DE3838605A1

DE3838605A1 - Geraet zur eingabe 3-dimensionaler koordinaten und bewegungen fuer computer

Info

Publication number: DE3838605A1
Application number: DE19883838605
Authority: DE
Inventors: Hartmut Schaefer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-11-15
Filing date: 1988-11-15
Publication date: 1990-05-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät, mit dem sich auf einfache Weise 3dimensionale Bewegungen und Koordinaten in Computer eingeben lassen. Herkömmliche Eingabegeräte ("Maus", Grafiktablett) erlauben nur die Eingabe 2dimensionaler Koordinaten oder Bewegungen, da man bei diesen das Eingabegerät (die Maus selbst oder beim Grafiktablett ein Eingabestift) nur in der Ebene bewegen kann. Die Eingabe 3dimensionaler Koordinaten ist durch diese Begrenzung nur schwerlich zu realisieren, wird jedoch bei Grafik oder CAD-Anwendungen immer häufiger benötigt. Dieses Problem wurde erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß ein Eingabegerät entwickelt wurde, welches sich nicht nur in der Ebene bewegen, sondern auch von der Unterlage hochheben und frei im Raum bewegen läßt, wobei die absoluten Raumkoordinaten zu einem wählbaren festen Punkt dem Rechner übermittelt werden.

Das Funktionsprinzip wird in den Abbildungen 1 und 2 deutlich:
Es werden die Abstände (a, b, c) zwischen dem Eingabeteil (ET, hier wie eine "Maus" geformt) und mindestens 3 festen Bezugspunkten (hier 3 : A, B, C, im gleichseitigen Dreieck mit Seitenlänge 1 angeordnet) gemessen. Aus diesen drei Abständen a, b, c lassen sich nach den Formeln

die Roh-Raumkoordinaten des Eingabegerätes berechnen.

Diese Roh-Koordinaten werden dann in ein beliebiges, anwendungsspezifisches Koordinatensystem transformiert und dann dem Hauptrechner übermittelt.

Die obigen Formeln gelten nur, wenn die drei Ultra schalldetektoren ein gleichseitiges Dreieck bilden, sind die Detektoren anders angeordnet oder werden mehr Detektoren (Bereichserweiterung, Sicherheit) verwendet, sind andere Formeln anzuwenden.

Da die Eingabemöglichkeiten dieser Erfindung eine Obermenge der Möglichkeiten einer Maus oder eines Grafiktabletts bildet, lassen sich diese leicht emulie ren, indem über eine geeignete Schnittstelle die 2dimensionalen Koordinaten ausgegeben werden.

Für die nötige Abstandsmessung bietet sich ein Ultra schallsystem an. Auch Messungen z. B. mit Mikrowellen sind denkbar.

Für das Ultraschall-Entfernungsmeßsystem wurde die in Abbildung 3. dargestellte Schaltung entwickelt.

Sie besteht aus dem Ultraschallsender (USS) und der Tasten- und Sensoren-Elektronik (TE) im frei beweglichen Eingabegerät sowie den Ultraschallempfängern mit Verstär kern (UE), nachgeschalteten Binärteilern (T), Phasen verschiebungsmessern (PH) - im wesentlichen bestehend aus einem Start-Stopp-Zähler mit Zwischenspeicher -, einem Schieberegister (SR) für die Datenübertragung von Tasten- und Sensoren-Elektronik, einer Fehler-Erken nungsschaltung (FES) und einer mikroprozessorgesteuerten Auswerteelektronik mit den dazu gehörigen seriellen und parallelen Schnittstelle (SER u. PAR) sowie einer Ein- Ausgabe-Elektronik (E/A) im Hauptgerät.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Impuls-Echo- oder Im pulslaufzeit-Messungen, bei denen die Laufzeit eines gesendeten Tonburstes bestimmt wird, arbeitet das ent wickelte System mit einem kontinuierlich sendenden Ultraschallstrahler. Dieser sitzt im Beispielfall im vorderen Teil des Eingabegerätes und wird von der Aus werteelektronik mit einer stabilen Frequenz versorgt (Quarzoszillator OSC). Zur Abstandsmessung werden die Phasenverschiebungen des gesendeten Signales und der aufbereiteten empfangenen Signale über einen Start-Stopp- Zähler festgestellt. Die Sendefrequenz wird über reine Binärteilung aus der Zählfrequenz (einige -zig MHz) abgeleitet, dadurch entfallen Abgleicharbeiten am Phasen verschiebungsmeßteil.

Da bei schnellen Bewegungen des Eingabeteiles volle Phasenverschiebungen sehr schnell aufeinander folgen können, wurde folgende Zusatzschaltung entwickelt:
Die zu verarbeitenden Frequenzen der Empfänger und des Vergleichsoszillators werden vor der Phasenmessung binär geteilt (mit den Teilern T). Dadurch entsteht eine niedrigere Frequenz, und damit auch eine größere virtuelle Wellenlänge, so daß auch bei schnellen Bewegungen des Eingabeteils die Auswerteelektronik die jeweiligen vollen Phasenverschiebungen verfolgen und zählen (softwaremäßiger Auf-Abwärts-Zähler) kann. Für die Phasenmesser scheint es, als würde mit einer niedrigeren (dann aber im Hörbereich liegenden und damit nicht verwendbaren Frequenz) gemessen. Diese Zusatz schaltung dient also der Entlastung der Auswerteelektro nik.

Dieses Abstandsmeßsystem funktioniert nur, wenn es am Anfang geeicht wurde, da die Zähler für die vollen Phasenverschiebungen zurückgesetzt bzw. mit einem Offset wert geladen und die evtl. vorhandenen Vorteiler gelöscht werden müssen. Dies geschieht, wenn man das Eingabegerät zu einem festen, ausgemessenen Punkt bewegt und dort einen Schalter betätigt oder eine Lichtschranke un terbricht. Der Mikroprozessor der Auswerteelektronik kann dann die genannten Zähler zurücksetzen, die bekannten Abstandswerte für diesen Punkt einsetzen und von da an über die Phasenmesser die Abstandsänderungen verfolgen, er erhält dadurch immer absolute Entfernungswerte ähnlich wie bei der Impuls-Laufzeit-Methode, jedoch mit einer viel größeren Auflösung im Mikrometerbereich.

Da die Auswerteelektronik ALLE vollen Phasenverschiebun gen zählen muß, um immer die richtigen Abstandswerte berechnen zu können, müssen die Signale der Empfänger auf eventuelle Störungen oder Aussetzer überprüft werden.

Dies geschieht mit Hilfe einer Fehlererkennungsschaltung (FES), mit der man Aussetzer oder Störimpulse erkennen und der Auswerteelektronik mitteilen kann, die dann gegebenenfalls eine erneute Eichung (über optische oder akustische Signale) verlangen kann.

Die Datenübertragung vom Eingabegerät zur Auswerteelek tronik geschieht seriell. Die Daten von den Sensoren werden in der Tasten- und Sensorenelektronik (TE) in serielle Daten umgewandelt und zur Auswertelektronik übertragen (z. B. über Kabel, IR). Dort werden sie im Schieberegister (SR) wieder in parallele Daten zurück verwandelt und stehen dem Mikroprozesser der Auswer teelektronik zur Verfügung.

Da sehr viele komplexe Rechenoperationen zur Berechnung der Daten nötig sind, sollte der Mikroprozessor der Auswerteelektronik recht leistungsfähig (z. B. 68000-16) sein oder einen Fließkomma-Coprozessor (z. B. 68881) besitzen um eine kontinuierliche Datenübertragung zu gewährleisten. Ansonsten ist die Auswerteelektronik wie ein normaler Steuerrechner ausgerüstet.

Über serielle und parallele Schnittstellen (SER u. PAR) werden die Daten in einem programmierbaren Format ausgegeben. Desweiteren besitzt sie eine Ein-Ausgabe schaltung (E/A) über die akustische und optische Signale ausgegeben werden können, das Betätigen der Eichungssen sors festgestellt werden kann, und verschiedene Vorein stellungen (Baudrate, Emulationsmodus etc.) eingelesen werden können.

Das Eingabegerät ist der Anwendung entsprechend zu formen. Es sollte so gestaltet sein, daß man es ohne Umgreifen hochheben und die Tasten betätigen kann.

Versorgt man das Eingabegerät über Batterie, überträgt man die Sendefrequenz per Infrarot zum Eingabegerät und schickt man die seriellen Daten mit Amplitudenmodulation des Ultraschallsenders oder auch über Infrarot zur Auswerteelektronik, so läßt sich ein kabelloses, völlig frei bewegliches Eingabegerät realisieren.

Zusätzlich kann man das Eingabegerät noch mit Dreh- oder Kippsensoren (Quecksilberschalter, Kugelschalter o. ä.) ausrüsten, damit kann man auch die Raumlage des Ein gabegerätes feststellen und dies für weitere Steuerzwecke nutzen.

Claims

1. Gerät zur Eingabe 3dimensionaler Koordinaten und Bewegungen für Computer, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumkoordinaten durch Messung des Abstandes zwischen dem frei beweglichen Eingabeteil (z. B. ähnlich einer Maus) und mindestens 3 festen Bezugspunkten berechnet werden.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen dem Eingabeteil und den Bezugspunkten mittels Ultraschall gemessen werden.

3. Gerät nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingabeteil den Ultraschallsender trägt, und die Bezugspunkte jeweils feste Ultraschallempfänger darstellen.

4. Gerät nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur exakten Entfernungsmessung die Phasenverschiebung zwischen gesendetem und empfangenen Signal gemessen sowie die Zahl der vollen Phasenverschiebungen (nach einem Eichvorgang) gezählt werden.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur einfacheren Bestimmung des Abstandes die von den Ultraschalldetektoren empfangenen Schwingungen geteilt werden, so daß die Phasenverschiebung einer niedrige ren Frequenz und damit einer virtuellen, größeren Wellenlänge gemessen wird.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz, mit der der Ultraschallsender im Eingabeteil (über Kabel, IR o. ä.) gesteuert wird, durch direkte Binärteilung der Frequenz erzeugt wird, mit der die Phasenverschiebung gemessen wird.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der frei bewegliche Eingabeteil Tasten sowie andere Sensoren (Kugelschalter, Quecksilberschalter) zur Eingabe und Kontrolle besitzt.

8. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten der Zusätzlichen Sensoren seriell zur Auswerteelektronik übertragen werden.

9. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik über serielle und parallele Schnittstellen andere Eingabegeräte (z. B. Maus, Trackball, Grafiktablett) emuliert.