辅助对自供电移动元件的实时定位的设备的制作方法

辅助对自供电移动元件的实时定位的设备的制作方法
【专利摘要】本发明的目的尤其是一种实时定位自供电移动元件。每个移动元件允许通过电磁辐射实时定位。其包括以下装置：接收包括至少一个同步信息的无线电信号的接收装置(505，520)，所述接收装置被配置为从所接收的无线电信号中接收能量；发射电磁信号的发射装置(515)，所述电磁信号是响应于激活信号而被发射的；连接到所述接收装置和电磁信号的所述发射装置的控制装置(510)，所述控制装置被无线电信号的所述接收装置供电并且被配置为响应于同步信息来生成激活信号。
【专利说明】辅助对自供电移动元件的实时定位的设备

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用户和计算机化系统之间的界面，特别是在游戏领域，更特别地涉及 用于辅助对自供电移动元件进行实时定位的设备。

【背景技术】
[0002] 在很多情况下，计算机化系统必需检测移动元件的位置和/或朝向以便允许移动 元件相应地做出反应。因此，例如，在允许用户与计算机化系统模拟的虚拟玩家进行游戏的 棋类游戏中，在计算机化系统上运行的应用必需知道棋盘上所有部件的位置，特别是由用 户移动的那些部件，以便计算其行动。
[0003] 存在用于检测把实际对象作为计算机化系统的界面的游戏板上的实际对象的位 置和/或朝向的方案。
[0004] 因此，例如，可以使用阻性类型触摸屏作为游戏板以便在施加足够的压力时检测 对象入触笔的位置。然而，该类屏幕通常仅支持单点触摸并要求用户的连续按压以便知道 位置。换句话说，如果释放如此施加的按压，则不能检测触笔的位置。
[0005] 还可以使用基于经由导体的电流泄漏原理的容性类型的触摸屏。然而，仅导电并 接地的对象才允许检测其位置。因此，例如，塑料或木质对象的位置不能被使用这样的屏确 定。
[0006] 而且，一般地，基于触摸屏或触摸膜的方案仅能支持有限数量的同时或准同时触 摸并不允许确定大量的对象。
[0007] 其它方案使用基于红外的技术，特别是以表的形式。因此例如，称作"Surface (微 软的商标）"、"mTouch (Merel公司的商标）"、Entertaible (飞利浦的商标）的产品使用布 置在表的厚度中的红外照相机。然而，这些表的要求厚度使它们厚重，不方便移动，并且赋 予它们硬度。而且，其价格实际上不允许家庭使用。
[0008] 最后， 申请人:开发的另一方案允许多个移动元件与计算机化系统的实时接口连 接。在已经选择了包括在移动元件内的至少一个定位模块之后，该定位模块被顺次激活。然 后从该激活的定位模块接收信号并且根据接收到的信号实时计算包括该激活的定位模块 的移动元件的位置数据项。定位模块被顺次激活，在给定时刻仅激活单个定位模块。
[0009] 虽然后一方案令人满意，但一直有改进性能和降低制造成本的需求。


【发明内容】

[0010] 本发明允许解决上述问题中的至少一个。
[0011] 本发明的目的因此是一种用于辅助通过电磁辐射来实时定位自供电移动元件的 设备，该设备的特征在于包括以下装置：
[0012] 一接收包括至少一个同步信息的无线电信号的接收装置，所述接收装置被配置为 从所接收的无线电信号中接收能量；
[0013] 一发射电磁信号的发射装置，所述电磁信号是响应于激活信号而被发射的；
[0014] 一连接到所述接收装置和电磁信号的所述发射装置的控制装置，所述控制装置被 无线电信号的所述接收装置供电并且被配置为响应于同步信息来生成激活信号。
[0015] 根据本发明的设备因此使得可以组合与标准技术（该标准技术尤其能够以一般 成本利用）的使用相关的优点和允许在实时应用（其中可以使用数百个移动元件）中使用 移动元件的结构的优点。
[0016] 无线电信号的所述接收装置优选地包括双端口存储器，所述双端口存储器被配置 为能够通过无线电信号和所述控制装置来读和/或写存取。根据本发明的设备因此使得可 以使用很多标准电路的特点来控制移动元件的激活以便允许定位移动元件和/或控制其 它相关联的功能，特别是致动器、电机和/或显示器的功能。
[0017] 根据一个特别实施例，无线电信号的所述接收装置包括基于所接收无线电信号来 识别同步信息的识别装置以及把所识别出的同步信息发送到所述控制装置的发送装置。根 据本发明的设备因此使得可以使用很多标准电路的特点来控制移动元件的激活以便允许 定位移动元件。
[0018] 再根据一个特别实施例，所述控制装置包括检测无线电信号的所述接收装置的电 能源的状态变化的检测装置，同步信息是响应于无线电信号的所述接收装置的电能源的状 态变化而被识别出的。根据本发明的设备因此特别易于使用。
[0019] 再根据一个特别实施例，所述控制装置包括检测所接收的无线电信号的载波的状 态变化的检测装置，同步信息是响应于所接收的无线电信号的载波的状态变化而被识别出 的。根据本发明的设备因此特别易于使用。
[0020] 再根据一个特别实施例，所述控制装置包括存取在所述双端口存储器中存储的值 的存取装置，同步信息是根据所述双端口存储器中存储的值而被识别出的。因此容易设置 根据本发明的设备的参数并限制可能引起的延迟时间。
[0021] 电磁信号的所述发射装置优选地包括螺线管和控制所述螺线管的激活的开关。
[0022] 根据一个特别实施例，该设备还包括确定生成激活信号的时刻的确定装置，所述 时刻是根据同步信息和延迟信息的接收时刻而被确定的。该设备因此允许在限制可能在两 个移动元件的相继激活之间产生的延迟时间的同时顺次使用很多移动元件。
[0023] 无线电信号的所述接收装置例如符合射频识别RFID类型标准或诸如QI建议之类 的建议。
[0024] 根据一个特别实施例，所述控制装置还包括控制所述移动元件的至少一个致动器 的装置。
[0025] 再根据一个特别实施例，该设备还包括发射电磁信号的第二发射装置，电磁信号 的所述发射装置被称为电磁信号的第一发射装置，电磁信号的所述第一发射装置和第二发 射装置被配置为逐个发射电磁信号以便允许确定所述移动元件的朝向。

【专利附图】

【附图说明】
[0026] 通过阅读示例性而非限定的以下详细描述并参照附图，本发明的其它特征、目的 和优点将显得清楚，在附图中：
[0027] -图1示出能用于实施本发明的结构的示例；
[0028] -图2示出用于确定移动元件的位置和朝向的逻辑表面和相关检测的示例；
[0029] -图3示出在螺线管和检测表面的导电环路之间的感性耦合的物理原理；
[0030] -图4示出根据由参照图2描述的系统获得的测量结果、沿着给定轴线允许计算 放置在检测表面上的螺线管的位置的插值机制；
[0031] 一图5至图8示出允许被定位的移动元件电子电路的实施例；
[0032] -图9示出由微控制器控制的移动元件的振荡电路；
[0033] -图10示出表示电感器的振荡开始和停止期间的激活控制的模拟；
[0034] 一图11示出允许从用于接收来自定位模块的定位信号的定位表面的行和列接收 能量的定位模块的示例；以及
[0035] -图12示出当使用两个同步信号时的同步定时图的示例。

【具体实施方式】
[0036] 总体而言，本发明的目的是一种移动元件，其位置（X轴，y轴和/或高度）和/或 朝向（俯仰，偏航，摇摆）可以通过能够顺次确定一组移动元件的位置和/或朝向的表面来 确定。为此，每个移动元件在此具有至少一个定位模块和一个激活模块。该位置可以是一 个平面中的二维位置，或包括高度（或海拔）的三维位置。检测表面可以与屏幕组合以便 提供例如背景元件或信息。
[0037] 例如，可通过电磁场来执行移动元件的三维位置的捕获。为此，使用检测移动元件 的位置的由行/列类型的电磁捕获栅格构成的表面。该表面与能够通过复用来计算发射电 磁场的定位模块的位置的电子模块相关联。
[0038] 因此每个定位模块例如被根据专属于它的标识符来顺次选择，使得其发射电磁 场。为此，每个定位模块包括激活机制以使得当被激活时发射可被检测表面捕获的电磁场。
[0039] 位置检测驱动器模块与检测表面相关联，以便经由控制信号来顺次激活定位模块 的电磁发射，或控制这样的顺次激活。在该模块和定位模块之间的控制信号有利地经由无 线连接来发送。
[0040] 控制信号可以例如根据标识符来选择性地寻址每个定位模块，或来寻址一组定位 模块，这组定位模块然后根据内含的延迟机制而被顺次激活，从而允许在接收控制信号之 后的预定延迟之后的激活。
[0041] 根据本发明，激活并定位移动元件的电子元件是通过电感供电的，用于捕获功率 的天线还用于激活并同步移动元件，即允许定位表面和移动元件之间的通信。使用感性耦 合的通过电感的供电可以使用特定控制电路或标准电路，例如符合RFID(射频识别）标准 或QI建议（由无线功率协会开发）的电路，如承载由德州仪器公司开发的标号为BQ500110 和BQ510Ix的电路。
[0042] 位置的检测表面例如是用于电磁接收的挠性或刚性PCB(印制电路板）类型板。其 可以与挠性或刚性、触摸或非触摸的屏幕（例如液晶显示器LCD屏或有机电致发光二极管 OLED屏）相关联，从而允许在交互的视觉表面上操纵移动元件。检测表面还可以与磁化表 面相关联，从而允许在倾斜、垂直或颠倒（头朝下）的屏幕上或经受撞击的情况下操纵移动 元件，而不影响位置检测。
[0043] 图1示出能用于实施本发明的结构100的示例。
[0044] 此处结构100包括板105,例如游戏板,在上面布置有允许用户通过移动这些移动 元件110来与关联于该板的计算机化系统交互的移动元件110。尽管此处仅示出五个移动 元件，但可以使用几十、几百个移动元件。板105定义用于检测所用移动元件的位置和/或 朝向的面积。
[0045] 板105此处包括耦合到屏幕120的检测表面115和磁化表面125 (检测表面115、 屏幕120和磁化表面125在此基本上平行）。板还包括硬件模块130 (或中央处理系统）， 硬件模块130用于检测移动元件110的位置，并且必要时用于检测朝向以及用于运行与用 户交互的一个或更多个应用。硬件模块130特别地负责管理移动元件的位置和/或朝向， 即依次识别定位模块、激活它们以使得它们逐个发射电磁场并估计其位置。
[0046] 硬件模块130优选地与板105的其它元件一起插入壳中。或者，其可以是例如合并 到计算机或游戏控制台中的远程模块。其可由可充电电池供电，或者经由主电源适配器供 电，并且具有一组常规连接器135,例如用于主电源适配器的电插头、USB、以太网、VGA(视 频图形阵列）视频和/或适当时的HDMI (该清晰度多媒体输入）端口，特别是如果屏幕与 检测区域相关联的话。而且，硬件模块130优选地包括无线通信模块，例如允许与另一计算 机化系统交互和/或经由通信网络存取数据的WIFI或蓝牙类型的无线通信模块。
[0047] 硬件模块130通常包括计算模块和此后描述的驱动位置检测和捕获的模块。计算 模块此处具有中央处理单元（CPU)、图形处理单元（GPU)、用于存储实施发明所需的程序和 变量的存储器组件（随机存储存取器RAM、只读存储器和/或闪存类型存储器）、以及声音 处理模块，例如以芯片组的形式。
[0048] 根据特别实施例，硬件模块130不与板105集成但是链接到板105。例如，智能电 话类型的设备连接到板105。
[0049] 位置检测和捕获驱动模块优选地通过无线电来顺次激活必须确定位置的每个定 位模块并控制这样的顺次激活。在激活之后，每个定位模块在此发射由检测表面捕获的电 磁场。该检测表面然后向位置检测和捕获模块发送允许计算定位模块的位置的信息项，例 如（x，y，z)类型的信息项。如后面描述的那样，当若干定位模块与同一移动元件相关联时， 可以根据这些定位模块的位置来确定该移动元件的朝向参数，例如以角度的形式。必须要 被确定位置和/或朝向的所有移动元件的位置和/或朝向然后就被发送到计算模块，计算 模块使用它们来管理与所关注的应用之间的交互性。
[0050] 在其余说明书部分中，板105和相关电子元件被称作有效区域。
[0051] 图2示出检测表面和相关逻辑的示例。
[0052] 检测表面115在此由形成导电网格的行列形式的网格构成。导电网格包括沿着两 个正交轴线的一组导电环路。每个环路是个单独的传感器，允许测量由属于其位置和/或 朝向必须要被计算的移动元件的辐射元件（通常螺线管）感应的电流或电压的强度，移动 元件位于检测表面上。
[0053] 作为示例，假定在此螺线管放置在位置200,即在环路205和210的交叉处，螺线 管一端接地并且另一端连接到用于计算位置的电子组件。当位于位置200的螺线管被供电 时，其在环路205和210中生成感性电流，该感性电流可以被分析并且与其它环路中感应的 电流比较。因此通过螺线管和网格之间的感性耦合并且通过测量感应的电流，可以确定螺 线管的位置。
[0054] 复用器215和220连接到网格的两个轴线中的每个轴线的每个环路，即在此分别 是垂直和水平环路中的每个环路。复用器215和220的输出分别连接到硬件模块130的标 记为130-1的位置检测和捕获驱动模块中的自动增益控制器（AGC) 225和230。自动增益控 制器225和230中的输出信号首先分别在解调器235和240中解调。解调产生与原始正弦 加上是由螺线管发射的固定频率的倍数的交流成分（交流）成比例的连续信号（直流）。
[0055] 根据常用的方案，硬件模块130的此处标记为130-2的计算模块驱动复用器215 和220以便顺次激活环路，即在环路η之后激活环路n+1。当到达最后环路时，处理器开始 新的循环并且驱动第一环路的激活。
[0056] 在每个自动增益控制器225和230中使用带通滤波器以便抑制解调后的信号的不 想要的谐波以及电磁背景噪声。该滤波使得可以改善来自复用器215和220的信号的测量， 所述信号分别在解调器235和240中解调并且然后在模数转换器（ADC) 245和250中数字 化。
[0057] 所获得的数字值然后被传送到计算模块130-2的中央处理单元（CPU) 255以便存 储。如所示例那样，中央处理单元255控制解调器235和240。
[0058] 在所述值被存储之后，中央处理单元使复用器的地址递增以便进行来自后续环路 的信号的数字化。当到达最后环路时，中央处理单元重新初始化复用器的与所关心的轴线 的第一环路的值对应的地址。
[0059] 在循环结束处，中央处理单元已经针对每个轴线存储了与螺线管的位置接近的相 邻环路数量相同的数字值。基于这些值，中央处理单元通过插值来计算螺线管的位置，如后 面所述那样。
[0060] 观察到可以由位于不同环路之间的金属带执行环路接地以便保护它们免受电磁 干扰。替代的方案包括在导电网格下布置均匀的接地平面。
[0061] 此外，位置检测和捕获控制模块130-1在此包括被计算模块130-2的中央处理单 元255控制的发射器260,从而允许激活移动元件的定位模块。作为示例，中央处理单元255 把要被激活的定位模块的标识符发送到发射器260。该标识符被编码然后以数字或模拟无 线电信号的形式发送。接收该信号的每个定位模块然后可以比较所接收的标识符与自己的 标识符并且如果标识符相同则激活自己。替代地，中央处理单元255向发射器260发送总 激活命令，总激活命令被编码然后被以数字或模拟无线电信号的形式发送。
[0062] 发射器260连接到天线265,天线265允许发送由移动元件使用作为电源、并激活 定位模块的控制信号。天线265有利地放置在检测表面115上，例如在环路205和210周 围。根据特别实施例，环路205和210还可以用于形成天线265。为此，开关用于确定环路 205和210的发送或接收功能（这些环路然后根据开关的位置而被连接到复用器215和220 或连接到发射器260)。
[0063] 如上所述，发射器260可以特别包括RFID类型读取器。
[0064] 因此，为了估计一组定位模块的位置，必须顺次激活每个定位模块，并且对于这些 定位中的每个而言根据此处描述的实施例执行每组环路的循环。
[0065] 若干检测表面可以组合在一起，所得检测表面的表面积是所组合的检测表面的表 面积之和。为此，一个检测表面被视为主，其它检测表面被视为从。移动元件的顺次激活被 主检测表面管理，主检测表面优选地接收由与每个从检测表面相关联的硬件模块计算出的 位置并且通过准备包含定位模块的坐标和自由度的表来合并这些位置。
[0066] 图3示出螺线管和检测表面的导电环路之间的感性耦合的物理原理。
[0067] 根据本发明，位置和/或朝向必须要被计算的每个移动元件包括至少一个螺线 管，其轴线优选地朝向检测表面。
[0068] 交流电流通过螺线管300并且发射传播朝向检测表面的电磁场，特别地，在该示 例中，发射朝向环路210的电磁场。接收来自螺线管300的电磁场的环路210与螺线管300 耦合。然后可以在记为305的环路端子处测量交流信号。
[0069] 螺线管300和环路210之间的耦合可以以下表达式的形式表示：

【权利要求】
1. 一种用于辅助通过电磁辐射来实时定位自供电移动元件的设备，该设备的特征在于 包括以下装置： 一接收包括至少一个同步信息的无线电信号的接收装置（505, 520,605,620, 705, 720， 805,820)，所述接收装置被配置为从所接收的无线电信号中接收能量； 一发射电磁信号的发射装置（515,615,715,815)，所述电磁信号是响应于激活信号而 被发射的； 一连接到所述接收装置和发射电磁信号的所述发射装置的控制装置（510,610,710， 810)，所述控制装置被无线电信号的所述接收装置供电并且被配置为响应于同步信息来生 成激活信号。
2. 按照权利要求1所述的设备，其中，无线电信号的所述接收装置包括双端口存储器， 所述双端口存储器被配置为能够通过无线电信号和所述控制装置来读和/或写存取。
3. 按照权利要求1或2所述的设备，其中，无线电信号的所述接收装置包括基于所接收 无线电信号来识别同步信息的识别装置以及把所识别出的同步信息发送到所述控制装置 的发送装置。
4. 按照权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制装置包括检测无线电信号的所述接 收装置的电能源的状态变化的检测装置，同步信息是响应于无线电信号的所述接收装置的 电能源的状态变化而被识别出的。
5. 按照权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制装置包括检测所接收的无线电信号 的载波的状态变化的检测装置，同步信息是响应于所接收的无线电信号的载波的状态变化 而被识别出的。
6. 按照权利要求2所述的设备，其中，所述控制装置包括存取在所述双端口存储器中 存储的值的存取装置，同步信息是根据所述双端口存储器中存储的值而被识别出的。
7. 按照前述权利要求中任一项所述的设备，其中，电磁信号的所述发射装置包括螺线 管（L1)和控制所述螺线管的激活的开关（Q1)。
8. 按照前述权利要求中任一项所述的设备，还包括确定生成激活信号的时刻的确定装 置，所述时刻是根据同步信息和延迟信息的接收时刻而被确定的。
9. 按照前述权利要求中任一项所述的设备，其中，无线电信号的所述接收装置符合射 频识别RFID类型标准。
10. 按照前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述控制装置包括控制所述移动元 件的至少一个致动器的装置。
11. 按照前述权利要求中任一项所述的设备，其中，还包括发射电磁信号的第二发射装 置，电磁信号的所述发射装置被称为电磁信号的第一发射装置，电磁信号的所述第一发射 装置和第二发射装置被配置为逐个发射电磁信号以允许确定所述移动元件的朝向。
【文档编号】G06K19/07GK104364802SQ201380029708
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年5月27日 优先权日:2012年6月7日
【发明者】V·勒菲弗, C·迪泰伊, L·沙班 申请人:Epawn公司