CN103092200B - 方向控制装置及利用该装置进行方向控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种方向控制装置和方法。该装置包括：姿态传感器检测单元，其用于对该方向控制装置的姿态进行检测，并输出运动信息数据；信息处理单元，用于接收所述姿态传感器检测单元输出的运动信息数据，计算并输出该方向控制装置的运动状态数据和运动参数数据；输入单元，用于将输入控制信号输入至所述信息处理单元；输出单元，用于接收所述信息处理单元输出的运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据输出至外部设备。本发明的方向控制装置和控制方法，可使操作者不需要转动方向盘、按动按钮或者转动操纵杆等获得方向控制信号，而仅需要改变控制装置的姿态即可实现方向控制。

Description

方向控制装置及利用该装置进行方向控制的方法

技术领域

本发明涉及对运动物体的方向控制，具体地说，是一种方向控制装置及利用该装置进行方向控制的方法。

背景技术

目前，通常的方向控制是通过手动方式完成的，例如使用方向盘、车把、刹车、油门、操纵杆、按钮等操作方式对车辆、船只、飞机等设备进行控制，使设备执行转弯、前进、后退、定速巡航等动作；而现有的诸如玩具车、船模、航模等是由操作者通过遥控器上的方向盘、方向按钮、操纵杆等获得方向信号，再经无线方式发出方向控制信号，接收器接收到信号后通过伺服装置驱动转向机构或变速机构，以执行相应的动作。这些均需要使用者转动方向盘、按动按钮或者转动操纵杆等获得方向控制信号，操作比较麻烦，而且至少要占用一只手来操作。

因此，需要一种用于方向控制的新的装置和方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的，在于解决现有的方向控制系统和方向控制方法中所存在的不足，从而提供了一种创新的方向控制装置和方法。

本发明的方向控制装置包括：

姿态传感器检测单元，其用于对该方向控制装置的姿态进行检测，并输出运动信息数据；

信息处理单元，用于接收所述姿态传感器检测单元输出的运动信息数据，计算并输出该方向控制装置的运动状态数据和运动参数数据；

输入单元，用于将输入控制信号输入至所述信息处理单元；

输出单元，用于接收所述信息处理单元输出的运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据输出至外部设备。

优选地，所述姿态传感器检测单元包括加速度计或陀螺仪，所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动速度数据、运动位移数据和运动角度数据。

优选地，所述姿态传感器检测单元包括水平传感器，所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动角度数据。

优选地，所述外部设备为车辆、船只和飞机中的一种。

本发明还提供了一种利用上述方向控制装置进行方向控制的方法，包括以下步骤：

a，利用所述姿态传感器检测单元，对该方向控制装置的姿态进行检测，并输出运动信息数据；

b，利用所述信息处理单元，接收所述姿态传感器检测单元输出的运动信息数据，计算并输出该方向控制装置的运动状态数据和运动参数数据；

c，将该运动状态数据和运动参数数据输出至外部设备。

优选地，所述姿态传感器检测单元包括加速度计；

所述步骤a中，该输出的运动信息数据包括在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数据；

所述步骤b中，计算该方向控制装置的运动状态数据包括：

对空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数据分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动速度数据、运动位移数据和运动角度数据。

优选地，所述姿态传感器检测单元包括陀螺仪；

所述步骤a中，该输出的运动信息数据包括在空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数据；

所述步骤b中，计算该方向控制装置的运动状态数据包括：

对空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数据分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动速度数据、运动位移数据和运动角度数据。

优选地，所述姿态传感器检测单元包括多个水平传感器；

所述步骤a中，该输出的运动信息数据包括该多个水平传感器的通断状态数据；

所述步骤b中，计算该方向控制装置的运动状态数据包括：

根据所述多个水平传感器的通断状态数据，确定所述运动状态数据，并通过时间积分，得出运动参数数据，其中所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动角度数据。所述水平传感器优选地为水银开关。

优选地，在所述步骤c之前，还包括：

根据空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数据，判断方向控制装置是否坠落。

本发明的方向控制装置和控制方法，可使操作者不需要转动方向盘、按动按钮或者转动操纵杆等获得方向控制信号，而仅需要改变控制装置的姿态即可实现方向控制。

附图说明

图1为本发明的方向控制装置的组成示意图；

图2为本发明的进行方向控制的方法的流程示意图；

图3为本发明的方向控制装置的一种使用方式示意图；

图4为本发明的方向控制装置的另一种使用方式示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明的方向控制装置以及利用该方向控制装置进行方向控制的方法进行详细说明。

总体而言，本发明的方向控制装置，通过其姿态传感器检测单元来检测控制装置本身相对于世界坐标的方位和倾角变化，为使用者提供控制装置的运动状态数据和运动参数数据，并以此作为方向控制信号，用于控制车辆、船只、飞机等设备的行进操作。

具体地，如图1所示，本发明的方向控制装置包括：姿态传感器检测单元100，其用于对该方向控制装置的姿态进行检测，并输出运动信息数据；信息处理单元200，用于接收姿态传感器检测单元100输出的运动信息数据，计算并输出该方向控制装置的运动状态数据和运动参数数据；输入单元300，用于将输入控制信号输入至信息处理单元200；输出单元400，用于接收信息处理单元200输出的运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据输出至外部设备500。

在一个优选的实施方式中，姿态传感器检测单元100包括加速度计或陀螺仪，对应地，运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动速度数据、运动位移数据和运动角度数据。对加速度计或陀螺仪检测所得的运动信息数据进行处理，进而得到运动状态数据和运动参数数据的具体说明，将在以下对利用本发明的方向控制装置进行方向控制的方法中进行详细描述。

备选地，姿态传感器检测单元100包括水平传感器，对应地，运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动角度数据。对水平传感器所得的运动信息数据进行处理，进而得到运动状态数据和运动参数数据的具体说明，将在以下对利用本发明的方向控制装置进行方向控制的方法中进行详细描述。

信息处理单元200可以采用常规的信息处理模块，例如CPU，也可以采用专用的数字信号处理器等数字信号处理芯片。

输入单元300输入的控制指令包括开启、关闭、重启、模式切换等指令，用于对信息处理单元200的状态进行控制。输入单元300可通过有线或无线数据传输方式，例如采用串口有线通信或RF无线射频识别通信技术，将控制指令传输给信息处理单元。

输出单元400用于实现信息处理单元200对数据处理后数据的输出，同样地，其输出方式可以采用有线或无线的数据传输方式，例如采用串口有线通信或RF无线射频识别通信技术等。

更具体地，输出单元400可将接收到的运动状态数据和运动参数数据作为控制信号指令，传输给外部设备500。外部设备500为车辆、船只和飞机中的一种。由此，可通过运动状态数据和运动参数数据，对车辆、船只或飞机等设备的转弯、前进、后退或定速巡航等进行方向控制。

另外，本发明的方向控制装置还包括常规的电源供应单元(图未示)，用于为各个组件，包括姿态传感器检测单元100、信息处理单元200、输入单元300和输出单元400提供电源供应。

本发明的方向控制装置，可采用手持方式控制，具体地，参考图3，为使用者20采用手持方式使用本发明的方向控制装置10的示意图。具体地，若本发明的控制装置10沿X轴向左偏转，经计算后就可输出向左的转向信号；同样，若控制装置10沿X轴向右偏转，经计算后就可输出向右的转向信号；若控制装置10沿Z轴水平向左旋转，经计算后就可输出向左的转向信号；若控制装置10沿Z轴水平向右旋转，经计算后就可输出向右的转向信号；若控制器装置Y轴向下偏转，经计算后就可输出前进信号；若控制装置沿Y轴向上偏转，经计算后就可输出后退信号；若控制装置保持水平不动，则输出定速巡航信号，即保持当前速度不变运行。

另参考图4，为使用者20采用佩戴方式使用本发明的方向控制装置10的示意图。具体地，如图所示，本发明的方向控制装置10固定于使用者20身体上的某一位置。若人体沿X轴向左偏转，经计算后就可输出向左的转向信号；若沿X轴向右偏转，经计算后就可输出向右的转向信号；若人体沿Z轴水平向左旋转，经计算后就可输出向左的转向信号；若人体沿Z轴水平向右旋转，经计算后就可输出向右的转向信号；若人体沿Y轴向前倾斜，经计算后就可输出前进信号；若人体沿Y轴向后倾斜，经计算后就可输出后退信号；若人体保持水平不动，则输出定速巡航信号，即保持当前速度不变运行。

以下结合图1、2，对利用图1中本发明的方向控制装置进行方向控制的方法的流程步骤进行详细说明。

如图2所示，利用本发明的方向控制装置进行方向控制的方法，包括以下步骤：在步骤S100中，利用所述姿态传感器检测单元，对该方向控制装置的姿态进行检测，并输出运动信息数据；在步骤S200中，利用所述信息处理单元，接收所述姿态传感器检测单元输出的运动信息数据，计算并输出该方向控制装置的运动状态数据和运动参数数据；在步骤S300中，将该运动状态数据和运动参数数据输出至外部设备。

以下分别根据姿态传感器检测单元采用的不同的传感器，来对其对应的各步骤进行详细描述。

实施例1，姿态传感器检测单元包括加速度计。

该实施例中，姿态传感器检测单元100包括加速度计；

对应地，在步骤S100中，该输出的运动信息数据包括在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数据；

在步骤S200中，计算该方向控制装置的运动状态数据包括：

对空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数据分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动速度数据、运动位移数据和运动角度数据。

所述方位变化状态数据包括控制装置上、下、左、右的方位变化状态数据，倾转状态数据是指控制装置相对于世界坐标各坐标轴的倾转角度数据。

例如，从X方向的加速度经积分可以得出控制器前进或后退的速度和位移，若速度和位移分别大于某一值(如0.1m/s和0.1m)，可以判断出控制装置向该方向运动，获得控制装置的前进或后退速度和位移；若Z轴加速度的变化大于某一值(如100mg)，Y轴加速度小于某一值(如100mg)，此时通过X轴加速度的变化趋势可以得出控制器发生了前倾或后倾运动，前后倾角度可分别用作前进后退信号；从Y、Z方向的加速度经积分可以得出控制装置侧倾的速度和位移，同样可以通过速度和位移与某一值(如0.1m/s和0.1m)的比较，判断出控制器向该方向发生侧倾，左右侧倾角度可分别用作左右转弯信号；若X、Y、Z三轴的加速度的变化均小于某一值(如100mg)，则认为此时控制器没有运动，输出定速巡航信号；将X、Y、Z三轴的加速度信号做矢量计算，可得出控制装置的实际运动方向；若加速度计敏感轴方向上没有平移，仅为绕其它轴进行转动，那从加速度的值即可直接得到控制器相对世界坐标倾斜的角度，如100mg大约为该方向倾斜9度，利用该特点可以通过布置加速度计的位置，使其敏感轴方向上没有平移，即可直接得到控制器相对世界坐标倾斜的角度，该角度可以作为方向控制信号，如用于控制车辆、船只、飞机等设备的转弯、前进、后退、定速巡航等方向控制。

对于运动速度数据、运动位移数据和运动角度数据的运动状态数据，可利用常规的计算方法对加速度进行计算得出。例如利用二次积分法等。

另外，在数据处理中，可控制装置的位移设置一个阈值(如5cm)，当X、Y、Z轴方向的相对位移小于这个阈值时，则令相对位移值为0，从而控制控制器移动的灵敏度。每次系统复位后，设定控制装置的初始速度与初始位移均为0。由于重力加速度的影响，当控制装置倾斜时，也会有加速度信号输出，该加速度值经过多次积分后，控制装置移动的瞬时速度值会越来越大，当控制装置的相对位移超过了程序设定的位移阈值时，会导致定位不准。为了解决这一现象，在程序设计中可进行相应处理，对检测到的加速度值进行判断，当其绝对值小于给定的阈值时，则将加速度值清零；此外，定时的将瞬时速度值清零，从而抑制多次积分后控制装置的计算速度越来越大。

优选地，该实施例中，在步骤S300之前，还包括坠落判定步骤，即根据空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数据，判断方向控制装置是否坠落。

具体地，当加速度计三个轴的值突然小于某一值(如250mg)一段时间(如200ms)时，即判断为控制装置发生自由落体，此时输出的方向控制信号进入保护状态，即输出保护信号(包括不再输出转弯信号，酌情输出减速信号，如速度较快，必要时输出关机信号，如1s内没有接到控制器再次启动命令)，从而对控制装置掉落或者使用者摔倒情况进行保护。

实施例2，姿态传感器检测单元包括陀螺仪。

该实施例中，姿态传感器检测单元100包括陀螺仪；

对应地，在步骤S100中，该输出的运动信息数据包括在空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数据；

在步骤S200中，计算该方向控制装置的运动状态数据包括：

对空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数据分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动速度数据、运动位移数据和运动角度数据。

利用角速度数据计算运动状态数据和运动参数数据的方法，可利用常规的计算方法得出，例如，计算运动角度数据时，可利用矩形法、梯形法等积分方法获得。

例如，设上电时控制器为零位状态，从绕X的角速度经积分可以得出控制装置倾转的角度，左右倾转角度可分别用作左右转弯信号；从绕Y的角速度经积分可以得出控制装置向下或向上的角度，可分别用作前进或后退信号；从绕Z的角速度经积分可以得出控制装置左右转动的角度，可用作左右转弯信号；如果三个轴上的角速度均小于某一阈值(如10°/s)，则认为此时控制装置没有运动，输出定速巡航信号。

由于陀螺仪得出的是相对的角速度，多次积分后得到的结果可能饱和，因此需要在初始上电时或隔一段时间对陀螺仪进行标定，以确定其零位状态。

实施例3，姿态传感器检测单元包括水平传感器。

该实施例中，姿态传感器检测单元包括多个水平传感器；

对应地，在步骤S100中，该输出的运动信息数据包括该多个水平传感器的通断状态数据；

在步骤S200中，计算该方向控制装置的运动状态数据包括：

根据所述多个水平传感器的通断状态数据，确定所述运动状态数据，并通过时间积分，得出运动参数数据，其中所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动角度数据。

水平传感器，又称倾侧开关，通常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“气体摆”式、“液体摆”式等。在本发明的实施方式中，可优选地采用“液体摆”式水平传感器构成本发明的姿态传感器检测单元，例如水银开关。当然，也可选用“固体摆”式、“气体摆”式等合适的水平传感器类型。

以水银开关为例，在水银开关内，水银以一接着电极的小巧容器储存着一小滴水银，容器中多数注入惰性气体或真空。因为重力的关系，水银水珠会随容器中较低的地方流去，如果同时接触到两个电极的话，开关便会将电路闭合，开启开关。

采用水平传感器判断控制装置运动状态，主要是和水平传感器的布置位置有关，可通过布置水平传感器的位置，检测前倾、后倾、左右侧倾和未倾斜状态等方位变化状态数据和倾转状态数据，分别对应前进、后退、左转、右转和定速巡航，由于水平传感器仅能获得通断状态，因此需要通过对其时间的积分，得到运动角度数据，该角度可以作为方向控制信号，如用于控制车辆、船只、飞机等设备的转弯、前进、后退、定速巡航等方向控制。

综上所述，本发明的方向控制装置和控制方法，可使操作者不需要转动方向盘、按动按钮或者转动操纵杆等获得方向控制信号，而仅需要改变控制装置的姿态即可实现方向控制，具有简单明了，容易操纵的特点，尤其是将控制装置固定于身体的某一位置，此时完全可以解放出双手，仅用身体的姿态即可控制方向，能够集运动和娱乐于一身。此外本发明的方向控制方法还带有自由落体保护功能，当检测到控制装置发生自由落体时，输出的方向控制信号进入保护状态，即输出保护信号(包括不再输出转弯信号，酌情输出减速信号，必要时输出关机信号)，从而避免将控制装置掉落或者使用者摔倒情况时的输出的异常信号作为控制指令传输给外部设备。

Claims (8)

1.一种方向控制装置，其特征在于，包括：

姿态传感器检测单元，其用于对该方向控制装置的姿态进行检测，并输出运动信息数据；

信息处理单元，用于接收所述姿态传感器检测单元输出的运动信息数据，计算并输出该方向控制装置的运动状态数据和运动参数数据；

输入单元，用于将输入控制信号输入至所述信息处理单元；

输出单元，用于接收所述信息处理单元输出的运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据输出至外部设备，通过所述运动状态数据和运动参数数据，对所述外部设备进行方向控制，其中，

所述姿态传感器检测单元包括加速度计或陀螺仪，所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动速度数据、运动位移数据和运动角度数据。

2.一种方向控制装置，其特征在于，包括：

姿态传感器检测单元，其用于对该方向控制装置的姿态进行检测，并输出运动信息数据；

信息处理单元，用于接收所述姿态传感器检测单元输出的运动信息数据，计算并输出该方向控制装置的运动状态数据和运动参数数据；

输入单元，用于将输入控制信号输入至所述信息处理单元；

输出单元，用于接收所述信息处理单元输出的运动状态数据和运动参数数据，并将该运动状态数据和运动参数数据输出至外部设备，通过所述运动状态数据和运动参数数据，对所述外部设备进行方向控制，其中，

所述姿态传感器检测单元包括水平传感器，所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动角度数据。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的方向控制装置，其特征在于，所述外部设备为车辆、船只和飞机中的一种。

4.一种利用如权利要求1所述的方向控制装置进行方向控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a，利用所述姿态传感器检测单元，对该方向控制装置的姿态进行检测，并输出运动信息数据；

b，利用所述信息处理单元，接收所述姿态传感器检测单元输出的运动信息数据，计算并输出该方向控制装置的运动状态数据和运动参数数据；

c，将该运动状态数据和运动参数数据输出至外部设备，通过所述运动状态数据和运动参数数据，对所述外部设备进行方向控制，其中，

所述姿态传感器检测单元包括加速度计；

所述步骤a中，该输出的运动信息数据包括在空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数据；

所述步骤b中，计算该方向控制装置的运动状态数据包括：

对空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数据分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动速度数据、运动位移数据和运动角度数据，

所述步骤c中，对所述外部设备进行方向控制包括：

若所述方向控制装置沿X轴向左偏转，则控制所述外部设备向左转向；若所述方向控制装置沿X轴向右偏转，则控制所述外部设备向右转向；若所述方向控制装置沿Z轴水平向左旋转，则控制所述外部设备向左转向；若所述方向控制装置沿Z轴水平向右旋转，则控制所述外部设备向右转向；若所述方向控制装置沿Y轴向下偏转，则控制所述外部设备前进；若所述方向控制装置沿Y轴向上偏转，则控制所述外部设备后退；若所述方向控制装置保持水平不动，则控制所述外部设备保持当前速度不变。

5.一种利用如权利要求1所述的方向控制装置进行方向控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a，利用所述姿态传感器检测单元，对该方向控制装置的姿态进行检测，并输出运动信息数据；

b，利用所述信息处理单元，接收所述姿态传感器检测单元输出的运动信息数据，计算并输出该方向控制装置的运动状态数据和运动参数数据；

c，将该运动状态数据和运动参数数据输出至外部设备，通过所述运动状态数据和运动参数数据，对所述外部设备进行方向控制，其中

所述姿态传感器检测单元包括陀螺仪；

所述步骤a中，该输出的运动信息数据包括在空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数据；

所述步骤b中，计算该方向控制装置的运动状态数据包括：

对空间坐标X、Y、Z方向上的角速度数据分别进行积分，得出所述运动状态数据和运动参数数据，其中所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动速度数据、运动位移数据和运动角度数据，

所述步骤c中，对所述外部设备进行方向控制包括：

若所述方向控制装置沿X轴向左偏转，则控制所述外部设备向左转向；若所述方向控制装置沿X轴向右偏转，则控制所述外部设备向右转向；若所述方向控制装置沿Z轴水平向左旋转，则控制所述外部设备向左转向；若所述方向控制装置沿Z轴水平向右旋转，则控制所述外部设备向右转向；若所述方向控制装置沿Y轴向下偏转，则控制所述外部设备前进；若所述方向控制装置沿Y轴向上偏转，则控制所述外部设备后退；若所述方向控制装置保持水平不动，则控制所述外部设备保持当前速度不变。

6.一种利用如权利要求1所述的方向控制装置进行方向控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a，利用所述姿态传感器检测单元，对该方向控制装置的姿态进行检测，并输出运动信息数据；

b，利用所述信息处理单元，接收所述姿态传感器检测单元输出的运动信息数据，计算并输出该方向控制装置的运动状态数据和运动参数数据；

c，将该运动状态数据和运动参数数据输出至外部设备，通过所述运动状态数据和运动参数数据，对所述外部设备进行方向控制，其中，

所述姿态传感器检测单元包括多个水平传感器；

所述步骤a中，该输出的运动信息数据包括该多个水平传感器的通断状态数据；

所述步骤b中，计算该方向控制装置的运动状态数据包括：

根据所述多个水平传感器的通断状态数据，确定所述运动状态数据，并通过时间积分，得出运动参数数据，其中所述运动状态数据包括方位变化状态数据和倾转状态数据，所述运动参数数据包括运动角度数据，

所述步骤c中，对所述外部设备进行方向控制包括：

若所述方向控制装置沿X轴向左偏转，则控制所述外部设备向左转向；若所述方向控制装置沿X轴向右偏转，则控制所述外部设备向右转向；若所述方向控制装置沿Z轴水平向左旋转，则控制所述外部设备向左转向；若所述方向控制装置沿Z轴水平向右旋转，则控制所述外部设备向右转向；若所述方向控制装置沿Y轴向下偏转，则控制所述外部设备前进；若所述方向控制装置沿Y轴向上偏转，则控制所述外部设备后退；若所述方向控制装置保持水平不动，则控制所述外部设备保持当前速度不变。

7.根据权利要求6所述的进行方向控制的方法，其特征在于，所述水平传感器为水银开关。

8.根据权利要求4所述的进行方向控制的方法，其特征在于，在所述步骤c之前，还包括：

根据空间坐标X、Y、Z方向上的加速度数据，判断方向控制装置是否坠落。