CN101652635B - 对距离、方位和速度敏感的控制器 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种可操作以产生和/或接收磁场的移动磁场设备(40b)，该移动磁场设备包括至少一个可操作以分别产生和/或接收磁场的线圈(29a)，所述磁场分别由至少一个频率和/或识别码调制。

Description

对距离、方位和速度敏感的控制器

技术领域

本发明涉及方位测量的领域，特别地，涉及在磁场中和在三维空间中的目标(object)的方位测量的控制和应用。

背景技术

如用于例如游戏控制台(gaming console)的控制器中的人机接口通常不给系统提供例如双手或手与人体的相对位置、方位或速度信息。另外，相对定位接口(例如任天堂Wii)的当前发展是使用固定参考点。

在磁领域中，磁场通常由线圈由于电磁的原因而产生，并且所述磁场在另一个线圈(也称作接收器线圈)中感应出电压，前提是接收器线圈中的磁场强度发生改变。显然不移动的接收器线圈不能测量不改变的磁场，因为所述磁场没有感应出电压。

已经存在这样的装置，其可以测量接收器装置相对于特定磁场产生装置的位置和/或方位。为了测量三维空间中的方位，通常使用三个正交布置的探针来计算坐标。这些布置时常是极笨重的和占用空间的。

并且磁场产生装置和磁场接收器装置的构造(具体地说线圈的布置)必须被考虑以评估接收到的磁场的接收信息并且将该信息与所述装置之一的具体方位相关联。

当前，例如最新一代的游戏控制器可以给出三维空间中用户的绝对位置的信息。这通过在固定点参考(即定位在TV处)和在用户手中的控制器之间使用红外连接(IR)来完成。该控制器还具有像例如陀螺仪那样的传感器，其可操作以给出加速度和方位信息。

在现有技术的另一设备中，可以使用照相机系统来识别用户或目标的位置，该照相机系统将方位、加速度和/或位置信息与被明确标记的参考位置进行比较。

通常通过利用以正交方式排列的线圈来完成对磁场内线圈的方位的计算。除其它因素之外，线圈中的感应电压取决于磁力线的“到达角”。Thales持有一个专利(WO 2004/065896A1)，题为“Method and devicefor magnetic measurement of the position and orientation of a mobile objectrelative to a fixed structure”。该专利涵盖了使用三个正交线圈进行距离和方位测量。

发明内容

本发明涉及一种可操作以产生和/或接收磁场的移动磁场设备，该移动磁场设备包括可操作以分别产生和/或接收磁场的至少一个线圈，所述磁场分别由至少一个频率和/或识别码进行调制。

有利地，该至少一个线圈可操作以通过将数据调制到相应的磁场上来发送数据和/或经由该调制的磁场来接收数据。

有利地，所述移动磁场设备进一步可操作以建立到至少一个其它移动磁场设备和/或到应用系统的连接，所述应用系统可操作以处理来自所述移动磁场设备的数据，并且经由串行连接发送和/或接收数据。

有利地，该连接是无线连接和/或电缆连接。

有利地，所述移动磁场设备进一步可操作以产生和/或接收至少第二磁场，就调制而言，所述至少第二磁场可与所述第一磁场以及其他磁场区别开。

有利地，所述移动磁场设备包括：可操作以测量温度的温度测量系统；和/或可操作以测量压力的压力测量系统；和/或可操作以测量光特性的光传感器；和/或可操作以测量电场的电容(capacity)测量系统；和/或可操作以测量磁场强度的磁场强度测量系统；和/或可操作以测量湿度的湿度测量系统；和/或可操作以测量对象脉搏(pulse)的脉搏测量系统；和/或可操作以接收电磁波的射频测量系统；和/或可操作以测量声波的声传感器系统；和/或可操作以捕获可视数据的数字照相机系统，借此，所述系统可操作以分别提供测量数据。

有利地，所述移动磁场设备包括两个或更多线圈，借此，所述两个或更多线圈的至少两个线圈是彼此正交的。

有利地，所述移动磁场设备包括两个或更多线圈，借此，所述两个或更多线圈中的每一个具有对称轴并且所述两个或更多线圈的至少两个的对称轴是平行的。

有利地，可操作以产生磁场的所述移动磁场设备包括可操作以产生信号的信号发生器装置，所述信号由频率和/或识别码进行调制，并且发射器射频处理装置可操作以接收和处理所述信号并且分别输出至少一个发射器信号(Ia)到该至少一个线圈，借此，就调制而言所述发射器信号(Ia)彼此不同。

有利地，可操作以接收磁场的所述移动磁场设备包括：可操作以分别接收和处理由至少一个线圈接收的信号并且输出得到的(resulting)信号的接收器射频处理装置；可操作以接收和处理该得到的信号并且基于所述得到的信号输出数字信号的数字处理装置；可操作以接收和处理该数字信号并且输出包括相对位置、移动和/或方位的数据的数值(numerical)级；以及可操作以接收该数据并输出所述数据的接口。

有利地，可操作以产生和接收磁场的所述移动磁场设备包括可操作以将信号从发射器射频处理装置发送到该至少一个线圈并且从该至少一个线圈接收该信号到该接收器射频处理装置的双工器。

本发明还涉及可操作以测量相对位置、方位和/或速度的移动磁场控制器系统，该移动磁场控制器系统包括根据上述权利要求之一的第一移动磁场设备和根据上述权利要求之一的第二移动磁场设备。

有利地，所述第一移动磁场设备可操作以接收由所述第二移动磁场设备发射的磁场，并且/或者反之亦然。

有利地，所述第一和/或所述第二移动磁场设备可操作以分别接收和/或发送被传送到至少一个其它移动磁场设备和/或由至少一个其它移动磁场设备接收的磁场。

有利地，所述移动磁场控制器系统进一步可操作以经由该磁场设备的接口连接到应用系统。

有利地，当另一磁场控制器系统连接到该应用系统时，所述移动磁场控制器系统可操作以并联连接到该应用系统。

有利地，所述移动磁场控制器系统进一步可操作以经由串行连接分别连接到至少一个其它磁场控制器系统。

附图说明

当结合附图考虑时，根据下面所陈述的详细说明本发明的特征、目的和优势将变得更显而易见，其中：

图1示出两个线圈之间的相互磁耦合的原理的实例；

图2示出磁场强度与距离的关系图的实例；

图3示出平行磁场中的线圈的布置的实例；

图4示出附接到对象的手的人机接口的实例；

图5示出包括人机接口的第一设置的图的实例；

图6示出更详细描述的包括人机接口的第二设置的图的实例；

图7示出包括人机接口的第三设置的图的实例；

图8示出包括人机接口的第四设置的图的实例；

图9示出包括人机接口的第五设置的图的实例；

图10示出包括发生器装置的图的实例；

图11示出包括人机接口的第六设置的图的实例；以及

图12示出包括移动磁场设备和应用系统的网络的图的实例。

具体实施方式

本发明描述了通过使用磁场性质测量两个或更多目标相对于彼此的距离、方位和速度。利用这些时间相关的数据，可以建立使得人能够通过使身体部位或目标彼此相对移动来与例如游戏控制台的机器交互的控制器。

图1示出包括发射器线圈1和接收器线圈2的线圈布置4。该线圈布置4示出了在所述接收器线圈2和所述发射器线圈1之间的通过磁场3的互相耦合，所述线圈到彼此的距离为d。该发射器线圈1以及该接收器线圈2分别包括发射器馈线1a和接收器馈线2a。该接收器线圈2和该发射器线圈1分别包括特定数目的绕组。显然，数目增加的绕组、增加的电流量和/或直径增加的线圈(如稍后通过公式解释的)将增加关于相同测量位置的磁场强度。电流经由所述馈线1a提供给发射器线圈1并且由于发射器线圈1的形式而产生磁场3，如图所示。因为磁场3不是理想地平行并且随着到发射器线圈1的距离d的增加而在强度上有所降低，当发射器线圈1和/或接收器线圈2移动时，磁场强度的变化可以在接收器线圈2中感应出电压。在电流被调制从而产生调制场的情况下，其中磁场强度随时间改变，接收器线圈2可以测量该调制磁场而不需要移动发射器线圈1和/或接收器线圈2，所述场同时产生感应电压并且最终基于所述接收器线圈2中的电压产生电流。

在本发明的说明中，词“产生”与词“发送”对应以描述可操作以产生磁场的线圈的基本操作，借此，所述线圈是收发器设置中的发射器装置的一部分。此外，信息可以被调制到磁场上，从而将线圈变为发射器。

此外，词“磁场装置”可以被应用到词“发生器装置”或“接收器装置”或任何其它包括可操作以产生和/或接收磁场的装置的词。

图2示出了曲线图5，其中基于图1的线圈布置4而记录场强与距离的关系。X轴被记录并且以常用对数示出。详细地，在0.1米到1米的距离范围内(也称为近场6)，场强以每十倍距离60dB(分贝)下降，而在1米到10米的距离范围内(也称为远场7)，场强以每十倍距离20dB下降。这意味着在近场6中比在远场7中更容易测量磁场的强度和它随距离的改变，因为场强和距离之间的相关性更强。此外，该曲线图5是通过线性近似而理想化的，以更好地示出场强和距离之间的相关性。近场6从0.1米处的0dB线性下降到1米处的-60dB并且远场7从1米处的-60dB线性下降到10米处的-80dB。该曲线图不仅取决于线圈和测量位置之间的距离，而且还取决于相对于该距离的线圈半径，如稍后所解释的公式中所描述的那样。

图3示出在平行磁场中的线圈布置8。磁场9是平行的并且布置成与导电环11的表面区域成特定角度α10。该导电环11(或也称作线圈)包括线圈馈线11a。当该环11被引入到和/或暴露于磁场9时，仅仅基于角度10的磁场的特定分量在环11内有效并且有助于在圆形环11中感应出电压。在角度α＝90°处，即当表面区域垂直于磁场9时，感应电压最大，而在角度α＝0°处，即当表面区域平行于磁场9时，感应电压为零。环11还可以以例如方形的另一形式形成并且可以包括特定数目的绕组。所述电流产生磁场，其中产生的磁场的在环11内的该部分对准(directed against)磁场9。

图4示出人机接口的测试组件的实例。该组件的各部分分别附接到左手12a和右手12b。该测试组件包括在左手12a上的紧固带14a和至少一个接收线圈15a；并且另外所述组件还包括在右手12b上的紧固带14b和至少一个发射器线圈15b。为了检测三维移动，在每个手上必须分别放置至少三个线圈。有利地，这三个线圈以正交方式布置，但是也可以布置在例如相同的平的平面(even plane)上，其中对称轴彼此平行。左紧固带14a和右紧固带14b缠绕在相应手的掌根。在另一个实施例中该紧固带可以缠绕在腕和/或踝关节。也可能具有例如手套，所述测试组件位于其中或其上作为其一部分，仅仅需要磁场接收器和/或发射器线圈15a、15b。紧挨着所述线圈，可以对该组件实施其它传感器，如稍后所描述和在图10所示的那样。

图5示出人机接口的图的实例，该人机接口包括发射器装置16和接收器装置17。接收器装置17通过连接链路26连接到系统18。发射器装置16可操作以产生由接收器装置17接收的磁场27，其中接收器装置解释磁场信号并且经由链路26发送对应信号到应用系统18。图5中指示磁场27的箭头示出磁场的来源和目的地和/或从发射器装置16发送到接收器装置17的信息或数据的方向，并且最终使所述装置之间的单向连接可视化。因此，当发送除场强测量之外的数据时，信号冗余度必须高得足以确保相对无瑕疵的数据通信，因为误差不能被报告回发射器装置16。有利地，链路26是双向的，使得传输误差能被报告回发射器装置16，借此，发射器装置16也可操作以接收数据并且接收器装置16可操作以通过由接收器装置16产生的磁场传送数据。

所述装置16、17和18中的每一个包括用于接收、处理和/或输出信号的电子部件。所述部件或者是由电池装置供电的或者是由电力电缆供电的，借此，电池的使用对于移动装置是有利的。为了对人体提供保护以免于触电，该人机接口对大电流和高电压良好地隔离和/或可操作以使用不会危及用户的低电压。

图6示出人机接口的图的第二实例，该人机接口包括发生器/发射器装置16a和接收器装置17a，所述接收器装置17a连接到应用系统18a并且最终所述人机接口连接到应用系统18a。在上面已经描述并且在图5中已经示出了所述装置和所述系统的第一实例，借此，发生器装置16a与发生器装置16对应，接收器装置17a与接收器装置17对应，并且应用系统18a与应用装置18对应。

在该设置中，在具有矢量x₁、y₁和z₁的第一三维坐标系统中描述发生器装置16a的位置，借此，所述矢量是彼此正交的。该发生器装置16a以特定的绝对速度v₁在所述第一系统中移动。在具有正交矢量x₂、y₂和z₂的第二三维坐标系统中描述接收器装置17a的位置，并且所述装置17a以特定的绝对速度v₂在所述第二系统中移动。由此，该发生器装置16a和该接收器装置17a被布置为彼此成一特定角度α。当然，第一坐标系统的坐标可以转换到第二坐标系统的坐标以能够计算该两个装置16a和17a之间的相对位置、方位和/或速度。

因为该两个装置16a和17a可能分别具有不同的坐标系统，它们的相应参考点可能彼此不同并且可能由像例如照相机、激光发射机(emitter)等等的不同外部装置(未示出)提供或传送，所述外部装置可操作以分别向所述装置16a和17a提供距离和/或位置。或者外部装置测量像例如距离之类的所述测量读数并且将它们传送到相应的装置16a和17a，或者所述装置16a和17a通过接收该外部装置的原始信号(例如照相机照片)并且计算它们的位置而自己确定它们的相应坐标系统。

当然，当发生器装置16a和接收器装置17a利用相同的坐标系统或由于通过例如线圈的正交布置而形成的物理布置的原因，该坐标系统已经预先确定并且存储到相应的发生器装置16a和接收器装置17a时，则不需要确定所述两个坐标系统。在所述坐标系统相同的情况下，所述坐标系统具有在所述装置16a和17a之一上或所述一个(或多个)外部装置上或三维空间中任何其它点上的参考位置。

发生器装置16a包括信号发生器19、发射器射频(RF)处理20以及第一、第二和第三线圈28a、28b、28c。信号发生器19连接到RF处理20，借此，所述信号发生器19可操作以产生信号并且将所述信号传送到RF处理20，借此，所述信号允许例如接收器装置识别对应的和/或相应的发生器装置16a，借此，通过特定频率和/或识别码(ID)调制所述信号。RF处理20分别连接到第一、第二和第三线圈28a、28b、28c，并且可操作以处理从RF处理20接收的信号并且将基于所述接收信号的三个发射器信号传送到相应的线圈。这三个线圈28a、28b、28c彼此正交布置并且可操作以分别接收电流Ia、Ib、Ic(所述电流基于所述发射器信号)，并且基于所述电流分别产生磁场。该磁场最终提供发生器装置16a和接收器装置17a之间的连接27以用于互相耦合，借此，发生器装置16a可以产生在接收器装置17a中感应出电压的磁场。还可以在RF处理20中分别由频率调制电流Ia、Ib、Ic，以帮助识别这三个线圈28a、28b、28c的相应信号和由此识别接收器装置17a的这三个线圈本身，所述频率不同于发自信号发生器19的信号的频率。

接收器装置17a包括：接口24、数值级23、数字处理22、接收器RF处理21以及第一、第二和第三线圈29a、29b、29c。线圈29a、29b、29c彼此正交布置并且可操作以接收由发生器装置16a的线圈28a、28b、28c产生的磁场，借此，所述磁场分别在所述线圈29a、29b、29c中感应出电压V1、V2、V3。这些电压作为对应的电压信号由接收器RF处理21接收并且测量。接收器RF处理21可操作以接收并且处理所述电压信号并且基于所述电压V1、V2、V3输出得到的信号。连接到接收器RF处理21的数字处理22可操作以接收所述得到的信号，将模拟信号转换为数字信号并且将该数字信号输出到数值级23。数值级23可操作以接收该数字信号，基于所述数字信号确定接收器装置17a和发生器装置16a之间的在x方向、y方向和/或z方向上的相对移动和/或位置、速度、加速度和/或角度α。数值级23可操作以计算这些信息并且将它们作为数据发送到接口24。接口24将该信息经由例如蓝牙的无线通信或经由例如USB电缆的电缆连接传送到应用系统18a的接口25。接口25可操作以经由接收器装置-应用系统-连接26从接口24接收该信号并且将它传送到应用系统18a。

应用系统18a可操作以处理所述信息并且该应用系统18a例如是游戏控制台。在处理之后，应用系统18a将例如视频信号的得到的信号传送到例如电视或显示器的输出装置，所述视频信号基于所述信息。

在稍后在图11中描述的收发器装置的情况中，收发器装置包括发射器装置16a和接收器装置17a的所有特征。在另一个实施例中，收发器装置可能仅仅包括由发射器电路和接收器电路共享的至少一个线圈，借此，实施双工器来控制从发射器电路发送到该至少一个线圈的信号以及从该至少一个线圈接收到该接收器电路的信号。本发明不局限于双工器而是可以包括任何种类的多工器(multiplexer)，这取决于电路的特征。

图7示出两个人机接口的设置的实例，借此，一个接口连接到系统18b。第一人机接口包括发送装置16b和接收器装置17b，借此，所述接收器通过串行连接30与第二人机接口的发射器装置16c链接。第二人机接口包括发射器装置16c和接收器装置17c，借此，接收器装置17c经由应用系统连接26c连接到系统18b。最终该设置示出在两个人机接口之间到系统18b之间的串行连接。串行连接30可以包括例如蓝牙的无线连接或电缆连接。同样地，连接26c也可以是蓝牙或电缆连接。发射器装置16b和16c分别经由磁场27和27a连接到接收器装置17b和17c。为了避免干扰，磁场27和27a就频率而言彼此不同和/或具有不同的在例如码分多址(CDMA)中公知的识别码。同样地，串行连接30和连接26c彼此不干扰。磁场27a也必须基于正通过串行连接30传送的第一人机接口的数据来发送数据。连接26c现在发送第一和第二人机接口两者的数据。

在另一个实施例中，该串行连接30可能形成在两个接收器装置17b和17c之间，借此，该接收器装置17b可操作以将信息传送到接收器装置17c并且接收器装置17c可操作以接收来自接收器装置17b的所述数据。串行连接30可以经由接收器17b的接口的链路而建立或者经由也可操作以传送该信息的接收器17b的线圈而建立。在另一个实施例中，超过两个的人机接口彼此串行连接，形成人机接口链。在另一个实施例中，该接收器装置17c进一步可操作以接收由发射器装置16b发射的磁场，从而可操作以计算到发射器装置16b的方位或接收由发射器装置16b传送的数据。反之亦然，该发射器装置16c和该接收器装置17b可以一起操作并且计算它们的方位。

图8示出两个人机接口的设置的实例，该两个人机接口并联地连接到系统18c。第一人机接口包括发射器装置16d和接收器装置17d，借此，接收器装置17d通过连接链路26a连接到系统18c。第二人机接口包括发射器装置16e和接收器装置17e，借此，接收器装置17e经由连接链路26b连接到系统18c。磁场27b和27c分别与在图5中描述的磁场27对应。此外，第一并行链路26a和第二并行链路26b与在图5中描述的链路26对应。要强调的是，那些并行链路26a和26b彼此不干扰，从而提供每个人机接口到系统18c的无瑕疵的连接。系统18c可操作以识别相应的接口并且处理接收的数据。然而有可能的是，接收器装置17e、17d可操作以分别接收来自发射器装置16d、16e的磁场。

图9示出两个接收器装置17f和17g以及两个发射器装置16f和16g的布置，借此，发射器装置16f可操作以将信号经由第一磁场27d和第二磁场27g分别发送到接收器装置17f和接收器装置17g，该信号可能包括调制在该信号上的数据。发射器装置16g也可操作以将磁场27c发送到接收器装置17g并且将磁场27f发送到接收器装置17f。这些磁场27d和27g以及27f和27e可以被同时产生并且也可以被相应的接收器17f、17g同时接收。包括接收器16f和发射器17f的第一人机接口和包括接收器16g和发射器17g的第二人机接口与在图5中描述的包括接收器16和发射器17的人机接口对应，借此，在这种情况下，这两个人机接口可能分别接收另一个人机接口的磁场。由此，磁场27d的载频可能或者类似于或者等于磁场27g的频率或者不同于磁场27g的频率。磁场27e和27f的特征分别与27d和27g的特征对应。总而言之，不同人机接口的发射器装置和接收器装置可以彼此交互并且建立连接。根据图11，在接口包括如40a或40b的收发器装置的情况下，这些装置也可以与其它接口的其它收发器装置连接。

图10示出发生器装置16i的实例，该发生器装置16i与上述发射器装置之一对应。发生器装置16i包括：温度测量系统32、压力测量系统33、光传感器34、电容测量系统35、磁场强度测量系统36、湿度测量系统37、脉搏测量系统38、射频测量系统39、声传感器系统41和数字照相机系统42。

在其它实施例中，一个或多个所述系统的不同组合是可能的并且从而是发生器装置16i的一部分。在另一个实施例中，替代发生器装置16i，如图5描述的接收器装置17可以被实施并且包括至少所述系统36。该系统36或者包括与在图6中示出的线圈28a、28b或28c相对应的至少一个线圈，或者是除所述至少一个线圈之外的额外系统。

该温度测量系统32可操作以测量环境和/或人体的温度。该压力测量系统33可操作以例如通过压电(piezo)元件或通过如在触摸板或触摸屏中类似使用的膜来感测压力。光传感器34可操作以感测并且测量环境的亮度和/或测量由外部发射机装置(未示出)发射的特定激光。该电容测量系统35可操作以测量电场以及从而测量两个表面之间的电容。磁场强度测量系统36包括在前述图中所描述的那些接收器线圈中的至少一个。此外，代替所述系统36中的线圈或除了该线圈之外，可以使用霍尔传感器。湿度测量系统37可操作以测量环境中和/或人皮肤上的湿度。脉搏测量系统38可操作以测量人的脉搏，该人携带有发射器装置16i或者与所述发射器装置16i接触；例如携带所述装置16i的人可以触摸他人以测量脉搏。该射频测量系统39可操作以接收在频率上可能有差异的电磁波。该射频测量系统39可能包括例如GPS系统。另一可能的传感器是声学麦克风，其可操作以测量声波以及它们的频率。该发生器装置16i还可能包括数字照相机以捕获可视数据。此外实施例如像小球或灯的无源传感器以用于由外部装置进行运动捕获。由所述传感器产生的每个数据可以被处理并且被实时或分组发送。

在另一个实施例中，接收器装置具有相同的结构和/或关于该多个传感器，包括发射器装置16i的相同传感器。图10最终示出，除已经在图5或6中描述的必要特征之外，发射器装置或接收器装置可能包括几个和/或不同的传感器。

图11示出人机接口的图的实例，该人机接口包括第一收发器装置40a和第二收发器装置40b，借此，所述第二装置40b经由链路26d连接到系统18d。除了第一收发器装置40a以及第二收发器装置40b可操作以发送与接收相应的磁场并且从而经由双向链路31通信之外，这两个收发器装置40a和40b与在图5中描述的发射器16和接收器17对应。此外，链路26d和系统18d分别与图5的链路26和系统18对应。第一收发器装置40a也可以可操作以经由与链路26d相对应的链路(未示出)连接到系统18d，以防第二收发器装置40b丢失该连接或者用于增加带宽以及从而增加传送的信息/数据的量。

图12示出包括移动磁场设备和应用系统的网络的图的实例。该网络包括：五个发射器装置16k、16l、16m、16n、16o；五个接收器装置17k、17l、17m、17n、17o；四个收发器装置40c、40d、40e、40f以及两个应用系统18e、18f。分别从发射器装置16k-16o到接收器装置17k-17o建立磁场27k、27l、27m、27n、27o，有利地将数据从发射器装置16k-17o传送到相应的接收器装置17k-17o。由收发器装置40c和40d两者建立的磁场31a允许双向连接，从而允许所述收发器40c和40d之间的磁场测量和信息交换。磁场31b、31c和31d在收发器40c和40f、40e和40d以及40e和40f之间分别具有如磁场31a那样的相同性质。

连接30a、30b、30c和30d分别与在图7中描述的连接30对应，并且可操作以分别将接收器装置17k与收发器装置40c连接、将接收器装置17k与收发器装置40e连接、将接收器装置17l与收发器装置40c连接、以及将接收器装置17m与发射器装置16o连接。连接26e、26f、26g、26h和26i分别与在图5中描述的连接26对应，并且可操作以分别将收发器装置40d与系统18e连接、将收发器装置40f与系统18e连接、将收发器装置40f与系统18f连接、将接收器装置17o与系统18f连接、以及将接收器装置17n与系统18f连接。

最终，如要求专利保护的移动磁场装置可以与在图12中描述的任何发射器、接收器或收发器对应并且也可以另外包括所述发生器装置16、16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16i、16k、16l、16m、16n、16o的至少一个和/或所述接收器装置17、17a、17b、17c、17d、17e、17f、17g、17k、17l、17m、17n、17o的至少一个和/或所述收发器装置40a、40b、40c、40d、40e、40f的至少一个特征，从而除了如上所述或在图1-12中分别示出的或在本发明的范围内的特定设置或布置中所需要的技术特征以外或者作为其补充可以基本上与任何所述装置对应。

所有在图1-12中描述的发生器装置、接收器装置和收发器装置包括通过至少一个线圈产生和/或接收磁场的特征。在两个或更多线圈的情况中，所述两个或更多线圈的至少两个线圈彼此正交或所述两个或更多线圈的每一个具有对称轴并且所述两个或更多线圈的至少两个的对称轴是平行的。

存在可能的不同磁场传感器，其可以被实施在接收器或收发器装置中，替代例如像霍尔传感器、韦根传感器等等的接收器线圈，或者作为其补充。为了产生磁场，也可以实施永磁体。

在对使用磁原理的在低于30MHz的低频率范围内的数据传输系统的研究中发明了本发明，借此，所述发明不局限于所述频率范围。虽然所述系统的主要目的不是测量两个目标的距离、位置和速度，但第一试验性论证的结果表明该信息可以从运行的系统中提取，并且能够用于各种应用，例如游戏控制台的游戏控制器。

该磁原理也可以用于低数据率通信系统、用于短距离的近场通信系统和触摸板应用。

由于磁力线的性质，两个导电环之间的互耦合不被人体衰减。这使得技术原理可以理想地用于在身体处或靠近身体的应用。本发明报告的提议是建立作为用于例如游戏控制台的人机接口的控制器。传送和接收导电装置分别位于左手和右手中。通过手相对彼此的移动，距离、方位和速度可以由该系统导出并且直接与系统情形交互。

还有一种方法，发射器或接收器可以位于固定位置，例如控制台上，并且接收装置可以位于人体处。

构思是使用磁通信链路来提供相对位置信息，其有可能使用多于一种的目前技术发展水平的技术。

在情形实例中，新的磁控制器结合游戏控制台和赛车游戏使用。磁发射器位于左手中，磁接收器位于右手中。此外，在这种情况下右手系统包含到应用系统、游戏控制台或PC的接口。该接口可以是无线的(例如蓝牙)或电缆连接的。通过将左手和右手放在一起来使汽车加速，左右手分开使汽车减速。手移动的速度正比于加速/减速的速度。改变双手相对彼此的方位使汽车左转或右转。

用于这样的情形的典型参数可以是：

●小于30MHz的载频范围

●距离＜75厘米

●距离分辩率5mm

●角分辩率15°

在另一情形中，用户戴着手套，该手套包括控制器。除磁发射器和接收器之外，该控制器还包括压力传感器。当用户此刻通过触摸来抽验(sample)例如像脸的表面时，可以在显示器上使该表面可视化。当然，在磁收发器确定左右手套的相对位置后，激活的压力元件的位置对于相应手套的电子设备来说是已知的。

通过对磁信号使用调制方案可以藉由数据传输装置将磁控制器系统从一个目标扩展到另一个，从而实现附加的信息传递和情形。

由于磁场强度在发射器附近迅速下降，所以使用相同频率的多用户情形是可行的。

其它技术(例如光探测)可以被集成到手控制器。

给出实现新的机器控制情形的新控制器概念。它不是现有技术的替换，而是通过使用磁场性质的可能性的集中。

将磁技术用于控制器情形的主要益处是通过使用仅仅一种也可以与其它现有技术组合的鲁棒技术来获得有关两个或更多目标的相对关系(距离、方位和速度)的信息的可能性。

该技术的背景基于磁场。在发射器的近场处，电磁发射器的磁场分量H强于电场分量E。近场和所谓的远场之间的限制距离取决于发射器的频率并且定义为λ/2π，其中λ是波长。在近场中，以dB μA/m测量的磁场强度沿导体环发射器的X轴按1/d³的方式下降，其中d是距导体环的中心的轴向距离。这对应于每十倍距离强度下降60dB。在远场中，在场与天线分离之后，仅仅电磁波的自由空间衰减是有效的。场强与1/d成比例，这对应于每十倍距离20dB的损耗。

根据安培定律，磁场由流过导体元件的电流产生，在半径为r、匝数为N的圆环的情况中，在轴向上在距离d处的磁场强度B可以被计算为：

$B_z={\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{INr}}^2}{2{(r^2+d^2)}^{3/2}}\≈{\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{INr}}^2}{2}\frac{1}{d^3},(d^2>>r^2)$

如果第二导体环位于时变磁场B内第一导电环附近，则在第二导体环中感应出电压V(法拉第定律)。Ψ是磁通量，S是表面面积：

$V=-N\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{dt}}=-N\∫\stackrel{\→}{B}\·d\stackrel{\→}{S}$

感应电压的水平取决于发生器电流的频率和强度、发送和接收的导体环之间的距离、两个导电线圈的尺寸和匝数。品质因子Q是所关心的频率处的选择性度量。

V＝2πfSNBQcosα

此外，还有方位相关性；这意味着感应电压V取决于B场线的到达角。

当频率彼此接近时，频率相关性相对较小。

在由谐振电路检测了一个(或多个)感应电压的电平、利用合适装置对接收的信号信息进行RF处理和对所述接收的信号信息进行进一步的后处理(DAC、求导)之后，可以导出两个或更多目标的相对距离和相对方位。此外，可以导出磁场强度的变化与时间和距离的关系，并且可以收集有关导电环的速度(距离vs时间)和加速度(速度vs时间)的信息。

参考标记

1发射器线圈

1a发射器线圈馈线

2接收器线圈

2a接收器线圈馈线

3磁场

4用于互耦合的线圈布置

5场强与距离的关系图

6近场图

7远场图

8平行磁场中的线圈布置

9平行磁场

10平行磁场和线圈之间的角度α

11线圈

11a线圈馈线

12a左手

12b右手

13人机接口的测试组件

14a左紧固带

14b右紧固带

15a接收器线圈

15b发射器线圈

16发生器/发射器装置的第一实例

16a发生器/发射器装置的第二实例

16b发生器/发射器装置的第三实例

16c发生器/发射器装置的第四实例

16d发生器/发射器装置的第五实例

16e发生器/发射器装置的第六实例

16f发生器/发射器装置的第七实例

16g发生器/发射器装置的第八实例

16i发生器/发射器装置的第九实例

16k发生器/发射器装置的第十实例

16l发生器/发射器装置的第十一实例

16m发生器/发射器装置的第十二实例

16n发生器/发射器装置的第十三实例

16o发生器/发射器装置的第十四实例

17接收器装置的第一实例

17a接收器装置的第二实例

17b接收器装置的第三实例

17c接收器装置的第四实例

17d接收器装置的第五实例

17e接收器装置的第六实例

17f接收器装置的第七实例

17g接收器装置的第八实例

17k接收器装置的第九实例

17l接收器装置的第十实例

17m接收器装置的第十一实例

17n接收器装置的第十二实例

17o接收器装置的第十三实例

18应用系统的第一实例

18a应用系统的第二实例

18b应用系统的第三实例

18c应用系统的第四实例

18d应用系统的第五实例

18e应用系统的第六实例

18f应用系统的第七实例

19信号发生器

20发射器射频处理

21接收器射频处理

22数字处理

23数值级

24接收器接口

25应用系统接口

26接收器装置-应用系统连接

26a第一应用系统连接

26b第二应用系统连接

26c到串行组件的应用系统连接

26d到双向组件的应用系统连接

26e应用系统连接

26f应用系统连接

26g应用系统连接

26h应用系统连接

26i应用系统连接

27收发器连接

27a在串行组件中的第二连接

27b并联布置中的第一连接

27c并联布置中的第二连接

27d收发器互连

27e收发器互连

27f收发器互连

27g收发器互连

27h收发器连接

27i收发器连接

27k收发器连接

27l收发器连接

27m收发器连接

27n收发器连接

27o收发器连接

28a发射器/发生器装置的第一线圈

28b发射器/发生器装置的第二线圈

28c发射器/发生器装置的第三线圈

29a接收器装置的第一线圈

29b接收器装置的第二线圈

29c接收器装置的第三线圈

30接收器和发射器装置之间的串行连接

30a串行连接

30b串行连接

30c串行连接

30d串行连接

31两个发生器/接收器装置之间的双向连接

31a双向连接

31b双向连接

31c双向连接

31d双向连接

32温度测量系统

33压力测量系统

34光传感器

35电容测量系统

36磁场强度测量系统

37湿度测量系统

38脉搏测量系统

39射频测量系统

40a收发器装置的第一实例

40b收发器装置的第二实例

40c收发器装置的第三实例

40d收发器装置的第四实例

40e收发器装置的第五实例

40f收发器装置的第六实例

41声传感器系统

42数字照相机系统

Claims (16)

1.一种用于产生第一磁场的移动磁场设备(40b)，包括：

用于产生信号的信号发生器装置(19)，所述信号由频率和/或识别码调制，

用于分别接收和处理所述信号并且将至少一个发射器信号(Ia)输出到该至少一个线圈(28a)的发射器射频处理装置(20)，

用于分别产生所述第一磁场的至少一个线圈(29a)，所述第一磁场分别由至少一个频率和/或识别码调制，

借此，所述至少一个线圈(29a)用于通过将数据调制到相应所述第一磁场上来传送数据。

2.一种用于接收第一磁场的移动磁场设备(40b)，包括：

用于分别接收所述第一磁场的至少一个线圈(29a)，所述第一磁场分别由至少一个频率和/或识别码调制，

接收器射频处理装置(21)，其用于分别接收和处理由至少一个线圈(29a)接收的信号，并且输出得到的信号；

数字处理装置(22)，其用于接收和处理所述得到的信号，并且基于所述得到的信号输出数字信号；

借此，所述至少一个线圈(29a)用于通过经由该调制的所述第一磁场来接收数据。

3.根据权利要求1或2所述的移动磁场设备(40b)，进一步用于建立到至少一个其它移动磁场设备和/或到应用系统的连接，所述应用系统用于处理来自所述移动磁场设备(40b)的数据，并且经由串行连接(30)传送和/或接收数据。

4.根据权利要求3所述的移动磁场设备(40b)，借此该连接是无线连接和/或电缆连接。

5.根据权利要求1、2或4所述的移动磁场设备(40b)，进一步用于产生和/或接收至少第二磁场(27g；27f)，就调制而言所述至少第二磁场(27g；27f)能与所述第一磁场(27d；27c)和其他磁场区别开。

6.根据权利要求1所述的移动磁场设备(40b)，包括：

用于测量温度的温度测量系统(32)；和/或

用于测量压力的压力测量系统(33)；和/或

用于测量光特性的光传感器(34)；和/或

用于测量电场的电容测量系统(35)；和/或

用于测量磁场强度的磁场强度测量系统(36)；和/或

用于测量湿度的湿度测量系统(37)；和/或

用于测量对象脉搏的脉搏测量系统(38)；和/或

用于接收电磁波的射频测量系统(39)；和/或

用于测量声波的声传感器系统(41)；和/或

用于捕获可视数据的数字照相机系统(42)，

借此所述系统分别用于提供测量数据。

7.根据权利要求1所述的移动磁场设备(40b)，包括两个或更多线圈(29a，29b)，借此所述两个或更多线圈中的至少两个线圈是彼此正交的。

8.根据权利要求1所述的移动磁场设备(40b)，包括两个或更多线圈(29a，29b)，借此所述两个或更多线圈中的每一个具有对称轴并且所述两个或更多线圈的至少两个的对称轴是平行的。

9.根据权利要求1所述的移动磁场设备(40b)，

借此，所述发射器信号(Ia)就调制而言彼此不同。

10.根据权利要求2所述的移动磁场设备(40b)，包括：

数值级(23)，其用于接收和处理所述数字信号，并且输出包括相对位置、移动和/或方位的数据；以及

用于接收该数据并输出所述数据的接口。

11.一种用于测量相对位置、方位和/或速度的移动磁场控制器系统，包括：

根据权利要求2或10所述的用于接收第一磁场的移动磁场设备(16)；以及

根据权利要求1、6至9中任一项所述的用于产生第一磁场的移动磁场设备(17)。

12.根据权利要求11所述的移动磁场控制器系统，借此，所述用于接收第一磁场的移动磁场设备(16)用于接收由所述用于产生第一磁场的移动磁场设备(17)发送的磁场，以及/或者反之亦然。

13.根据权利要求11所述的移动磁场控制器系统，借此所述用于接收第一磁场的移动磁场设备和/或所述用于产生第一磁场的移动磁场设备(16)用于分别接收和/或发送被传送到至少一个其它移动磁场设备和/或由至少一个其它移动磁场设备接收的磁场。

14.根据权利要求11或12所述的移动磁场控制器系统，借此，该磁场控制器系统还用于经由该磁场设备(17)的接口(24)连接到应用系统(18a)。

15.根据权利要求11所述的移动磁场控制器系统，借此，当另一磁场控制器系统连接到应用系统(18a/18c)时，该磁场控制器系统用于并联连接到所述应用系统(18a/18c)。

16.根据权利要求11所述的移动磁场控制器系统，进一步用于分别经由串行连接(30)连接到至少一个其它磁场控制器系统。

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