徐 寧

（中國華錄集團(tuán)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(jìn)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(jì)。但是，除了在游戲機(jī)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(jī)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(gè)維度方向上的運(yùn)動速度及旋轉(zhuǎn)角度的空間識別技術(shù)，同時(shí)應(yīng)用紅外攝像定位技術(shù)和二維平面坐標(biāo)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(jìn)行掃描，并將按鍵信息發(fā)送給主控單元。

（3）藍(lán)牙或RF模組:用于將手柄的控制信息傳送到主機(jī)端。

（4）主控單元:用于對按鍵電路傳輸回來的按鍵信號進(jìn)行處理后通過藍(lán)牙或RF模組發(fā)送到主機(jī)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(yùn)動感應(yīng)單元:用以產(chǎn)生空間三個(gè)維方向上的運(yùn)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(shí)主控單元還對3D運(yùn)動感應(yīng)單元傳回的手柄速度、角度信息進(jìn)行處理;另外，所述主控單元將上述信息處理后通過藍(lán)牙或RF模組傳送到主機(jī)端。

（4）還包括馬達(dá)和喇叭，所述的藍(lán)牙或RF模組還用于接收主機(jī)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(dá)及喇叭的控制信息，以用來控制馬達(dá)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(jì)，分上和下兩個(gè)殼體，上殼體是平滑的弧面設(shè)計(jì)，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(jì)，然后在其后部設(shè)有手持凸起。

一種操作手柄的運(yùn)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(zhǔn)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(jìn)行了對比，計(jì)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(lán)牙或RF模組處理后發(fā)送到主機(jī)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(gè)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(lán)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(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理，能夠同時(shí)實(shí)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(jìn)行了細(xì)致的結(jié)構(gòu)和造型設(shè)計(jì)以使產(chǎn)品美觀符合人體工學(xué)的特點(diǎn)。其主要特色如下:

（1）采用人體工學(xué)設(shè)計(jì)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(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸很穩(wěn)定。

（3）運(yùn)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。

（4）圖像定位技術(shù)，本技術(shù)可實(shí)現(xiàn)類似鼠標(biāo)目標(biāo)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(gè)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(gè)手柄同時(shí)聯(lián)機(jī)的工作。

4 具體實(shí)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(shí)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(lán)牙或RF模塊102可將處理的控制信息傳送到主機(jī)端，使用的BCM2042藍(lán)牙單元是很好的藍(lán)牙芯片模塊中集成的HID協(xié)議，完整的藍(lán)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(fù)責(zé)實(shí)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(jī)，等），如圖2中所示的控制功能）。RF NORDIG的nRF24L01，其最大的特點(diǎn)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(jī)，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(shí)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(lán)牙或RF模塊發(fā)送到主機(jī)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(shí)，可以直接使用藍(lán)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(biāo)數(shù)據(jù)邏輯算法，三維運(yùn)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(yùn)動采集功能已被廣泛用于消費(fèi)電子市場。設(shè)計(jì)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(gè)外部的紅外發(fā)光二極管單元發(fā)出時(shí)，使用主控制單元101，用于加工成形的方向信息;主控單元進(jìn)一步對三維運(yùn)動感應(yīng)單元的句柄返回速度，角度信息進(jìn)行處理;后通過藍(lán)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(jī)。

振動電機(jī)108從主機(jī)端控制，控制揚(yáng)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(fèi)電子產(chǎn)品，這里已不再是復(fù)雜的。藍(lán)牙或射頻（RF）模塊102接收的反饋信息由主機(jī)側(cè)返回，反饋信息發(fā)送給主單元，由主單元處理，馬達(dá)和喇叭形成的控制信息，是用來控制電機(jī)和揚(yáng)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(gè)模塊來實(shí)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(yùn)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(zhǔn)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(gè)固定的頻率掃描（作為位置的基準(zhǔn)坐標(biāo)），紅外模塊106被以一個(gè)二維圖像的形狀發(fā)送到主單元向;事實(shí)上，它是提供一種光學(xué)定位系統(tǒng)的參考坐標(biāo)，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(jī)側(cè)的顯示畫面（根據(jù)實(shí)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(yuǎn)程控制），每一個(gè)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(jì)算所接收的兩個(gè)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(gè)取得的數(shù)據(jù)的差分的數(shù)據(jù)信息的中心定位坐標(biāo)），使每幀的數(shù)據(jù)一起獲得，它可以被認(rèn)為是，遙控器的運(yùn)動軌跡是一個(gè)二維坐標(biāo)上面的點(diǎn)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(lán)牙或射頻（RF）模塊的主機(jī)側(cè)（步驟604）;在實(shí)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(jī)（COMS）不斷地改變位置，相對位置變化的兩個(gè)頻率為30幀每秒，相機(jī)用來記錄信息，這些數(shù)據(jù)反映在相機(jī)中作為兩套紅外光源的參考坐標(biāo)信息，然后可由一個(gè)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(jī)側(cè)的屏幕中的光標(biāo)的移動位置，并在主機(jī)的內(nèi)存軟件中完成對光標(biāo)移動位置數(shù)據(jù)的處理，紅外模塊提供的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與主機(jī)之間的通信是一個(gè)藍(lán)牙模塊或一個(gè)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(bǔ)償技術(shù)，提供4個(gè)范圍，對應(yīng)于不同的靈敏度選擇最多高達(dá)800mV/g at 1.5g和集成的低通濾波器作為零g補(bǔ)償，定位更準(zhǔn)確，是一個(gè)高精度MEMS器件。三軸操作的空間測量原理是根據(jù)自身運(yùn)動方向和速度的變化，改變輸出電壓信號。簡單地說，運(yùn)動傳感器模塊的作用是一個(gè)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(gè)電壓信號，通過量化后的數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號由藍(lán)牙模塊或射頻模塊發(fā)送到主機(jī)側(cè)。在正常情況下，以地球?yàn)閰⒖?，?g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(dāng)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(gè)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?fàn)顟B(tài)下，改變到一個(gè)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(dāng)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(gè)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(gè)或大或小的運(yùn)動，該傳感器可以是類似的這種運(yùn)動改變了形式的ADC輸出電壓信號運(yùn)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(gè)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(shí)間間隔，在主機(jī)側(cè)僅用于處理8位的數(shù)字信號，或?qū)?yīng)的加速。藍(lán)牙模塊或RF模塊從主機(jī)側(cè)通過運(yùn)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(shí)際運(yùn)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(yùn)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(gè)模塊是相對彼此獨(dú)立的，可以在相同的時(shí)間生成一個(gè)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(gè)輸出電動機(jī)108和喇叭109，移動設(shè)備的特點(diǎn)，從而產(chǎn)生振動或釋放語音信號。藍(lán)牙模塊，RF模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)中各個(gè)模塊和主機(jī)端通信，始終處于工作狀態(tài)。它保持到主機(jī)以無線方式由輸入裝置所產(chǎn)生的信號，而且還接收主機(jī)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(yùn)動，這時(shí)信號由主控制單元發(fā)送到主控制單元的3D運(yùn)動感應(yīng)單元，相當(dāng)于在主機(jī)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(gè)軸向的加速度變化非常微弱。主機(jī)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(lán)牙模塊的控制器的運(yùn)動是快速提升的空間，沿+Z軸運(yùn)動，遙控器可以表示為主角的時(shí)候，應(yīng)用軟件可以是一個(gè)優(yōu)秀的體操運(yùn)動員，上面已經(jīng)描述，實(shí)現(xiàn)了跳躍（您也可以按操作按鈕，只做到這一點(diǎn)），藍(lán)牙或RF模塊信息被發(fā)送到主機(jī)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(gè)提示符的命令，藍(lán)牙或RF模塊接收到這個(gè)信號時(shí)輸出操作后，和其他句柄產(chǎn)生感覺，電機(jī)工作，主機(jī)發(fā)出語音信號語音模塊揚(yáng)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(biāo)設(shè)置為手型，上面已經(jīng)描述過，紅外模塊的工作機(jī)制，該句柄指向的圖片的方向，光標(biāo)將停留上方的屏幕畫面，按下按鈕，藍(lán)牙或FR模塊的信息發(fā)送到主機(jī)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(biāo)，藍(lán)牙模塊將運(yùn)動傳感模塊的數(shù)字信號傳送到主機(jī)，接到指令后，該軟件將做兩件事情，首先要確定當(dāng)前狀態(tài)，被鎖定的畫面;問題翻轉(zhuǎn)“命令的同時(shí)，瀏覽器會顯示下一張圖片。如果兩個(gè)程序都成功地執(zhí)行，應(yīng)用軟件在同一時(shí)間發(fā)出命令提示符和藍(lán)牙模塊發(fā)送到處理輸出部分控制電機(jī)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(yùn)動方向判定方法，其中手柄包括外部殼體、按鍵處理，藍(lán)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(yùn)動感應(yīng)單元，用以產(chǎn)生空間三個(gè)維方向上的運(yùn)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(jìn)行處理，形成方向信息;同時(shí)主控單元還對3D運(yùn)動感應(yīng)單元傳回的手柄速度、角度信息進(jìn)行處理;所述主控單元將上述信息處理后通過藍(lán)牙或RF模組傳送到主機(jī)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(shí)用方便、結(jié)構(gòu)新穎等特點(diǎn)，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.