CN1601447A - 手机游戏的互动信息感知方法及手机外挂的智能游戏平台 - Google Patents

Abstract

手机游戏的互动信息感知方法及手机外挂的智能游戏平台，属于手机技术领域。本发明所述手机游戏的互动信息感知方法利用传感技术，并采用了姿态、速度解算算法来感应手机本身的姿态和运动，根据各传感器提供的信息来模拟实际情况，在手机屏幕上仿真物体的相对运动，完成游戏。本发明提出手机外挂智能游戏平台，包括磁强计、加速度计、陀螺仪、信号检测模块、智能游戏平台微控制器、存储器，以及电源管理。本发明在原有手机的基础上，无需对手机进行任何改动，尤其不破坏手机原有结构，具有便于集成体积小、可靠性高、成本低廉、易于其他手机或游戏厂商二次开发等多种优点。本发明除了可供娱乐外，还可以用于少儿的手部运动训练、康复治疗训练等。

Description

手机游戏的互动信息感知方法及手机外挂的智能游戏平台

技术领域

本发明涉及手机游戏的互动信息感知方法和手机智能游戏平台，属于手机技术领域。

背景技术

随着我国电信产业蓬勃发展，截至5月底，我国手机用户突破3亿户，随着手机用户的不断增长，以手机为基础的各类服务也层出不穷，手机或游戏厂商也不断地推出各种各样的服务，提高手机的知名度和竞争力，其中游戏是一种重要的竞争环节，各家的手机厂商纷纷投入了很大资金用于手机游戏的研发，各种手机游戏也是数不胜数。

在商业发达、生活忙碌的今天，人们总在繁忙之余寻找一份娱乐，舒缓紧张情绪，达到放松、消遣的目标，手机游戏成为一个重要的缓解压力的方式，带给人们快乐消遣的同时，缓解了工作、生活等各方面的压力。

纵观目前市场上所有的手机，其上的游戏种类繁多，但大多是需要使用方向键的益智性或技巧性游戏，操作靠手指完成，与手机的自身姿态和运动无关，也说明目前手机游戏是一种无法动态反馈的游戏产品。目前手机市场上还没有能够根据手机自身姿态和运动来操作的游戏平台，本发明存在比较大的市场空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种手机外挂智能游戏平台技术，使目前所有的手机可扩展更为广阔的游戏，为各类手机或游戏厂商提供更为广阔的手机应用平台，不需要修改现有的手机结构，不需要改变现有的手机内部设备，仅仅需要添加一个外挂的卡，大小如同市场销售的CF卡/MMC卡大小，就可实现不需要使用操作按键只通过改变手机的水平姿态或方向，操控游戏中的受控物体运动的手机智能游戏平台。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明提供了一种手机智能游戏的互动信息感知方法，其特征在于，该方法利用手机外挂的含有传感器部分、信号检测模块和微控制器的智能游戏平台对手机智能游戏互动信息进行感知，具体包括以下步骤：

1)利用传感器部分的磁强计、加速度计和陀螺仪分别测量手机智能游戏平台所处的磁场、重力场、以及手机旋转角速度；

2)利用信号检测模块对上述测到的信号分别进行预处理放大、滤波处理；

3)将上述处理后的信号进行A/D采样，采样后的数据输入到智能游戏平台的微控制器进行姿态解算、速度解算，并对解算后的数据信息进行接口协议转换；

4)将上述转换后的信息通过总线方式输入给手机，通过加载各类游戏软件实现对其转换后信息的使用和处理。

进一步说，上述第2)步骤中所述的滤波处理是对所述加速度计、磁强计和陀螺仪测量到的信号进行数字滤波和低通滤波处理。

进一步说，上述第3)步骤中所述的接口协议为总线协议、并口协议、串行协议、IIC协议、SPI协议、SMBUS协议或MMC接口协议中的任意一种。

进一步说，上述第4)步骤中所述的速度解算方法如下：先建立智能游戏平台所在位置的地理坐标系N-E-D，再建立固连于智能游戏平台的平台坐标系X-Y-Z，则智能游戏平台的移动速度公式为：

                              V＝V₀T-aT²/2

其中V₀为智能游戏平台前一时刻的速度，T为AD采样时间间隔，a为计算出的智能游戏平台沿斜面的加速度；再利用加速度计和磁强计所测到的信号计算出智能游戏平台的摆放的位置与角度，从而确定游戏中被控物体的移动方向与速度，其中被控物体的移动方向是被控物体在游戏区内下滑加速度最大的方向。

进一步说，上述第4)步骤中所述的姿态解算方法如下：先建立智能游戏平台所在位置的地理坐标系N-E-D，再建立固连于智能游戏平台的平台坐标系X-Y-Z；然后将磁强计的三轴沿平台坐标系的三轴放置，分别测量地球磁感应强度在平台坐标系三轴上的投影分量，设：X轴磁强计的测量值为x_M，Y轴磁强计的测量值为y_M，Z轴磁强计的测量值为z_M；同样将加速度计的三轴沿平台坐标系的三轴放置，分别测量重力加速度在平台坐标系三轴上的投影分量，设：X轴的分量为x_g、Y轴的分量为y_g，Z轴的分量为z_g；地磁场和重力加速度f_g在地理坐标系和平台坐标系中的表示通过方向余弦矩阵C_n ^b进行转换，从而得到以下姿态角解算公式，其中H表示地磁感应强度，β表示地磁倾角，

其中， $C_n^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos (N,X)& \cos (E,X)& \cos (D,X)\\ \cos (N,Y)& \cos (E,Y)& \cos (D,Y)\\ \cos (N,Z)& \cos (E,Z)& \cos (D,Z)\end{array}\right]={\left[T_{\mathrm{ij}}\right]}_{3\×3},$ 上标b表示平台坐标系，下标n表示地理坐标系，T_ij为矩阵中的第i行第j列元素。

本发明还提供了一种手机外挂的智能游戏平台，其特征在于，该智能游戏平台包括：

1)磁强计，用于测量手机游戏平台所处的磁场的信息；

2)加速度计，用于测量手机游戏平台所处的重力场的信息；

3)陀螺仪，用于测量手机旋转角速度的信息；

4)信号检测模块，用于对上述传感器如磁强计、加速度计、陀螺仪输出的信号滤波、放大处理；

5)智能游戏平台微控制器，用于对信号检测模块处理后的信号进行采样、存储，并对采样信号进行姿态、速度解算，接收手机识别指令，建立接口协议，与手机交互数据信息；

6)存储器，用于存储游戏程序；

7)电源管理，用于稳压供电给磁强计、加速度计、陀螺仪、智能游戏平台微控制器、存储器，以及信号检测模块；

所述的磁强计、加速度计和陀螺仪的输出端分别与信号检测模块的输入端相连接，信号检测模块的输出端与智能游戏平台微控制器的AD采样端口相连接，存储器的数据输出端与智能游戏平台微控制器的数据输入端相连接，所述智能游戏平台微控制器通过总线方式与手机连接。

进一步说，上述信号检测模块包括放大电路和滤波电路，所述放大电路是由运算放大器、电阻和电容以及后续的匹配网络共同组成的常规放大电路，所述滤波电路是由运算放大器、电阻和电容组成常规滤波电路；所述的磁强计、加速度计和陀螺仪输出的信号，经所述放大电路后，形成幅值在0～3V之间的电压输出信号，该电压输出信号由所述滤波电路的输入端输入，经滤波电路后，形成窄带信号，输入给智能游戏平台微控制器的AD采样端口。

本发明提出的手机外挂的智能游戏平台在现有手机基础上，无需对手机进行任何改动，就可利用各种传感器来感应手机本身的姿态和运动，根据传感器提供的信息来模拟实际情况，在手机屏幕上仿真物体的相对运动，设计相应的程序，完成游戏。本发明除了可供娱乐外，还可以用于少儿的手部运动训练、康复治疗训练等。本发明提出的手机外挂的智能游戏平台，具有以下特点和优点：1、使用方便；2、可靠性高；3、平台性能好；4、成本低廉；5、安全性高；6、易于其他游戏厂商二次开发；7、适用于不同的手机。

附图说明

图1a是地理坐标系的示意图。

图1b是平台坐标系的示意图。

图2是本发明提出的手机外挂的智能游戏平台的结构框图。

图3是本发明提出的手机外挂的智能游戏平台的信号检测模块电路原理图。

图4是本发明提出的手机外挂的智能游戏平台的存储器电路原理图。

图5是本发明提出的手机外挂的智能游戏平台的电源管理电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明。

本发明公开的手机智能游戏的互动信息感知方法，利用手机外挂的含有传感器部分、信号检测模块和微控制器的智能游戏平台对手机智能游戏互动信息进行感知，具体包括以下步骤：

1)利用传感器部分的磁强计、加速度计和陀螺仪分别测量手机智能游戏平台所处的磁场、重力场、以及手机旋转角速度；

2)利用信号检测模块对上述测到的信号分别进行预处理放大、滤波处理；

3)将上述处理后的信号进行A/D采样，采样后的数据输入到智能游戏平台的微控制器进行姿态解算、速度解算，并对解算后的数据信息进行接口协议转换；

4)将上述转换后的信息通过总线方式输入给手机，通过加载各类游戏软件实现对其转换后信息的使用和处理。

本发明第2)步骤中所述的滤波处理是对所述加速度计、磁强计和陀螺仪测量到的信号进行数字滤波和低通滤波处理。

本发明第3)步骤中所述的接口协议为总线协议、并口协议、串行协议、IIC协议、SPI协议、SMBUS协议或MMC接口协议中的任意一种。

本发明第4)步骤中所述的速度解算方法如下：先建立智能游戏平台所在位置的地理坐标系N-E-D(北-东-地)，再建立固连于智能游戏平台的平台坐标系X-Y-Z(X-处于手机对称平面内，由质心指向手机运动前向；Y-垂直于手机对称平面并指向右方；Z-在手机对称平面内且垂直于X轴指向下方)，则智能游戏平台的移动速度公式为：

                              V＝V₀T-aT²/2

其中V₀为智能游戏平台前一时刻的速度，T为AD采样时间间隔，a为计算出的智能游戏平台沿斜面的加速度；再利用加速度计和磁强计所测到的信号计算出智能游戏平台的摆放的位置与角度，从而确定游戏中被控物体的移动方向与速度，其中被控物体的移动方向是被控物体在游戏区内下滑加速度最大的方向。

本发明第4)步骤中所述的姿态解算方法如下：先建立智能游戏平台所在位置的地理坐标系N-E-D(北-东-地)，再建立固连于智能游戏平台的平台坐标系X-Y-Z(X-处于手机对称平面内，由质心指向手机运动前向；Y-垂直于手机对称平面并指向右方；Z-在手机对称平面内且垂直于X轴指向下方)；然后将磁强计的三轴沿平台坐标系的三轴放置，分别测量地球磁感应强度在平台坐标系三轴上的投影分量，设：X轴磁强计的测量值为x_M，Y轴磁强计的测量值为y_M，Z轴磁强计的测量值为z_M；同样将加速度计的三轴沿平台坐标系的三轴放置，分别测量重力加速度在平台坐标系三轴上的投影分量，设：X轴的分量为x_g、Y轴的分量为y_g，Z轴的分量为z_g；地磁场和重力加速度f_g在地理坐标系和平台坐标系中的表示通过方向余弦矩阵C_n ^b进行转换，从而得到以下姿态角解算公式，其中H表示地磁感应强度，β表示地磁倾角，

其中，手机在空间中的姿态可用平台坐标系相对于地理坐标系的运动来表示，运动角度称为手机的姿态角。导航学中常用航向角ψ、俯仰角θ和滚转角γ作为手机的姿态角，起始时两坐标系重合(N与X轴、E与Y轴、D与Z轴相对应)，随后手机绕D轴(Z轴)偏行ψ角，再绕水平Y’轴俯仰θ角，最后绕X”轴滚转γ角。平台坐标系与地理坐标系中的矢量通过以下方向余弦矩阵进行相互转换：

$C_n^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos (N,X)& \cos (E,X)& \cos (D,X)\\ \cos (N,Y)& \cos (E,Y)& \cos (D,Y)\\ \cos (N,Z)& \cos (E,Z)& \cos (D,Z)\end{array}\right]={\left[T_{\mathrm{ij}}\right]}_{3\×3},$ 上标b表示平台坐标系，下标n表示地理坐标系，T_ij为矩阵中的第i行第j列元素。

本发明所述的手机外挂的智能游戏平台，如图2所示，该智能游戏平台包括：

1)磁强计，用于测量手机游戏平台所处的磁场的信息；

2)加速度计，用于测量手机游戏平台所处的重力场的信息；

3)陀螺仪，用于测量手机旋转角速度的信息；

4)信号检测模块，用于对上述传感器如磁强计、加速度计、陀螺仪输出的信号滤波、放大处理；

5)智能游戏平台微控制器，用于对信号检测模块处理后的信号进行采样、存储，并对采样信号进行姿态、速度解算，接收手机识别指令，建立接口协议，与手机交互数据信息；

6)存储器，用于存储游戏程序；

7)电源管理，用于稳压供电给磁强计、加速度计、陀螺仪、智能游戏平台微控制器、存储器，以及信号检测模块；

所述的磁强计、加速度计和陀螺仪的输出端分别与信号检测模块的输入端相连接，信号检测模块的输出端与智能游戏平台微控制器的AD采样端口相连接，存储器的数据输出端与智能游戏平台微控制器的数据输入端相连接，所述智能游戏平台微控制器通过总线方式与手机连接。

手机外挂的智能游戏平台对手机发送过来的识别指令信息处理，识别手机类别，建立接口转换协议；智能游戏平台对手机发送过来的指令进行处理，加载交互游戏或者交互数据信息。

本发明所述的信号检测模块，包括放大电路和滤波电路，其电路图如图3所示。

图3中的点线虚框部分为放大电路部分，是由运算放大器U4(型号为MAX4194)、电阻和电容以及后续的匹配网络共同组成的常规放大电路，，磁强计、加速度计、陀螺仪等传感器输出的信号，经过放大器，形成幅值在0～3V之间的电压信号。

图3中的横线虚框部分为有源滤波电路，是由运算放大器U5(型号为MAX4252)、电阻和电容组成的常规滤波电路，上述经放大的电压信号由滤波电路输入端输入，经过该滤波电路后，形成窄带信号，输入给智能游戏平台微控制器的AD采样端口。

智能手机平台微控制器采用的运行速率为25MIPS的单片处理器，利用存储在单片处理器中的软件完成数据信息的AD采样、姿态算法解算、速度解算、接口协议转换。

智能手机平台中的存储器，其电路图如图4，采用了现有市场通用的海量存储器，主要由芯片M_U1_F(型号为K9F5608)、电阻、电容共同组成。

智能手机平台中的电源管理，其电路图如图5所示，采用了现有的电源管理芯片U7(型号1117)，用于给磁强计、加速度计、陀螺仪、智能游戏平台微控制器、存储器，以及信号检测模块等供电。

Claims (7)

1、手机智能游戏的互动信息感知方法，其特征在于，该方法利用手机外挂的含有传感器部分、信号检测模块和微控制器的智能游戏平台对手机智能游戏互动信息进行感知，具体包括以下步骤：

1)利用传感器部分的磁强计、加速度计和陀螺仪分别测量手机智能游戏平台所处的磁场、重力场、以及手机旋转角速度；

2)利用信号检测模块对上述测到的信号分别进行预处理放大、滤波处理；

3)将上述处理后的信号进行A/D采样，采样后的数据输入到智能游戏平台的微控制器进行姿态解算、速度解算，并对解算后的数据信息进行接口协议转换；

4)将上述转换后的信息通过总线方式输入给手机，通过加载各类游戏软件实现对其转换后信息的使用和处理。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第2)步骤中所述的滤波处理是对所述加速度计、磁强计和陀螺仪测量到的信号进行数字滤波和低通滤波处理。

3、根据权利要求1种所述的方法，其特征在于：第3)步骤中所述的接口协议为总线协议、并口协议、串行协议、IIC协议、SPI协议、SMBUS协议或MMC接口协议中的任意一种。

4、根据权利要求1种所述的方法，其特征在于，第4)步骤中所述的速度解算方法如下：先建立智能游戏平台所在位置的地理坐标系N-E-D，再建立固连于智能游戏平台的平台坐标系X-Y-Z，则智能游戏平台的移动速度公式为：

                             V＝V₀T-aT²/2

其中V₀为智能游戏平台前一时刻的速度，T为AD采样时间间隔，a为计算出的智能游戏平台沿斜面的加速度；再利用加速度计和磁强计所测到的信号计算出智能游戏平台的摆放的位置与角度，从而确定游戏中被控物体的移动方向与速度，其中被控物体的移动方向是被控物体在游戏区内下滑加速度最大的方向。

5、根据权利要求1种所述的方法，其特征在于，第4)步骤中所述的姿态解算方法如下：先建立智能游戏平台所在位置的地理坐标系N-E-D，再建立固连于智能游戏平台的平台坐标系X-Y-Z；然后将磁强计的三轴沿平台坐标系的三轴放置，分别测量地球磁感应强度在平台坐标系三轴上的投影分量，设：X轴磁强计的测量值为x_M，Y轴磁强计的测量值为y_M，Z轴磁强计的测量值为z_M；同样将加速度计的三轴沿平台坐标系的三轴放置，分别测量重力加速度在平台坐标系三轴上的投影分量，设：X轴的分量为x_g、Y轴的分量为y_g，Z轴的分量为z_g；地磁场和重力加速度f_g在地理坐标系和平台坐标系中的表示通过方向余弦矩阵C_n ^b进行转换，从而得到以下姿态角解算公式，其中H表示地磁感应强度，β表示地磁倾角，

其中， $C_n^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos (N,X)& \cos (E,X)& \cos (D,X)\\ \cos (N,Y)& \cos (E,Y)& \cos (D,Y)\\ \cos (N,Z)& \cos (E,Z)& \cos (D,Z)\end{array}\right]={\left[T_{\mathrm{ij}}\right]}_{3\×3},$ 上标b表示平台坐标系，下标n表示地理坐标系，T_ij为矩阵中的第i行第j列元素。

6、手机外挂的智能游戏平台，其特征在于，该智能游戏平台包括：

1)磁强计，用于测量手机游戏平台所处的磁场的信息；

2)加速度计，用于测量手机游戏平台所处的重力场的信息；

3)陀螺仪，用于测量手机旋转角速度的信息；

4)信号检测模块，用于对上述传感器如磁强计、加速度计、陀螺仪输出的信号滤波、放大处理；

5)智能游戏平台微控制器，用于对信号检测模块处理后的信号进行采样、存储，并对采样信号进行姿态、速度解算，接收手机识别指令，建立接口协议，与手机交互数据信息；

6)存储器，用于存储游戏程序；

7)电源管理，用于稳压供电给磁强计、加速度计、陀螺仪、智能游戏平台微控制器、存储器，以及信号检测模块；

所述的磁强计、加速度计和陀螺仪的输出端分别与信号检测模块的输入端相连接，信号检测模块的输出端与智能游戏平台微控制器的AD采样端口相连接，存储器的数据输出端与智能游戏平台微控制器的数据输入端相连接，所述智能游戏平台微控制器通过总线方式与手机连接。

7、根据权利要求6所述的智能游戏平台，其特征在于：所述信号检测模块包括放大电路和滤波电路，所述放大电路是由运算放大器、电阻和电容以及后续的匹配网络共同组成的常规放大电路，所述滤波电路是由运算放大器、电阻和电容组成常规滤波电路；所述的磁强计、加速度计和陀螺仪输出的信号，经所述放大电路后，形成幅值在0～3V之间的电压输出信号，该电压输出信号由所述滤波电路的输入端输入，经滤波电路后，形成窄带信号，输入给智能游戏平台微控制器的AD采样端口。

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