CN104511167B - 微机电陀螺系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机电陀螺系统及其控制方法，其中微机电陀螺系统包括陀螺本体、信号检测组件及显示组件，信号检测组件用于检测并处理陀螺本体的运动状态信息，显示组件接收、处理并显示运动状态信息；微机电陀螺控制系统包括多组的微机电陀螺系统，每组微机电陀螺系统中的信号检测组件与显示组件唯一配对连接，各组微机电陀螺系统中的显示组件相连，相连的各显示组件分享彼此显示的第二运动信息；微机电陀螺系统的控制方法用于微机电陀螺系统的控制；本发明的微机电陀螺系统、微机电陀螺控制系统以及微机电陀螺系统的控制方法具有陀螺运动信息检测准确、智能化实时计分排名和灵活度高的优点。

Description

微机电陀螺系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种微机电陀螺系统、微机电陀螺控制系统以及微机电陀螺系统的控制方法。

背景技术

传统陀螺多以木、合金等材料制成，底部设有铁尖，游戏时用绳索缠绕，快速抽绳，使其直立旋转，或用齿发条和齿轮启动。上述陀螺竞技时，仅能以最终陀螺是否倒下判定输赢，裁决方法过于绝对，不够公平灵活。另外，现有竞技玩具陀螺需倒地后人工确认输赢，再手动改动积分，操作不便且在积分排名上有作假空间。再者，各个陀螺之间存在差异，陀螺的重量和结构不一样，不同级别之间的陀螺不能竞赛，比赛限制大。上述问题的存在，使陀螺在竞技中灵活度低、竞技操作不可控、计分排名过于简单。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有陀螺在竞技中存在灵活度低、竞技操作不可控、计分排名智能化低的上述问题，提供了一种陀螺运动信息检测准确、智能化实时计分排名和灵活度高的微机电陀螺系统、微机电陀螺控制系统以及微机电陀螺系统的控制方法。

为解决上述问题，本发明的一种技术方案是：

一种微机电陀螺系统，包括陀螺本体，它还包括安装在陀螺本体内的信号检测组件及与信号检测组件无线连接的显示组件，信号检测组件用于检测并处理陀螺本体的运动状态信息，显示组件接收、处理并显示运动状态信息；所述信号检测组件包括微控制单元、微加速度计、第一无线收发器及用于信号检测组件供电的电源，微控制单元分别与微加速度计和第一无线收发器相连，微加速度计检测陀螺本体的第一运动信息，并进行数据处理得到第二运动信息，微控制单元读取第二运动信息，并控制第一无线收发器发送第二运动信息；所述显示组件包括第二微控制单元、第二无线收发器、显示器及用于显示组件供电的第二电源，第二微控制单元分别与第二无线收发器和显示器相连，第二无线收发器接收第一无线收发器发送的第二运动信息，第二微控制单元对接收的第二运动信息进行处理后由显示器显示。

相比较于现有技术，本发明的微机电陀螺系统将信号检测组件安装在陀螺本体上，由微加速度计和微控制单元实时检测、处理陀螺本体的第一运动信息，并通过第一无线收发器将检测到的第一运动信息处理后发送到另一分离的显示组件中处理和显示，更方便于陀螺本体的运动状态检测及监控；在竞技时，可根据显示器中的第二运动信息对全球范围内的陀螺选手进行积分排名，并在线实时对陀螺手的陀螺进行积分更新，以提高竞技的公平性和灵活度。

优选地，所述显示组件还包括接口单元，接口单元与第二微控制单元相连，接口单元用于连接上位机。显示组件通过接口单元与上位机联机，在联机时，显示组件将第二运动信息上传到服务器，有利于在线实时对陀螺手的陀螺进行积分更新。

优选地，所述接口单元为USB接口。

优选地，所述第一无线收发器和第二无线收发器工作在2.4GHz的ISM频段，采用跳频通信方式。2.4GHz的ISM频段为全球免申请的无线通信频段，采用2.4GHz的无线收发器，降低了本发明的成本，降低了功耗。

优选地，所述信号检测组件的电源上设有充电接口，显示组件还包括与第二电源相连的对外充电接口，显示组件的对外充电接口与信号检测组件的充电接口相连，第二电源通过对外充电接口和充电接口给信号检测组件的电源充电。信号检测组件可由显示组件充电，而显示组件由USB接口外接电源充电，提高了本发明使用的灵活性。

优选地，所述陀螺本体上设有一插接槽，插接槽用于插接显示组件，使显示组件可拆卸的安装在陀螺本体上。在不使用陀螺时，将显示组件插接在陀螺本体上，有利于实现显示组件与陀螺本体的一一对应，避免混淆，也方便存放。

优选地，所述微加速度计包括第一微加速度计和第二微加速度计。由两颗微加速度计对陀螺本体的加速度进行检测，准确度更高。

优选地，所述信号检测组件为圆形信号板，第一微加速度计和第二微加速度计分别安装在圆形信号板的边沿，电源安装在圆形信号板的正中央，信号检测组件上的其它器件沿圆心对称分布。信号检测组件上的器件排版，以保持陀螺本体在增加信号检测组件后的运动状态，减小陀螺本体的转动惯性，使陀螺本体运动更加稳定。

本发明的另一种技术方案是：

一种微机电陀螺控制系统，所述控制系统包括多组上述所述的微机电陀螺系统，每组微机电陀螺系统中的信号检测组件与显示组件唯一配对连接，各组微机电陀螺系统中的显示组件相连，相连的各显示组件分享彼此显示的第二运动信息。

优选地，所述各组微机电陀螺系统中的显示组件采用固定信道通信方式进行通信。

优选地，所述各组微机电陀螺系统中的显示组件彼此无线连接。

相比较于现有技术，本发明的微机电陀螺控制系统采用多组微机电陀螺系统进行竞技，每组信号检测组件与显示组件唯一配对连接，使每个陀螺本体的第二运动信息在对应的显示组件上显示，多个陀螺选手在竞技中时，各个相连的显示组件分享彼此检测到的数据，有利于实时进行智能排名，灵活性高。

本发明的再一种技术方案是：

一种微机电陀螺系统的控制方法，所述控制方法适用于上述提及的所有微机电陀螺系统，具体包括如下步骤：

a)设置显示组件和信号检测组件处于待机状态；

b)开启显示组件的电源，开启信号检测组件的电源并敲击陀螺本体；

c)显示组件进入配对请求状态，信号检测组件进入配对信号检测状态，显示组件通过第二无线收发器向信号检测组件发送配对请求信号，信号检测组件通过第一无线收发器检测配对请求信号；

d)若信号检测组件检测到显示组件发送的配对请求信号，并且显示组件收到信号检测组件的配对回复，则进入步骤e；若配对超时，显示组件和信号检测组件均进入待机状态，如需重新配对，则返回步骤b；

e)显示组件和信号检测组件均处于连通状态，即显示组件与信号检测组件通过无线网络对接，此时，显示组件和信号检测组件对陀螺本体进行运动状态监测，显示组件接收并显示信号检测组件发送的第二运动信息；

f)在连通状态中，若信号检测组与显示组件失去连通超时，返回步骤c，重新开始配对；若陀螺本体无物理运动超时，信号检测组件进入待机状态，若需重新连接，则返回步骤b。

相比较于现有技术，本发明的微机电陀螺系统的控制方法设置了完整的配对及控制过程，使微机电陀螺在竞技中灵活性更高，智能化程度更高。

优选地，所述步骤c中的配对请求信号为身份验证码，显示组件和与其配对连接的信号检测组件设置有相同的身份验证码。

优选地，所述第二运动信息包括陀螺本体的转速、撞击次数、撞击能量和转动时间。

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的说明。

图1是本发明微机电陀螺系统的结构示意图。

图2是本发明微机电陀螺系统中信号检测组件的电路原理框图。

图3是本发明微机电陀螺系统中显示组件的电路原理框图。

图4是本发明微机电陀螺系统的控制方法的控制流程图。

图5是本发明微机电陀螺控制系统的控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但本发明的保护范围并不限于此。

参照图1，本发明的微机电陀螺系统包括两大分离的实体，陀螺本体和显示组件，陀螺本体设有一插接槽，插接槽用于插接显示组件，显示组件可拆卸的安装在陀螺本体上。在不使用陀螺时，将显示组件插接在陀螺本体上，避免混淆，方便存放。陀螺本体内嵌设有信号检测组件，信号检测组件与显示组件无线连接，信号检测组件用于检测并处理陀螺本体的运动状态信息，显示组件接收、处理并显示运动状态信息。

参照图2，所述信号检测组件包括微控制单元、微加速度计、第一无线收发器及用于信号检测组件供电的电源。微控制单元负责整个信号检测组件的控制和对外通信，微控制单元通过I²C总线接口与微加速度计相连，微控制单元通过SPI接口与第一无线收发器相连，微加速度计检测陀螺本体的第一运动信息，并进行数据处理得到第二运动信息，微控制单元读取第二运动信息，并控制第一无线收发器发送第二运动信息。微加速度计包括第一微加速度计和第二微加速度计，两颗微加速度计均为三轴加速度计，由两颗微加速度计对陀螺本体的加速度进行检测，准确度更高。微加速度计用于提供陀螺状态、采集加速度值和进行转速计算，实现陀螺的转速、撞击次数、撞击能量和转动时间的实时记录，以增强竞技陀螺的公平性、操作性和趣味性。

其中，电源包括电池、电源管理单元及充电接口，电池采用小锂电池，小锂电池容量一般在200mAh以下。电池分别与电源管理单元和充电接口相连，电源管理单元分别与微控制单元、微加速度计和第一无线收发器相连，用于供电。信号检测组件为圆形信号板，第一微加速度计和第二微加速度计分别安装在圆形信号板的边沿，小锂电池安装在圆形信号板的正中央，信号检测组件上的其它器件沿圆心对称分布，以增大陀螺的转动稳定性。

信号检测组件处于实时检测状态时，由两颗微加速度计对陀螺本体的加速度、撞击次数和转动时间进行检测，并通过计算，得到陀螺本体的转速和撞击能量。微控制单元读取微加速度计的第二运动信息，进行相应处理后，微控制单元控制第一无线收发器，由第一无线收发器将处理后的数据发送出。

其中，第一微加速度计和第二微加速度计根据所测加速度值和加速度计相对于圆心的距离计算陀螺转速，陀螺转速的计算公式如下：a是微加速度计读出的加速度值经处理后的加速度值，r是微加速度计位置与陀螺圆心的距离。在计算时，若在200ms时间内连续10次微加速度计的向心轴(以X轴为例)读数偏差在5％以内，则可计算当前转速。计算出的转速小于600度/秒，不显示。若Z轴输出值小于30，或Y轴输出值大于12，表示陀螺处于快接近停止状态，此时，转速不显示。

撞击次数，在平坦变化的转速区中间的某次满幅输出为标志，且撞击前后的转速变化大于5％时，记录为一次撞击。转动能量，用于描述陀螺旋转的能量，转动能量的计算公式为：I为陀螺的转动惯量，ω是出厂时标定的值，与陀螺的型号有关。撞击能量，定义为撞击前转动能量和撞击后转动能量之差。转动时间，定义为转速大于600度/秒到转速小于600度/秒的时间间隔，转动时间小于5s的不记录。

参照图3，所述显示组件为长方形信号板，显示组件包括第二微控制单元、第二无线收发器、显示器、用于显示组件供电的第二电源及接口单元，显示器采用LCD屏(液晶屏)。第二微控制单元通过SPI接口与第二无线收发器相连，第二微控制单元分别与第二无线收发器、接口单元和显示器相连，第二无线收发器接收第一无线收发器发送的第二运动信息，第二微控制单元对接收的第二运动信息进行处理后由显示器显示。接口单元用于连接上位机，显示组件通过接口单元与上位机联机，在联机时，显示组件将积分、最高转速、平均转速和最长时间等信息传至服务器，接口单元可以为USB接口或其它常见的接口。

其中，第二电源包括电源管理单元、电池及对外充电接口，电池分别与电源管理单元和对外充电接口相连，电池为大锂电池，大锂电池的容量一般在700mAh以上，通过USB接口以5V电压充电。电源管理单元分别与第二无线收发器、第二微控制单元和显示器相连，用于供电。显示组件的对外充电接口用于与信号检测组件的充电接口相连，第二电源通过对外充电接口和充电接口给信号检测组件的电源充电。

显示组件处于工作状态时，第二微控制单元控制第二无线收发器处于接收状态，第二无线收发器接收第一无线收发器发送的第二运动信息，第二微控制单元控制读取第二运动信息，并进行处理，在第二微控制单元的控制下，由显示器显示第二运动信息。若此时显示组件连接有上位机，则第二微控制单元控制下，将第二运动信息上传到上位机中，用于实时在线监测。

其中，所述的第一无线收发器和第二无线收发器工作均工作在2.4GHz的ISM频段，并采用跳频通信方式，以约定好的跳频顺序轮转，直到找到不被占用的信道。2.4GHz的ISM频段为全球免申请的无线通信频段，采用2.4GHz的无线收发器，可以降低成本，降低功耗。

参照图4，本发明的微机电陀螺系统的控制方法，该控制方法适用于上述提及的所有微机电陀螺系统，具体包括如下步骤：

a)设置显示组件和信号检测组件处于待机状态，即安装显示组件和信号检测组件中的电源，使两者进入供电状态；

b)开启显示组件的电源，开启信号检测组件的电源并敲击陀螺本体；信号检测组件处于待机状态时，敲击陀螺本体，可以唤醒信号检测组件，使其进入配对信号检测状态；

c)进入配对请求状态，信号检测组件进入配对信号检测状态，显示组件在第二微控制单元的控制下，由第二无线收发器向信号检测组件发送配对请求信号，配对请求信号为身份验证码，显示组件和与其配对连接的信号检测组件设置有相同的身份验证码；信号检测组件微控制单元的控制下，由第一无线收发器检测配对请求信号，进行双方验证；

d)若信号检测组件检测到显示组件发送的配对请求信号，并且显示组件收到信号检测组件的配对回复，则进入步骤e；若配对超时，显示组件和信号检测组件均进入待机状态，如需重新配对，则返回步骤b；其中，配对时间根据实际需要设定；

e)显示组件和信号检测组件均处于连通状态，即显示组件与信号检测组件通过无线网络对接，此时，信号检测组件对陀螺本体进行运动状态监测，采集并发送第二运动信息到显示组件中，由显示组件接收并显示；

f)在连通状态中，若信号检测组与显示组件失去连通超时，返回步骤c，重新开始配对；若陀螺本体无物理运动超时，信号检测组件进入待机状态，若需重新连接，则返回步骤b。

本发明的微机电陀螺系统的控制方法设置了完整的配对及控制过程，使微机陀螺在竞技中灵活性更高，智能化程度更高。其中，第二运动信息包括陀螺本体的转速、撞击次数、撞击能量和转动时间。

本发明的微机电陀螺控制系统，包括多组上述提及的微机电陀螺系统，每组微机电陀螺系统中的信号检测组件与显示组件唯一配对连接，即通过无线网络连接，各组微机电陀螺系统中的显示组件彼此无线连接，相连的各显示组件分享彼此显示的数据。各组微机电陀螺系统中的显示组件与显示组件之间采用固定信道通信方式进行通信，固定信道分为8个可选RF信道，显示组件通过按键控制当前的显示组件的RF信道，与需要积分更新的显示组件设置成一致，固定信道通信采用半双工方式通信。

本发明的显示组件在工作时分为两个状态，监控状态和积分状态。监控状态时，陀螺本体的信号检测组件与其显示组件配对完成后，对陀螺状态进行监控，并在LCD屏上显示陀螺的各项参数。积分状态时，在监控状态下，通过按键与竞技玩家做竞技积分增减配对，即实现各个陀螺之间的数据共享。单一玩家使用时，不需竞技配对，仅在监控状态下工作。多个陀螺玩家竞技时，按照事先约定好的积分数确认积分增减，并在各自陀螺相对应的显示组件上更新积分。

参照图5，下面以两个陀螺A和陀螺B为例详细说明本发明的微机电陀螺控制系统，即陀螺A和陀螺B进行竞技。陀螺A和陀螺B为两个相同的陀螺实体，其结构为上文提及的微机电陀螺系统。陀螺A中的信号检测组件与显示组件无线连接，在图中标记为显示组件C，陀螺B中的信号检测组件与显示组件也无线连接，在图中标记为显示组件D。在本发明的控制系统中，显示组件A和显示组件B通过2.4GHz的ISM频段进行通信，显示组件A上的第二运动信息能与显示组件B上的第二运动信息实现共享，并进行实时排名。

在两个陀螺A和陀螺B的竞技过程中，包括了上文提及的每个陀螺的配对过程，同时也包括更新积分步骤，陀螺A和陀螺B的运动状态监测过程中，同时进行积分的更新，即实现显示组件C和显示组件D分享彼此显示的数据，并进行实时智能排名。

上述说明中，凡未加特别说明的，均采用现有技术中的技术手段。

Claims (13)

1.一种微机电陀螺系统，包括陀螺本体，其特征在于，它还包括安装在陀螺本体内的信号检测组件及与信号检测组件无线连接的显示组件，信号检测组件用于检测并处理陀螺本体的运动状态信息，显示组件接收、处理并显示运动状态信息；所述信号检测组件包括微控制单元、微加速度计、第一无线收发器及用于信号检测组件供电的电源，微控制单元分别与微加速度计和第一无线收发器相连，微加速度计检测陀螺本体的第一运动信息，并进行数据处理得到第二运动信息，微控制单元读取第二运动信息，并控制第一无线收发器发送第二运动信息；所述显示组件包括第二微控制单元、第二无线收发器、显示器及用于显示组件供电的第二电源，第二微控制单元分别与第二无线收发器和显示器相连，第二无线收发器接收第一无线收发器发送的第二运动信息，第二微控制单元对接收的第二运动信息进行处理后由显示器显示，所述陀螺本体上设有一插接槽，插接槽用于插接显示组件，使显示组件可拆卸的安装在陀螺本体上。

2.根据权利要求1所述的微机电陀螺系统，其特征在于，所述显示组件还包括接口单元，接口单元与第二微控制单元相连，接口单元用于连接上位机。

3.根据权利要求2所述的微机电陀螺系统，其特征在于，所述接口单元为USB接口。

4.根据权利要求1所述的微机电陀螺系统，其特征在于，所述第一无线收发器和第二无线收发器工作在2.4GHz的ISM频段，采用跳频通信方式。

5.根据权利要求1所述的微机电陀螺系统，其特征在于，所述信号检测组件的电源上设有充电接口，显示组件还包括与第二电源相连的对外充电接口，显示组件的对外充电接口与信号检测组件的充电接口相连，第二电源通过对外充电接口和充电接口给信号检测组件的电源充电。

6.根据权利要求1所述的微机电陀螺系统，其特征在于，所述微加速度计包括第一微加速度计和第二微加速度计。

7.根据权利要求6所述的微机电陀螺系统，其特征在于，所述信号检测组件为圆形信号板，第一微加速度计和第二微加速度计分别安装在圆形信号板的边沿，电源安装在圆形信号板的正中央，信号检测组件上的其它器件沿圆心对称分布。

8.一种微机电陀螺控制系统，其特征在于，所述控制系统包括多组权利要求1-8中任意一项所述的微机电陀螺系统，每组微机电陀螺系统中的信号检测组件与显示组件唯一配对连接，各组微机电陀螺系统中的显示组件相连，相连的各显示组件分享彼此显示的第二运动信息。

9.根据权利要求8所述的微机电陀螺控制系统，其特征在于，所述各组微机电陀螺系统中的显示组件采用固定信道通信方式进行通信。

10.根据权利要求8所述的微机电陀螺控制系统，其特征在于，所述各组微机电陀螺系统中的显示组件彼此无线连接。

11.一种微机电陀螺系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法适用于权利要求1-7中任意一项所述的微机电陀螺系统，具体包括如下步骤：

a)设置显示组件和信号检测组件处于待机状态；

b)开启显示组件的电源，开启信号检测组件的电源并敲击陀螺本体；

c)显示组件进入配对请求状态，信号检测组件进入配对信号检测状态，显示组件通过第二无线收发器向信号检测组件发送配对请求信号，信号检测组件通过第一无线收发器检测配对请求信号；

d)若信号检测组件检测到显示组件发送的配对请求信号，并且显示组件收到信号检测组件的配对回复，则进入步骤e；若配对超时，显示组件和信号检测组件均进入待机状态，如需重新配对，则返回步骤b；

e)显示组件和信号检测组件均处于连通状态，即显示组件与信号检测组件通过 无线网络对接，此时，显示组件和信号检测组件对陀螺本体进行运动状态监测，显示组件接收并显示信号检测组件发送的第二运动信息；

f)在连通状态中，若信号检测组与显示组件失去连通超时，返回步骤c，重新开始配对；若陀螺本体无物理运动超时，信号检测组件进入待机状态，若需重新连接，则返回步骤b。

12.根据权利要求11所述的微机电陀螺系统的控制方法，其特征在于，所述步骤c中的配对请求信号为身份验证码，显示组件和与其配对连接的信号检测组件设置有相同的身份验证码。

13.根据权利要求11所述的微机电陀螺系统的控制方法，其特征在于，所述第二运动信息包括陀螺本体的转速、撞击次数、撞击能量和转动时间。