專利名稱：動作感應(yīng)操作手柄的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種操作手柄，尤其涉及一種動作感應(yīng)操作手柄。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的影音設(shè)備多使用紅外傳輸遙控按鍵方式進(jìn)行操作，雖然其技術(shù)應(yīng)用 已非常成熟，但其功能單一，只是作為一種按鍵式操作面板來使用，不具有互 動功能；隨著人們對生活質(zhì)量、生活多樣性的追求，大量的具有互動功能的游 戲手柄被研制，豐富了人們的日常生活。但是，這種具有互動功能的手柄只局 限于游戲領(lǐng)域。在高清媒體與網(wǎng)絡(luò)娛樂逐歩在家庭影音設(shè)備中的過程中，原有 的遙控按鍵方式操作手柄，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代人們的需要，所以急需一種能 夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)互動的設(shè)備被研制成功。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而研制一種空間三個維度方向上的運(yùn)動 速度及旋轉(zhuǎn)角度的識別，同時紅外攝像定位技術(shù)的，二維平面坐標(biāo)指向功能。 采用領(lǐng)先的無線傳輸方式，引入新穎的動作感應(yīng)操作方式并附以震動音效等反 饋響應(yīng)的動感游戲控制手柄。本實用新型所采用的技術(shù)手段如下
一種操作手柄，包括
殼體，用于固定手柄的組成部件；
按鍵處理單元，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; 藍(lán)牙/RF單元，用于將手柄的控制信息傳送到主機(jī)端；
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/RF 單元發(fā)送到主機(jī)端；
其特征在于還包括
紅外單元，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單元掃描的外部紅外發(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/RF單元傳 送到主機(jī)端。
還包括馬達(dá)和語音單元，所述的藍(lán)牙/RF單元還用于接收主機(jī)端傳回的反饋 信息；并將反饋信息傳送到主控單元，經(jīng)主機(jī)端處理后，形成馬達(dá)及語音單元 的控制信息，用來控制馬達(dá)及語音單元振動/發(fā)出聲音。
所述殼體為火炬造型，分上、下兩個殼體，上殼體為平滑的弧面設(shè)計，在 其表面設(shè)有功能按鍵；下殼體為主要承載體，采用軸線曲度的近圓柱面設(shè)計， 并在其后部設(shè)有手持凸起。
本產(chǎn)品主要應(yīng)用了藍(lán)牙通信技術(shù)/RF射頻通信技術(shù)，紅外攝像定位技術(shù)，以 及高速實時的數(shù)據(jù)處理，能夠同時完成按鍵掃描以及音頻信號的處理和震動效 果的控制。作為控制終端亦進(jìn)行了細(xì)致的結(jié)構(gòu)和造型設(shè)計使產(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，握持舒適。
2. 使用Bluetooth通信技術(shù)/2.4G RF射頻技術(shù)，兩種通信方式均可保證 10m的使用距離。擺脫連接線的干擾與限制，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。
3. 運(yùn)動感應(yīng)功能，可把肢體的動作轉(zhuǎn)換為控制信號輸送到電腦/互動平臺， 實現(xiàn)人機(jī)交互。
4. 圖像定位，可實現(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，增加操作的代入感。
6. 聲音輸出，可以輸出提示音，和播放音樂。
7. 控制器設(shè)置有多個傳統(tǒng)按鍵，可以滿足大部分操作的需求。
8. 可支持多副手柄同時聯(lián)機(jī)工作。

圖l為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為手柄的主視圖3為圖2的側(cè)視圖4為圖2的后試圖。
具體實施方式

如圖1所示本實用新型所述的手柄的電路結(jié)構(gòu)框圖，其中按鍵處理電路104采用比較普遍的GPIO掃描方式實現(xiàn)，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101;藍(lán)牙或RF模組102將手柄的控制信息傳送到主機(jī)端；其
中的藍(lán)牙單元采用BCM2042是很出色的單片式藍(lán)牙模塊，集成了 HID協(xié)議和完 整的藍(lán)牙協(xié)議棧，另外芯片內(nèi)部集成有8051MCU和8K的RAM具有一定的數(shù)據(jù)處 理功能(可利用其分擔(dān)主控單元的部分工作如負(fù)責(zé)實現(xiàn)按鍵掃描以及3D運(yùn)動 和紅外模塊的后臺數(shù)據(jù)處理以及其他模塊(馬達(dá)等)的控制功能)。RF使用NORDIG nRF24L01方案，其最大的特點(diǎn)是超低的功耗，可在1. 9至3. 6電壓范圍內(nèi)工作， 2Mbit/s的數(shù)據(jù)率只需很小的工作電流，最高峰值為12.5ma,數(shù)據(jù)處理方面使 用SPCA563B， 16位u， nsp MCU內(nèi)核，內(nèi)置IK Words RAM, 32K Words ROM,以 及圖像處理DSP?？梢蕴鎿Q藍(lán)牙模組的通信及控制功能。在應(yīng)用中可根據(jù)只用環(huán) 境與成本的需求對兩種通信方式進(jìn)行取舍。
主控單元101，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103;采用MCU(MicroControllerUnit，中文名稱為微 控制單元)來實現(xiàn)，在使用環(huán)境較為簡單，數(shù)據(jù)處理量不算大的情況下，可直接 利用藍(lán)牙單元BCM2042種的MCU來實現(xiàn)。紅外模組106，使用單色CMOS完成紅 外發(fā)光二極管單元發(fā)出的紅外信號的采集，由TI的SOC完成數(shù)據(jù)處理，由邏輯 算法得出光學(xué)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；3D運(yùn)動感應(yīng)單元105，采用MMA7360實現(xiàn)動作采集， 是飛思卡爾出品低加速度傳感器，在電子消費(fèi)市場已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，可完 成較高精度的設(shè)計，用以產(chǎn)生空間三個維方向上的運(yùn)動速度信號，以及旋轉(zhuǎn)角 度信號；使用時主控單元101對紅外模組106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103。
振動馬達(dá)108的控制源自主機(jī)端；控制喇叭109發(fā)生的語音部分選擇支持 WAV格式的芯片，配置了 Rohm的BU8844完成解碼，這些功能在很多消費(fèi)電子產(chǎn) 品中都有較多應(yīng)用，此處不再詳述。藍(lán)牙或RF模組102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，經(jīng)主控單元處理后，形成馬達(dá)及喇叭的 控制信息，用來控制馬達(dá)及喇叭振動或發(fā)出聲音。
如圖2、圖3及圖4所示為手柄的外部殼體采用火炬造型，分上、下兩個殼 體，其中上殼體202為平滑的弧面設(shè)計，在其上面設(shè)有按鍵201及(圖中未視的硅膠襯墊，揚(yáng)聲器，LED導(dǎo)光柱等)；下殼體203為主要承載體，采用軸線曲 度的近圓柱面設(shè)計，并在其后部設(shè)有手持凸起204，(圖中未視出的遠(yuǎn)紅外線燈 罩，按鍵及硅膠鍵，PCB支架，電池組件，攝像頭組件以及馬達(dá)等模塊)。手柄 的其他的配件都采取非對稱的設(shè)計來達(dá)到防止誤裝配的效果，這在設(shè)計上提高 了難度卻提升了流水線的效率。同時該產(chǎn)品要以運(yùn)動感應(yīng)的方式工作，對抗震 穩(wěn)定性要求較高。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上一是保證設(shè)計精度，最終產(chǎn)品的公差為+/-0. Iran 另一是設(shè)計復(fù)雜度在上下殼上為每個附件都可設(shè)有吻合的固定溝槽，裝配完成 的產(chǎn)品可使所有配件穩(wěn)密結(jié)合。各配件均為穩(wěn)固防止脫落可采用卡扣及膠墊固 定方式，最終產(chǎn)品的裝配只需將兩個組件以卡扣之力合緊，工藝流程簡便，利 于生產(chǎn)。
一般紅外定位需要兩個模組協(xié)同工作來實現(xiàn)，紅外發(fā)光二極管單元組及紅外 模組106。操作手柄的運(yùn)動方向判定方法。包括如下步驟首先將紅外發(fā)光二極 管單元固定在基準(zhǔn)位置，用以發(fā)射紅外信號，其中紅外發(fā)光二極管單元的作用 比較簡單，它由兩組的紅外發(fā)光二極管組組成，它們的工作只是發(fā)射出紅外光 學(xué)信號，而這些非可見光信號將會被手柄的紅外模組106中的CMOS以固定的頻 率掃描拾取(作為定位坐標(biāo)的基準(zhǔn))，以二維圖像形似發(fā)送到主控單元；其實它 要為光學(xué)定位系統(tǒng)提供一個基準(zhǔn)坐標(biāo)，因此對它的擺放位置也有特殊要求，即 紅外發(fā)光二極管組一定要放置在主機(jī)端的顯示屏幕的正中間(根據(jù)實際操作需 要，因為人們對電視等媒體設(shè)備進(jìn)行遙控時都是將遙控器指向顯示屏幕的)，每 組多個紅外發(fā)光二極管設(shè)置可以產(chǎn)生很大的發(fā)射角度，使其實用起來更方便。 紅外模組106置于手柄之內(nèi)，透過手柄前部的燈罩接收紅外發(fā)光管的紅外光信 號。燈罩的作用是濾掉外界環(huán)境的可見光，這樣可使手柄在各種光線環(huán)境下工 作。模組中的CMOS攝像頭(360*296分辨率)會以30fps的速率掃描圖像，而
它所能掃描到的信號即是紅外放光管的兩組紅外光源；主控單元對紅外模組 106傳回的二維圖像進(jìn)行對比，看此次掃描圖像中的紅外發(fā)光二極管的位置同上 次掃描圖像中的紅外發(fā)光二極管的位置相對比是否發(fā)生變化；如果有變化，則 計算其接收的兩相鄰圖像中的紅外發(fā)光二極管單元的相對位置的變化信息(即 這兩組數(shù)據(jù)差分得出定位中心點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息)，將這樣每一幀畫面比較得到 的數(shù)據(jù)連貫起來，就可以認(rèn)為是遙控器的移動軌跡，以此實現(xiàn)二維坐標(biāo)面的指向功能;主控單元將中的手柄移動方向信息通過藍(lán)牙或RF模組后發(fā)送到主機(jī)端; 如果無變化則返回。實際使用中，紅外發(fā)光二極管單元的位置是不變的，相應(yīng) 的手柄中的攝像頭(C0MS)則不斷改變位置，兩者的相對位置不斷變化，攝像 頭以每秒30幀的頻率記錄這些信息，這些數(shù)據(jù)反映的是以攝像頭自己為參照的 兩組紅外光源的坐標(biāo)信息，再借助軟件算法就可以判斷出以固定位置(顯示屏 幕)的紅外發(fā)光管為參照物，攝像頭或手柄的位置變化，在應(yīng)用軟件中則體現(xiàn) 為光標(biāo)在主機(jī)端的屏幕上的移動位置，而光標(biāo)的表現(xiàn)形式是由主機(jī)端的軟件來 處理完成，紅外模組提供的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與主機(jī)之間的通信是由藍(lán)牙模組或RF模組 來實現(xiàn)的。這個原理很類似人眼的工作機(jī)理，不同的是紅外發(fā)光管只能發(fā)出光 線而攝像頭只能接受光線，兩種系統(tǒng)的光路正好相反，所以我們還需要模組中 的處理器對相對位置數(shù)據(jù)運(yùn)算，推理出攝像頭的坐標(biāo)變化就可以實現(xiàn)指向功能。 另外，對3D運(yùn)動感應(yīng)單元的核心是加速度傳感器進(jìn)行一下介紹，3D模組的 空間控制能力全賴于此。薩A7360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個量程可選，對應(yīng)不同的靈敏度選擇，最高可達(dá) 800mV/g @ L5g，并且集成了低通濾波用做零g補(bǔ)償，使得定位更加準(zhǔn)確。是 一種高精密度的MEMS器件。其對空間三軸動作的量測原理是依據(jù)自身運(yùn)動的方 向及速度的變化而改變輸出的電壓信號。簡單講動作感應(yīng)模組的作用就是一個 動作采集器，它的輸入是空間位置的變化或者說是加速度的變化，而輸出部分 由傳感器輸出的是電壓信號，經(jīng)由數(shù)字采樣，量化為數(shù)字信號由藍(lán)牙模組或RF 模組傳送至主機(jī)端。 一般情況下我們都會以大地為參照物，而在大地的垂直方 向上存有l(wèi)g的重力系數(shù)(加速度)。如下圖中我們首先把傳感器的橫向，豎向， 縱向定義為其自身的X、 Y、 Z軸，與以大地為參照的空間XYZ三軸相區(qū)分。當(dāng) 傳感器的Y軸與大地垂直時，在Y軸的電壓輸出為2.45V，而XZ軸向的加速度 為Og，電壓輸出1.65V。而加速度是矢量具有方向性，空間三軸以+/_表示，而 -lg對應(yīng)的輸出是0.85V。上述是傳感器在靜止?fàn)顟B(tài)下，位置的變化(放置方向) 所對應(yīng)不同的輸出信號，通過這些數(shù)據(jù)，我們就可以判斷傳感器(手柄)當(dāng)前 的狀態(tài)，即橫置，豎置或縱置。傳感器可以感應(yīng)到微小的加速度變化并給以對 應(yīng)的電壓輸出，比如傳感器以傾斜的角度放置，這樣在XYZ三個軸向上都會有 不同于Og狀態(tài)的電壓輸出，主機(jī)端軟件將其與上圖所示三種狀態(tài)的數(shù)據(jù)比較即可判斷傳感器(手柄)當(dāng)前的放置狀態(tài)。如果此時傳感器發(fā)生一個或大或小的 運(yùn)動，傳感器同樣可將這一運(yùn)動變化以電壓信號的形式輸出，運(yùn)動感應(yīng)模組中
的ADC對傳感器電壓模擬信號處理的原則是將在三維軸向(X軸，Y軸，Z軸) 上加速度區(qū)間-3g +3g線性量化為0 255的8位數(shù)字信號區(qū)間，在主機(jī)端只需 對8位的數(shù)字信號或其對應(yīng)的加速度進(jìn)行處理。主機(jī)端不停的從藍(lán)牙模組或RF 模組得到經(jīng)由數(shù)字量化的傳感器的動作采集信號，就可以將傳感器的實際運(yùn)動 映射為應(yīng)用軟件中的各種控制應(yīng)用。
首先要說明的是手柄在工作時并非所有的模塊都同時發(fā)揮作用，系統(tǒng)中的紅 外模組106、 3D運(yùn)動感應(yīng)單元105及按鍵處理電路104都具備輸入器的特性， 它們都可以對主機(jī)的應(yīng)用軟件進(jìn)行操作控制，從系統(tǒng)組成中可以看到三個模組 相對獨(dú)立互不影響，可以同時產(chǎn)生輸入，也可只有一組后兩組有輸入；系統(tǒng)中 的馬達(dá)108和喇叭109具有輸出器的特性，產(chǎn)生振動或釋出語音信號。藍(lán)牙模 組或RF模組負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的各個模組與主機(jī)端的通信以，始終處于工作狀態(tài)。它 不停的將輸入器產(chǎn)生的信號以無線的方式送至主機(jī)，同時也要接收主機(jī)的反饋 信息對輸出器發(fā)出控制命令。
舉例來講，當(dāng)手柄突然向上抬，而沒有向其它方向運(yùn)動，3D運(yùn)動感應(yīng)單元 將此信好傳送到主控單元，經(jīng)主控單元處理后發(fā)送到主機(jī)端，就相當(dāng)于在主機(jī) 端系統(tǒng)只檢測到Z軸的數(shù)值由初始值變?yōu)?55的最大值，也即在Z軸的加速度 有+lg變化為-3g，同時對應(yīng)X， Y軸的輸出只有很微弱的變化，即這兩個軸向上 的加速度變化非常微弱。主機(jī)端在通過藍(lán)牙模組得到這些有動作感應(yīng)模組輸出 的信息后應(yīng)用軟件會發(fā)出向上跳越的控制信號，而此時是控制器的運(yùn)動方式正 是快速向上抬起即及沿空間+Z軸向運(yùn)動；在主控端可以表現(xiàn)為，應(yīng)用軟件中的 主角可以是體操運(yùn)動員，上文已經(jīng)描述了跳躍動作的實現(xiàn)(還可以只按下一個 操作按鍵實現(xiàn)這一操作)，由藍(lán)牙或RF模組將信息送至主機(jī)端，應(yīng)用軟件收到 控制信息后就可以是主角完成360度轉(zhuǎn)身的動作(或者說是調(diào)出這一組動作的 動畫)，如果這一系列的動作完成，應(yīng)用軟件會發(fā)出一個提示命令，藍(lán)牙或RF 模組收到這一信號后會對輸出器進(jìn)行操作，使馬達(dá)工作另手柄產(chǎn)生震感，并將 由主機(jī)發(fā)出的語音信號送至語音模組，揚(yáng)聲器則發(fā)出觀眾鼓掌的音效。
再列舉一個圖片瀏覽的應(yīng)用，這里紅外模組發(fā)揮主要作用。圖片瀏覽器中可 以將光標(biāo)設(shè)為手型，上文中已經(jīng)描述了，紅外模組的工作機(jī)理，將手柄指向圖片的方向，光標(biāo)也會停留在屏幕中圖片之上，按下按鍵，藍(lán)牙或FR模組將信息 送至主機(jī)端，軟件得到信號后將光標(biāo)由張開的雙手變?yōu)槲站o的拳頭，這時向左 (-X軸)甩動手柄，藍(lán)牙模組會將動作感應(yīng)模組的數(shù)字信號送至主機(jī)，軟件收 到指令后會做兩件事，首先判斷當(dāng)前狀態(tài)，圖片處于鎖定狀態(tài)；同時發(fā)出翻頁 的命令，瀏覽器會顯示下一張圖片。而如果兩段程序都成功執(zhí)行，應(yīng)用軟件同 時發(fā)出提示命令并有藍(lán)牙模組送至手柄的輸出部分，控制馬達(dá)工作，使語音模 組發(fā)出反動紙頁的沙沙聲。
以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護(hù)范 圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范 圍內(nèi)，根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵 蓋在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種動作感應(yīng)操作手柄，包括殼體，用于固定手柄的組成部件；按鍵處理單元，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；藍(lán)牙/RF單元，用于將手柄的控制信息傳送到主機(jī)端；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/RF單元發(fā)送到主機(jī)端；其特征在于還包括紅外單元，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單元掃描的外部紅外發(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/RF模組傳送到主機(jī)端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動作感應(yīng)操作手柄，其特征在于還包括馬達(dá)和語 音單元，所述的藍(lán)牙/RF單元還用于接收主機(jī)端傳回的反饋信息；并將反饋信息 傳送到主控單元，經(jīng)主機(jī)端處理后，形成馬達(dá)及語音單元的控制信息，用來控 制馬達(dá)及語音單元振動或發(fā)出聲音。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的動作感應(yīng)操作手柄，其特征在于所述殼體為火炬 造型，分上、下兩個殼體，上殼體為平滑的弧面設(shè)計，在其表面設(shè)有功能按鍵； 下殼體為主要承載體，采用軸線曲度的近圓柱面設(shè)計，并在其后部設(shè)有手持凸 起。
專利摘要本實用新型公開了一種動作感應(yīng)操作手柄，其特征在于中手柄包括殼體、按鍵處理單元、藍(lán)牙/RF單元及主控單元；其特征還包括紅外單元，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單元掃描的外部紅外發(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/RF單元傳送到主機(jī)端。該手柄具有實用方便、結(jié)構(gòu)新穎等特點(diǎn)，適于在家電遙控領(lǐng)域廣泛推廣。
文檔編號G08C17/02GK201247446SQ20082001524
公開日2009年5月27日 申請日期2008年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月26日
發(fā)明者劉東華, 劉觀偉, 盧芳芳, 封連重, 煒 王, 欣 詹, 冬 趙, 瑜 趙, 趙婧禾, 金寶財, 韓建國, 馬云閣 申請人:中國華錄集團(tuán)有限公司