體感游戲機操作手柄的運動方向判定方法

徐 寧

（中國華錄集團有限公司，遼寧大連 116023）

紅外傳輸遙控按鍵方式在傳統(tǒng)的影音設(shè)備多使用進行操作，雖然該技術(shù)已非常成熟，但該功能單一，只是作為一種按鍵式操作面板來使用，不具有互動功能;隨著人們對電子產(chǎn)品多樣性的追求，在人們的生活中，出現(xiàn)了很多多樣性的游戲手柄設(shè)計。但是，除了在游戲機領(lǐng)域，在高清媒體與網(wǎng)絡(luò)娛樂的家庭影音設(shè)備中，一種能夠?qū)崿F(xiàn)更好人機互動的手柄急待被需要研制，以替代現(xiàn)有的遙控按鍵式手柄。

1 系統(tǒng)模型

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本技術(shù)研制了在三個維度方向上的運動速度及旋轉(zhuǎn)角度的空間識別技術(shù)，同時應(yīng)用紅外攝像定位技術(shù)和二維平面坐標指向功能。本技術(shù)采用了領(lǐng)先的無線傳輸方式，引入新穎的動作感應(yīng)操作方式并加以震動音效等反饋響應(yīng)的動感游戲控制手柄。本技術(shù)所采用的技術(shù)手段如下:

一種操作手柄，包括:

（1）外部殼體:用于固定手柄的組成部件。

（2）按鍵處理電路:用于對功能按鍵進行掃描，并將按鍵信息發(fā)送給主控單元。

（3）藍牙或RF模組:用于將手柄的控制信息傳送到主機端。

（4）主控單元:用于對按鍵電路傳輸回來的按鍵信號進行處理后通過藍牙或RF模組發(fā)送到主機端。

其特征在于還包括:

（1）紅外模組:用于掃描紅外發(fā)光二極管單元發(fā)出的紅外信號。

（2）3D運動感應(yīng)單元:用以產(chǎn)生空間三個維方向上的運動速度信號和旋轉(zhuǎn)角度信號。

（3）無線接收信號，形成數(shù)據(jù)處理:同時主控單元還對3D運動感應(yīng)單元傳回的手柄速度、角度信息進行處理;另外，所述主控單元將上述信息處理后通過藍牙或RF模組傳送到主機端。

（4）還包括馬達和喇叭，所述的藍牙或RF模組還用于接收主機端傳回的反饋信息;并將反饋信息傳送到主控單元，另經(jīng)主控單元處理后形成馬達及喇叭的控制信息，以用來控制馬達及喇叭振動或發(fā)出聲音。

2 工作原理

所述外部殼體為火炬造型設(shè)計，分上和下兩個殼體，上殼體是平滑的弧面設(shè)計，在它的表面設(shè)有功能按鍵;下殼體是主要承載體，采用軸線曲度的近圓柱面的設(shè)計，然后在其后部設(shè)有手持凸起。

一種操作手柄的運動方向判定方法，其特征在于包括如下步驟:

（1）首先將紅外發(fā)光二極管單元固定在基準位置，以用以發(fā)射紅外信號;

（2）手柄的紅外模組以固定的頻率掃描步驟（1）中紅外發(fā)光二極管單元發(fā)出的紅外光學(xué)信號，用以二維圖像形式發(fā)送到主控單元;

（3）主控單元對步驟（2）傳回的所述圖像進行了對比，計算其接收的兩相鄰圖像中的紅外發(fā)光二極管單元相對位置的變化信息，并將此位置變化信息轉(zhuǎn)變?yōu)槭直苿臃较蛐畔?

（4）主控單元可將步驟（3）中的手柄移動方向信息在通過藍牙或RF模組處理后發(fā)送到主機端。

所述紅外發(fā)光二極管單元是兩組設(shè)置，并且每組可由多個紅外發(fā)光二極管組成;而且兩組光源正對用戶視線后成對稱分布。

3 涉及技術(shù)及功能

本產(chǎn)品主要應(yīng)用了藍牙通信技術(shù)和RF射頻通信技術(shù)，紅外攝像定位技術(shù)，還有高速實時的數(shù)據(jù)處理，能夠同時實現(xiàn)對按鍵掃描以及音頻信號的處理和震動效果的控制。作為控制終端也進行了細致的結(jié)構(gòu)和造型設(shè)計以使產(chǎn)品美觀符合人體工學(xué)的特點。其主要特色如下:

（1）采用人體工學(xué)設(shè)計原理，握持舒適。

（2）使用Bluetooth通信技術(shù)，另外可選2.4G RF射頻技術(shù)，這兩種通信方式均可保證10 m的使用距離。擺脫連接線的干擾和限制，抗干擾能力很強，數(shù)據(jù)傳輸很穩(wěn)定。

（3）運動感應(yīng)的功能，可把肢體的動作轉(zhuǎn)為控制信號輸送到電腦或互動平臺，實現(xiàn)人機交互的功能。

（4）圖像定位技術(shù)，本技術(shù)可實現(xiàn)類似鼠標目標指向功能而又不放置平面的限制。

（5）振動功能技術(shù)，增加操作的代入可操作感。

（6）聲音輸出技術(shù)，可以輸出提示音，和播放音樂的功能。

（7）控制器設(shè)置有多個傳統(tǒng)的按鍵，可以滿足大部分手柄操作的需求。

（8）可支持多個手柄同時聯(lián)機的工作。

4 具體實施方式

圖1中所示的手柄的描述是，本發(fā)明技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)方框圖，其中的鍵處理電路104采用比較常見的GPIO掃描模式，以實現(xiàn)，用于掃描的功能鍵，和所述密鑰信息傳送到主控制單元101處理，藍牙或RF模塊102可將處理的控制信息傳送到主機端，使用的BCM2042藍牙單元是很好的藍牙芯片模塊中集成的HID協(xié)議，完整的藍牙協(xié)議棧的8051MCU和8k的RAM有一定的數(shù)據(jù)處理功能（如提供共享部分主單元的工作，如:它是負責實施關(guān)鍵掃描和三維移動紅外模塊，后臺數(shù)據(jù)處理以及其他的模塊，另一種芯片（電機，等），如圖2中所示的控制功能）。RF NORDIG的nRF24L01，其最大的特點是超低功耗，可以工作在電壓范圍為1.9～3.6，2 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，最小工作電流，峰值12.5毫安。數(shù)據(jù)處理使用SPCA563B單片機，16位U NSP MCU內(nèi)核，內(nèi)置1k字RAM，32k字ROM，以及DSP的圖像處理軟件。

圖1 具體實施方式簡圖

主控制單元101，其關(guān)鍵電路的傳輸后退按鈕信號處理后，通過藍牙或RF模塊發(fā)送到主機側(cè)103 MCU（MicroControllerUnit，中文名稱為微控制單元），在使用環(huán)境相對比較簡單，數(shù)據(jù)處理量不是很大時，可以直接使用藍牙單元的BCM2042 MCU模塊。IR模塊106，單色CMOS來完成接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外信號，有TI的SOC數(shù)據(jù)處理功能，光學(xué)坐標數(shù)據(jù)邏輯算法，三維運動傳感器單元105模塊使用MMA7360芯片，飛思卡爾出品的加速度傳感器的運動采集功能已被廣泛用于消費電子市場。設(shè)計可以以高精確度完成，用于產(chǎn)生信號的三維方向上的空間移動速度，和旋轉(zhuǎn)角度信號。紅外掃描模塊106的紅外信號由一個外部的紅外發(fā)光二極管單元發(fā)出時，使用主控制單元101，用于加工成形的方向信息;主控單元進一步對三維運動感應(yīng)單元的句柄返回速度，角度信息進行處理;后通過藍牙或射頻（RF）模塊，所述主控單元的信息處理終端103傳送到主機。

振動電機108從主機端控制，控制揚聲器109發(fā)生聲音部分芯片選擇支持WAV格式，配置Rohm公司的BU8844完整的解碼，這些功能已應(yīng)用在許多消費電子產(chǎn)品，這里已不再是復(fù)雜的。藍牙或射頻（RF）模塊102接收的反饋信息由主機側(cè)返回，反饋信息發(fā)送給主單元，由主單元處理，馬達和喇叭形成的控制信息，是用來控制電機和揚聲器的振動或聲音。

圖2 手柄工作流程圖

一般的紅外定位需要兩個模塊來實現(xiàn)，紅外發(fā)光二極管單元組和紅外模塊106的協(xié)同作用。圖2示出操作手柄的運動方向的確定方法。包括以下步驟:首先，紅外發(fā)光二極管單元被固定在基準位置，用于發(fā)射紅外信號，其特征在于，所述紅外發(fā)光二極管單元是相對簡單的，它的工作只發(fā)射紅外線的光信號，這些非可見光信號不久將成為手柄CMOS拾取器一個固定的頻率掃描（作為位置的基準坐標），紅外模塊106被以一個二維圖像的形狀發(fā)送到主單元向;事實上，它是提供一種光學(xué)定位系統(tǒng)的參考坐標，并在其放置，即紅外光的發(fā)光二極管可以設(shè)置為放置在中間，因此，也有特殊要求置于主機側(cè)的顯示畫面（根據(jù)實際操作的需要，人們對電視和其他媒體設(shè)備的顯示畫面的朝向，便于用于遙控器的遠程控制），每一個紅外發(fā)光二極管組可以產(chǎn)生很大的發(fā)射角使其更方便。通過前面的手柄部紅外模塊106接收紅外光信號的紅外發(fā)光管被放置在手柄內(nèi)。燈罩的作用，篩選出可見光的外部環(huán)境，它會使手柄在各種照明條件下工作。CMOS攝像模塊（360*296分辨率）提供速率為30fps的掃描圖像，它可以掃描的信號，即紅外波束管兩套紅外光源（步驟601）。主控制部的紅外線的比較模塊106返回到二維圖像，探測紅外發(fā)光二極管之前的相對位置的定位信息和紅外發(fā)光二極管最后一次掃描的圖像的變化（步驟602）的比較值是多少。如果比較值有變化，則計算所接收的兩個相鄰圖像的紅外光的發(fā)光二極管單元中相對的變化位置信息（即，這兩個取得的數(shù)據(jù)的差分的數(shù)據(jù)信息的中心定位坐標），使每幀的數(shù)據(jù)一起獲得，它可以被認為是，遙控器的運動軌跡是一個二維坐標上面的點函數(shù)（步驟603），主單元到手柄的移動方向信息（步驟603）被發(fā)送;如果沒有變化，則返回到步驟601，通過藍牙或射頻（RF）模塊的主機側(cè)（步驟604）;在實際使用中紅外發(fā)光二極管單元的位置是不變的，各自手柄的相機（COMS）不斷地改變位置，相對位置變化的兩個頻率為30幀每秒，相機用來記錄信息，這些數(shù)據(jù)反映在相機中作為兩套紅外光源的參考坐標信息，然后可由一個軟件算法裝置判斷為變化的參考對象的位置。攝像頭，或處理到固定位置（顯示畫面）的紅外光的發(fā)光管，軟件應(yīng)用程序?qū)嵤橹鳈C側(cè)的屏幕中的光標的移動位置，并在主機的內(nèi)存軟件中完成對光標移動位置數(shù)據(jù)的處理，紅外模塊提供的坐標數(shù)據(jù)與主機之間的通信是一個藍牙模塊或一個RF模塊組。

另外，該三維移動感測單元的核心是引入3D模塊，空間控制能力歸于此的加速度傳感器。MMA7360加速度傳感器采用了信號調(diào)理，單極低通濾波器和溫度補償技術(shù)，提供4個范圍，對應(yīng)于不同的靈敏度選擇最多高達800mV/g at 1.5g和集成的低通濾波器作為零g補償，定位更準確，是一個高精度MEMS器件。三軸操作的空間測量原理是根據(jù)自身運動方向和速度的變化，改變輸出電壓信號。簡單地說，運動傳感器模塊的作用是一個動作記錄器，它的輸入是在加速的位置或改變的空間變化，并且由所述傳感器輸出的是一個電壓信號，通過量化后的數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號由藍牙模塊或射頻模塊發(fā)送到主機側(cè)。在正常情況下，以地球為參考，有1g重力系數(shù)（加速度）在地球的垂直方向上。我們首先在傳感器的水平，垂直，縱向定義它的X，Y，Z軸，參照地球的空間XYZ軸區(qū)分。當傳感器Y軸垂直于地球，在Y-軸輸出的電壓是2.45V，在XZ軸向加速度0g的，輸出電壓為1.65V。和加速度是一個向量，具有方向性，空間三軸+/-表示，-1g相應(yīng)的輸出是0.85V。在靜止狀態(tài)下，改變到一個不同的輸出信號相對應(yīng)位置（定位）的上方的傳感器，由這些數(shù)據(jù)，我們可確定傳感器的當前狀態(tài)（處理），即，抽頭，垂直的集或縱向。傳感器可以是加速度略有敏感變化的，并得到相應(yīng)的電壓輸出，例如，傳感器被置于傾斜的角度，所以，在XYZ三個軸向的方向?qū)⒂胁煌妷簭?g狀態(tài)輸出。三種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，可確定傳感器（處理）的放置狀態(tài)。如果傳感囂發(fā)生一個或大或小的運動，該傳感器可以是類似的這種運動改變了形式的ADC輸出電壓信號運動傳感器模塊，傳感器的電壓模擬信號過程的原則是在三個維軸向方向（X軸，Y軸，Z軸）上的加速區(qū)間3g～線性量化3g 0至255的8位的數(shù)字信號的時間間隔，在主機側(cè)僅用于處理8位的數(shù)字信號，或?qū)?yīng)的加速。藍牙模塊或RF模塊從主機側(cè)通過運動數(shù)字量化傳感器信號的采集，可以控制應(yīng)用［1］在各種傳感器的映射應(yīng)用程序軟件的實際運動。

首先要注意的是手柄在工作中，不是所有的模塊都可以發(fā)揮作用。紅外模塊系統(tǒng)106，3 D運動傳感器單元105和關(guān)鍵處理電路104，它們可以承載應(yīng)用軟件操作控制，三個模塊是相對彼此獨立的，可以在相同的時間生成一個輸入，也可以是只有一組、兩組輸入。從系統(tǒng)組件可以看出，該系統(tǒng)具有一個輸出電動機108和喇叭109，移動設(shè)備的特點，從而產(chǎn)生振動或釋放語音信號。藍牙模塊，RF模塊負責系統(tǒng)中各個模塊和主機端通信，始終處于工作狀態(tài)。它保持到主機以無線方式由輸入裝置所產(chǎn)生的信號，而且還接收主機發(fā)出的控制命令到輸出單元的反饋信息。

例如，手柄突然抬起，但不向其它方向運動，這時信號由主控制單元發(fā)送到主控制單元的3D運動感應(yīng)單元，相當于在主機側(cè)檢測到的Z軸的值從初始值變?yōu)樽畲笾?55，即，在Z軸的加速度1g-3g變化，而相應(yīng)的X和Y軸的輸出只有很輕微的改變，即這兩個軸向的加速度變化非常微弱。主機端的動作感應(yīng)模塊輸出的應(yīng)用軟件將發(fā)出跳躍的控制信號，通過藍牙模塊的控制器的運動是快速提升的空間，沿+Z軸運動，遙控器可以表示為主角的時候，應(yīng)用軟件可以是一個優(yōu)秀的體操運動員，上面已經(jīng)描述，實現(xiàn)了跳躍（您也可以按操作按鈕，只做到這一點），藍牙或RF模塊信息被發(fā)送到主機端，應(yīng)用軟件的控制信息接收這一系列的動作完成應(yīng)用程序的主角完整的360度大轉(zhuǎn)彎的動作（或轉(zhuǎn)出的這組動作動畫）后，將發(fā)出一個提示符的命令，藍牙或RF模塊接收到這個信號時輸出操作后，和其他句柄產(chǎn)生感覺，電機工作，主機發(fā)出語音信號語音模塊揚聲器發(fā)出觀眾叫好聲。引用圖片瀏覽應(yīng)用程序，在這里，紅外模塊發(fā)揮了重要作用。圖片瀏覽器，光標設(shè)置為手型，上面已經(jīng)描述過，紅外模塊的工作機制，該句柄指向的圖片的方向，光標將停留上方的屏幕畫面，按下按鈕，藍牙或FR模塊的信息發(fā)送到主機端，該軟件將得到張開雙手緊握的拳頭，然后擺動手柄的左側(cè)（X軸）的信號光標，藍牙模塊將運動傳感模塊的數(shù)字信號傳送到主機，接到指令后，該軟件將做兩件事情，首先要確定當前狀態(tài)，被鎖定的畫面;問題翻轉(zhuǎn)“命令的同時，瀏覽器會顯示下一張圖片。如果兩個程序都成功地執(zhí)行，應(yīng)用軟件在同一時間發(fā)出命令提示符和藍牙模塊發(fā)送到處理輸出部分控制電機工作，發(fā)送信號給聲音模塊。

5 結(jié)束語

技術(shù)公開了一種操作手柄及操作手柄的運動方向判定方法，其中手柄包括外部殼體、按鍵處理，藍牙、電路或RF模組及主控單元;其特征還包括:紅外模組，用于掃描紅外發(fā)光二極管單元發(fā)出的紅外信號;3D運動感應(yīng)單元，用以產(chǎn)生空間三個維方向上的運動速度信號，以及旋轉(zhuǎn)角度信號;所述主控單元還對紅外模組掃描的外部紅外發(fā)光二極管單元發(fā)出的紅外信號進行處理，形成方向信息;同時主控單元還對3D運動感應(yīng)單元傳回的手柄速度、角度信息進行處理;所述主控單元將上述信息處理后通過藍牙或RF模組傳送到主機端。方法包括發(fā)射紅外信號、掃描、對比及發(fā)送的步驟;該手柄具有實用方便、結(jié)構(gòu)新穎等特點，適于在家電遙控領(lǐng)域廣泛推廣。

［1］王杰.體感技術(shù)的發(fā)展與設(shè)想［OL］.www.wenku.baidu.com，2012-08.