CN112237736A - 使用触摸感应以使轨迹球表现得像操纵杆 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了使用触摸感应以使轨迹球表现得像操纵杆。虽然对于一种类型的游戏，一种类型的输入(鼠标输入或操纵杆输入)可能是优选的，但对于另一种类型的游戏可能不是优选的，或者甚至不兼容。本文介绍的是一种采用专用输入的游戏控制器，该控制器能够实现鼠标输入或轨迹球输入的绝对精确度，还能够测量输入偏离中心的距离(例如，偏离中心的移动了多远)，并且在释放时也可以返回到中心，如操纵杆输入中所示。引入的游戏控制器集成了触摸感应轨迹球，可在单个专用输入中享受鼠标类型输入和操纵杆类型输入全部的优势，使用户可以自由地玩任何类型的游戏而无需担心其游戏控制器的兼容性。

Description

使用触摸感应以使轨迹球表现得像操纵杆
技术领域
本申请一般涉及游戏控制器，更具体地，涉及包括触摸感应轨迹球的游戏控制器。
背景技术
视频游戏已成为越来越流行的娱乐形式。通常，视频游戏在计算机系统或游戏系统上播放，其采用鼠标和键盘来控制，或者游戏系统，其采用具有多个按钮和/或操纵杆的手持式游戏控制器。每种控制方法各自具有不同的优点和/或缺点。例如，鼠标输入(例如，可以与计算机系统一起使用)通过报告特定方向上的增量移动来提供对视频游戏的相对移动，并且对于需要绝对准确性和精确定位的视频游戏特别有用。另一方面，操纵杆输入(例如，可能与游戏系统一起使用)提供与中心信息具有绝对偏移的视频游戏，并且对于需要“速度控制”的视频游戏是有用的，例如，其中操纵杆距离中心的偏移量越大，视频游戏中的光标或相机将朝该方向移动得越快。
由于这些不同的特征，鼠标和操纵杆输入对于不同类型的视频游戏是优选的。本领域需要的是一种与视频游戏一起使用的控制器，其将鼠标输入和操纵杆输入的优点集中在单个单元中。
发明内容
一方面提供了一种游戏控制器。所述游戏控制器包括壳体；轨迹球可旋转地保持在所述壳体内；运动传感器，位于所述壳体内并配置为检测轨迹球的旋转，并根据所述旋转确定轨迹球距参考点的偏移值；触摸传感器，位于所述壳体内并配置为在轨迹球未被用户物理触摸时将偏移值重置为零；以及处理器，位于所述壳体内并配置为使用所述偏移值生成模拟操纵杆输入。
另一方面提供了一种用于玩游戏的方法。所述方法包括检测保持在游戏控制器的壳体内的轨迹球的旋转；基于旋转确定轨迹球距参考点的偏移值；使用偏移值生成模拟操纵杆输入；并且当用户没有物理地触摸所述轨迹球时，使用游戏控制器的触摸传感器将偏移值重置为零。
附图说明
现在参考以下结合附图的描述，其中：
图1是包括根据本公开的原理制造和设计的游戏控制器的游戏系统的实施例的框图。
图2是根据本发明原理制造和设计的触摸感应轨迹球游戏控制器的实施例的透视图；以及
图3是根据本公开的原理制造和设计的游戏控制器的替代实施例的框图。
图4是根据本公开的原理制造和设计的游戏控制器的实施例的示意图；以及
图5是用于玩游戏的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
虽然对于一种类型的游戏，一种类型的输入(鼠标输入或操纵杆输入)可能是优选的，但对于另一种类型的游戏可能不是优选的，或者甚至不兼容。例如，虽然鼠标输入在第一人称视角(FPS)或实时策略(RTS)类型的视频游戏中是优选，因为它具有绝对准确性和精确定位，但它通常不太适合体育、驾驶/赛车和飞行类型的游戏，因为它缺乏速度控制。而且，对于某些游戏，甚至不接受鼠标输入。相较之下，对于需要中心偏移的视频游戏类型，例如上述体育、驾驶/赛车和飞行类型的游戏，操纵杆输入很兴盛。因此，需要一种具有专用输入的游戏控制器，其包括鼠标和操纵杆类型的输入的长处，因此无论正在播放的视频游戏的类型如何，都为用户提供了良好的游戏体验。
本文介绍的是一种采用专用输入的游戏控制器，其能够实现鼠标输入或轨迹球输入的绝对精确度，但也能够测量输入偏离中心的距离(例如，它偏离中心移动了多远)，并且在释放时也可以返回到中心，如操纵杆输入中所示。在一个实施例中，所介绍的游戏控制器集成了触摸感应轨迹球，以在单个专用输入中享受每个鼠标类型输入和操纵杆类型输入的益处。介绍的游戏控制器是基于这样的理解而开发的：轨迹球由于其尺寸和输入限制而很好地集成到游戏控制器中，通常需要用单个手指和/或拇指瞄准。
为了产生鼠标类型输入，所介绍的游戏控制器操作如轨迹球鼠标中常规采用的触摸感应轨迹球。然而，为了产生操纵杆类型输入，所介绍的游戏控制器使用触摸感应轨迹球中的触摸感应功能来模拟手持式游戏控制器中的操纵杆。例如，当用户触摸并滚动轨迹球时，所介绍的游戏控制器确定轨迹球在每个轴上的上限和下限之间旋转的距离和方向，就像轨迹球是在插座内移动的操纵杆一样。然而，当用户抬起他/她的手指和/或拇指(或停止触摸)离开触摸感应轨迹球时，所介绍的游戏控制器“归零”或重置距离和方向，就像操纵杆已弹回到默认中心一样位置。
在一个实施例中，所介绍的游戏控制器可以被配置为根据正在播放的游戏在轨迹球鼠标模式和操纵杆模式之间切换。切换本质上可以是手动的，或者本质上是自动的。例如，所介绍的游戏控制器可以根据控制器认为最适合于正在播放的特定游戏的输入类型，自动启用触摸感应轨迹球作为轨迹球鼠标输入或操纵杆输入。或者，用户可以根据用户认为最适合于正在播放的特定游戏的输入类型，手动启用触摸感应轨迹球作为轨迹球鼠标输入或操纵杆输入。根据该实施例，切换机可以位于控制器上以在两种不同配置之间切换。
所介绍的游戏控制器为用户提供了玩任何类型游戏的自由，而不用担心他们的游戏控制器的兼容性。通过允许选择输入类型，所介绍的游戏控制器为用户提供鼠标的绝对瞄准精度和精确定位以及操纵杆的速度控制。此外，所介绍的游戏控制器提供比实际操纵杆输入更精确和准确的操纵杆输入，因为它不需要围绕默认中心位置的“死区”。死区是默认中心位置周围的不可用区域，被视为中心以补偿该区域中的高机械位置误差。在所介绍的游戏控制器中，该死区基本上(如果不是完全的话)被消除，因为模拟的操纵杆瞬间居中，而轨迹球的表面上没有任何误差变化。最后，所介绍的游戏控制器比键盘和鼠标更符合人体工程学和通用性，因为轨迹球只需极小的手腕运动即可旋转，即使在手持时也能正常工作。
图1示出了根据本公开的原理构造的游戏系统的实施例的框图，通常标记为100。在所示实施例中，游戏系统100包括通用计算机105，例如台式计算机、膝上型计算机、专用游戏控制台(例如，NVIDIA的SHIELD TV)，其具有根据本公开制造和设计的游戏控制器120，以及监视器130。图1中示出了通用计算机105、游戏控制器120和监视器130作为三个单独的部件，在本公开的替代实施例中，两个或更多个特征可以体现在单个包含的单元内。此外，虽然示出了游戏控制器120无线地与通用计算机105通信，但是存在其中有线连接是可选的和/或必要的其他实施例。
在所示实施例中，通用计算机105包括系统中央处理单元(CPU)106、系统存储器107、图形处理单元(GPU)108和帧存储器109。通用计算机105还包括游戏控制模块110。系统CPU 106耦合到系统存储器107和GPU 108，并为通用计算机105提供通用计算过程和操作控制。在所示实施例中，系统存储器107包括长期记忆存储(例如，硬盘驱动器)，用于计算机应用和随机存取存储器(RAM)以促进系统CPU 106的计算。GPU 108还耦合到帧存储器109并提供本地监视器130的监视器显示和帧控制，以及其他任务。
游戏控制模块110通常包括在通用计算机105中，并且在一个实施例中是对应于包括在视频游戏内的软件或独立于视频游戏的软件的软件模块。游戏控制模块110可以操作地驻留在系统存储器107、帧存储器109中或两者的部分中。
图2示出了根据本公开的原理制造和设计的游戏控制器200的实施例的透视图。在一个实施例中，游戏控制器200对应于如图1中的游戏控制器120中的游戏控制器。在所示实施例中，游戏控制器200包括壳体210，壳体210构造为将轨迹球220保持在其中。在图2所示的实施例中，壳体210另外构造为包括操纵杆230(例如，在所示实施例中为左操纵杆)、附加按钮240a-240e和RF收发器250，RF收发器250可通信地连接到通用计算机，例如上面参考图1描述的通用计算机105。
在所示实施例中，游戏控制器200被配置为使用轨迹球220生成模拟的操纵杆输入。更具体地，游戏控制器200使用轨迹球220距离参考点的偏移值生成模拟的操纵杆输入，这是基于轨迹球220的旋转确定的。当用户释放时，标准操纵杆弹回到中心，当用户没有物理触摸轨迹球220时，游戏控制器200也重置偏移值。使用RF收发器250，游戏控制器200将模拟的操纵杆输入传输到通用计算机。下面参考图3提供游戏控制器200的附加细节。
图3示出了根据本公开的原理制造和设计的游戏控制器300的实施例的框图。游戏控制器300可以是如图2中所示的游戏控制器200的游戏控制器。根据本公开，游戏控制器200与通用计算机耦合/配对或至少可耦合/可配对。在所示实施例中，游戏控制器300包括壳体310、轨迹球单元320、处理器330、电容屏蔽驱动器(CSD)340、滤波器350、RF收发器360、标准操纵杆370和按钮380，以及未示出或讨论的其他特征。
壳体310被配置为至少部分地包围游戏控制器300的前述组件320-380。如图3所示，壳体310设计成符合人体工程学，使得其使用者可以舒适地将手掌和/或手指包裹在周围。在所示实施例中，壳体310包括面板312。根据一个实施例，面板312是可移除的，因此可以根据用户的喜好容易地互换。包括面板312的壳体310可以由非导电材料(诸如塑料)制成，或者由导电材料(诸如金属或碳纤维)制成。在所示实施例中，面板312是由金属或金属合金制成的导电面板。
在所示实施例中，轨迹球单元320至少部分地包含在壳体310内。轨迹球单元320，如图3的实施例中所示，包括轨迹球322、触摸传感器324和运动传感器326，并且耦合到处理器330和CSD 340。轨迹球322通过面板312可旋转地保持在壳体310内。轨迹球322的一部分是暴露的以使得它可以由用户自由地旋转。在所示实施例中，轨迹球322包括导电核心323，其被配置为当用户物理地触摸轨迹球322时将来自用户(例如用户的手指)的电容电荷传递到触摸传感器324。在一个实施例中，导电核心323是金属核心。
触摸传感器324位于壳体310内。在所示实施例中，触摸传感器324是电容传感器并且位于轨迹球322和运动传感器326之间。触摸传感器324不限于电容传感器，并且可以是不同类型的触摸传感器，例如压力传感器、电感传感器、电阻传感器和磁传感器等。触摸传感器324被配置为检测用户何时物理触摸轨迹球322以及何时未物理触摸轨迹球322。相应地，当用户不再触摸轨迹球322时，来自触摸传感器324的信息可用于将偏移值重置为零。这允许轨迹球单元320模仿操纵杆的行为。在一个实施例中，轨迹球单元320包括触觉反馈设备，当用户不再触摸轨迹球322时，该触觉反馈设备向用户提供反馈。反馈可以是振动或力等形式。
在所示实施例中，触摸传感器324被配置为基于电容的变化(例如，从导电核心323传输的电容电荷的变化)来检测用户何时物理地触摸轨迹球322。在触摸传感器324是压力传感器的实施例中，触摸传感器324被配置为基于施加在轨迹球322上的压力的变化来检测用户何时物理地触摸轨迹球322。尽管作为游戏控制器300的单个轨迹球单元已经进行了说明，并且此外轨迹球322位于壳体310的中心附近，本领域技术人员可以理解，轨迹球单元320的数量和所述轨迹球单元320的位置可以与图3所示的不同。
运动传感器326位于壳体310内。在所示实施例中，运动传感器326是光学传感器并且位于轨迹球322附近(例如，下方)。运动传感器326不限于光学传感器。因此，运动传感器326可以是轮子的集合，其测量轨迹球322在x轴和y轴中的每一个中的相对运动。在所示实施例中，运动传感器326被配置为检测轨迹球322的旋转，并基于检测到的旋转确定轨迹球322距离参考/起始点的偏移值。运动传感器326被配置为通过计算轨迹球已经旋转的偏移的数量来确定偏移值。
在所示实施例中，处理器330位于壳体310内。处理器330被配置为使用从运动传感器326获得的偏移值生成模拟的操纵杆输入。在一个实施例中，处理器330是配置成通过使用偏移值确定轨迹球322已经旋转的方向和距离并使用每个轴具有上限和下限的X-Y坐标系将方向和距离映射到X坐标和Y坐标来生成模拟的操纵杆输入。在一个实施例中，缩放X-Y坐标系以有效地增加或减少“灵敏度”。缩放可以是线性的，或者基于用户对任何特定游戏的偏好而遵循一些其他曲线。尽管示出为单独的组件，但是处理器330和运动传感器326可以体现为单个单元。
在所示实施例中，CSD 340位于壳体310内。CSD 340被配置为当导电面板312附接到电容源时(例如，当用户物理触摸时)理想地消除导电面板312到触摸传感器324的寄生电容。CSD 340通过使用源极跟随器以相同的参考电容驱动导电面板312和触摸传感器324来消除寄生电容。由于触摸传感器324和导电面板312两者的电容都跟随CSD 340施加的参考电容，因此当用户物理地触摸轨迹球322时，触摸传感器324不再受寄生电容的影响并且能够正确地检测电容的变化(相对于参考电容)。可以使用CSD 340来消除引入到触摸传感器324的其他寄生电容，例如通过其他导电部分触摸导电面板312。应当理解，对于采用非导电面板或非电容式触摸传感器的实施例，CSD 340可能不是必需的。
在本公开的一个实施例中，滤波器350位于壳体310内。在该实施例中，滤波器350被配置为将导电面板312连接到RF接地，以防止导电面板312变成RF收发器360附近的浮置导体，这可能导致RF衰减。通过将导电面板312连接到RF接地，滤波器350将导电面板312(以及接触导电面板312的其他导电部分)转变为反射器，这提高了RF收发器的传输效率。此外，经由滤波器350使导电面板312接地有效地消除了导电面板312的寄生电容，因为它将轨迹球322置于自电容模式。应当理解，对于采用非导电面板的实施例，滤波器350也可以不是必需的。
在图3的实施例中，RF收发器360至少部分地位于壳体310内。RF收发器360被配置为将由处理器330、运动传感器326、操纵杆370和按钮380产生的输入传输到连接的游戏设备，例如图1的通用计算机105。RF收发器360可以使用标准(诸如Bluetooth TM、
Figure BDA0002346412350000071
或Wi-Fi)与游戏设备通信。如上所述，可以存在某些实施例，其中游戏控制器300可选地或另外使用物理连接与通用计算机105通信。
操纵杆370(例如，标准操纵杆)可枢转地保持在壳体310内。当用户用他/她的手指枢转操纵杆370时，操纵杆370枢转，并且当用户释放操纵杆370时，弹回到默认中心位置。可以理解，操纵杆370可以是游戏控制器300的键盘或方向键盘中的方向键(例如W、S、A、D)的对应物。虽然已经示出了用于游戏控制器300的单个操纵杆370以及操纵杆370是左操纵杆，本领域技术人员可以理解，操纵杆370的数量和所述操纵杆370的位置可以不同于图3中所示。
按钮380保持在壳体310内。当用户用他/她的手指按压按钮380时，启动按钮380。当用户抬起他/她的手指时，按钮380返回到其原始位置。可以通过将不同的功能映射到按钮380来改变按钮380的功能。在一个实施例中，按钮380中的一个或更多个可以用于激活/去激活轨迹球单元320，使其像操纵杆一样起作用。
图4示出了根据本公开的一个或更多个原理制造和设计的游戏控制器400的替代实施例的示意图。图4示出了根据本公开的原理构造的游戏控制器400的CSD 440如何消除寄生电容的一个实施例。为清楚起见，仅示出了面板412、具有导电核心423的轨迹球422、电容式触摸传感器424和CSD 440。
如上所述，为了消除来自用户触摸面板412的寄生电容Cuh，CSD440以相同的电容驱动面板412和电容传感器424。在所示实施例中，CSD 440采用电压放大器Vh以相同电容驱动面板412和电容传感器424。
在Cuh为高并且Cbh远低于Cuh的情况下，面板412可以用信号Vh驱动，信号Vh是在Vs处看到的感测信号的源极跟随器。这可以用于衰减Csh、Cbh和Cuh，使得Cbu将更强的信号传递到Csb并使得轨迹球422的触摸更加可检测。Cue、Cge、Cug代表了一个关于自由空间和地面的简化人体模型。可以理解，Cue、Cug、Cge、Cgh、Cbg、Csg、Csh和Cbh被认为是静态的，而输入矢量是Cbu和Cuh。
图5示出了用于玩游戏的方法500的实施例的流程图。方法500可以使用游戏控制器来执行，例如图2至图4中所示的游戏控制器200、300或400中的一个或更多个。方法500在步骤505开始。此后，在步骤510中，检测轨迹球(例如，轨迹球保持在游戏控制器内)的旋转。轨迹球的旋转可以由用户物理地触摸轨迹球来启动，并且可以由游戏控制器中的运动传感器检测，例如图3的运动传感器326。在步骤520中，基于旋转确定轨迹球距参考点的偏移值。可以通过使用游戏控制器的运动传感器计算轨迹球已经旋转的偏移的数量来确定所述偏移值。
此后，在步骤530中，使用在步骤520确定的偏移值生成模拟的操纵杆输入。更具体地，通过使用偏移值确定轨迹球旋转的方向和距离并使用每个轴具有上限和下限的X-Y坐标系将方向和距离映射到X坐标和Y坐标来生成模拟的操纵杆输入。上限和下限表示操纵杆将具有的运动范围。可以使用游戏控制器中的处理器(例如图3的处理器330)或由游戏控制器的运动传感器来执行步骤530。应当注意，当用户正在触摸游戏控制器的轨迹球时执行步骤510至530。如上所述，触摸传感器，例如图3中所示的触摸传感器324，可用于感应用户物理地触摸轨迹球。在一个实施例中，触摸传感器是电容传感器，并且基于经由轨迹球内部的导电(例如，金属)核心从用户传输到电容式传感器的电容电荷进行检测。在另一实施例中，触摸传感器是压力传感器，并且检测是基于用户施加在轨迹球上的压力。
当用户从轨迹球上抬起他/她的手指时，在步骤540将偏移值重置为零。这模仿了当用户释放操纵杆时操纵杆弹回到默认/中心位置的行为。在步骤550，将生成的模拟操纵杆输入传输到游戏控制器所连接的通用计算机。与模拟的操纵杆输入一起，来自游戏控制器的其他输入，例如来自按钮和传统操纵杆的输入，也可以被传输到通用计算机。可以使用游戏控制器的射频(RF)收发器来执行步骤550，例如图3的RF收发器360。当游戏控制器通过有线连接连接到通用计算机时，模拟的操纵杆输入通过有线连接传输。方法500在步骤555结束。
在一些情况下，执行方法500的游戏控制器可以包括导电的(例如金属)面板。在这种情况下，由于面板靠近轨迹球，触摸导电面板会向触摸传感器引入寄生电容。为了消除该寄生电容，方法500还可以包括使用源极跟随器以相同的参考电容驱动导电面板和触摸传感器的步骤。由于触摸传感器和导电面板的电容都跟随施加的参考电容，寄生电容不再影响触摸传感器，并且当用户物理接触轨迹球时电容的变化(相对于参考电容)可以被正确检测到。该附加步骤可以由CSD执行，例如图3的CSD 340。
除了寄生电容之外，导电面板还可以引起RF衰减并且影响执行步骤550的RF收发器的性能。为了防止这种RF衰减，方法500还可以包括通过滤波器(例如图3的滤波器350)将导电面板连接到RF接地以进行接地的步骤。
本申请所涉及领域的技术人员将理解，可以对所描述的实施例进行其他和进一步的添加、删除、替换和修改。

Claims (23)

1.一种游戏控制器，包括：
壳体；
轨迹球，可旋转地保持在所述壳体内；
运动传感器，位于所述壳体内并配置为检测所述轨迹球的旋转，并根据所述旋转确定所述轨迹球距参考点的偏移值；
触摸传感器，位于所述壳体内并配置为在所述轨迹球未被用户物理地触摸时将所述偏移值重置为零；以及
处理器，位于所述壳体内并配置为使用所述偏移值生成模拟的操纵杆输入。
2.如权利要求1所述的游戏控制器，其中，所述轨迹球包括导电核心，所述导电核心被配置为当所述用户正在物理地触摸所述轨迹球时将电容电荷从所述用户传递到所述触摸传感器。
3.如权利要求2所述的游戏控制器，其中，所述触摸传感器还被配置为基于所述电容电荷检测所述用户何时没有物理地触摸所述轨迹球。
4.如权利要求1所述的游戏控制器，其中，所述处理器被配置为：通过使用所述偏移值确定所述轨迹球已经旋转的方向和距离并使用每个轴具有上限和下限的X-Y坐标系将所述方向和所述距离映射到X坐标和Y坐标，来生成所述模拟的操纵杆输入。
5.如权利要求1所述的游戏控制器，其中，所述壳体包括导电面板。
6.如权利要求5所述的游戏控制器，还包括电容屏蔽驱动器，其被配置为当所述用户正在物理地触摸所述导电面板时消除所述导电面板到所述触摸传感器的寄生电容。
7.如权利要求6所述的游戏控制器，其中，所述电容屏蔽驱动器被配置为通过使用源极跟随器以参考电容驱动所述导电面板和所述触摸传感器来消除所述导电面板的所述寄生电容。
8.如权利要求5所述的游戏控制器，其中，所述导电面板通过滤波器连接到RF接地。
9.如权利要求1所述的游戏控制器，其中，所述壳体包括非导电面板。
10.如权利要求1所述的游戏控制器，其中，所述运动传感器是位于所述轨迹球附近的光学传感器。
11.如权利要求1所述的游戏控制器，其中，所述触摸传感器是位于所述轨迹球和所述运动传感器之间的电容传感器。
12.如权利要求1所述的游戏控制器，其中，所述触摸传感器是位于所述壳体内的压力传感器。
13.如权利要求1所述的游戏控制器，还包括多个按钮和操纵杆，其被映射到键盘中的键。
14.如权利要求1所述的游戏控制器，还包括RF收发器，被配置为将所述模拟的操纵杆输入传输到游戏设备。
15.一种玩游戏的方法，包括：
检测保持在游戏控制器的壳体内的轨迹球的旋转；
基于所述旋转确定所述轨迹球距参考点的偏移值；
使用所述偏移值生成模拟的操纵杆输入；以及
当所述轨迹球未被用户物理地触摸时，使用所述游戏控制器的触摸传感器将所述偏移值重置为零。
16.如权利要求15所述的方法，还包括当所述用户正在物理地触摸所述轨迹球时，经由所述轨迹球内的导电核心将电容电荷从所述用户传递到所述触摸传感器。
17.如权利要求16所述的方法，还包括基于所述电容电荷检测所述用户何时没有物理地触摸所述轨迹球。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述生成包括：使用所述偏移值确定所述轨迹球已经旋转的方向和距离，并使用每个轴具有上限和下限的X-Y坐标系将所述方向和所述距离映射到X坐标和Y坐标。
19.如权利要求15所述的方法，还包括当所述用户正在物理地触摸导电面板时，消除所述壳体中的所述导电面板到所述触摸传感器的寄生电容。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述消除包括使用源极跟随器以参考电容驱动所述导电面板和所述触摸传感器。
21.如权利要求19所述的方法，还包括通过滤波器将所述导电面板连接到RF接地。
22.如权利要求15所述的方法，还包括将所述模拟的操纵杆输入传输到游戏设备。
23.如权利要求15所述的方法，还包括将所述游戏控制器的多个按钮和操纵杆映射到键盘中的键。
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