CN202083962U - 一种玩具控制器及其信号处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种玩具控制器及其信号处理装置。根据本实用新型的实施方式，玩具控制器利用其自身配备的检测单元(例如，MEMS重力加速度计G-Sensor)来检测自身的姿态，并且用户可以完全或者至少主要地利用玩具控制器的姿态来控制玩具的运动，而无需操纵按钮、摇杆等部件，也无需在操作过程中对操作设备本身进行位移。

Description

一种玩具控制器及其信号处理装置

技术领域

本实用新型的实施方式涉及信息技术领域，更具体地，涉及一种玩具控制器及其信号处理装置。

背景技术

在电子消费类产品中，可以通过数字和/或模拟方式控制的玩具(诸如，玩具飞行器、玩具舰船、玩具车辆，等等)具有广阔的市场和用户需求。如何控制和操纵这些玩具的运动是影响产品性能和用户体验的重要方面。在此，为了更好地描述和阐释本实用新型的精神和原理，首先给出本实用新型中涉及到的若干术语的释义。

本实用新型中使用的术语“运动”总体上也可分为两类，即位移和姿态变化。本实用新型中所称的“位移”是指物体在给定参照系下在空间中的相对位置发生变化。可以利用方向、距离、速率、加速度等量来表征位移。注意，在本实用新型中选择地面参照系作为位移的参照系。另一方面，本实用新型中所称的“姿态变化”是指物体绕自身的某点进行旋转，而该物体作为整体没有发生位移或者位移很小可以忽略的情况。可以利用物体相对于给定轴(称为参考轴)的倾斜方向、倾斜角度、旋转速率等量来表征姿态变化。可以理解，在任意给定的时刻，物体的运动可以包括位移和姿态变化中的任何一个或二者。而且，任何运动都可以由运动方向和运动速率来表征。

本实用新型中使用的术语“姿态”是指物体相对于一个或多个参考轴的倾斜情况。可以利用物体相对于参考轴的倾斜方向和倾斜角度来表征物体的姿态。可以理解，本文中所称的“姿态”不包括物体本身的位移。

在定义了以上术语之后，现在来考虑对玩具运动的控制。在现有技术中，对玩具的运动控制通常是利用操纵按钮、旋钮、摇杆、操纵杆等部件来产生控制信号，以用于控制玩具的运动。这种方式的共性之一是：玩具控制器本身的运动(位移和姿态变化)对于玩具的运动没有影响。例如，在目前常见的玩具控制器上，通常配置有按钮等可操作部件，用户可以利用这些部件来控制飞行器、舰船或车辆等玩具的运动(例如，启动、停止、加速、减速、改变行进方向，等等)，而玩具控制器本身的运动不会改变玩具的运动。

这种控制方式存在明显的缺陷。首先，操纵这些玩具控制器需要用户具有一定的认知水平和操作水平，从而限制了例如儿童、老人等用户的使用。而且，此类玩具控制器的操作常常不是用户友好的。以遥控飞机玩具为例，目前常见的遥控器配备有至少两个操纵杆或类似部件，分别用于控制飞机的飞行高度、飞行方向和/或飞行速率等不同运动参数。用户在操作过程中需要大脑和双手的高度协调和配合，才能实现期望的运动，因此交互过程的认知负担较高。

因此，在本领域中，需要一种以更加有效、方便和灵活的方式来控制玩具运动的方案，从而克服现有技术中的上述问题。

实用新型内容

为了克服现有技术中的上述问题，本实用新型的实施方式提出了一种新颖的玩具控制器及其信号处理装置。

根据本实用新型的一个方面，提供一种信号处理装置，包括：检测单元，用于检测信号处理装置的姿态，姿态包括信号处理装置的倾斜方向和倾斜角度；以及处理单元，其耦合至检测单元，用于根据检测单元所检测的信号处理装置的姿态控制一个玩具的运动，包括运动方向和运动速率。

根据本实用新型的另一方面，提供一种玩具控制器，包括：壳体；如上文所述的信号处理装置；以及信号传送装置，其耦合至信号处理装置，用于向玩具传送由信号处理装置产生的控制信号，以控制一个玩具的运动。

本实用新型的实施方式提供了用于控制玩具运动的信号处理装置和玩具控制器。一般而言，本实用新型的实施方式至少具有以下优点。首先，允许用户通过手势来控制玩具的运动，保证了交互的自然和高效。特别地，根据本实用新型的实施方式，用户只需要使用单手便可实现各种操作，从而避免了双手配合带来的认知负担。此外，根据本实用新型的实施方式，允许用户完全(或至少主要地)通过玩具控制器的姿态来控制玩具的运动，而无需依赖于摇杆、按键等部件，也无需对玩具控制器本身进行位移。这样，即使在有限的操作空间中，用户也可以有效地控制玩具。而且，根据本实用新型的实施方式，对玩具控制器的姿态的检测是利用玩具控制器自身配备的装置/单元来实现的，不需要借助于照相机等任何外部设备，因而易于实现且成本低廉。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，其中：

图1A和图1B示出了可以在本实用新型的实施方式中使用的姿态检测的原理示意图；以及

图2示出了根据本实用新型示例性实施方式的用于控制玩具运动的玩具控制器的框图；

在附图中，采用相同或对应的标号来表示相同或对应的元素。

具体实施方式

根据本实用新型的实施方式，提供一种用于控制玩具的运动的信号处理装置和玩具控制器。本实用新型的基本思想是：用户完全或至少主要通过玩具控制器的姿态来控制玩具的运动，而不需要主要依赖于按键、摇杆等部件，也不需要在操作过程中对玩具控制器本身进行位移。而且，对玩具控制器的姿态的检测是通过玩具控制器自身配备的检测单元来实现的，不需要任何外部设备的辅助。

请注意，如上文所述，本实用新型中提及的玩具控制器的“姿态”由该玩具控制器相对于一个或多个参考轴的倾斜来限定，包括倾斜的方向和倾斜的角度。而且可以理解，本文中所称的“姿态”不包括设备本身的位移。

由此，如何检测玩具控制器的姿态是本实用新型需要考虑的问题之一。姿态检测包括定性检测(即，倾斜的方向)和定量检测(倾斜的角度)。为了更好地理解本实用新型的原理和精神，在对实施方式进行详细描述之前，首先将参考图1A和图1B来简要描述可在本实用新型的实施方式中使用的玩具控制器的姿态检测的原理。

[姿态检测]

根据牛顿力学第二定律，任何物体在受到力的作用时，将在力的方向上产生加速度。在地球引力场内的所有物体都受到重力的作用，因此都具有重力加速度(记为g)。重力加速度的方向始终垂直向下，大小在地表附近近似恒定。可以利用重力加速度来测量物体的姿态。需要指出的是，由于地球上的物体都随地球自转，因此物体实际上还具有向心加速度。然而，地球自转的向心加速度很小，所以在姿态检测中可以忽略不计。

对于待检测的物体，首先可以确定一个或多个主轴。参考图1A，可以选择AA’作为物体100的主轴，这仅仅是示例性的。首先考虑以Z轴作为参考轴的情况。当物体相对于Z轴发生姿态变化(即，倾斜)时，如图1B所示，在与参考轴垂直的平面(即，XY平面)内，重力加速度矢量g可分解为垂直于物体主轴AA’的分量g₁，以及平行于物体主轴AA’的分量g₂，其中g₁和g₂彼此垂直。由于假定g的大小恒定，通过计算g₁和/或g₂的大小，可以计算出分量g₁相对于g的角度θ。根据矢量分解原理可知，该角度θ即是主轴AA’与参考轴Z之间的夹角，也即物体相对于参考轴Z的倾斜角度。同理，可以计算物体相对于任何参考轴的倾斜角度。而且，根据重力加速度的分量的方向，可以确定物体相对于各参考轴的倾斜方向。

存在多种已知的手段可以用来检测物体加速度的大小和方向。特别地，近年来随着微机电(MEMS)技术的迅猛发展，出现了大量体积小、精度高的加速度传感器，包括但不限于：加速度计、加速度传感器、重力传感器(G-Sensor)、倾斜传感器、倾角传感器，等等。在这些设备中，上述姿态检测原理可以通过多种不同的方式来实践，例如固体摆、液体摆、弹簧、压电、电容、热感，等等。在本文描述中，这些检测设备被统称为MEMS加速度计，并将被用于阐释本实用新型的原理。然而，应当理解，现在已知或者将来开发的任何姿态检测技术都可以与本实用新型的实施方式结合使用。

[玩具控制器]

下面详细描述本实用新型的若干示例性实施方式。参考图2，其示出了根据本实用新型示例性实施方式的用于控制玩具运动的玩具控制器200的框图。如图2所示，玩具控制器200可以包括信号处理装置210、信号传送装置220以及反馈装置230，这些装置布置在玩具控制器200的壳体中。

首先描述信号处理装置210。在本实用新型的实施方式中，信号处理装置210可以用于根据用户的输入(具体地，用户对玩具控制器200的姿态的改变)来产生控制信号从而控制玩具的运动(包括运动方向和运动速率)。如图所示，信号处理装置210可以包括检测单元2102和处理单元2104。当用户操作玩具控制器200时，检测单元2102可以用于检测信号处理装置210的姿态。可以理解，在实践中，信号处理装置210与玩具控制器200的相对位置可以是已知的(例如，是固定的，或者可求解的)。因此，检测信号处理装置210的姿态等同于检测玩具控制器200的姿态。换言之，检测单元2102可用于检测玩具控制器200的姿态，即玩具控制器200相对于给定参考轴的倾斜方向和倾斜角度。

参照图1A或图1B，假设物体100代表玩具控制器200，并且XZ平面是水平面，则X轴和Z轴是水平的，而Y轴是垂直的。在这种情况下，可以选择X轴、Y轴和Z轴作为参考轴。由此，检测单元2102可以用来检测玩具控制器相对于这三个参考轴的倾斜方向和倾斜角度。在优选实施方式中，检测单元2102可以利用上文描述的MEMS加速度计(例如，G-Sensor)来实现。在其他实施方式中，检测单元2102也可以通过能够检测装置的倾斜角度和倾斜角度的其他技术来实现。

处理单元2104耦合至检测单元2102，用于根据检测单元2102检测到的玩具控制器200的姿态来产生控制信号，从而控制玩具的运动。处理单元2104可以利用现在已知或者将来开发的任何技术来实现，包括但不限于专用或通用的微玩具控制器(MCU)、微处理器、中央处理单元(CPU)，等等。

在某些实施方式中，处理单元2102可以根据玩具控制器200的倾斜方向来控制玩具的运动方向。可以理解，这里使用的术语“运动方向”包括玩具的位移方向和姿态变化方向(即，绕自身上某点的旋转方向)。仍然参考上文中以X轴、Y轴和Z轴为参考轴的情况。在某些实施方式中，可以将玩具控制器相对于Z轴的姿态变化与玩具在垂直方向上的位移相关联。例如，当检测单元2102检测到玩具控制器200相对于Z轴向上倾斜时，处理单元2104可以产生控制信号以控制玩具在其运动空间中向上位移；当检测单元2102检测到玩具控制器相对于Z轴向下倾斜时，处理单元2104可以产生控制信号以控制玩具在其运动空间中向下位移。

类似地，玩具控制器200相对于X轴的倾斜可与玩具在左右方向上的水平位移相关联，而相对于Y轴的倾斜可与玩具在前后方向上的水平位移相关联。此外，本领域技术人员容易想到，可以利用玩具控制器200的倾斜方向来控制玩具的姿态变化方向(即，绕自身上某点的旋转方向)。

通过对玩具控制器相对于X轴、Y轴和Z轴的倾斜方向进行矢量运算，可以计算出玩具在空间中的合成运动方向。而且，本领域技术人员可以理解，上文描述的参考轴的选择、倾斜角度与玩具运动方向的关联等仅仅是示例性的。本领域技术人员可以根据具体情况对其进行修改和配置。

在某些实施方式中，处理单元2104还可以根据玩具控制器200的倾斜角度来控制玩具的运动速率。可以理解，这里使用的术语“运动速率”包括玩具的位移速率和姿态变化速率(例如，绕自身上某点的旋转速率，或称角速率)。例如，根据检测单元2102检测到的玩具控制器200相对于某个参考轴的倾斜角度的增大，处理单元2104可以产生控制信号以增大玩具在相应方向上的运动速率。类似地，根据检测单元2102检测到的玩具控制器200相对于某个参考轴的倾斜角度的减小，处理单元2104可以产生控制信号以降低玩具在相应方向上的运动速率。

此外，在某些实施方式中，如果未接到用户的进一步指示，则在速率增大之后经过预定的时段，处理单元2102可以产生控制信号以降低玩具在相应方向上的运动速率。例如，可以将速率降低到速率增大之前的速率。反之，如果未接到用户的进一步指示，则在降低速率之后经过预定的时段，处理单元2102可以产生控制信号以增大玩具在相应方向上的运动速率。例如，可以将速率增大到速率降低之前的速率。

通过将玩具控制器200的倾斜角度与玩具的运动速率关联，用户可以利用更为丰富的手势语言来控制玩具的运动。例如，如上所述，在某些实施方式中，当玩具控制器相对于Z轴向上倾斜时，可以使玩具向上位移。如果用户相对于Z轴进一步向上倾斜玩具控制器(即，倾斜方向不变，而倾斜角度增大)，则可以相应地增大玩具向上位移的速率。此后，如果用户希望降低运动速率但仍保持玩具向上位移，则他/她可以适当减小玩具控制器的倾斜角度。此时，处理单元2104将产生相应的控制信号以适当降低玩具向上位移的速率。另一方面，如果用户没有给出关于速率的进一步指示，在经过预定的时段之后，处理单元2104可以产生控制信号来降低玩具的速率。

玩具控制器200的倾斜角度与玩具运动速率之间的关联关系可以通过各种方式来限定。例如，在某些实施方式中，二者之间可以具有线性函数的关系，即玩具的运动速率与玩具控制器的倾斜角度成比例地改变。在另一些实施方式中，玩具控制器的倾斜角度与玩具的运动速率可以具有阶梯函数的关系。例如，可将倾斜角度划分为若干区间，每个区间对应于不同的玩具的运动速率，而运动速率在同一区间内保持恒定。这仅仅是几个示例，实际上，可以通过任意适当的方式来限定玩具控制器的倾斜角度与玩具运动速率之间的关联关系。

在上文描述的实施方式中，玩具控制器200的倾斜方向与玩具的运动方向相关联，而玩具控制器200的倾斜角度与玩具的运动速率相关联。然而，本领域的技术人员可以理解，这仅仅是示例性的。根据具体的应用需求，玩具控制器200的姿态与玩具的运动之间可以定义不同的关联关系。例如，在某些实施方式中，将玩具控制器200的倾斜角度与玩具的运动方向相关联，和/或将玩具控制器200的倾斜方向与玩具的运动速率相关联，也是可行的。

本领域技术人员将会理解，图2中示出并在上文描述的信号处理装置210可以利用多种方式来实现。例如，在某些实施方式中，信号处理装置210可以实现为集成电路(IC)芯片，其中上文描述的功能例如由相应的软件/或固件来实现。在另一些实施方式中，信号处理装置210可以采用系统级芯片(SOC)结合软件和/或固件来实现。本领域已知或者将来开发的其他方式也是可行的。

而且，本领域技术人员可以理解，图2中所示的信号处理装置210不限于被封装在玩具控制器200中使用。实际上，信号处理装置210可以通过任何适当的方式与玩具控制器200结合使用。此外，易见的是，信号处理装置210可以作为独立部件(例如，作为IC芯片，或者SOC芯片)与其他设备结合使用，和/或应用于需要控制玩具运动的其他领域。

继续参考图2，玩具控制器200还包括信号传送装置220，耦合至信号处理装置210(更具体地，耦合至处理单元2104)，用于将信号处理装置210产生的控制信号传送至玩具。信号传送装置220可以使用目前已知或将来开发的任何通信方式向玩具传送控制信号。在某些控制实施方式中，可以通过无线连接来传送控制信号，其中无线连接包括但不限于：蓝牙连接、红外(IR)连接、无线局域网(WLAN)连接、射频(RF)连接、无线通用总线(WUSB)连接，等等。备选地或附加地，可以通过有线连接向玩具传送控制信号，其中有线连接包括但不限于：通用总线(USB)连接、RS-232串行连接，等等。

为了向用户提供更好的交互体验，在某些实施方式中，玩具控制器200还可以包括可选的反馈装置230(可选的)。反馈装置230可以用于在操作期间向玩具控制器200的用户提供反馈。在某些实施方式中，反馈装置230可以根据控制信号所要执行的操作使玩具控制器200的壳体产生振动，从而向用户提供触觉反馈，其中振动的频率、次数、振幅等参数可以取决于玩具的不同运动状态和/或不同的操作。

在另一些实施方式中，玩具控制器200的壳体上可以布置有显示设备，例如，小屏幕、LED指示灯等。反馈装置230可以利用这些显示设备向用户提供视觉反馈。备选地或附加地，玩具控制器200可以布置有音频输出设备，例如扬声器、耳机插口等。反馈装置230可以利用音频输出设备向用户提供听觉反馈。可以理解，上述不同的反馈方式可以单独提供或者进行任意组合，并且反馈方式是用户可定制的。

可以理解，玩具控制器200允许用户完全基于姿态语言来控制玩具的运动。然而，在某些实施方式中，为了进一步提高交互能力以及与现有控制手段相兼容，玩具控制器200的壳体上也可以布置有一个或多个按钮以供用户操作。信号处理装置210中的处理单元2104可以根据用户对这些按钮的操作来产生相应的控制信号。按钮操作可以按照任何适当的方式与姿态控制进行结合。以此方式，为用户提供了更为丰富和灵活的交互手段。

可以理解，图2中仅仅示出了玩具控制器200中与本实用新型的主题相关的部件。根据具体应用，玩具控制器200还可以包括任意数目的其他装置，例如模数(AD)转换器、数模(DA)转换器、信号转换器以及其他配套支持装置。

[小结]

如上文所述，在现有技术中，通常是利用玩具控制器上的按钮和操纵杆来实现的。而且，玩具控制器上通常具有不止一个按钮和/或操纵杆，往往需用用户双手操作。因而，用户需要脑、眼和双手的高度协调配合才能有效地控制玩具。在这种情况下，用户需要具有较高的操作技能，并且操作过程中的认知负担较重。

与此不同，本实用新型的主要思想是：允许用户完全或至少主要地通过玩具控制器的姿态来控制玩具的运动。在操作过程中，玩具控制器本身不需要进行位移。而且，对玩具控制器的姿态检测是通过玩具控制器自身配备的装置来实现的，不需要借助任何外部设备。通过使用根据本实用新型实施方式来控制玩具，用户可以完全或至少主要利用玩具控制器的姿态来控制玩具的运动。特别地，玩具控制器的倾斜方向可用于控制玩具的运动方向，而其倾斜角度控制玩具的运动程度(例如，速率)。此外，如上所述，可以向用户提供视觉、听觉和/或触觉反馈。

根据本实用新型实施方式的玩具控制器具有很多优点。用户只需要单手便可以方便、灵活地控制玩具的运动，即使是儿童或者老人也能够容易地操作。此外，这种玩具控制器的交互模式符合人类日常交互的认知习惯，因而简易、高效，降低了交互过程中的认知负担。通过使用例如MEMS传感器，可以提供高精度的操作。而且，玩具控制器的按钮、可变电阻等元件的数目将显著减少，甚至可以根本不存在，从而节省了成本并且可以获得更为小巧的外形。

出于说明目的，上文已经详细阐释了本实用新型的原理，并且描述了若干具体示例。然而，可以理解，上文描述仅仅是出于说明和示例目的，而不应用来限制本实用新型的范围。对于本领域的技术人员来说，根据在此给出的启示，可以在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下，对上述实施方式进行各种修改、替换和组合。这些修改、替换和组合同样落在本实用新型的范围之内。因而，本实用新型的范围仅由所附权利要求限定。

Claims (12)

1.一种信号处理装置，其特征在于，所述信号处理装置包括：

检测单元，用于检测所述信号处理装置的姿态，所述姿态包括所述信号处理装置的倾斜方向和倾斜角度；以及

处理单元，其耦合至所述检测单元，用于根据所述检测单元所检测的所述信号处理装置的所述姿态控制一个玩具的运动，包括运动方向和运动速率。

2.如权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，所述处理单元用于根据所述倾斜方向控制所述玩具的运动方向。

3.如权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，所述处理单元用于根据所述倾斜角度控制所述玩具的运动速率。

4.如权利要求3所述的信号处理装置，其特征在于，所述处理单元用于根据所述倾斜角度的增大量，增大所述玩具的运动速率。

5.如权利要求4所述的信号处理装置，其特征在于，所述处理单元用于在所述运动速率增大之后经过预定的时段，降低所述玩具的运动速率。

6.如权利要求3所述的信号处理装置，其特征在于，所述处理单元用于根据所述倾斜角度的减小量，降低所述玩具的运动速率。

7.如权利要求6所述的信号处理装置，其特征在于，所述处理单元用于在所述运动速率降低之后经过预定的时段，增大所述玩具的运动速率。

8.如权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，所述检测单元包括微机电MEMS加速度计。

9.如权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，所述信号处理装置通过集成电路和系统级芯片SOC中的至少一个来实现。

10.一种玩具控制器，其特征在于，所述玩具控制器包括：

壳体；

如权利要求1-9任一项所述的信号处理装置；以及

信号传送装置，其耦合至所述信号处理装置，用于向所述玩具传送由所述信号处理装置产生的控制信号，以控制一个玩具的运动。 

11.如权利要求10所述的玩具控制器，其特征在于，所述信号传送装置用于通过无线连接和有线连接中的至少一个，向所述玩具传送所述控制信号。

12.如权利要求10所述的玩具控制器，其特征在于，所述玩具控制器还包括：

反馈装置，用于向所述玩具控制器的用户提供反馈，其中所述反馈包括视觉反馈，听觉反馈和触觉反馈中的至少一个。 

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