CN108771857A - 一种可扩展无线体感控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可扩展无线体感控制系统及方法，包括主机、若干方块以及上位机；主机包括主机控制单元、主机程序存储模块、主机2.4GHz模块、蓝牙模块、NFC模块和主机电源模块；方块包括方块控制单元、触摸显示屏、方块电源模块、方块程序存储模块、方块2.4GHz模块、四向NFC模块和三轴加速度传感器；主机将各个方块感知人体动作数据映射到标准HID结构并通过蓝牙模块传输给上位机。本发明的技术方案解决了现有技术中传统手柄无法扩展，按键数和摇杆数量固定，基于图像识别的体感游戏控制装置无法做到便携的技术问题。

Description

一种可扩展无线体感控制系统及方法
技术领域
本发明涉及上位机体感游戏控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种可扩展无线体感控制系统及方法。
背景技术
传统的游戏手柄只可以通过按键和摇杆来控制游戏软件或应用软件进行人机交互。家用游戏机式的手柄设计，左侧为方向键、右侧有4～6个功能键，根据需要还可能在别的部位加入更多的功能键，实现不同的功能。几乎所有家用游戏机都使用手柄进行操作。手柄也常用于电脑模拟器、电脑上的赛车等类型游戏。但是传统手柄无法扩展，按键数和摇杆数量固定。
随着科技的发展，游戏控制装置也在逐渐完善。基于图像识别的体感游戏控制装置，开始出现在人们的是生活中。基于图像识别的体感游戏控制装置需要先用摄像头捕捉到人类动作，然后通过算法将人类动作图像转换为相应的指令来完成对游戏软件或应用软件进行人机交互。在于人们可以很直接地使用肢体动作，与周边的装置或环境互动，而无需使用任何复杂的控制设备，便可让人们身历其境地与内容做互动。而基于图像识别的体感游戏控制装置无法做到便携。因此需要发明出一种既可以扩展又小巧的游戏控制装置。
发明内容
根据上述提出传统手柄无法扩展，按键数和摇杆数量固定，基于图像识别的体感游戏控制装置无法做到便携的技术问题，而提供一种可扩展无线体感控制系统。
本发明采用的技术手段如下：
一种可扩展无线体感控制系统，包括：主机、若干由小型屏幕和塑料外壳构成的长方体形状的方块以及上位机；
所述主机包括：主机控制单元、主机程序存储模块、主机2.4GHz模块、蓝牙模块、NFC模块以及主机电源模块；
所述主机控制单元与所述主机程序存储模块电路连接，用于存放系统工作程序；所述主机与各个方块通过所述NFC模块无线连接，用于所述主机与各个方块之间完成配对；所述主机与各个方块通过所述主机2.4GHz模块和方块2.4GHz模块无线连接，用于所述主机与各个方块之间传输数据；所述主机与上位机通过所述蓝牙模块无线连接；
所述方块包括：方块控制单元、方块电源模块、方块程序存储模块、方块2.4GHz模块、用于接收与所述主机配对的初始信息并触发各个方块相互之间相邻状态的四向NFC模块以及用于根据三轴六向加速度变化感知人体动作数据的三轴加速度传感器、用于显示信息及收集触摸动作的触摸显示屏；
所述方块控制单元与所述方块程序存储模块以及显示屏分别电路连接，用于显示虚拟玩家游戏场景图像以及根据当前所述虚拟玩家游戏场景图像进行运动参与虚拟游戏；
所述主机保持与各个方块的同步，进而保持整个系统的同步。
所述上位机可以选用手机、Pad以及PC等设备；
进一步地，所述主机还设置有用于通过电脑向所述主机下载包括映射条件、映射关系、压缩图像以及压缩音频程序的USB接口。
进一步地，所述主机还包括：开关机按键、音量调节按键、LED、扬声器及可扩展I/O模块。
本发明还提供了一种可扩展无线体感控制系统的方法，包括：
步骤1、所述主机构建人物角色以及虚拟游戏场景的图像；
步骤2、通过所述NFC模块将主机与各个方块进行配对，配对成功后通过所述主机2.4GHz模块和方块2.4GHz模块实现所述主机和方块的数据传输；
步骤3、通过上述各个方块的传感器，根据三轴六向加速度变化、相邻方块接触以及屏幕触摸收集人体动作的数据；
步骤4、将收集到的每个方块感知人体动作的数据通过所述方块2.4GHz模块传给主机；所述主机保持与各个方块的同步来保持整个系统的同步，维护各个方块相邻状态矩阵及触摸屏幕状态的更新；
步骤5、根据所述上位机中虚拟游戏场景图像所需要的控制数据，所述主机将各个方块感知人体动作数据映射到标准HID结构并通过所述蓝牙模块传输给所述上位机。
进一步地，所述步骤2中主机与各个方块的配对的过程包括：
S1：设置所述方块以及主机监听的初始期望数据；
S2：所述主机通过所述NFC模块向所述方块下发系统方块ID；
S3：所述主机根据所述系统方块ID，计算出所述主机2.4GHz模块数据传输所需的初始信道及地址；所述方块根据所述系统方块ID，计算出所述方块2.4GHz模块数据传输所需的初始信道及地址；
S4：所述主机监听上述初始信道及地址，所述方块根据初始信道及地址通过所述方块2.4GHz模块发送初始数据给所述主机；
S5：所述主机得到监听到的初始数据确认与初始期望数据相同后与所述方块联接；
S6：所述方块确认主机联接后，通过所述方块2.4GHz模块上传方块的方块ID；
S7：所述主机根据所述方块ID，计算出所述主机2.4GHz模块数据传输所需的最终信道及地址；所述方块根据方块ID，计算出所述方块2.4GHz模块数据传输所需的最终信道及地址；
S8：所述主机和方块根据所述最终信道及地址通过所述主机2.4GHz模块和方块2.4GHz模块开始数据传输；配对完成后，所述主机和方块都会记录正在使用的信道及地址。
进一步地，通过重复所述步骤2中主机与方块的配对过程，进而来增加可扩展无线体感控制系统中所述方块的个数，其中方块的个数至多为12个。
进一步地，所述主机与各个方块配对过程的每一步骤都有定时器，一旦超时，配对失败。
进一步地，所述虚拟游戏场景可以设置多个人物角色，多个使用者可以通过控制所述各个方块翻滚、相邻方块接触以及触摸显示屏进而达到控制所述人物角色完成所述虚拟游戏场景中的动作。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、相对于传统手柄：
(1)可扩展无线体感控制器可以动态调整(增加或者减少)方块个数(1-12)；
(2)多个分体方块可以穿戴在身体各处来实现体感控制；
(3)与HID的映射可以通过程序来调整，以便适配不同个数的方块和不同游戏的控制规则；
2、相对于基于摄像头的体感控制：
(1)可便携，系统小型化；
(2)成本低，不需要图像识别软/硬件；
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统的结构图。
图2为本发明系统的方法流程图。
图3为本发明系统HID数据结构图。
图4为本发明系统的方法步骤2中方块与主机配对过程的流程图。
图5为本发明系统主机控制单元电路图。
图6为本发明系统主机2.4GHz模块电路图。
图7为本发明系统主机程序存储模块电路图。
图8为本发明系统主机蓝牙模块电路图。
图9为本发明系统主机外围I/O扬声器模块电路图。
图10为本发明系统主机电源模块电路图。
图11为本发明系统方块三轴加速度传感器电路图。
图12为本发明系统方块触摸显示屏电路图。
图13为本发明系统方块四向NFC模块电路图。
图14为本发明系统方块程序存储模块电路图。
图15为本发明系统方块电源模块电路图。
图16为本发明系统方块控制单元和方块2.4GHz模块电路图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种可扩展无线体感控制系统，包括：主机、若干方块以及上位机；
主机包括：主机控制单元、主机程序存储模块、主机2.4GHz模块、蓝牙模块、NFC模块以及主机电源模块；
主机还设置有用于通过电脑向所述主机下载包括映射条件、映射关系、压缩图像以及压缩音频程序的USB接口。
主机还包括：开关机按键、音量调节按键、LED、扬声器及可扩展I/O模块。
主机控制单元与主机程序存储模块电路连接，用于存放系统工作程序；主机与各个方块通过NFC模块无线连接，用于主机与各个方块之间完成配对；主机与各个方块通过主机2.4GHz模块和方块2.4GHz模块无线连接，用于主机与各个方块之间传输数据；主机与上位机通过蓝牙模块无线连接；
方块包括：方块控制单元、方块电源模块、方块程序存储模块、方块2.4GHz模块、用于接收与主机配对的初始信息并触发各个方块相互之间相邻状态的四向NFC模块以及用于根据三轴六向加速度变化感知人体动作数据的三轴加速度传感器、用于显示信息及收集触摸动作的触摸显示屏；
方块控制单元与方块程序存储模块以及显示屏分别电路连接，用于显示虚拟玩家游戏场景图像以及根据当前所述虚拟玩家游戏场景图像进行运动参与虚拟游戏；
主机保持与各个方块的同步，进而保持整个系统的同步。
如图5所示，本发明系统主机控制单元芯片采用的型号为STM32F105RBT6，主机控制单元芯片的输出端引脚与主机2.4GHz模块的输入端引脚连接；主机控制单元芯片引脚PB8和PB9连接主机NFC模块；
如图6所示，本发明系统主机2.4GHz模块采用的芯片型号为24L01；
如图7所示，本发明系统主机程序存储模块采用的芯片型号为SN74LV126A和MX25U12835F，主机程序存储模块芯片的输入端引脚与主机控制单元芯片的输出端引脚连接；
如图8所示，本发明系统主机蓝牙模块采用的芯片型号为NRF8001，主机蓝牙模块的输入端引脚与主机控制单元的输出端引脚连接；
如图9所示，本发明系统主机外围I/O扬声器模块芯片采用的型号为DMC2038LVT-7，主机外围I/O扬声器模块芯片的输入端引脚与主机控制单元的输出端引脚连接；
如图10所示，本发明系统主机电源模块芯片采用的型号为TPS62240和TLV70220，主机电源芯片的输出端引脚分别与主机控制单元、主机程序存储模块、主机2.4GHz模块、蓝牙模块、NFC模块芯片的输入端引脚连接；
如图11所示，本发明系统方块三轴加速度传感器芯片采用的型号为LIS3DH，方块三轴加速度传感器芯片的输入端引脚与方块程序存储模块芯片输出端引脚连接；方块三轴加速度传感器芯片的输入端引脚与方块控制单元芯片的输出端引脚连接；
如图12所示，本发明系统方块的触摸显示屏排线的引脚3通过型号为DMG3402的场效应晶体管连接方块程序存储模块引脚U7-12，触摸显示屏排线的引脚18-25分别连接方块程序存储模块芯片的引脚35、37、39、41、44、46、48、50；
如图13所示，本发明系统方块四向NFC模块芯片的四个输出引脚分别对应连接方块控制单元的引脚P1.0、P1.1、P1.4以及P1.5；
如图14所示，本发明系统方块程序存储单元芯片采用的型号为W29GL03CL7T和SNLVC574A，方块程序存储单元芯片的输出端引脚分别连接方块控制单元、触摸显示屏以及方块电源模块的输入端引脚；
如图15所示，本发明系统方块电源模块芯片采用的型号为MCP1640、MCP1623以及AT42AT1010，方块电源模块芯片的输出端引脚连接方块控制单元、方块2.4GHz模块、方块四向NFC模块、触摸显示屏、方块程序存储模块以及三轴加速度传感器的输入端引脚；
如图16所示，本发明系统方块控制单元和2.4GHz模块芯片采用的型号为NRF24LE1H，该芯片的输出端引脚连接方块四向NFC模块芯片的输入端引脚以及三轴加速度传感器芯片的输入端引脚；
实施例2
如图2所示，本发明还提供了一种可扩展无线体感控制系统的方法，包括：
步骤1、主机构建人物角色以及虚拟游戏场景的图像；
步骤2、通过NFC模块将主机与各个方块进行配对，配对成功后通过主机2.4GHz模块和方块2.4GHz模块实现主机和方块的数据传输；
步骤3、通过上述各个方块的传感器，根据三轴六向加速度变化、相邻方块接触以及屏幕触摸收集人体动作的数据；
步骤4、将收集到的每个方块感知人体动作的数据通过方块2.4GHz模块传给主机；主机保持与各个方块的同步来保持整个系统的同步，维护各个方块相邻状态矩阵及触摸屏幕状态的更新；
步骤5、根据上位机中虚拟游戏场景图像所需要的控制数据，主机将各个方块感知人体动作数据映射到标准HID结构并通过蓝牙模块传输给上位机。
如图3所示，举例说明HID数据结构(可以根据需求更改或增加此结构)过程包括：
选定数据应用的场景，本实施例采用的场景是桌面，选择的类型是鼠标；
本实施例HID的数据结构包括第一字节、第二字节以及第三字节，每个字节包含8个比特，其中第一字节用于定义按键的状态，第一字节的第1比特对应按键1，第一字节的第2比特对应按键2，第一字节的第3比特对应按键3，第二字节用于定义X轴数据，第三字节用于定义Y轴数据；
收集数据的条件以及映射的关系，包括：
只有方块0的X轴>100相应的3个比特映射为1 0 0，则表示按键1按下；
只有方块0的Y轴>100相应的3个比特映射为0 1 0，则表示按键2按下；
只有方块1的X轴>100相应的3个比特映射为0 0 1，则表示按键3按下。
若有同时发生“或”上述结果
方块1的X轴占用的字节映射到定义HID数据X轴的第二字节；
方块2的Y轴占用的字节映射到定义HID数据Y轴的第三字节；
其中，收集的数据条件为可调整的条件，可根据方块的个数和不同的方块上传状态来调整此条件；映射可以变换或者重复映射。
最后，通过蓝牙模块上传HID结构来完成游戏软件或应用软件的人机交互。
如图4所示，步骤2中主机与各个方块的配对的过程包括：
S1：设置方块以及主机监听的初始期望数据；
S2：主机通过NFC模块向方块下发系统方块ID；
S3：主机根据系统方块ID，计算出主机2.4GHz模块数据传输所需的初始信道及地址；方块根据系统方块ID，计算出方块2.4GHz模块数据传输所需的初始信道及地址；
S4：主机监听上述初始信道及地址，方块根据初始信道及地址通过方块2.4GHz模块发送初始数据给主机；
S5：主机得到监听到的初始数据确认与初始期望数据相同后与方块联接；
S6：方块确认主机联接后，通过方块2.4GHz模块上传方块的方块ID；
S7：主机根据方块ID，计算出主机2.4GHz模块数据传输所需的最终信道及地址；方块根据方块ID，计算出方块2.4GHz模块数据传输所需的最终信道及地址；
S8：主机和方块根据所述最终信道及地址通过主机2.4GHz模块和方块2.4GHz模块开始数据传输；配对完成后，主机和方块都会记录正在使用的信道及地址。
通过重复所述步骤2中主机与方块的配对过程，进而来增加可扩展无线体感控制系统中所述方块的个数，其中方块的个数至多为12个。主机与各个方块配对过程的每一步骤都有定时器，一旦超时，配对失败。
虚拟游戏场景可以设置多个人物角色，多个使用者可以通过控制所述各个方块翻滚、相邻方块接触以及显示屏触摸进而达到控制人物角色完成虚拟游戏场景中的动作。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种可扩展无线体感控制系统，其特征在于，包括：主机、若干方块以及上位机；
所述主机包括：主机控制单元、主机程序存储模块、主机2.4GHz模块、蓝牙模块、NFC模块以及主机电源模块；
所述主机控制单元与所述主机程序存储模块电路连接，用于存放系统工作程序；所述主机与各个方块通过所述NFC模块无线连接，用于所述主机与各个方块之间完成配对；所述主机与各个方块通过所述主机2.4GHz模块和方块2.4GHz模块无线连接，用于所述主机与各个方块之间传输数据；所述主机与上位机通过所述蓝牙模块无线连接；
所述方块包括：方块控制单元、方块电源模块、方块程序存储模块、方块2.4GHz模块、用于接收与所述主机配对的初始信息并触发各个方块相互之间相邻状态的四向NFC模块以及用于根据三轴六向加速度变化感知人体动作数据的三轴加速度传感器、用于显示信息及收集触摸动作的触摸显示屏；
所述方块控制单元与所述方块程序存储模块以及显示屏分别电路连接，用于显示虚拟玩家游戏场景图像以及根据当前所述虚拟玩家游戏场景图像进行运动参与虚拟游戏；
所述主机保持与各个方块的同步，进而保持整个系统的同步。
2.根据权利要求1所述一种可扩展无线体感控制系统，其特征在于，所述主机还设置有用于通过电脑向所述主机下载包括映射条件、映射关系、压缩图像以及压缩音频程序的USB接口。
3.根据权利要求1所述一种可扩展无线体感控制系统，其特征在于，所述主机还包括：开关机按键、音量调节按键、LED、扬声器及可扩展I/O模块。
4.一种基于权利要求1所述系统的方法，其特征在于，包括：
步骤1、所述主机构建人物角色以及虚拟游戏场景的图像；
步骤2、通过所述NFC模块将主机与各个方块进行配对，配对成功后通过所述主机2.4GHz模块和方块2.4GHz模块实现所述主机和方块的数据传输；
步骤3、通过上述各个方块的传感器，根据三轴六向加速度变化、相邻方块接触以及屏幕触摸收集人体动作的数据；
步骤4、将收集到的每个方块感知人体动作的数据通过所述方块2.4GHz模块传给主机；所述主机保持与各个方块的同步来保持整个系统的同步，维护各个方块相邻状态矩阵及触摸屏幕状态的更新；
步骤5、根据所述上位机中虚拟游戏场景图像所需要的控制数据，所述主机将各个方块感知人体动作数据映射到标准HID结构并通过所述蓝牙模块传输给所述上位机。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2中主机与各个方配对的过程包括：
S1：设置所述方块以及主机监听的初始期望数据；
S2：所述主机通过所述NFC模块向所述方块下发系统方块ID；
S3：所述主机根据所述系统方块ID，计算出所述主机2.4GHz模块数据传输所需的初始信道及地址；所述方块根据所述系统方块ID，计算出所述方块2.4GHz模块数据传输所需的初始信道及地址；
S4：所述主机监听上述初始信道及地址，所述方块根据初始信道及地址通过所述方块2.4GHz模块发送初始数据给所述主机；
S5：所述主机得到监听到的初始数据确认与所述初始期望数据相同后与所述方块联接；
S6：所述方块确认主机联接后，通过所述方块2.4GHz模块上传方块的方块ID；
S7：所述主机根据所述方块ID，计算出所述主机2.4GHz模块数据传输所需的最终信道及地址；所述方块根据方块ID，计算出所述方块2.4GHz模块数据传输所需的最终信道及地址；
S8：所述主机和方块根据所述最终信道及地址通过所述主机2.4GHz模块和方块2.4GHz模块开始数据传输；配对完成后，所述主机和方块都会记录正在使用的信道及地址。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，通过重复所述步骤2中主机与方块的配对过程，进而来增加可扩展无线体感控制系统中所述方块的个数，其中方块的个数至多为12个。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述主机与各个方块配对过程的每一步骤都有定时器，一旦超时，配对失败。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述虚拟游戏场景可以设置多个人物角色，多个使用者可以通过控制所述各个方块翻滚、相邻方块接触以及触摸显示屏进而达到控制所述人物角色完成所述虚拟游戏场景中的动作。
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