专利名称：一种多运动点位置、速度、方向检测装置、系统及实现方法
技术领域：
本发明涉及计算机输入、虚拟现实、人机互动领域，具体涉及到一种应用在计算机的运动位置输入装置。
背景技术：
科学研究的时候经常需要得到一个复杂运动系统的各个运动部件相互的运动关系，在实验中需要采集到这些运动部件的运动行为数据到计算机中分析，该发明就是提供一种经济可靠的检测系统。
同时在人机互动领域，虚拟实景领域，人们的要求越来越高，如在人机互动游戏中已经开发的有乒乓球游戏，虚拟战场游戏等等。
但目前的人机互动输入装置都不能满足人们的需求，常见有按键输入的游戏手柄，检测乒乓球拍的位置的游戏装置和各种防真的驾驶舱等都有很大的不足和局限性。
游戏手柄是最原始的输入装置，使用者用手指来输入动作，仿真效果很差。
检测乒乓球拍的位置的游戏装置，利用球拍反射的红光和蓝光来检测球拍的运动。其应用受限，同时检测的点有限。
各种防真的驾驶舱，这类的输入装置只能应用在特定的领域，同时价格贵，不适合推广。
发明内容
有鉴于此，本发明克服上述缺点，发明一种全新的运动位置检测系统。该系统能够检测多点的运动方向，速度，可以提供科研人员研究运动系统的规律，同时也可以广泛应用在虚拟游戏或虚拟学习中。给人们带来快乐。
本发明的另一个目的是提供一种有效、可靠、低成本，可以提供给普通家庭使用的互动游戏输入装置。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以解决的一种多点运动位置检测装置，由发射机和接收机组成，发射机由电源单元、控制单元、编码单元、调制单元、和多个发射单元组成，接收机由电源单元、控制单元、接收单元、小信号放大单元、采样单元、数据处理单元、通讯单元组成。
使用者将发射机佩带在身上，分别将各个发射机的发射单元佩带在需要检测的部位(如手腕、肘部、脚尖，膝盖)，系统工作的时候，发射机在控制单元的控制下，经编码单元编码，在时分复用的模式下控制调制单元和各个发射单元发射红外信号(不限于红外信号，后面同)，也就是发射机发射的红外信号按时分复用形似包含了各个发射单元的信号。接收机的接收单元包含4个(不限于4个)接收电路，能检测出多路信号，接收机的接收单元接收到信号后，经过小信号放大单元将信号放大，采样单元数字化，在数据处理单元根据信号的编码和各个接收电路的强度关系，判断出发射机各个发射单元的位置、运动方向、和速度。经过处理后的数据经过通讯单元传递给电脑，或其他设备。
发射机与接收机之间的信号还可以以频分或码分来区分各个发射单元的信号。
图1是本发明使用示意图；图2是本发明运动位置检测装置的发射机原理框图；图3是本发明运动位置检测装置的接收机原理框图；图4是本发明运动位置检测装置发射机与接收机之间的通讯帧格式；图5是本发明运动位置检测装置的接收机的接收单元结构示意图；
图6是本发明运动位置检测装置的信号采集恢复原理示意图；图7是本发明运动位置检测装置的发射机设计应用形式游戏服装示意图；具体实施方式
面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
图1示出了本发明运动位置检测装置的使用示意图。如图所示，使用者将发射机佩带在身上，发射机中引出多个发射单元，具体可以是红外发射管或无线发射天线或别的发射源。在电脑监视器上方是接收机，接收机与电脑相连。使用者可以在监视器前面自由活动，与电脑中的虚拟人物互动，可以支持多种类型的游戏，比如玩角色对打游戏，两个游戏者的电脑通过网络连接，游戏者可以相互角斗，胜负由电脑判决，由于允许游戏者自由运动，给人的真实感会特别强烈。
该发明还可以运用来培训军警的格斗技巧，或战术训练。
运动位置检测装置还可以应用在研究运动技巧上，如可以检测体操运动员的运动技巧。
本发明装置使用的是发射机发射信号，接收机检测，在具体实现上还可以使用者佩带接收装置，检测不同角度发射来的信号，如同GPS全球定位系统的工作原理，但这种技术过于复杂，技术成本昂贵。
如图1所示，本发明设定了7个发射单元，分别位于头部，和四肢。
图2是本发明运动位置检测装置的发射机原理示意图，电源单元为整个发射机提供电源，电源单元可以就是电池。控制单元是整个发射机的控制核心，控制编码单元和调制单元。
发射机发射的信号的格式如图4所示，发射机发射经过调制的信号，这个调制信号由各个子帧组成，子帧个数由要检测位置点的个数决定，同时受限于传输介质的特性和需要检测位置点的速度精度要求。本发明决定的子帧个数为10个。其中7个应用与图1中所示的7人体部位，另外3个由使用者自定义，可以是枪支或棍棒等。
如图4所示的子帧分为数据部分和无数据部分，数据部分包含本子帧帧号，子帧帧号与身体的部位对应，无数据部分供接收机检测。
如图2，在控制单元的控制下，编码数据在调制器调制下，各个发射单元分别在对应的子帧时隙发射信号。
图3是本发明运动位置检测装置的接收机原理示意图，接收机由多个接收单元、电源单元、控制单元、接收单元、小信号放大单元、采样单元、数据处理单元、通讯单元组成。接收机的接收单元有4个(或4个以上)，接收单元位置如图5所示，在控制单元的控制下，小信号放大单元将信号放大，采样单元对放大的信号转变为数字信号，数字信号在数据处理单元完成解码和检测功能。将各子帧数据信息解出，同时测量相应子帧无数据部分信号的强度变化，通过通讯单元传递到计算机。
图6是本发明运动位置检测装置的信号采集恢复原理示意图，如图6所示，A、B信号代表发射机中的两个反射单元的发射信号随发射点位置、速度、方向变化在一个接收机件上的变化，a、b代表了A、B信号的数值信号，D是接收机件的接收信号强度。在数字处理单元中，根据子帧的编号，分别从子帧无数据部分的强度变化中恢复出相应的强度。
接收机中有4个接收单元，我们可以得到4路接收信号强度，检测一个点的位置、速度、方向是从综合了4路信号得到的，具体的方法为1、如果4路信号同时在增强，那么该点正在向接收机靠近。
2、如果4路信号同时在减弱，那么该点正在向接收机远离。
3、如果4路信号中其中接收机件1、2强度没有变化，3在减小而4在增大，那么该点在向右运动，反之3增大4减小，那么该点在向左运动4、如果4路信号中其中接收机件3、4强度没有变化，1在减小而2在增大，那么该点在向下运动，反之2增大1减小，那么该点在向上运动上面这4个判断点综合起来，可以判断该点的任意运动方向，再根据4个点的强度可以判定该点的位置，加上时间，该点的速度也可以得到。
图7是本发明运动位置检测装置的发射机设计应用形式游戏服装示意图，如图所示，放射机可以和游戏服装作为一体，给游戏者更逼真的效果，同时图7也示意放射机的佩带方法，如果不用专用服装，可以直接佩带。
在专用游戏服装中，可以设计气压的力反馈系统(可以是多种形式)，当游戏者在游戏中被对手击中相应部位，该部位的气囊立即膨胀，给游戏者以反馈，将游戏的效果做的接近现实。
权利要求
1.一种检测多于1点运动位置检测装置，其特征是，它具有一个可以佩带到被检测运动物体的放射机和一个和电脑连接的接收机组成。所述放射发射机由电源单元、控制单元、编码单元、调制单元、和多个发射单元组成；接收机由电源单元、控制单元、多个接收单元、小信号放大单元、采样单元、数据处理单元、通讯单元组成。
2.根据权利要求1所述的运动位置检测装置，其特征是，所述在发射机中，电源单元为发射单元供电，各个发射单元在控制单元控制下以分时方式发射信号，这个信号包括有数据部分和没有数据部分，是经过编码单元、调制单元编码和调制过的红外信号。
3.根据权利要求1所述的运动位置检测装置，其特征是，接收机包含4个接收单元(不限于4个)，能检测出多路信号，接收机的接收单元接收到信号后，经过小信号放大单元将信号放大，采样单元数字化，在数据处理单元根据信号的编码和各个接收电路的强度关系，判断出发射机各个发射单元的位置、运动方向、和速度。经过处理后的数据经过通讯单元传递给电脑，或其他设备。
4.一种运动点位置、速度、方向检测的方法，根据权利要求3的接收机有4个接收单元中，可以得到4路接收信号强度，检测一个点的位置、速度、方向是从综合了4路信号得到的，具体的判断方法为A、如果4路信号同时在增强，那么该点正在向接收机靠近。B、如果4路信号同时在减弱，那么该点正在向接收机远离。C、如果4路信号中其中接收单元1、2强度没有变化，接收单元3在减小而接收单元4在增大，那么该点在接收单元4的方向运动，反之接收单元3增大接收单元4减小，那么该点在向接收单元3运动D、如果4路信号中其中接收单元3、4强度没有变化，接收单元1在减小而接收单元2在增大，那么该点在向接收单元2运动，反之接收单元2增大接收单元1减小，那么该点在向接收单元2运动上面这4个判断点综合起来，可以判断该点的任意运动方向，再根据4个点的强度和时间可以判定该点的位置、速度。
5.一种多运动点位置、速度、方向检测装置在计算机互动游戏的应用方法，其特征是，游戏者穿戴一套设备，在计算机一侧有一套配套设备，在设备的配合下将游戏者的身体各个部分的运动检测出来输入到计算机，完成计算机与人体各个部分的互动。具体涉及到的运动部位有(不限于)头部、两个手部、两个肘部、两个膝盖、两个脚部。具体的方法是在被检测的运动部位佩带一个信号源，由计算机一侧的设备来检测运动源的位置、速度和方向。
6.根据权利要求5所述的应用方法的一种具体方法，该方法通过权利要求1所述的运动位置检测装置实现，游戏者穿戴发射机，接收机与计算机连接，发射机发射红外线与接收机联系，发射机以时分复用的形式将游戏者身体或游戏道具的信息发给接受机，接收机接收红外信号，解出红外信号中的信息，同时测试相应信号中的信息，判断出游戏者身体各个部分的运动位置、速度、方向。并将这些信息传送到计算机。
7.根据权利要求6所述的具体方法的一种形式，游戏者佩带发射机的具体形式可以设计成一种游戏时应用的服装，该服装的特点是在四肢关节、头部、胸部都有相应的红外发射装置(不限于红外)，同时有相应的力反馈装置。具体的可以是气压、水压等形式。
全文摘要
本发明公开了一种多点位置、速度、运动方向采集装置，该装置可以应用在科研和虚拟现实游戏中。该装置由可以穿戴在使用者身上的发射机和接收机两个部分组成，发射机由电源单元、控制单元、编码单元、调制单元、和多个发射单元组成；接收机由电源单元、控制单元、多个接收单元、小信号放大单元、采样单元、数据处理单元、通讯单元组成。当使用者佩带发射机运动时，接收机接收到经过编码的发射信号，经过小信号放大单元放大处理，采样单元采样、数据处理单元处理后，计算出使用者佩带发射机部位的运动情况。同时本发明还公开了相关的数据处理原理。
文档编号G06F19/00GK1540567SQ0312840
公开日2004年10月27日 申请日期2003年4月23日 优先权日2003年4月23日
发明者梁良, 周慧玲, 梁树萍, 梁 良 申请人:梁良, 周慧玲, 梁树萍, 梁 良