CN107734195A - 一种可与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的智能魔方系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的智能魔方系统，内置运动传感器和无线通信模块，通过无线通信技术，获取魔方整体姿态数据以及六个面的转动数据，实现智能魔方整体姿态及状态实时在手机app上的同步；并在每个块中设置全彩LED，手机app控制智能魔方每一面每一色块内的全彩LED来改变智能魔方整体的显色状态，从而实现魔方玩家在线竞技、练习，提供打乱公式、计时、成绩统计、操作视频回看、远程在线指导及分享的功能。

Description

一种可与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的智能 魔方系统

技术领域

本发明涉及传感器技术、无线通信、图像识别、魔方运动规律及手法技巧等领域，具体地说，本发明涉及一种可与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的智能魔方系统。

背景技术

随着魔方的发明和相关比赛活动在世界范围内的普及，魔方已经成为了一项流行的竞技运动。对于已经熟练掌握魔方还原方法、参与比赛的魔方玩家来说，他们需要跟更多高手竞技交流，来提高自己的技术水平。对于还没有掌握魔方还原方法的人群，他们需要一个能够更容易学习魔方还原方法的工具、交流平台及教学平台。

魔方虽然只是由六个中心块，八个角块和十二个棱块组成，初始状态下，魔方每一面的九格色块是同一种颜色，整个魔方六个面是六种颜色，但是通过转动，将色块打乱，魔方能够产生43,252,003,274,489,856,000种变化。还原魔方，特别是快速还原魔方，需要记忆大量魔方公式，每个公式对应解决指定形态，且其中单个形态出现的概率低。如手动复现指定形态，需操作人对魔方的运动规律有深入理解，门槛极高，从而导致大部分魔方爱好者无法高效率的学习和记忆魔方公式。传统魔方对于新手来说上手难度大，趣味性也随之降低。对于已经能够熟练还原魔方的玩家，利用传统魔方竞技交流，对场地、环境及专用设备的要求过高，并且目前还没有一个专用的平台可供魔方玩家进行远程交流、竞技和教学。

已有用传感器检测魔方状态的研究，和用LED指示玩家还原步骤或作为色块显色单元的方案。但现存方案存在如下缺陷或问题：

1.现有技术方案中，魔方转动状态可与电脑或手机同步，但无法确保高速转动状态下的实时性(包括魔方六面及整体的转动)。在魔方竞技和教学中，误差和不同步都会极大地影响结果和使用体验。与此同时，设备用途的可扩展性也受到限制。

2.现有的智能魔方都是通过魔方当前状态由机器计算出最短路径并指导人进行还原，这种方法不适合人手操作，无规律可循，不具有普适性，于是无法作为一种可学习的技能被人类掌握。基于现存技术方案，脱离电脑的计算，人类不仅无法独立进行魔方还原，也在一定程度上降低了还原魔方的趣味性。

3.魔方整体转动的姿态模拟需要用到运动传感器数据，现有解决方案大都只使用一个运动传感器进行姿态模拟，由于运动传感器本身存在随机测量误差，长时间使用一个传感器模拟姿态误差会持续累计变大，无法做到魔方状态的实时同步。

4.魔方色块的LED显色需符合魔方运动规律，如6种颜色，每种颜色对应9个色面，任意组合，仅有1/12的概率正确，即11/12的概率，该配色方案的魔方不存在还原的可能性。因此LED显色的同时，符合魔方的运动规律至关重要。

5.LED显色替代传统魔方贴纸颜色(部分采用塑料原色)的方案，可以快速设定魔方状态，但同样的亮度设定无法满足复杂多变的环境亮度中，用户的使用需求。在高亮度的环境汇中，智能魔方需要高亮度显示，利于快速辨认色块状态；低亮度环境中，智能魔方需要低亮度显示，利于节能、护眼。由于环境亮度处在持续变化中，设定单一亮度或手动设定亮度，流程繁琐，体验欠佳。

6.魔方顺滑与否取决于魔方内部中心结构的设计，现存智能魔方方案由于改变了魔方原有的中心结构，或有部分采用接触式供电通讯方案，导致破擦力增大，造成魔方转动的速度和手感大幅下降，脱离了魔方的应用本质，不具备实际应用价值。

7.现有手机app与魔方转动同步方案中都没有涉及魔方整体姿态的转动，而人类在还原魔方时需要不断地对魔方进行整体转动以达到方便使用魔方还原公式的目的，并且魔方如果整体姿态发生转动，魔方公式表示也会随之改变，如果魔方状态同步中不解决整体转动同步，将无法实现真正适合人类掌握的魔方还原教学及魔方技术交流。

发明内容

本发明提出了一种一种与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的智能魔方系统，解决了现有技术中无法确保高速转动状态下魔方与手机同步的实时性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的智能魔方系统，包括一个中心轴、六个中心块、八个角块、十二个棱块，其特征在于，六个中心块均内置运动传感器和无线通信模块，通过无线通信技术，将六个面的转动数据传输至手机端，手机端通过六个运动传感器的数据，最终融合成为魔方整体姿态数据，基于魔方整体姿态数据以及六个面的转动数据，实现智能魔方整体姿态及状态实时在手机app上的同步。其中，转动数据包括方向和角度数据。

作为本发明的一种优选技术方案，中心块有一个为主中心块，内置智能魔方系统的主控芯片、运动传感器和无线通信模块；其他五个中心块为从中心块，内置运动传感器和无线通信模块，所述从中心块的转动数据，通过无线通信模块传送到主中心块的主控芯片中，最终通过主中心块的无线通信模块发送给手机端。

作为本发明的一种优选技术方案，所有的中心块、棱块、角块均包含无线通信模块，每个中心块包含一个色块，每个棱块包含两个色块，每个角块包含三个色块，每个色块由一个全彩LED进行显示；手机app可通过无线通信技术，控制智能魔方每一面每一色块内的全彩LED来改变智能魔方整体的显色状态，从而替代通过转动魔方来实现复现特殊形态或打乱魔方的方式。

作为本发明的一种优选技术方案，智能魔方可通过无线通信技术，接收智能手机光传感器获取的环境亮度数据，根据用户所处环境亮度，自动调节智能魔方色块的LED显色亮度。

作为本发明的一种优选技术方案，其中手机app可根据智能魔方的实时运动姿态及状态，给出适合人手操作的最优还原公式，并通过机器学习不断扩充公式库，研发新的适合人手操作的全量变化最优解。

作为本发明的一种优选技术方案，每一个块均由单独的聚合物锂电池供电，并且由无线充电线圈和充电管理电路进行充电。

作为本发明的一种优选技术方案，采用公式符号记录智能魔方运动状态，并将所述公式符号实时在手机app同步显示，将所述公式符号进行切割、整理和归类；或者通过app显示魔方公式符号，用户根据所示魔方公式符号，转动智能魔方，app自动判断其转动是否与所示魔方公式符号对应一致。

作为本发明的一种优选技术方案，传感器包括传感器一、传感器二、传感器三、传感器四、传感器五、传感器六，其中传感器二、四的Z轴数据可以融合成为魔方整体姿态的X轴数据，传感器一、三的Z轴数据可以融合成为魔方整体姿态的Y轴数据，传感器五、六的Z轴数据可以融合成为魔方整体姿态的Z轴数据，从而获得魔方整体姿态坐标系的三轴数据。

作为本发明的一种优选技术方案，手机app可实现魔方玩家在线竞技，从而实现魔方玩家在线竞技、练习，提供打乱公式、计时、成绩统计、操作视频回看、远程在线指导及分享的功能。

本发明所达到的有益效果是：

1.通过动态实时处理运动数据机制，结合姿态解算算法和魔方运动规律，可实时在手机app上显示当前智能魔方的运动姿态及状态，即两端同步转动(包括智能魔方六面及整体的转动)，使得人们可以通过智能魔方进行远程教学、竞技以及技术交流。

2.本方案在六个中心块中各设有一个运动传感器，通过六个传感器的数据融合与互补，可以避免误差累积，提升姿态精度。由于每个传感器本身的误差为随机误差，大小和方向都不确定，所以使用六个传感器通过多路数据融合和互补算法获取魔方整体姿态，可以最大限度保证魔方整体姿态模拟的准确性和实时性。

3.使用手机app，结合魔方运动规律，快速复现魔方公式对应形态，并给出公式，可显著提升公式练习效率。同时自动纠正可能出现的人工错误，避免智能魔方出现无法通过转动得到的状态，即无法还原的状态。

4.无需在智能魔方中增加光感应单元，结合智能手机内置光传感器获取的环境亮度数据，可根据环境亮度，自动调节智能魔方LED显色的亮度，由此可提升智能魔方LED显色在复杂亮度环境中的可辨认度，同时实现低能耗和护眼的功能。

5.本发明所使用的方案为每个模块单独供电，每个模块内设有无线充电线圈，彼此通过无线通信技术，传输转动数据，由主中心块收集其他五个从中心的块的转动数据，进而与手机APP进行状态同步。可以在不影响魔方本身结构的前提下，进行持续的传感器数据的采集、传输以及LED的显色控制。由此，可获得魔方每一刻的转动数据(包括六面和整体的转动)，而非在某些时刻获得数据，某些时刻无法获得数据。

6.本发明在不改变魔方原有中心结构的前提下，将供电、通信、传感器等所有智能模块置于魔方外部的中心块及棱角块内，通过无线通信技术彼此同步和传输数据，可实现智能魔方最大程度接近普通竞速魔方的顺滑手感。

7.本方案中，将供电、通信、传感器等所有智能模块置于魔方外部的中心块及棱角块内，通过无线通信技术彼此同步和传输数据的方案，最大限度的降低了电磁干扰对数据传输的影响。进一步提升了智能魔方转动状态同步的实时性。

8.非智能魔方拥有者，可通过app视频或拍照上传魔方状态，拥有智能魔方的其他玩家或app可在线指导还原。极大地提升了学习效率。

9.增强了魔方的可扩展性，基于良好的实时性，可以作为任意智能硬件或软件的控制器。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的中心块和中心轴示意图；

图2是本发明的魔方旋转示意图示意图；

图3是本发明的主中心块设计方案示意图；

图4是本发明的从中心块设计方案示意图；

图5是本发明的运动传感器位置分布图示意图；

图6是本发明的运动传感器自身坐标轴示意图；

图7是本发明的魔方整体姿态坐标轴示意图；

图8是本发明的棱块设计方案示意图；

图9是本发明的角块设计方案示意图；

图10是本发明的智能魔方系统架构图示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

智能魔方中心块和中心轴的连接方式图1所示，通过弹簧和螺丝将中心块固定在中心轴上，六个中心块的相对位置不会因为转动而改变。

智能魔方转动时状态如图2所示，六个面均可独立自由转动，但是相邻两个面无法同时转动。魔方每一面的转动都是由中心块带动该面的四个棱块和四个角块共同转动，所以中心块的运动状态即为该面的运动状态。因而用于检测智能魔方转动的运动传感器内置于中心块中。由于每个人对魔方的操作习惯不同，使用魔方时会在空间坐标系中产生任意方向和角度的整体转动，智能魔方的整体转动情况由运动传感器数据通过姿态解算算法在手机app上进行同步模拟，优选正视角与魔方操作者相同。

智能魔方的中心块有一个为主中心块，内置智能魔方系统的主控芯片、运动传感器和无线通信模块；其他五个中心块为从中心块，内置运动传感器和无线通信模块。主中心块的运动数据通过高速接口直接读取。

六个中心块中均设有运动传感器，运动传感器的数据转化为六个面转动时的方向和角度数据，从中心块的转动数据，通过无线通信模块传送到主中心块的主控芯片中，最终通过主中心块的无线通信模块发送给手机端。手机端通过六个运动传感器的数据，最终融合成为魔方整体姿态数据，基于魔方整体姿态数据以及六个面的转动数据，实现智能魔方整体姿态及状态实时在手机app上的同步。智能魔方主中心块的设计方案如图3所示，从中心块的设计方案如图4所示。

六个运动传感器在空间中均匀分布，位置如图5所示。每个运动传感器有各自的坐标系，XYZ轴分布如图6所示。魔方整体姿态的坐标系以中心轴为基准，魔方整体姿态坐标系XYZ如图7所示。无论魔方如何转动，每个传感器的Z轴均与魔方整体坐标系的一个轴保持平行。传感器包括传感器一、传感器二、传感器三、传感器四、传感器五、传感器六，其中传感器二、四的Z轴数据可以融合成为魔方整体姿态的X轴数据，传感器一、三的Z轴数据可以融合成为魔方整体姿态的Y轴数据，传感器五、六的Z轴数据可以融合成为魔方整体姿态的Z轴数据。即通过六个运动传感器的数据，最终融合成为魔方整体姿态坐标系的三轴数据，模拟出魔方整体在空间中的实时转动状态。

每个棱块内置两个全彩LED和一个无线通信模块，无线通信模块的管脚直接连接到LED，通过改变管脚的高低电平，即可控制LED显示的颜色。全彩LED的颜色由主控芯片通过无线通信模块进行控制。棱块设计方案如图8所示。

每个角块内置三个全彩LED和一个无线通信模块，无线通信模块的管脚直接连接到LED，通过改变管脚的高低电平，即可控制LED显示的颜色。全彩LED的颜色由主控芯片通过无线通信模块进行控制。角块设计方案如图9所示。

所有独立单元，都由一块聚合物锂电池进行供电，并且由一个无线充电线圈和充电管理电路对电池进行充电和保护，以保证产品的安全性以及充电的便捷性。

所有的无线通信模块，都设有不同ID，使得主控芯片可以识别是哪个无线节点发送来的数据。

智能手机内的光感应器单元由投光器和受光器组成，利用投光器将光线由透镜将之聚焦，经传输而至受光器的透镜，再至接收感应器，感应器将收到的光线讯号转变成电器信号，此电信号可通过无线通信技术传输至智能魔方，实现根据环境亮度，自动改变智能魔方LED显色亮度的目的。

手机app可通过接收智能魔方传输的六面转动数据，结合姿态解算算法和魔方运动规律，实现手机app与智能魔方实时运动姿态及状态同步，即两端同步转动(包括智能魔方六面及整体的转动)。同时，手机app可通过无线通信技术，结合魔方运动规律，控制智能魔方每一面每一色块内的全彩LED来改变智能魔方整体的显色状态，从而替代通过转动魔方来实现复现特殊形态或打乱魔方的方式。同时，可确保此显色方案，符合魔方运动规律，为可还原状态。

其中手机app可采用公式符号记录智能魔方的运动状态，并将所述公式符号在手机app同步显示，将所述公式符号进行切割、整理和归类。以此可实现，计算操作步数，分割固定形态公式操作和依据观察临时判断产生的操作步骤。对固定形态公式部分，可推荐解决该型态的其他公式选择(每个人的手法习惯不同，不存在单一固定形态适用于所有人的最优公式)；对临时判断产生的步骤，可推荐更短路径的操作，直到下一个固定形态出现。用户也可以点击切割后的公式，通过LED电子显色，快速复现该公式对应的固定型态，从而达到针对性练习的目的。

其中手机app可显示魔方公式符号，用户根据所示魔方公式符号，转动智能魔方，app自动判断转动是否正确。可用于学习魔方公式符号含义，定向练习固定型态公式，以及其他与可魔方公式结合的游戏。

其中手机app可根据智能魔方的实时运动姿态及状态，给出适合人手操作的最优还原公式，并通过机器学习不断扩充公式库，研发新的适合人手操作的全量变化最优解。

其中手机app可根据公式库选择复现该公式的对应形态，也可尝试转动得到的状态或依据魔方打乱规则快速打乱魔方，并确保，符合魔方运动规律，为可还原状态。

其中手机app可实现魔方玩家在线竞技，提供打乱公式、计时、成绩统计及分享的功能。

其中手机app可通过智能魔方实现远程在线指导的功能(双方均拥有智能魔方)。

其中手机app可通过视频或拍照非智能魔方的方式，获取该魔方色块分布状态并由手机app或其他魔方玩家(指导一方拥有智能魔方)在线指导的功能。

其中手机app可手动设置智能魔方LED显色亮度，也可开启自动调整亮度功能，根据光传感器判断环境亮度，进而自动调整智能魔方LED的显色亮度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种与移动通信设备双向实时同步运动姿态及状态的智能魔方系统，包括一个中心轴、六个中心块、八个角块、十二个棱块，其特征在于，六个中心块均内置运动传感器和无线通信模块，通过无线通信技术，将运动传感器获取的六个面的转动数据传输至手机端，其中所述转动数据包括方向、角度及立体数据，手机端通过六个运动传感器的数据，最终融合成为魔方整体姿态数据，基于魔方整体姿态数据以及六个面的转动数据，实现智能魔方整体姿态及状态实时在手机app上的同步。

2.如权利要求1所述的智能魔方系统，其特征在于：中心块有一个为主中心块，内置智能魔方系统的主控芯片、运动传感器和无线通信模块；其他五个中心块为从中心块，内置运动传感器和无线通信模块，所述从中心块的转动数据，通过无线通信模块传送到主中心块的主控芯片中，最终通过主中心块的无线通信模块发送给手机端。

3.如权利要求1所述的智能魔方系统，其特征在于：所有的中心块、棱块、角块均包含无线通信模块，每个中心块包含一个色块，每个棱块包含两个色块，每个角块包含三个色块，每个色块由一个全彩LED进行显示；手机app可通过无线通信技术，控制智能魔方每一面每一色块内的全彩LED来改变智能魔方整体的显色状态，从而替代通过转动魔方来实现复现特殊形态或打乱魔方的方式。

4.如权利要求3所述的智能魔方系统，其特征在于：智能魔方可通过无线通信技术，接收智能手机光传感器获取的环境亮度数据，根据用户所处环境亮度，自动调节智能魔方色块的LED显色亮度。

5.如权利要求1所述的智能魔方系统，其特征在于：其中手机app可根据智能魔方的实时运动姿态及状态，给出适合人手操作的最优还原公式，并通过机器学习不断扩充公式库，研发新的适合人手操作的全量变化最优解。

6.如权利要求1所述的智能魔方系统，其特征在于：每一个块均由单独的聚合物锂电池供电，并且由无线充电线圈和充电管理电路进行充电。

7.如权利要求1所述的智能魔方系统，其特征在于：采用公式符号记录智能魔方运动状态，并将所述公式符号实时在手机app同步显示；或者通过app显示魔方公式符号，用户根据所示魔方公式符号，转动智能魔方，app自动判断其转动是否与所示魔方公式符号对应一致。

8.如权利要求1所述的智能魔方系统，其特征在于：传感器包括传感器一、传感器二、传感器三、传感器四、传感器五、传感器六，其中传感器二、四的Z轴数据可以融合成为魔方整体姿态的X轴数据，传感器一、三的Z轴数据可以融合成为魔方整体姿态的Y轴数据，传感器五、六的Z轴数据可以融合成为魔方整体姿态的Z轴数据，从而获得魔方整体姿态坐标系的三轴数据。

9.如权利要求7所述的智能魔方系统，其特征在于：将所述公式符号进行切割、整理和归类。

10.如权利要求1所述的智能魔方系统，其特征在于：手机app可实现魔方玩家在线竞技、练习，提供打乱公式、计时、成绩统计、操作回看视频、远程在线指导及分享的功能；或者非智能魔方拥有者，可通过app视频或拍照上传魔方状态，拥有智能魔方的其他玩家或app可在线指导还原。