CN101648076A - 游戏控制器及其使用陀螺仪的运动捕捉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种游戏控制器，包括三轴陀螺仪模块、三轴加速度模块、信号采集及处理模块和通讯模块，三轴陀螺仪模块和三轴加速度模块通过信号采集及处理模块与通讯模块连接，用于将输出信号处理后发送到外部控制器。基于上述游戏控制器，本发明的使用陀螺仪的运动捕捉方法，包括如下步骤：采集三轴向运动信号和三轴向加速度信号；将采集的模拟信号进行AD转换和信号稳定性处理；根据三轴向运动信号和三轴向加速度信号计算三轴向运动参数。本发明通过在游戏控制器中集成陀螺仪来捕捉控制器在三维空间中的移动，可在互动式游戏中捕捉游戏者的移动信息，用以驱动游戏环境中角色的移动，加强游戏的真实感和互动性。

Description

游戏控制器及其使用陀螺仪的运动捕捉方法

技术领域

本发明涉及一种无需高精度定位的控制器的运动捕捉方法，具体涉及一种互动游戏的控制器中使用陀螺仪的运动捕捉方法。

背景技术

现有的游戏控制方式，主要是通过遥杆或按键在游戏中进行定位的。这种定位方式虽然可以较为精确的满足在游戏中进行定位的要求，但这种定位方式显然无法满足人们对更加真实的游戏体验的追求。因此一种全新的具有空间定位功能的游戏控制方式便应运而生。

到目前为止，常用的运动捕捉技术从原理上可分为机械式、声学式、电磁式和光学式，其应用领域包括表演动画、虚拟现实、游戏、人体工学研究、模拟训练等许多方面。

但目前大部分的捕捉方式都倾向于高精度捕捉，使用相对较为复杂、成本较高，从而造成这些技术都停留在专业应用领域，无法得到广泛的应用。

而本发明采用陀螺仪传感器来采集人体运动的信息，在对采集的信息进行分析之后可以得出人体的位移情况。由于采用的传感器成本较低，因此可广泛用于互动式游戏等需要低成本、低使用难度的领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种游戏控制器，它可以捕捉三维空间的移动变量，给游戏者一种全新的游戏体验，加强游戏的真实感和互动性。为此，本发明还要提供一种上述游戏控制器使用陀螺仪的运动捕捉方法。

为了解决以上技术问题，本发明的游戏控制器包括三轴陀螺仪模块、三轴加速度模块、信号采集及处理模块和通讯模块，三轴陀螺仪模块和三轴加速度模块通过信号采集及处理模块与通讯模块连接，用于将三轴陀螺仪模块和三轴加速度模块的输出信号处理后发送到外部控制器。

基于上述游戏控制器，本发明的使用陀螺仪的运动捕捉方法，包括如下步骤：

(1)采集三轴向运动信号和三轴向加速度信号；

(2)将步骤(1)采集的模拟信号进行AD转换和信号稳定性处理；

(3)根据三轴向运动信号和三轴向加速度信号计算三轴向运动参数。

因为本发明通过在游戏控制器中集成陀螺仪来捕捉控制器在三维空间中的移动，可适用于无需高精度定位的场合，如在互动式游戏中捕捉游戏者的移动信息，用以驱动游戏环境中角色的移动，给游戏者一种全新的游戏体验，加强游戏的真实感和互动性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的游戏控制器的结构示意图；

图2是本发明的使用陀螺仪的运动捕捉方法的流程图；

图3是本发明二维陀螺仪设置示意图；

图4是本发明标准坐标系示意图；

图5是本发明。

具体实施方式

如图1所示，本发明的游戏控制器包括三轴陀螺仪模块、三轴加速度模块、信号采集及处理模块、和通讯模块。其中三轴陀螺仪模块和三轴加速度模块可以采用三维的传感器实现，也可以采用两个相互垂直的二维传感器实现，也可以采用多个相互垂直的一维传感器实现。

如图3所示，即采用二维传感器设置示意图，将两个传感器垂直设置，其中一个采集二维数据信号，另一个则采集与二维数据相垂直的轴向数据信号。

传感器将数据发送到信号采集及处理模块进行处理，信号采集及处理模块可以采用一块微型控制单元(MCU，Micro Controller Unit)实现，再通过通讯模块发送到外部控制器，通讯模块与信号采集及处理模块通过有线方式连接，这种有线的连接方式可以是I2C，SPI，UART，CAN，LIN等。而通讯模块与外部控制器或外部PC控制器之间的连接，即可以采用有线传输方式，也可以采用无线传输方式。如果用有线连接的话除了可以用以上说的I2C，SPI，UART，CAN，LIN这5种方式外，还可以用usb，rs232或1394连接；如果用无线连接的话可以用蓝牙、2.4G等连接方式将数据发送到另一个游戏控制器，或外部PC控制器。

本发明的游戏控制器可以设置在游戏者的身体上，用于捕捉人体运动的方向和速度，在互动式游戏中捕捉游戏者的移动信息，用以驱动游戏环境中角色的移动，给游戏者一种全新的游戏体验，加强游戏的真实感和互动性。

基于上述游戏控制器，本发明的使用陀螺仪的运动捕捉方法，包括如下步骤：

首先，由采集陀螺仪传感器和加速度传感器输出的三轴向运动信号和三轴向加速度信号，可以通过采集一个三维传感器信号，或采集两组相互垂直的二维传感器信号，或垂直设置的一个一维传感器和一个二维传感器信号，或多个相互垂直的一维传感器信号实现。一般传感器输出的为模拟信号，信号采集模块还需将其转换为数字信号。

信号采集完成之后将对采集到的数字信号进行滤波处理，去除信号中的噪声与抖动。

滤波处理完成后的就可以用得到的数据进行计算了。算法运算可以分为二部分，一部分是对三维的陀螺仪传感器信号进行处理，将陀螺仪输出的三维结果进行积分运算后得到的数值即为角度变化量，但此角度的坐标系为整个模块的坐标系，此坐标系会随模块的姿态变化而变化，因此需要对这个计算后的角度变化量做姿态校准，这就需要用到另一部分的计算结果了；另一部分是对三维加速度数据进行处理，计算出整个模块当前的姿态，用于对计算得到的角度变化量做校准。校准后获得在一个固定坐标系中的角度变化量，此坐标系的一个轴与重力加速度方向一致，如图4所示。

如图5所示，加速度模块在检测模块运动的同时，也可以检测到由重力引起的1G重力加速度。当模块在剧烈运动的状态下，此1G重力加速度无法从加速度模块输出的信号中识别出；但当模块稳态或接近稳态的状态下，此1G重力加速度可以加速度模块输出的信号中识别出。通过这个1G重力加速度在三个轴上的分量大小可以得出整个模块当前的姿态。由于加速度模块与陀螺仪模块都固定在同一个控制模块中，因此它们的相对位置是固定的。由加速度模块得出的当前姿态可用于陀螺仪模块输出的校正，图中虚线坐标为校正前坐标系，实线坐标为校正后的坐标。

在得到角度变化量之后，可以通过此角度计算得到整个模块在空间坐标的三个方向上的位移分量，即模块的运动状态。

最后，在得到模块的运动状态后，MCU会将得到的结果发送给通讯模块，并开始新一次采样。

本发明的游戏控制器通过引入三维运动捕捉系统，将使玩家在游戏的过程中获得身临其境的感觉。且增加加速度传感器可以转换坐标系统，准确计算运动参量，也能够防止干扰信号。另外本发明设置传感器，可通过用2个二维传感器、或二维与一维传感器结合、或多个一维传感器以代替1个三维传感器，在完成同样功能的情况下可以极大的降低产品的成本。使这种新型的游戏控制方式被更多的消费者所接受。

Claims (10)

1、一种游戏控制器；其特征在于，包括三轴陀螺仪模块、三轴加速度模块、信号采集及处理模块和通讯模块，所述三轴陀螺仪模块和三轴加速度模块通过所述信号采集及处理模块与所述通讯模块连接，用于将所述三轴陀螺仪模块和三轴加速度模块的输出信号处理后发送到外部控制器。

2、如权利要求1所述的游戏控制器，其特征在于，所述的三轴陀螺仪模块为一个三维陀螺仪传感器，或两个垂直设置的二维陀螺仪传感器，或垂直设置的一个一维陀螺仪传感器和一个二维陀螺仪传感器，或多个互相垂直设置的一维陀螺仪传感器。

3、如权利要求1所述的游戏控制器，其特征在于，所述的三轴加速度模块为一个三维加速度传感器，或两个垂直设置的二维加速度传感器，或垂直设置的一个一维加速度传感器和一个二维加速度传感器，或多个互相垂直设置的一维加速度传感器。

4、如权利要求1至3任一项所述的游戏控制器，其特征在于，所述通讯模块与所述信号采集及处理模块通过有线方式连接，所述通讯模块与外部控制器通过无线传输方式连接。

5、如权利要求1所述的游戏控制器，其特征在于，所述游戏控制器设置于游戏者的身体上，用于捕捉人体运动的方向和速度。

6、一种使用陀螺仪的运动捕捉方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采集三轴向运动信号和三轴向加速度信号；

(2)将步骤(1)采集的模拟信号进行AD转换和信号稳定性处理；

(3)根据三轴向运动信号和三轴向加速度信号计算三轴向运动参数。

7、如权利要求6所述的使用陀螺仪的运动捕捉方法，其特征在于，步骤(1)所述采集三轴向运动信号和三轴向加速度信号，包括采集一个三维传感器信号，或采集两组相互垂直的二维传感器信号，或多个相互垂直的一维传感器信号。

8、如权利要求6所述的使用陀螺仪的运动捕捉方法，其特征在于，步骤(3)包括根据对三轴向运动信号进行积分计算角度变化量，根据三轴向加速度信号校准所述角度变化量，及根据校准后的角度变化量计算空间坐标三个轴向的位移分量。

9、如权利要求8所述的使用陀螺仪的运动捕捉方法，其特征在于，所述校准为将所述角度变化量转换在同一个坐标系，且使其中一个轴与重力加速度方向一致。

10、如权利要求6所述的使用陀螺仪的运动捕捉方法，其特征在于，步骤(3)后还包括根据请求将运动参数通过无线方式发送到外部控制器。

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