专利名称：具多轴控制的遥控或指针控制装置及方法
技术领域：
本发明系关于一种具多轴控制的遥控或指针控制装置及方法。
背景技术：
现今对于对象的遥控，多仍以传统操控模式为之，如图12所示，其系利用一手持遥控装 置33,以拨动上方操控杆34的偏移，透过上下左右的间接感知操控模式，决定被遥控对象 35所应产生的对应移动方向，以达到互动控制的装置。
再者，现今计算机屏幕的鼠标指针，如图13所示，需将一鼠标30置于一固定平面上， 并将鼠标30前后左右推移，用以对屏幕31上的指标32作相等对应的移动控制。
然而，透过操控杆遥控的模式，虽可掌握被遥控对象的方向，但仅是利用手指推移操控 杆所产生的间接遥控，操作模式不仅缺乏变化性，而且丧失主观控制的感觉，实难称为理想 的设计。
另外，传统鼠标的控制模式，虽然已达到反应快速且精准操控的效果，但其条件必需动 作于X-Y轴的平面上，如此碍于空间的限制，亦无法完全满足使用上的需求。
因此，有业者针对上述缺点进行改良，继研发出可于立体空间控制鼠标指针的装置，其 系利用 一机械式陀螺仪取代传统鼠标的侦测方式，以突破须于固定平面空间动作的限制，进 而达到于空间中任意姿态状况的控制模式。
但其机械式陀螺仪，不仅单位体积大、恢复时间长，亦须耗费较大的电量以维持机件运 作，且对于角度偏移的侦测并不稳定，故容易造成执行上的误差，应有待一并加以解决改善。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具多轴控制的遥控或指针控制装置及方法，其主要是利用 一多轴陀螺仪，感测人体手部移动或旋转所产生的角度及角速度变化，转换成控制受控对象 或屏幕指针所执行的平面或立体运动，并藉由启动键及校正键的触发，有效控制陀螺仪感应 的时机及偏差值的调整。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是 一种具多轴控制的遥控或指针控制装置，其
特点是，遥控装置或指针控制装置内，设有一多轴陀螺仪，并于装置外部设有一启动键及一 校正键，当按压启动键后，遥控装置或指针控制装置即藉由多轴陀螺仪于空间中感应各轴的 角速度，以人体可旋转的手腕或手轴关节部为支点，以任意姿态移动该装置，使受控对象或 屏幕指针作相等对应的平面或立体位移运动。
该遥控装置或指针控制装置系装设功能按键。
该功能按键系为一滚轮、按钮或开关遥控装置。
该多轴陀螺仪为各轴互相垂直的微机电传感器。
藉由该启动键的持续按压并释放，控制指针控制装置或遥控装置感应的启动或停止，或 以单次按压后为启动控制，并于下一按压时停止。
藉由该校正键的持续按压并释放，控制指针控制装置或遥控装置校正的启动或停止，或 以单次按压并于校正后自动停止控制。
该遥控或指针控制装置系可变化装置的外观样态。
该受控对象系为一遥控飞机、遥控车或机械狗被遥控物件。
本发明还提供一种具多轴控制的遥控或指标控制方法，其特点是，运用算法(1 )和(2 ) 在多轴陀螺仪每一取样时间计算于X-Y平面运动各轴的位移量；
Ax一VV5 (2)
或运用算法(3 )、 ( 4 )及(5 )在多轴陀螺仪每一取样时间计算在X-Z-Y立体运动各 轴的位移量；
(3 ) (4 )
; , ( 5 )
然后将控制讯号输出到受控对象或屏幕指针上，产生相对于手腕或手轴关节的运动效果。
所述的具多轴控制的遥控或指标控制方法的S2Z、 S2X和S2Y分别与C0z、 C0x和C0y为一函
数关系，以达到由手部旋转运动精确控制受控对象运动或屏幕指针移动的目的。 该多轴陀螺仪使用X-2-Y任一轴做为遥控装置在某一轴向运动的感应。 该多轴陀螺仪使用X-Z-Y任两轴或三轴的组合，做为遥控装置或指针控制装置的平面或
立体运动感应o
Y轴向陀螺仪以顺时针或逆时针旋转控制Y轴向线性运动往前往后的效果。
控制信号的传递为有线或无线的传输方式。
本发明具有如下有益技术效果
1、 以人体可旋转的手腕或手轴关节部为支点，再利用手部移动遥控或指针控制装置，进 而产生的角度及角速度变化，转换为受控对象或屏幕指针位移的距离及方向的平面或立体运 动模式，据以达到任意空间的姿态操控。
2、 以一微机电多轴陀螺仪为主要感测装置，除了体积小并降低耗电量外，其作业的频宽 较大，亦可提升整体控制的反应速度；又透过演算方式的调整，修正快速移动后所产生的累 积误差，进而增加整体系统的准确性。
3、 藉由一启动键控制陀螺仪触发或停止感测的时机，及利用一校正键调整陀螺仪因电压 或多次使用后所导致的偏差，因此更能有效掌握装置操控的精准度。
4、 利用遥控装置执行此种控制模式，直接驱使受控对象执行立即反应动作，以主观的手 部移动控制取代传统间接式的机械操作，达到互动性极佳的效能。
图1系本发明的装置结构示意图。
图2系本发明的装置控制示意图1。
图3系本发明的装置控制示意图2。
图4系本发明的装置控制示意图3。
图5系本发明的运动修正系数示意图。
图6系本发明的 一往返运动的陀螺仪输出量测图。
图7系本发明的启动动作流程示意图。
图8系本发明的校正状态流程示意图。
图9系本发明的实施例1。
图10系本发明的实施例2。
图11系本发明的实施例3。
图12系习用遥控装置的外观示意图。
图13系习用鼠标指针控制示意图。
具体实施例方式
有关于本发明的结构组成、技术手段及功效达成方面，谨配合较佳实施例图式再予举例 进一步具体说明于后
首先，请参阅图1所示，本发明主要是于指针控制装置IO或遥控装置11内，装设有一 微机电多轴陀螺仪12,并于装置的一侧设有一启动键13及一校正键14;再由图2所示，当 按压遥控装置11上的启动键13后，遥控装置11即可于立体空间上，以人体可旋转的手腕或 手轴关节部为支点，任意姿态移动遥控装置11于X - Y平面的前后左右偏移，控制遥控飞机 20于X - Y平面方向的移动，再藉由滚轮17的前后滚动，调整遥控飞机20上升或下降的运 动效能；又由图3所示，相同按压指针控制装置10上的启动键13后，指针控制装置10即可 于立体空间上，以任意姿态移动指针控制装置10,使屏幕15上的指标16作相等对应的位移 动作。
其次，本发明坐标轴的定义如图2所示，遥控装置11在立体空间里以O点为圓心，绕着 X轴旋转的俯仰(Pitch)运动，并应用下列的算法(1 );假设使用俯仰(Pitch)轴向陀螺仪 所感应的角速度为cox,并以AQ表示俯仰(Pitch)轴相对角度变化和A，yh表示遥控飞机20在 Y轴的相对位移，而CDx与Ay的关系表示为<formula>formula see original document page 7</formula> (i )
其中Sfx为X轴陀螺仪的比例常数，S^为将偏转轴(Pitch)旋转运动感测转换为Y轴 向线性运动的修正系数，且S2fTSix， T则为固定的取样时间；请参阅图5所示，该S汉与
COx为一函数关系，S2x的数值将随C0x的增加而呈现递减的情形，并达到饱和值，而此曲线主
要是针对微小的COx会被视为噪声或手部的抖动而被忽略计算所做的弥补动作；另外，此曲线 的另一个目的在于多轴陀螺仪12内的惯性传感器于快速运动后，量测值较大，亦需较长的恢 复时间，容易与实际的运动量有些微的出入，故对此缺点予以修正。
再者，请继续参阅图6所示，为固定15度的往返动作，经由示波器量测一灵敏度为33.3 mV/(7sec)和比例常数SR为10的陀螺仪实测值，理论上在偏差值(bias)的上下面积应相同， 但在T二2ms下，经由计算上行程的面积为15.34度，下行程的面积为11.28度，差异为4.06 度，故较大的角速度(Ox会对应较小的S2X值，而越小的COx数值则对应越大的S2X，再利用算 法(1 )的实时计算，使得最后上下行程的面积可以趋近相等，达到由手部旋转运动精确控 制受控对象或屏幕指针移动的目的。
又，请参阅图2所示，其装置感应动作系以一单芯片量测多轴陀螺仪的X-Y轴输出，其
中X轴的位移量Axh经由算法(2 )获得，
其中C0y为俯仰轴(Roll)的角速度，而Sfy为Y轴陀螺仪的比例常数及S2Y与C0y为一函 数关系。
另一方面，如图3所示；假设使用偏转轴(YAW)向陀螺仪所感应的角速度为C0z，并以 Avj/表示偏转轴(YAW)相对角度变化和Axp表示指标在x轴的相对位移，而 2与Axp的关 系表示为<formula>formula see original document page 8</formula> (3)
其中Sfc为Z轴陀螺仪的比例常数，Sk为将偏转轴(YAW)旋转运动感测转换为x轴向 线性运动的修正系数，iS2z=TSlz。
又，请参阅图3所示，其装置感应动作系以一单芯片量测多轴陀螺仪的X-Z-Y轴输出， 其中Z轴的位移量Azp经由算法(4 ),<formula>formula see original document page 8</formula>(4)
其中(DX为俯仰轴(Pitch)的角速度，而Sfx为X轴陀螺仪的比例常数及S2x与(0X为 一函 数关系；同时Y轴的位移量A力经由算法(5 ),
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中(DY为滚转轴(Roll)的角速度，而Sfv为Y轴陀螺仪的比例常数及S2Y与0)Y的关系
为一函数关系，而此轴的操作方式如图4所示，Y轴向陀螺仪以顺时针或逆时针旋转控制Y 轴向线性运动往前往后的效果。又，此三轴将输出的电压值经由A/D转换得到其数据，再由 此数据整理成指针移动的相关参数，再转换成X-Z-Y坐标的位移量，最后以指针控制装置10 的移动样态输出于屏幕上，即可得到指针16对应的偏移动作。
如图7所示，为本发明的启动动作流程示意图，当按下启动键，随即产生一低态触发， 并启动单芯片，使陀螺仪及各部组件执行动作，而当放开启动键后，本装置随即进入休眠省 电模式，据以提供使用者掌控装置的使用时机及状态。
接着，请参阅图8所示，因控制装置于使用时，每个陀螺仪的特性皆有些许差异，可能 因电压或多次使用后而导致的位准偏移，故利用校正键加以修正；首先，装置在稳定状态按 下校正键，而陀螺仪将重复取样陀螺仪各轴的输出数值数次，并以平均值作为各轴的偏差值， 再将此数值储存，而当放开启动键后，本装置随即进入休眠省电模式；其目的在于每一次使 用启动键时，将各轴角速度偏差值取出与目前角速度作相互比较，再将比较后的数值传回主
程序运算，如此即可对偏差状态予以校正。
另外，请参阅下列指针控制装置及遥控装置与受控对象的各实施例。
如图9所示，除了藉由指针控制装置10于任意空间上移动，控制屏幕15指针16执行平 面或立体偏移，并结合目录键241、开始/暂停键242、停止键243、音量加大键244、音量 减少键245等按钮，以达到多任务遥控整合的目的。
如图10所示，系将遥控装置11改以方向盘21的操控型式呈现，并以左右旋转方向盘 21控制遥控车22左右转，再藉由前进钮211与退后钮212的按压，使遥控车22执行前进后 退的动作。
如图11所示，系藉由遥控装置11于任意空间上移动，进而直接控制机械狗23的相对平 面运动，以达主观控制的操作模式。
权利要求
1、一种具多轴控制的遥控或指针控制装置，其特征在于，遥控装置或指针控制装置内，设有一多轴陀螺仪，并于装置外部设有一启动键及一校正键，当按压启动键后，遥控装置或指针控制装置即藉由多轴陀螺仪于空间中感应各轴的角速度，以人体可旋转的手腕或手轴关节部为支点，以任意姿态移动该装置，使受控对象或屏幕指针作相等对应的平面或立体位移运动。
2、 如权利要求1所述的具多轴控制的遥控或指针控制装置，其特征在于，该遥控装置或 指针控制装置系装设功能按键。
3、 如权利要求2所述的具多轴控制的遥控或指针控制装置，其特征在于，该功能按键系 为一滚轮、按钮或开关遥控装置。
4、 如权利要求1所述的具多轴控制的遥控或指针控制装置，其特征在于，该多轴陀螺仪 为各轴互相垂直的微机电传感器。
5、 如权利要求1所述的具多轴控制的遥控或指针控制装置，其特征在于，藉由该启动键: 的持续按压并释放，控制指针控制装置或遥控装置感应的启动或停止，或以单次按压后为启 动控制，并于下一按压时停止。
6、 如权利要求1所述的具多轴控制的遥控或指针控制装置，其特征在于，藉由该校正键 的持续按压并释放，控制指针控制装置或遥控装置校正的启动或停止，或以单次按压并于校 正后自动停止控制。
7、 如权利要求1所述的具多轴控制的遥控或指针控制装置，其特征在于，该遥控或指针 控制装置系可变化装置的外观样态。
8 、如权利要求1所述的具多轴控制的遥控或指针控制装置，其特征在于，该受控对象系 为一遥控飞机、遥控车或机械狗被遥控物件。
9、 一种具多轴控制的遥控或指标控制方法，其特征在于，运用算法(1 )和(2 )在多轴陀螺仪每一取样间计算于X-Y平面运动各轴的位移量；<formula>formula see original document page 2</formula>或运用算法(3 )、 ( 4 )及(5 )在多轴陀螺仪每一取样时间计算在X-Z-Y立体运动各 轴的位移量；<formula>formula see original document page 3</formula>然后将控制讯号输出到受控对象或屏幕指针上，产生相对于手腕或手轴关节的运动效果。
10、 如权利要求9所述的具多轴控制的遥控或指标控制方法，其特征在于，S2Z、 Sm和 S2Y分别与COz、 COx和COY为一函数关系，由手部旋转运动精确控制受控对象运动或屏幕指针 移动。
11、 如权利要求9所述的具多轴控制的遥控或指标控制方法，其特征在于，该多轴陀螺 仪使用X-Z-Y任一轴做为遥控装置在某一轴向运动的感应。
12、 如;f又利要求9所述的具多轴控制的遥控或指标控制方法，其特征在于，该多轴陀螺 仪使用X-Z-Y任两轴或三轴的组合，做为遥控装置或指针控制装置的平面或立体运动感应。
13、 如权利要求9所述的具多轴控制的遥控或指标控制方法，其特征在于，Y轴向陀螺 仪以顺时针或逆时针旋转控制Y轴向线性运动往前往后的效果。
14、 如权利要求9所述的具多轴控制的遥控或指标控制方法，其特征在于，控制信号的 传递为有线或无线的传输方式。
全文摘要
本发明系提供一种具多轴控制的遥控或指针控制装置及方法，主要系于装置内设有一多轴陀螺仪，据以感测人体手部移动的指向变化，再将感应产生的角速度，转换对应于受控对象或屏幕指针位移的距离及方向；另外，系藉由一启动键控制陀螺仪触发或停止的时机，及利用一校正键调整陀螺仪的偏差值，如此使用者可于任意姿态下对对象或指针进行控制，更可有效掌握装置操控的精准度，因此达到主动性及实用性的装置设计。
文档编号G06F3/038GK101387926SQ20071004598
公开日2009年3月18日 申请日期2007年9月14日 优先权日2007年9月14日
发明者林金鸿 申请人:林金鸿