垂直支架10 :第一伺服电机11 :第二伺服电机 12:电机轴13:电机轴14:支架15 :腕带
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的定向照明手腕灯及其控制方法做出详细说明。如图I所示，本发明的定向照明手腕灯，包括第一基座I、通过可弯曲支撑轴2与第一基座I相连接的第二基座3以及设置在第二基座3上的带有LED灯4的双轴云台机构5，所述的第一基座I内设置有与所述的双轴云台机构5电连接的控制芯片7和向双轴云台机构5供电的电源，所述的第二基座3上还设置有用于采集手腕运动状态的加速度计陀螺仪模块6，所述的加速度计陀螺仪模块6电连接所述的控制芯片7，所述的第一基座I上还设置有用于与手腕连接的腕带15。
所述的控制芯片7和供电的电源是通过贯穿可弯曲支撑轴2内的导线分别与双轴云台机构5和加速度计陀螺仪模块6电连接。如图2所示，所述的双轴云台机构4包括有水平支架8和垂直支架9，所述的水平支架8的上面固定设置有与控制芯片7电连接的第一伺服电机10，所述的垂直支架9上固定设置有与控制芯片7电连接的第二伺服电机11和与供电电源电连接的LED灯4，其中，所述的第一伺服电机10的电机轴12穿过水平支架8并与水平支架8固定连接，穿过水平支架8的电机轴12的端部可旋转的连接在第二基座3上；所述的水平支架8上还固定设置有支架14，所述的第二伺服电机11的机身与垂直支架9固定连接，第二伺服电机11的电机轴13与所述的支架14固定连接。所述的LED灯4设置在垂直支架9的远离第二伺服电机11的那一侧面上。所述的双轴云台机构4通过由控制芯片7控制的第一伺服电机10驱动水平支架8的旋转，以及通过由控制芯片7控制的第二伺服电机11驱动垂直支架9的旋转，从而达到调节光线照射的目的。 本发明的用于定向照明手腕灯的控制方法，包括如下步骤( I)读取加速度计陀螺仪模块的加速度值，记为％，读取加速度计陀螺仪模块所测角速度，记为Oci，读取两次加速度值读取之间的时间间隔，记为t ；(2)设滤波之后的加速度为a，则a的算法为a=a’ +Kia^ )，其中a’为前一次计算得的滤波后加速度，ka为滤波系数；(3)设滤波之后的角速度为ω，则ω的算法为ω = ω ’+ku ( ω Q-ω ’)，其中ω’为前一次计算得的滤波后角速度，为滤波系数；(4)用X表示光线照射方向的方向向量，X’表示上次计算得的光线照射方向的方向向量，X=X，— X’ X ω Xt ；所述的光线照射方向的方向向量X与加速度计使用相同坐标系，即为要保持光线照射方向恒定(相对于地)所需的光线照射方向向量(相对于加速度计坐标系);(5)将X转为极坐标形式(r，Φ, Θ )(好转吗，业内人都知道怎么转吗？)，其中Φ为X与Z轴的夹角，即云台水平轴的转动角度，Θ为X在xoy平面上的投影与X轴的夹角，即云台竖直轴的转动角度；(6)根据步骤(3)给出的滤波后的角速度计算公式计算出滤波后云台水平轴转动角度和云台竖直轴转动角度；(7)分别判断滤波后云台水平轴转动角速度和云台竖直轴转动角速度值是否超过设定的阈值，若超过，返回步骤(I )，若未超过，进入下一步骤；(8)将aQ+x定义为新的x,返回第(I)步骤。
权利要求
1.一种定向照明手腕灯，其特征在于，包括第一基座(I)、通过可弯曲支撑轴(2)与第一基座(I)相连接的第二基座(3)以及设置在第二基座(3)上的带有LED灯(4)的双轴云台机构(5)，所述的第一基座(I)内设置有与所述的双轴云台机构(5)电连接的控制芯片(7)和向双轴云台机构(5)供电的电源，所述的第二基座(3)上还设置有用于采集手腕运动状态的加速度计陀螺仪模块(6)，所述的加速度计陀螺仪模块(6)电连接所述的控制芯片(7 )，所述的第一基座(I)上还设置有用于与手腕连接的腕带(15 )。
2.根据权利要求I所述的定向照明手腕灯，其特征在于，所述的控制芯片(7)和供电的电源是通过贯穿可弯曲支撑轴(2)内的导线分别与双轴云台机构(5)和加速度计陀螺仪模块(6)电连接。
3.根据权利要求I所述的定向照明手腕灯，其特征在于，所述的双轴云台机构(4)包括有水平支架(8)和垂直支架(9)，所述的水平支架(8)的上面固定设置有与控制芯片(7)电连接的第一伺服电机(10)，所述的垂直支架(9)上固定设置有与控制芯片(7)电连接的第 二伺服电机(11)和与供电电源电连接的LED灯(4 )，其中，所述的第一伺服电机(10 )的电机轴(12)穿过水平支架(8)并与水平支架(8)固定连接，穿过水平支架(8)的电机轴(12)的端部可旋转的连接在第二基座(3)上；所述的水平支架(8)上还固定设置有支架(14)，所述的第二伺服电机(11)的机身与垂直支架(9)固定连接，第二伺服电机(11)的电机轴(13)与所述的支架(14)固定连接。
4.根据权利要求3所述的定向照明手腕灯，其特征在于，所述的LED灯(4)设置在垂直支架(9)的远离第二伺服电机(11)的那一侧面上。
5.一种用于权利要求I所述的定向照明手腕灯的控制方法，其特征在于，包括如下步骤 (1)读取加速度计陀螺仪模块的加速度值，记为％，读取加速度计陀螺仪模块所测角速度，记为Oci，读取两次加速度值读取之间的时间间隔，记为t ； (2)设滤波之后的加速度为a,则a的算法为a=a’+ka{a^a9 ),其中a’为前一次计算得的滤波后加速度，ka为滤波系数； (3)设滤波之后的角速度为ω，则ω的算法为ω= ω ’+ku ((Oci-CO’)，其中ω ’为前一次计算得的滤波后角速度，为滤波系数； (4)用X表示光线照射方向的方向向量，X’表示上次计算得的光线照射方向的方向向量，x=x，— X，X ω Xt ； (5)将X转为极坐标形式(r，Φ，Θ)，其中Φ为X与z轴的夹角，即云台水平轴的转动角度，Θ为X在xoy平面上的投影与X轴的夹角，即云台竖直轴的转动角度； (6)根据步骤(3)给出的滤波后的角速度计算公式计算出滤波后云台水平轴转动角度和云台竖直轴转动角度； (7)分别判断滤波后云台水平轴转动角速度和云台竖直轴转动角速度值是否超过设定的阈值，若超过，返回步骤(I )，若未超过，进入下一步骤； (8)将aQ+x定义为新的X,返回第(I)步骤。
6.根据权利要求5所述的用于定向照明手腕灯的控制方法，其特征在于，步骤(4)中所述的光线照射方向的方向向量X与加速度计使用相同坐标系，即为要保持光线照射方向恒定所需的光线照射方向向量。
全文摘要
一种定向照明手腕灯及其控制方法，定向照明手腕灯包括第一基座、通过可弯曲支撑轴与第一基座相连接的第二基座以及设置在第二基座上的带有LED灯的双轴云台机构，所述的第一基座内设置有与所述的双轴云台机构电连接的控制芯片和向双轴云台机构供电的电源，所述的第二基座上还设置有用于采集手腕运动状态的加速度计陀螺仪模块，所述的加速度计陀螺仪模块电连接所述的控制芯片，所述的第一基座上还设置有用于与手腕连接的腕带。本发明结构简单，便于制作和使用。能够保证手腕运动时手腕灯射出的光线方向恒定；能够实现只通过手腕的运动便能够对光线照射方向进行控制的定向照明。
文档编号F21L4/00GK102913766SQ201210410748
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者赵昀, 张洪彬, 李惟帆, 栗大超 申请人:天津大学