一种可与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的魔方系统的制作方法

本实用新型涉及传感器技术、无线通信、图像识别、魔方运动规律及手法技巧等领域，具体地说，本实用新型涉及一种可与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的魔方系统。

背景技术：

随着魔方的实用新型和相关比赛活动在世界范围内的普及，魔方已经成为了一项流行的竞技运动。对于已经熟练掌握魔方还原方法、参与比赛的魔方玩家来说，他们需要跟更多高手竞技交流，来提高自己的技术水平。对于还没有掌握魔方还原方法的人群，他们需要一个能够更容易学习魔方还原方法的工具、交流平台及教学平台。

魔方虽然只是由六个中心块，八个角块和十二个棱块组成，初始状态下，魔方每一面的九格色块是同一种颜色，整个魔方六个面是六种颜色，但是通过转动，将色块打乱，魔方能够产生43,252,003,274,489,856,000种变化。还原魔方，特别是快速还原魔方，需要记忆大量魔方公式，每个公式对应解决指定形态，且其中单个形态出现的概率低。如手动复现指定形态，需操作人对魔方的运动规律有深入理解，门槛极高，从而导致大部分魔方爱好者无法高效率的学习和记忆魔方公式。传统魔方对于新手来说上手难度大，趣味性也随之降低。对于已经能够熟练还原魔方的玩家，利用传统魔方竞技交流，对场地、环境及专用设备的要求过高，并且目前还没有一个专用的平台可供魔方玩家进行远程交流、竞技和教学。

已有用传感器检测魔方状态的研究，和用LED指示玩家还原步骤或作为色块显色单元的方案。但现存方案存在如下缺陷或问题：

1.现有技术方案中，魔方转动状态可与电脑或手机同步，但无法确保高速转动状态下的实时性(包括魔方六面及整体的转动)。在魔方竞技和教学中，误差和不同步都会极大地影响结果和使用体验。与此同时，设备用途的可扩展性也受到限制。

2.魔方整体转动的姿态模拟需要用到运动传感器数据，现有解决方案大都只使用一个运动传感器进行姿态模拟，由于运动传感器本身存在随机测量误差，长时间使用一个传感器模拟姿态误差会持续累计变大，无法做到魔方状态的实时同步。

3.魔方色块的LED显色需符合魔方运动规律，如6种颜色，每种颜色对应9个色面，任意组合，仅有1/12的概率正确，即11/12的概率，该配色方案的魔方不存在还原的可能性。因此LED显色的同时，符合魔方的运动规律至关重要。

4.LED显色替代传统魔方贴纸颜色(部分采用塑料原色)的方案，可以快速设定魔方状态，但同样的亮度设定无法满足复杂多变的环境亮度中，用户的使用需求。在高亮度的环境汇中，魔方需要高亮度显示，利于快速辨认色块状态；低亮度环境中，魔方需要低亮度显示，利于节能、护眼。由于环境亮度处在持续变化中，设定单一亮度或手动设定亮度，流程繁琐，体验欠佳。

5.魔方顺滑与否取决于魔方内部中心结构的设计，现存魔方方案由于改变了魔方原有的中心结构，或有部分采用接触式供电通讯方案，导致破擦力增大，造成魔方转动的速度和手感大幅下降，脱离了魔方的应用本质，不具备实际应用价值。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种一种与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的魔方系统，解决了现有技术中无法确保高速转动状态下魔方与手机同步的实时性的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：

一种与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的魔方系统，包括一个中心轴、六个中心块、八个角块、十二个棱块，其特征在于，六个中心块均内置运动传感器和无线通信模块，六个中心块均内置运动传感器和无线通信模块，其中六个传感器可以获取魔方整体姿态数据和转动数据，将整体姿态数据和转动数据通过无线通信模块发送至手机端。

作为本实用新型的一种优选技术方案，中心块有一个为主中心块，内置魔方系统的主控芯片、运动传感器和无线通信模块；其他五个中心块为从中心块，内置运动传感器和无线通信模块，所述从中心块的转动数据，通过无线通信模块传送到主中心块的主控芯片中，最终通过主中心块的无线通信模块发送给手机端。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所有的中心块、棱块、角块均包含无线通信模块，每个中心块包含一个色块，每个棱块包含两个色块，每个角块包含三个色块，每个色块由一个全彩LED进行显示；手机app可通过无线通信技术，控制魔方每一面每一色块内的全彩LED来改变魔方整体的显色状态，从而替代通过转动魔方来实现复现特殊形态或打乱魔方的方式。

作为本实用新型的一种优选技术方案，魔方可通过无线通信技术，接收手机光传感器获取的环境亮度数据，根据用户所处环境亮度，自动调节魔方色块的LED显色亮度。

作为本实用新型的一种优选技术方案，其中手机app可根据魔方的实时运动姿态及状态，给出适合人手操作的最优还原公式，并通过机器学习不断扩充公式库，研发新的适合人手操作的全量变化最优解。

作为本实用新型的一种优选技术方案，每一个块均由单独的聚合物锂电池供电，并且由无线充电线圈和充电管理电路进行充电。

作为本实用新型的一种优选技术方案，手机app可实现魔方玩家在线竞技，从而实现魔方玩家在线竞技、练习，提供打乱公式、计时、成绩统计、操作视频回看、远程在线指导及分享的功能。

本实用新型所达到的有益效果是：

1.通过动态实时处理运动数据机制，结合姿态解算算法和魔方运动规律，可实时在手机app上显示当前魔方的运动姿态及状态，即两端同步转动(包括魔方六面及整体的转动)，使得人们可以通过魔方进行远程教学、竞技以及技术交流。

2.本方案在六个中心块中各设有一个运动传感器，通过六个传感器的数据融合与互补，可以避免误差累积，提升姿态精度。由于每个传感器本身的误差为随机误差，大小和方向都不确定，所以使用六个传感器通过多路数据融合和互补算法获取魔方整体姿态，可以最大限度保证魔方整体姿态模拟的准确性和实时性。

3.无需在魔方中增加光感应单元，结合手机内置光传感器获取的环境亮度数据，可根据环境亮度，自动调节魔方LED显色的亮度，由此可提升魔方LED显色在复杂亮度环境中的可辨认度，同时实现低能耗和护眼的功能。

4.本实用新型所使用的方案为每个模块单独供电，每个模块内设有无线充电线圈，彼此通过无线通信技术，传输转动数据，由主中心块收集其他五个从中心的块的转动数据，进而与手机APP进行状态同步。可以在不影响魔方本身结构的前提下，进行持续的传感器数据的采集、传输以及LED的显色控制。由此，可获得魔方每一刻的转动数据(包括六面和整体的转动)，而非在某些时刻获得数据，某些时刻无法获得数据。

5.本实用新型在不改变魔方原有中心结构的前提下，将供电、通信、传感器等所有模块置于魔方外部的中心块及棱角块内，通过无线通信技术彼此同步和传输数据，可实现魔方最大程度接近普通竞速魔方的顺滑手感。

6.本方案中，将供电、通信、传感器等所有模块置于魔方外部的中心块及棱角块内，通过无线通信技术彼此同步和传输数据的方案，最大限度的降低了电磁干扰对数据传输的影响。进一步提升了魔方转动状态同步的实时性。

7.非魔方拥有者，可通过app视频或拍照上传魔方状态，拥有魔方的其他玩家或app可在线指导还原。极大地提升了学习效率。

8.增强了魔方的可扩展性，基于良好的实时性，可以作为任意硬件或软件的控制器。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的中心块和中心轴示意图；

图2是本实用新型的魔方旋转示意图示意图；

图3是本实用新型的主中心块设计方案示意图；

图4是本实用新型的从中心块设计方案示意图；

图5是本实用新型的运动传感器位置分布图示意图；

图6是本实用新型的运动传感器自身坐标轴示意图；

图7是本实用新型的魔方整体姿态坐标轴示意图；

图8是本实用新型的棱块设计方案示意图；

图9是本实用新型的角块设计方案示意图；

图10是本实用新型的魔方系统架构图示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

魔方中心块和中心轴的连接方式图1所示，通过弹簧和螺丝将中心块固定在中心轴上，六个中心块的相对位置不会因为转动而改变。

魔方转动时状态如图2所示，六个面均可独立自由转动，但是相邻两个面无法同时转动。魔方每一面的转动都是由中心块带动该面的四个棱块和四个角块共同转动，所以中心块的运动状态即为该面的运动状态。因而用于检测魔方转动的运动传感器内置于中心块中。由于每个人对魔方的操作习惯不同，使用魔方时会在空间坐标系中产生任意方向和角度的整体转动，魔方的整体转动情况由运动传感器数据通过姿态解算算法在手机app上进行同步模拟，优选正视角与魔方操作者相同。

魔方的中心块有一个为主中心块，内置魔方系统的主控芯片、运动传感器和无线通信模块；其他五个中心块为从中心块，内置运动传感器和无线通信模块。主中心块的运动数据通过高速接口直接读取。

六个中心块中均设有运动传感器，运动传感器的数据转化为六个面转动时的方向和角度数据，从中心块的转动数据，通过无线通信模块传送到主中心块的主控芯片中，最终通过主中心块的无线通信模块发送给手机端。手机端通过六个运动传感器的数据，最终融合成为魔方整体姿态数据，基于魔方整体姿态数据以及六个面的转动数据，实现魔方整体姿态及状态实时在手机app上的同步。魔方主中心块的设计方案如图3所示，从中心块的设计方案如图4所示。

六个运动传感器在空间中均匀分布，位置如图5所示。每个运动传感器有各自的坐标系，XYZ轴分布如图6所示。

每个棱块内置两个全彩LED和一个无线通信模块，无线通信模块的管脚直接连接到LED，通过改变管脚的高低电平，即可控制LED显示的颜色。全彩LED的颜色由主控芯片通过无线通信模块进行控制。棱块设计方案如图8所示。

每个角块内置三个全彩LED和一个无线通信模块，无线通信模块的管脚直接连接到LED，通过改变管脚的高低电平，即可控制LED显示的颜色。全彩LED的颜色由主控芯片通过无线通信模块进行控制。角块设计方案如图9所示。

所有独立单元，都由一块聚合物锂电池进行供电，并且由一个无线充电线圈和充电管理电路对电池进行充电和保护，以保证产品的安全性以及充电的便捷性。

所有的无线通信模块，都设有不同ID，使得主控芯片可以识别是哪个无线节点发送来的数据。

手机内的光感应器单元由投光器和受光器组成，利用投光器将光线由透镜将之聚焦，经传输而至受光器的透镜，再至接收感应器，感应器将收到的光线讯号转变成电器信号，此电信号可通过无线通信技术传输至魔方，实现根据环境亮度，自动改变魔方LED显色亮度的目的。

手机app可通过接收魔方传输的六面转动数据，结合姿态解算算法和魔方运动规律，实现手机app与魔方实时运动姿态及状态同步，即两端同步转动(包括魔方六面及整体的转动)。同时，手机app可通过无线通信技术，结合魔方运动规律，控制魔方每一面每一色块内的全彩LED来改变魔方整体的显色状态，从而替代通过转动魔方来实现复现特殊形态或打乱魔方的方式。同时，可确保此显色方案，符合魔方运动规律，为可还原状态。

其中手机app可实现魔方玩家在线竞技，提供打乱公式、计时、成绩统计及分享的功能。

其中手机app可通过魔方实现远程在线指导的功能(双方均拥有魔方)。

其中手机app可通过视频或拍照非魔方的方式，获取该魔方色块分布状态并由手机app或其他魔方玩家(指导一方拥有魔方)在线指导的功能。

其中手机app可手动设置魔方LED显色亮度，也可开启自动调整亮度功能，根据光传感器判断环境亮度，进而自动调整魔方LED的显色亮度。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。