CN103645803A - 微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，由无线体感捕捉操控端和无线接收端组成；无线体感捕捉操控端包括：数据及充电接口、静电放电保护模块、接口集成主处理器单元、体感处理模块、左接近开关、右接近开关、弹性滑动开关、显示模块、充电及电源管理模块、无线接收发射模块、3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、温度传感器；无线接收端由数据接口、静电放电保护模块、接口集成处理器单元、无线接收发射模块组成；本发明的优点是通过将3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计的参考轴进行精确匹配，能够对体感动作进行精准捕捉；由于不依赖传统的光发射接收原理且不采用机械按键，使用中减少了对肢体的限制和对手掌的占用。

Description

微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统

技术领域

本发明涉及微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，属于自动控制技术领域。

背景技术

目前，传统现有的鼠标产品和具有运动传感功能的系统均存在着以下缺陷：

1)传统现有的鼠标产品包括无线鼠标、有线鼠标、机械鼠标、光电鼠标等全部都是依赖鼠标垫或桌面来反馈鼠标运动信息的,长期使用此类鼠标会对人的手部和腕部产生较大的伤害。

2)传统现有的鼠标产品都使用机械按键向电脑提供点击或滚动信号，即使是体感鼠标产品也不可避免的用各种按键提供点击等操作信号，它们共同的特点是操作时几乎占用了人一只手的全部功能。

3)现有的具有运动传感功能的解决方案依赖一个、两个或三个独立的感应结构，各个传感器之间数据不能同步，即使同一传感器自身三轴也有相互影响，导致测量误差随时间逐步增大，不得不在每个较短的时间要重新校正参考零点，从而使控制效能和精度低下，例如，在作图、现实模拟等应用场合下的控制精度很差。

4)现有的具有运动传感功能的系统都是体积较大的系统，未实现便携式和微型化，使用和携带非常不方便。

5）部分传统现有的靠摄像头感知运动的系统，其主要探测部件是放在显示器正对着人体的方向上，被测端戴在人体上，这样的被测端可以做到很小，但是这种系统依赖摄像头的视角，如果被测端离开摄像头视角范围则进入传感盲区；同时被测端器件运动的空间信息仅靠摄像头的图像解析能力或距离传感进行遥感，在控制精度上无法满足有精度需求的场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统。

本发明由无线体感捕捉操控端和无线接收端组成。

所述无线体感捕捉操控端包括：数据及充电接口、静电放电保护模块（ESD）、接口集成主处理器单元、体感处理模块、左接近开关、右接近开关、弹性滑动开关、显示模块、充电及电源管理模块、无线接收发射模块、3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、温度传感器。所述数据及充电接口、静电放电保护模块（ESD）、接口集成主处理器单元、体感处理模块依次连接；所述左接近开关、右接近开关、显示模块、无线接收发射模块分别与接口集成主处理器单元连接；所述充电及电源管理模块分别与数据及充电接口、静电放电保护模块连接；所述充电及电源管理模块设置了弹性滑动开关；所述3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、温度传感器分别与体感处理模块连接。

所述弹性滑动开关包括连接集成为一体的弹性滑动戒托、开关主体、开关引脚、滑轨；所述弹性滑动戒托可弯曲成一定弧度并具有回弹力；弹性滑动戒托沿滑轨滑动时可拨动弹性滑动开关，所述弹性滑动戒托具有将无线体感捕捉操控端束缚于肢体上的功能；所述弹性滑动开关用于对无线体感捕捉操控端开关机。

所述接口集成主处理器单元包括：USB驱动接口、无线接口、存储器和中央处理器(CPU)等数据处理部分。

所述体感处理模块包括：模数转换器、传感器驱动电路、存储器和中央处理器(CPU)等电路。

本发明采用所述的充电及电源管理模块对充电电池进行充电管理，并为本发明的系统提供电源管理，以保证本发明的系统的状态稳定可靠。

所述接近开关是指具有接近、非接近以及接触、非接触等位置识别功能的传感器件，即当有物体移向接近开关感应区域并接近到一定距离以内时，接近开关才会发出电信号。所述接近开关作为体感按键用于与无线体感捕捉操控端在空间中的运动方向相结合起到操控作用。本发明中接近开关的使用数量可根据具体产品功能的调整而增减。所述接近开关为距离传感器或触摸传感器等。

本发明所述的无线接收端由依次连接的数据接口、静电放电保护模块（ESD）、接口集成处理器单元、无线接收发射模块组成。

所述接口集成处理器单元包括：USB驱动接口、无线接口、存储器和中央处理器(CPU)等数据处理部分。

本发明所述的无线体感捕捉操控端可以输出鼠标功能数据、媒体播放功能数据、体感捕捉功能数据、多操控端操控功能数据。

本发明所述的无线体感捕捉操控端可以选择输出匀速体感数据、低速高精度体感数据和高速低精度体感数据。

本发明所述的多个无线体感捕捉操控端能够联合组建成一个多点操控系统。

本发明的无线体感捕捉操控端实现了在形如戒指大小的体积里集成了多种功能，包括鼠标功能（提供二维数据）、媒体播放功能、体感捕捉功能（能够提供三维数据）、多操控端操控功能。本发明全部采用高集成高精度电子器件，从而使本发明成为微型的动作捕捉控制系统而轻巧舒适地佩戴在手指上，并大大降低了功耗。本发明采用高精度AD实时采集多种传感器三维空间数据并进行实时校正融合演算，使本发明能够对动作和位置进行精准捕捉，使体感操控达到真正的实用化应用。由于不依赖传统的光发射接收原理并且不采用机械按键，本发明在使用中无空间限制，能够使肢体得到自由灵活的运动，具有较好的操作舒适度。本发明能够做成戒指的形状佩戴在手指上，这使得本发明在具备高精度体感捕捉操控能力的同时还能成为一种时尚配饰。

本发明实现了手可以随意放在任何空间部位来指挥光标，并且在不想光标移动的时候手随意运动都不会影响光标位置，例如，本发明应用在鼠标上能够将手掌从桌面上彻底解放出来。

本系统创新性采用接近开关（距离传感器或触摸传感器）作为系统按键，减少了手指的占用，简化了操作。例如，当本发明佩戴在食指上时，拇指或中指只需轻轻靠近戒指侧面0～2mm内就可作为按键触发动作。由2个键（接近开关）的组合搭配及其与三维空间中运动方向的组合搭配，作为动作识别依据。接近开关传感信号具有优异的抗干扰能力，只有发生预先定义的接近事件，才唤醒微控制器，从而降低了功耗。

本发明融合了3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、温度传感器。本发明采用高精度3轴陀螺仪，主处理器可以选择其灵敏度从而实现变速测量，高精度捕捉测量用于小范围慢速运动，而低精度捕捉测量用于大范围快速运动；本发明采用高精度3轴加速度计和3轴磁强计。本发明通过体感处理模块将数据实时整合，确保3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计的参考轴能够精确匹配，同时采用低通和高通滤波等嵌入式数字滤波算法和温度传感器的校正功能，能够自动更正测量失真和偏差，向应用端输出完整的9轴融合演算数据，就算时间推移或温度变化，本发明仍然保持连续稳定的输出，并拥有出色的热稳定性和机械稳定性。

综上，本发明的优点是通过将3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计的参考轴进行精确匹配，并采用温度传感器进行温度校正，能够对体感动作和位置进行精准捕捉，由于本发明不依赖传统的光发射接收原理并且不采用机械按键，所以，在使用中无空间限制，并且在使用中减少了对人的肢体的限制和对手掌的占用，具备较好的操作舒适度。

本发明作为可佩戴的主动型动作捕捉系统，首次做到了微型化轻量化，可以像戒指一样轻便灵活的佩戴在手指上，极大程度的解放了手掌，操作简单方便，本发明首次创新性采用接近开关作为系统按键，接近开关的传感信号具有优异的抗干扰能力，只有发生接近情况时才唤醒系统工作，从而降低了功耗，本发明的接近开关作为体感按键与无线体感捕捉操控端的三维运动动作进行配合起到操控作用；本发明能够做成戒指的形状佩戴在手指上，使得本发明在具备高精度体感捕捉操控能力的同时还能成为一种时尚配饰，因此，本发明具有较强的实用价值和现实意义。

附图说明

图1是本发明所述微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统的无线体感捕捉操控端的电路原理示意图；

图2是本发明所述微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统的无线接收端的电路原理示意图；

图3是本发明所述微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统的弹性滑动开关的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。如图1、图2所示；本发明由无线体感捕捉操控端和无线接收端组成。

所述无线体感捕捉操控端包括：数据及充电接口、静电放电保护模块（ESD）、接口集成主处理器单元、体感处理模块、左接近开关、右接近开关、弹性滑动开关、显示模块、充电及电源管理模块、无线接收发射模块、3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、温度传感器。所述数据及充电接口、静电放电保护模块（ESD）、接口集成主处理器单元、体感处理模块依次连接；所述左接近开关、右接近开关、显示模块、无线接收发射模块分别与接口集成主处理器单元连接；所述充电及电源管理模块分别与数据及充电接口、静电放电保护模块连接；所述充电及电源管理模块设置了弹性滑动开关；所述3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、温度传感器分别与体感处理模块连接。

所述接口集成主处理器单元包括：USB驱动接口、无线接口、存储器和中央处理器(CPU)等数据处理部分。

本发明所述的无线接收端由依次连接的数据接口、静电放电保护模块（ESD）、接口集成处理器单元、无线接收发射模块组成。

所述接口集成处理器单元包括：USB驱动接口、无线接口、存储器和中央处理器(CPU)等数据处理部分。

所述体感处理模块包括：模数转换器、传感器驱动电路、存储器和中央处理器(CPU)等电路。

如图3所示是本发明的弹性滑动开关的结构示意图，所述弹性滑动开关包括连接集成为一体的弹性滑动戒托1、开关主体2、开关引脚3、滑轨4；所述弹性滑动戒托1可弯曲成一定弧度并具有回弹力；弹性滑动戒托1沿滑轨4滑动时可拨动弹性滑动开关。

在本发明的实施例中，本发明所用的元器件都采用高集成贴片元器件，支持RF无线协议和蓝牙等无线协议。本发明无线体感捕捉操控端的接口集成主处理器单元和体感处理模块均能支持关机和睡眠两个省电模式，因此本发明支持睡眠模式下极低功耗，并在关机情况下实现了零功耗。本发明可以在充电时同时使用。当无线接收端从电脑端拔出或丢失时，无线体感捕捉操控端仍然可通过USB数据线直接向电脑传输数据。无线体感捕捉操控端内部的存储器可以存储少量用户文档数据。本发明可以通过USB数据线更新系统固件。

在本发明的实施例中，本发明的无线体感捕捉操控端分布在三块电路板上，每块电路板尺寸均小于18mm×17mm；本发明也能将全部电路集成在一段柔性电路板上，弯曲安置在戒指壳体内，从而实现了系统戒指型的设计。

在本发明的实施例中，无线体感捕捉操控端支持多种模式选择：鼠标模式（默认模式）/选择模式及精度/换手模式（左右手选择）/播放模式/体感捕捉模式/多操控端模式。本发明的体感捕捉模式与鼠标模式不同的是：鼠标模式是向屏幕提供左右和上下二维数据，而本发明的体感捕捉功能中提供的是左右、上下和前后三维数据。使用者通过显示模块可以了解所述系统当前所处的模式、日历以及时间。本发明针对特定的应用领域仅提供单一功能，如提供鼠标功能时本发明可以不使用显示模块或者仅使用LED灯。

在本发明的实施例中，本发明在作为鼠标功能的应用中不再依赖光电鼠标的物表反射原理，并首次创新性采用接近开关作为系统按键，由数个接近开关的组合搭配及其与三维空间中运动方向的组合搭配，作为动作识别依据。所述接近开关设置于无线体感捕捉操控端两侧，当无线体感捕捉操控端佩戴在食指上时，拇指或中指只需轻轻靠近戒指侧面0～2mm内就可作为按键触发动作。接近开关的传感信号具有优异的抗干扰能力，只有发生接近情况时才唤醒系统工作，从而降低了功耗。本发明中接近开关的使用数量可根据具体产品功能的调整而增减。

在本发明的实施例中，本发明将3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、温度传感器的数据通过数字滤波、温度校正、融合演算等过程变成连续精准数据，不需要每隔较短时间重新校正方向。本发明采用高精度3轴陀螺仪，主处理器可以选择其灵敏度（例如其灵敏度范围可从8.75mdps/digit、17.50mdps/digit、70.00mdps/digit按运动速度进行自动及被动切换）从而实现变速测量，高精度捕捉测量用于小范围慢速运动，而低精度捕捉测量用于大范围快速运动；本发明采用高精度3轴加速度计，其测量范围可以选择±2g、±4g、±8g、±16g等。本发明通过体感处理模块将数据实时整合，确保3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计的参考轴能够精确匹配，同时采用低通和高通滤波等嵌入式数字滤波算法和温度传感器的校正功能，能够自动更正测量失真和偏差，向应用端输出完整的9轴融合演算数据，就算时间推移或温度变化，本发明仍然保持连续稳定的输出，并拥有出色的热稳定性和机械稳定性。

在本发明的实施例中，本发明在鼠标模式中提供变速功能，使操作电脑光标可以在精微移动和快速移动间平滑过度。在本发明无线体感捕捉操控端的倾角从2度到30度变化的时候，光标将逐步从高精度慢速移动、普通精度普通速度移动过渡到低精度快速移动。（本发明的具体的关于角度与移动速度的关系能够由系统调试参数进行调整。）

本发明作为鼠标使用时，向计算机屏幕提供左右和上下二维光标移动数据。手指通过贴靠接近开关使所述无线体感捕捉操控端获得移动前初始二维角度，之后随着二维倾角相对于初始角度的变化，向计算机输出光标移动数据。相对于初始角度，当无线体感捕捉操控端的倾斜角度分别为：保持某一角度不变/逐步变大/逐步变小时，分别向计算机屏幕输出光标匀速/加速/减速移动数据。当无线体感捕捉操控端旁边的手指离开接近开关的感应范围，则结束向计算机输出鼠标移动数据。

在本发明的实施例中，本发明支持1个无线接收端同时匹配多个无线体感捕捉操控端，本发明的多个无线体感捕捉操控端佩戴在不同手指上，能够构成多指游戏操控系统，能够进行如弹钢琴等乐器模拟游戏和竞技类双手游戏。

在本发明的实施例中，本发明的总开关采用弹性滑动开关设计，既可作为系统开关节省电量，又可适应不同直径的手指佩戴。

本发明的无线接收发射模块设计在朝向人体佩戴时的身体外侧；在朝向人体的一面采用金属垫片屏蔽系统辐射，有效地降低了无线辐射对人体的伤害问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，其特征在于，包括：无线体感捕捉操控端和无线接收端；

所述无线体感捕捉操控端包括：数据及充电接口、静电放电保护模块、接口集成主处理器单元、体感处理模块、左接近开关、右接近开关、弹性滑动开关、显示模块、充电及电源管理模块、无线接收发射模块、3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、温度传感器。所述数据及充电接口、静电放电保护模块、接口集成主处理器单元、体感处理模块依次连接；所述左接近开关、右接近开关、显示模块、无线接收发射模块分别与接口集成主处理器单元连接；所述充电及电源管理模块分别与数据及充电接口、静电放电保护模块连接；所述充电及电源管理模块设置了弹性滑动开关；所述3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、温度传感器分别与体感处理模块连接；

所述的无线接收端由依次连接的数据接口、静电放电保护模块、接口集成处理器单元、无线接收发射模块组成。

2.根据权利要求1所述的微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，其特征在于，所述接口集成主处理器单元包括：USB驱动接口、无线接口、存储器和中央处理器。

3.根据权利要求1所述的微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，其特征在于，所述接口集成处理器单元包括：USB驱动接口、无线接口、存储器和中央处理器。

4.根据权利要求1所述的微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，其特征在于，所述体感处理模块包括：模数转换器、传感器驱动电路、存储器和CPU。

5.根据权利要求1所述的微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，其特征在于，所述接近开关是指具有接近、非接近以及接触、非接触等位置识别功能的传感器件，即当有物体移向接近开关感应区域并接近到一定距离以内时，接近开关才会发出电信号；所述接近开关作为体感按键用于与无线体感捕捉操控端在空间中的运动方向相结合起到操控作用。

6.根据权利要求1所述的微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，其特征在于，所述弹性滑动开关包括连接集成为一体的弹性滑动戒托、开关主体、开关引脚、滑轨，所述弹性滑动开关用于对无线体感捕捉操控端开关机；所述弹性滑动戒托弯曲成一定弧度并具有回弹力，所述弹性滑动戒托具有将无线体感捕捉操控端束缚于肢体上的功能。

7.根据权利要求1所述的微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，其特征在于，所述无线体感捕捉操控端输出鼠标功能数据、媒体播放功能数据、体感捕捉功能数据、多操控端操控功能数据。

8.根据权利要求1或7所述的微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，其特征在于，所述无线体感捕捉操控端可以选择输出匀速体感数据、低速高精度体感数据和高速低精度体感数据。

9.根据权利要求1或7所述的微型便携式多功能无线体感捕捉控制系统，其特征在于，多个无线体感捕捉操控端可以联合组建成一个多点操控系统。

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