TWI696482B - 用於力回饋介面裝置之系統及提供即時力回饋之方法 - Google Patents

Abstract

本申請案係關於指向提供與模擬之準確互動之系統、方法及程式碼。本發明提供執行一模擬之各項實施例，包含；經由一介面裝置偵測使用者輸入；將輸入轉換至扭矩及/或位置資訊以用於控制；使此資訊適於特定對象或車輛參數；組合車輛參數與模擬中資訊；及經由一連續控制迴路將新介面裝置設定點輸出至該介面裝置。此外，提供此介面裝置之具有可變柔度之剛性位置控制。

Description

用於力回饋介面裝置之系統及提供即時力回饋之方法

本發明大體上係關於介面裝置及在人與電腦之間的介面裝置之系統，且更特定言之係關於對使用者提供力回饋之介面裝置。

在許多不同產業中廣泛使用電腦控制之模擬、遊戲及訓練。可在自工作站至PC至遊戲控制台之大量可用硬體平台上執行應用程式。在此描述內可將此等硬體類型統稱為電腦系統。應用程式經設計以容許一使用者在一虛擬或模擬環境中互動。一電腦系統在一顯示螢幕上向使用者顯示一視覺環境，且一使用者可藉由一人機控制輸入或介面裝置與模擬環境互動。取決於一給定硬體實施方案，使用者可具有供其等處置之許多不同類型之控制輸入或介面裝置以與一遊戲或模擬互動。例如，力回饋介面裝置可包含遙控器、操縱桿、滑鼠及鍵盤、方向盤、新穎控制器及其他。在一些裝置中，亦對使用者提供更一般而言被稱為「力回饋」之「觸覺」回饋。此等類型之裝置可向對應於在遊戲或模擬中受控制之對象之輸入或介面裝置之使用者提供實體感覺。然而，此等感覺還未提供一準確模擬體驗。

在大多數情況中，藉由使用一或多個主動、被動或混合致動器來達 成藉由介面裝置輸出之實體感覺。此等致動器係受主機電腦系統控制且耦合至介面裝置。通常，該電腦系統自介面裝置接收感測器信號且據此回應而發送適當力回饋信號至結合模擬或遊戲事件之介面裝置之致動器。該等致動器接著對介面裝置提供力。電腦系統可因此結合對象在一模擬環境中之視覺及聽覺表示而藉助於一介面裝置向使用者傳達「實體感覺」。例如，在許多應用中，所提供之回饋係呈一隆隆聲或振動形式。

藉由介面裝置傳達之實體感覺(即，力回饋)應儘可能密切模仿經模擬對象之現實生活對應物以提供一令人愉快、現實及身臨其境之體驗。然而，當前此回饋係不現實的。此類型之振動力回饋應指示一經模擬實體何時命中一對象或某一其他體驗(此可引起一碰撞或振動)。不幸的是，此等隆隆聲或振動在提供一些模擬體驗(如一駕駛體驗模擬)時並不全面，此係因為一駕駛體驗係基於由使用者提供之輸入及藉由車輛提供之力回饋(諸如回應於與駕駛表面之互動之方向盤之移動)兩者。

使用一介面裝置以與一駕駛模擬一起使用之一系統之一實例係展示於圖1中。在圖1中，一力回饋系統10包含一力回饋介面裝置12及一主機電腦18。該所繪示系統10可用於一視訊遊戲、訓練程式或模擬或其他應用程式。一使用者可在一或多個運動自由度中操縱一介面裝置12以控制一主機電腦18上之一應用程式內之對象。回應於此等操縱在一顯示設備(諸如電腦18之螢幕20)上顯示影像。電腦18可為具有一處理能力之任何裝置，諸如一個人電腦、工作站、視訊遊戲控制台或其他運算或顯示裝置。主機電腦18較佳實施一主機應用程式，使用者視情況經由裝置12及其他週邊設備與該主機應用程式互動且該主機應用程式可包含力回饋功能性。主機電腦18可運行一應用程式，諸如一模擬、視訊遊戲、虛擬實境訓練程 式或應用程式，或利用來自介面裝置12之輸入且輸出力回饋命令至該介面裝置12之其他應用程式。

最初，先前技術力回饋裝置集中於提供最大觸覺保真度。然而，歸因於與能夠提供必要效能之硬體相關聯之成本，此等裝置係昂貴的且對於主流市場是不切實際的。因此，為使力啟用裝置更加可供主流大眾市場取得，已利用更具成本效益之解決方案。此等解決方案使用基於與主流消費者當時可用之技術(諸如PC及遊戲控制台)有關之限制之類似設計方法。此技術在通信頻寬、處理能力之領域具有限制且缺乏用於在主機應用程式與介面裝置之間通信之一標準化語言。因此，製造者設計解決方案以依共用力效應處理或「雙架構」系統之形式克服此等限制，及產生標準化應用程式設計介面(「API」)。

雙架構系統經設計以藉由將力回饋效應之控制態樣移動至介面裝置來適應通信頻寬限制以及主機PC之有限處理能力。對裝置提供一本地微處理器容許在本地進行力效應之儲存、管理及運算。進行此裝置上(on-device)方法以降低來自與往返於裝置與主機發送資料以用於運算相關聯之時間循環之延時效應。

雙架構硬體系統變為一產業標準，尤其在引入來自Microsoft公司之DirectX API之DirectInput組件的情況下。DirectInput容許標準化具有儲存及實施於一本地微處理器上之低階高頻率力效應之架構或系統，同時藉由主機應用程式運算高階監督低頻率力命令且將該等力命令傳輸至介面裝置。

此標準係部分歸因於用於PC之基於Windows之作業系統之風行而普及。因此，大多數力回饋介面裝置現基於DirectInput之能力而設計。作為 DirectX之一組件，DirectInput藉由利用程式化附加項之較低層級而容許以一標準化方式與介面裝置通信。此標準化進一步藉由產生介面硬體通用之力回饋「效應」之一組合來增強且易於藉由應用程式開發者透過API實施。API中所定義之效應係經設計以基於介面裝置之「移動」或「定位」執行之預定義條件及力之一集合。此產生操作之兩種控制模式：速率控制及位置控制。速率控制係一種抽象，其使力回饋較不直觀，此係因為在介面裝置運動與經模擬電腦實體或遊戲實體之經命令運動之間不存在直接實體映射。位置控制係指其中介面裝置之位移直接指示一經模擬電腦實體或遊戲實體之位移之一映射。儘管位置控制映射比速率控制更直觀，然其受限制，因為經模擬實體無法移動，除非使用者之介面裝置對象處於運動中。此係又一種抽象及因此對於特定應用中之力回饋技術之效能位準之另一限制。

當前，力回饋並不現實且跨裝置不一致。各種介面裝置不同地起作用且車輛模擬係藉由該等裝置控管。無論所使用之裝置為何，駕駛及車輛模擬應基於車輛特性而感到一致。因此期望將裝置校準及調整至一正規化設定以提供一致體驗。圖2展示介面裝置102與遊戲中車輛輪胎104之間的一例示性關係100。當前，該裝置102之位移106引起該等輪胎之位移108。然而，此通信110係單向的。模擬或遊戲中之事件並不引起輪胎之位移108且因此裝置102並未由於遊戲中之力而移位代替性地，僅藉由作為力回饋傳遞至裝置102之效應而移位。例如，當前若在模擬中停用力回饋，則車輪將不回應於遊戲中或模擬中事件而移動。因為力回饋係僅作為一效應提供至車輪而非提供車輛之現實控制，所以在力回饋未開啟時不使用回應於模擬中事件或條件之輪胎移動。

此係展示於圖3中，圖3展示一例示性力回饋資訊迴路300。此迴路介於主機電腦或應用程式302與介面裝置304之間。如所展示，該介面裝置304將位置資料306發送至該應用程式302。此位置資料306指示模擬中車輛或輪胎移動。該應用程式接著將力回饋命令308發送回至介面裝置304。此係不現實的，因為實際模擬中互動並不影響車輛或介面裝置移動，因此，期望完成此回饋迴路使得模擬中事件影響車輛控制及介面裝置兩者。

先前技術力回饋架構之限制由於缺乏現實性、沉浸感及整體「感覺」而在車輛模擬、遊戲及訓練應用程式中開始顯現。例如，在現實生活中，一車輛之一介面裝置(一方向盤)係一車輛轉向系統之部分，其經設計以賦予車輛之方向變化。當藉由施加旋轉力之駕駛員轉動方向盤時，該方向盤將該力轉換成藉由轉向比控管之方向盤圍繞其軸之位移。該轉向比係方向盤轉動之度數相對於前輪圍繞其等軸偏轉之度數之比。但最重要的是，轉向比亦係指示在方向盤處之使前輪圍繞其等軸偏轉所需之「力」之機械優點。因此，根據即時系統動力學施加至方向盤之力將指示前輪之位移量。且，考慮到車輛與方向盤之間之鏈路由在一閉合迴路中操作之一機械連接系統組成，轉動方向盤之因果反向同樣有效。因此，作用於前輪上引起該等前輪圍繞其等轉向軸偏轉之「力」將透過轉向系統動力學轉變成方向盤上之旋轉「位置」及「力」之一對應變化。轉向系統中之此雙向「位置及力」轉變係藉由運動學方程及車輛特定參數控管且因此並非跨所有車輛恆定。

在車輛模擬、遊戲及訓練應用程式中使用先前技術力回饋介面裝置時顯而易見之一問題係當前架構缺乏提供位置及力「兩者」之所需雙向同 時控制之能力。考慮到DirectInput模型之普及，介面硬體、韌體及主機應用程式軟體全部已藉由其限制而塑形。共用處理DirectInput模型即使具有硬體及韌體之先進組合仍受力回饋控制迴路中固有之原始基礎關係約束。在如上文所描述之圖3中提及般檢查先前技術力回饋迴路時繪示此等關係。如之前提及，DirectInput API效應之預定義集合經設計以基於介面裝置對象之「移動」或「定位」執行-其等並非經設計以「控制介面裝置對象之位置」。因此，如圖3中所展示，當前控制迴路架構不能如現實車輛模擬中所需般雙向控制。

此外，在當前模擬中，各車輛之運動學關係歸因於介面裝置動力學(慣性、摩擦、阻尼等)而相同。此等應針對各不同車輛而不同。例如，當前針對方程式汽車相對於一動力輔助SUV，施加至一介面裝置之相同力(諸如-5,000之一ConstantForce信號)將使車輪移動相同距離，此為不現實的。因此，期望針對各車輛調整裝置資料之解譯。此外，針對相同車輛，車輛動力學不應隨裝置改變，此係因為此亦影響車輛效能。在模擬中，介面裝置指示一經模擬車輛之轉向系統之移動。此係期望「位置回饋」代替傳統力回饋的原因。由一駕駛員透過方向盤或轉向柱感受之力係位置之一副產物。又，運用一ConstantForce信號，應用程式發送一力命令且旋轉係基於車輪動力學。因此，運用不同裝置，相同力命令並未提供相同結果。

在與車輛模擬、遊戲及訓練應用程式一起使用時在先前技術觸覺介面系統中顯而易見之另一問題係轉向齒條運動學及輪胎力動力學之模擬至介面裝置之「卸載」。如上所述，車輛及方向盤係具有藉由車輛特定運動學方程指示之一雙向「位置及力」關係之在一閉合迴路中操作之一機械連 接系統。然而，當前在模擬中，該關係藉由各特定介面裝置之判定該裝置對標準化API命令之回應之獨有機械動力學指示。例如，DirectInput程式庫之ConstantForce效應係具有一經定義方向、量值及持續時間之一開放迴路向量力，其具有在(-10,000與10,000)之間的一範圍。其係由主機應用程式開發者最常使用以將方向盤力之物理引擎輸出連結至介面裝置之效應。然而，發送至兩個不同製造者之介面裝置之藉由一主機應用程式輸出之針對完全相同持續時間之(-5,000)之一ConstantForce信號可由於各介面裝置獨有機械動力學(其等歸因於不同馬達、傳動裝置、慣性、摩擦、電力供應等而以不同方式輸出相同ConstantForce信號)而使一裝置之方向盤旋轉-15°且使另一裝置之方向盤旋轉-45°。

在如圖3中所展示之首先發送出一「力」需求且接著接收回一方向盤「位置」之當前力回饋迴路架構中，此可為麻煩的。若在模擬中使用相同車輛之相同應用程式產生-5Nm之一物理引擎導出力，則該力應透過車輛特定運動學轉變至藉由對應力之方向盤旋轉之定義量。然而，基於使用完全相同信號之上文實例，方向盤旋轉可取決於所使用之介面裝置改變多達-30°。介面裝置方向盤位置之此-30°變化轉變至經模擬車輛之前輪圍繞轉向軸之偏轉之(基於15：1轉向比之)一-2°變化。為強調此點，一經模擬車輛之轉向系統動力學因此可變且藉由介面裝置之機械動力學指示，從而產生並不基於現實之一系統。可期望提供一更現實及一致之系統。

車輛模擬、遊戲及訓練應用程式中之先前技術觸覺介面系統之另一缺點係將物理引擎力主觀「映射」至標準化API可接受之縮放範圍中，且其對應於介面裝置之機械動力學。主機應用程式開發者使用一物理引擎以計算力；然而，此等力通常與標準化API力範圍及尤其能夠在介面裝置上 產生之力範圍無直接相關性。缺乏映射導致力回饋限幅。例如，若一主機應用程式之物理引擎計算使方向盤圍繞其旋轉軸向「左」旋轉之一-5Nm力，則使用開發者關於DirectInput之ConstantForce效應之什麽值(即，-500或-5,000)適用於映射之裁量。此係由以下事實加劇：具有其自身獨有機械動力學之各介面裝置將以一不同方式輸出經映射之ConstantForce信號。此外，當前，車輛模擬中之主機應用程式軟體並不考慮力飽和，此係因為力分層及力飽和係未解決之一問題。

雖然先前技術力回饋介面及力回饋控制系統已嘗試在車輛模擬、遊戲及訓練應用程式中提供品質觸覺回饋，但缺少車輛特定運動學關係、缺乏介面硬體與主機應用程式軟體之間的整合及標準化力回饋應用程式介面(「API」)之限制已導致對於特定應用中之使用者仍然缺乏現實性及沉浸感。因此，可期望關於此等技術之改良及新方法。需要一種可容許主機應用程式根據其預期設計起作用而不考慮介面裝置之動力學之力回饋介面系統。需要一種可適應現有及未來控制輸入裝置且可易於連接至該等裝置或嵌入於該等裝置內之系統。最後，需要一種現實、準確、可再程式化、可擴展且最重要的是使用者易於客製化之完整系統。

本發明提供執行一模擬之各項實施例，包含：經由一介面裝置偵測使用者輸入；將輸入轉換至扭矩及位置資訊以用於轉向；將此資訊發送至一虛擬轉向齒條(「VSR」)以適於特定對象或車輛參數；組合車輛參數與模擬中資訊；及經由一連續控制迴路將新介面裝置設定點輸出至該介面裝置。

本發明係關於一種用於控制實體感覺且將該等實體感覺提供至操作 一人機介面裝置之一使用者之力回饋系統。該介面裝置連接至一控制主機電腦且包含在該介面裝置本地之一單獨微處理器。該本地微處理器接收主機命令且實施獨立控制程序。

更特定言之，根據本發明之一系統之一實施例包含本發明之用於控制由一使用者操縱之一介面裝置之一系統及方法，該系統包含用於接收一輸入控制信號及用於提供一主機命令之一主機電腦系統。該主機電腦回應於該輸入控制信號更新一主機應用程式程序。一介面裝置包含：一使用者可操縱對象，其由一使用者實體接觸且可移動；一致動器，其輸出由該使用者感覺到之力；一感測器，其偵測施加至該使用者可操縱對象之移動或力；及一裝置微控制器，其在介面設備本地且與主機電腦分離以用於處理主機命令、發送及接收感測器信號及將控制值輸出至該致動器。

該微控制器在一高頻閉合迴路控制程序中至少部分基於描述使用者可操縱對象之位置、運動或扭矩之感測器信號來管理主機命令之閉合迴路剛性位置控制與基於位置之可變柔度且將處理器控制信號輸出至致動器。可變柔度容許取決於所施加之外力自一設定點位置偏離。

本發明可使用包含於許多電腦上以使主機電腦系統與本地微處理器介接之一USB介面。一時脈較佳耦合至主機電腦系統及/或本地處理器，可針對時序資料存取該時脈以幫助判定輸出至致動器之信號。

藉由主機電腦系統更新之應用程序較佳包含可為車輛模擬、遊戲或訓練軟體等之應用程式軟體。主機電腦系統在一視覺輸出裝置(諸如一顯示螢幕)上顯示影像且使影像及視覺事件與使用者對象之位置及運動以及施加至該對象之力同步化。儘管在本發明中特定引用車輛及車輛模擬，然應理解，可以此方式控制任何經模擬對象。例如，一模擬中實體(諸如一 人)或甚至一成像實體可為經由力回饋介面裝置控制之一模擬中對象。以一例示性方式特定引用車輛。術語對象可互換地用於一車輛或該車輛之一部分(諸如一或若干輪胎)。

根據本發明之一實施例之其他創新特徵係關於透過產生根據車輛特定參數及即時、應用程式產生之遙測輸出改變之「適應性控制」來提供尤其在車輛模擬之領域中之力回饋系統之現實性、準確度及整體「感覺」之改良。

在根據本發明之一實施例之一態樣中，一創新方法提供根據模擬中之車輛對象之車輛特定參數動態調整介面裝置所需之功能性。

在根據本發明之一實施例之另一態樣中，一創新方法提供藉由將車輛特定運動力轉變成介面裝置位置設定點(在各設定點處具有對應力位準)而根據模擬中之車輛對象之車輛特定參數模擬一「虛擬轉向齒條」(「VSR」)所需之功能性。

在根據本發明之一實施例之另一態樣中，若介面裝置不能夠提供所需感測器資料，則一創新方法提供一「虛擬扭矩感測器」之功能性。

在根據本發明之一實施例之另一態樣中，一創新方法提供同時控制致動器之「位置」及「力」兩者所需之功能性。

在根據本發明之一實施例之另一態樣中，一創新方法提供使用標準化API(諸如來自Microsoft公司之DirectInput)實行閉合迴路「剛性位置控制與基於位置之可變柔度」所需之功能性。

在根據本發明之一實施例之另一態樣中，一創新方法提供用於根據模擬中之車輛對象之車輛特定參數「映射」輸入裝置之機械動力學之功能性。

根據本發明之一實施例有利地提供一種使用一模板及基於外掛程式之架構之可客製化系統。該系統係基於車輛特定運動設定之預定義模板。若基礎設定並不提供如由使用者要求之一真實身臨其境體驗，則使用者可使用一直觀軟體介面微調該等設定，藉此產生所需之所要感覺。除了客製化之外，該系統亦經設計以用於未來擴展。此係藉由使用外掛程式架構及開發者API來達成，藉此容許進一步增強、更新及增加之功能性。

將藉由參考本發明之以下[實施方式]及闡述其中利用本發明之原理之闡釋性實施例之隨附圖式來獲得本發明實施例之特徵及優點之一較佳理解。

10:力回饋系統/系統

12:力回饋介面裝置/介面裝置/裝置

18:主機電腦/電腦

20:螢幕

40:力回饋系統/系統

41:螢幕/顯示螢幕/顯示裝置

42:力回饋介面裝置/介面裝置/對象/裝置

44:連接

45:介面

46:換擋旋鈕

48:主機電腦/電腦/主機電腦系統

100:關係

102:介面裝置/裝置

104:遊戲中車輛輪胎

106:裝置之位移

108:輪胎之位移

110:通信

300:力回饋資訊迴路

302:主機電腦或應用程式

304:介面裝置

306:位置資料

308:力回饋命令

500:關係

502:介面裝置/裝置

504:遊戲中車輛輪胎

506:裝置之位移

508:輪胎之位移

510:通信

600:真力回饋資訊迴路

602:主機電腦或應用程式

604:介面裝置

606:力、壓力及位置資料/資料

608:真實力回饋命令

800:系統

801:系統

802:第一步驟

804:步驟

806:步驟

807:第三步驟

900:視圖

902:步驟

904:步驟

906:步驟

1000:系統

1002:第一步驟

1004:設置模式/設置

1006:步驟

1007:步驟

1008:步驟

1010:步驟

1012:步驟

1014:步驟

1016:步驟

1018:步驟

1100:系統

1102:虛擬轉向齒條(VSR)

1104:模擬/部分

1106:模擬/部分

1108:介面裝置

1110:介面裝置

1112:介面裝置/第三方裝置/第三方車輪

1300:方法

1301:步驟

1302:主機電腦系統/主機應用程式/模擬/應用程式/主機

1304:介面裝置

1306:部分/步驟

1308:步驟/組件

1310:步驟

1312:步驟

1314:步驟

1316:步驟

1318:步驟

1400:系統/方法/程序

1401:步驟

1402:主機應用程式/步驟

1404:介面裝置/步驟

1406:步驟

1408:步驟/組件

1410:步驟

1412:步驟

1414:模擬資料處理組件/步驟

1416:步驟

1418:步驟

1500:處置車輛參數之偵測及分析

1502:第一步驟

1504:步驟

1506:步驟

1508:步驟

1510:步驟

1512:步驟

1514:步驟

1516:步驟

1518:步驟

1520:步驟

1600:裝置起動常式

1602:步驟

1604:步驟

1606:步驟

1608:步驟

1610:步驟

1612:步驟

1614:步驟

1616:步驟

1618:步驟

1620:步驟

1622:步驟

1624:步驟

1626:步驟

1700:裝置組態程序

1702:步驟

1704:步驟

1706:步驟

1708:步驟

1710:步驟

1800:程序

1802:步驟

1804:步驟

1806:步驟

1808:步驟

1810:步驟

1812:步驟

1814:步驟

1816:步驟

1818:步驟

1820:步驟

1822:步驟

1824:步驟

1826:步驟

1828:步驟

2100:程序

2102:步驟

2104:步驟

2106:步驟

2108:步驟

2200:虛擬轉向齒條(VSR)系統

2202:步驟

2204:步驟

2206:步驟

2208:步驟

2300:虛擬扭矩感測器介面(VTSI)

2302:步驟

2304:步驟

2306:步驟

2308:步驟

2310:步驟

2312:步驟

2314:步驟

2316:步驟

2318:步驟

2320:步驟

2322:步驟

2324:步驟

2326:步驟

2328:步驟

2400:系統/虛擬車輛控制系統

2402:應用程式

2404:運動學引擎

2406:設定點

2408:介面裝置

2410:感測器

2412:物理或動畫引擎

2518:主機電腦/主機

2550:功能微處理器/微處理器

2560:感測器

2562:致動器

2580:實施方案

2582:子程序/通信程序/程序/背景程序

2584:子程序/命令程序/程序

2586:子程序/程序/感測器更新程序

2587:子程序/報告程序/程序

2588:子程序/致動器控制程序/程序

2602:步驟

2604:步驟

2702:步驟

2704:步驟

2706:步驟

2708:步驟

2710:步驟

2802:步驟

2804:步驟

2806:步驟

2808:步驟

2810:步驟

2812:步驟

2814:步驟

2816:步驟

2818:步驟

2820:步驟

2902:步驟

2904:步驟

2906:步驟

2908:步驟

2910:步驟

2912:步驟

2914:步驟

3002:步驟

3004:步驟

3006:步驟

3008:步驟

3010:步驟

3012:步驟

3014:步驟

3016:步驟

3018:步驟

圖1展示包含一主機電腦及一力回饋介面裝置之一力回饋系統；圖2係在先前技術力回饋系統中之位置控制映射之一圖式；圖3展示先前技術力回饋資訊流程之一方塊圖；圖4展示包含一主機電腦及一力回饋介面裝置之一力回饋系統之另一實施例之一透視圖；圖5係根據本發明之一實施例之一雙向力回饋系統之一圖式；圖6展示根據本發明之一實施例之力回饋控制迴路之一方塊圖；圖7展示根據本發明之一實施例之車輛控制程序之一方塊圖；圖8A展示根據本發明之一實施例之一力回饋迴路系統之一概述；圖8B展示根據本發明之一力回饋迴路系統之另一實施例之一概述；圖9展示根據本發明之一實施例之關於判定一起始設定點之一流程圖；圖10展示根據本發明之一實施例之一力回饋系統之一概述； 圖11展示根據本發明之一實施例之關於一(VSR)之輸入及輸出之一力回饋系統之一部分之一概述流程圖；圖12展示根據本發明之另一實施例之關於一VSR之輸入及輸出之一力回饋系統之一部分之一概述流程圖；圖13A展示繪示根據本發明之用於控制一力回饋介面裝置之一方法之一實施例之一流程圖；圖13B(在兩個圖表上展示為圖13B-1及圖13B-2)展示繪示根據本發明之用於控制一力回饋介面裝置之一方法之一第二實施例之一流程圖；圖14(在兩個圖表上展示為圖14-1及圖14-2)展示繪示根據本發明之用於控制一力回饋介面裝置之一方法之一第一實施例之一流程圖；圖15展示繪示根據本發明之一實施例之調整應用程式及裝置參數之一方法之一圖式；圖16展示繪示根據本發明之一實施例之裝置起動常式之一圖式；圖17展示繪示根據本發明之一實施例之裝置組態之一圖式；圖18展示繪示根據本發明之一實施例之系統識別及調諧之一圖式；圖19A展示繪示根據本發明之一實施例之車輪組態之一圖式；圖19B展示繪示根據本發明之一實施例之踏板組態之一圖式；圖19C展示繪示根據本發明之一實施例之換擋器組態之一圖式；圖19D展示繪示根據本發明之一實施例之手刹組態之一圖式；圖20A至圖20E展示繪示根據本發明之一實施例之各種介面裝置組態參數之圖式；圖21展示繪示根據本發明之一實施例之VSR設置之一圖式；圖22展示根據本發明之一實施例使用一VSR之一流程圖； 圖23展示繪示根據本發明之一實施例之一虛擬扭矩感測器介面之一流程圖；圖24展示根據本發明之一實施例之一力回饋系統之一概述；圖25係繪示根據本發明之一實施例之用於控制一力回饋介面裝置之本地微處理器之一實施方案之一方塊圖；圖26係繪示圖25之一主機通信程序之一流程圖；圖27係繪示圖25之一命令程序之一流程圖；圖28係繪示圖25之一感測器更新程序之一流程圖；圖29係繪示圖25之一報告程序之一流程圖；及圖30係繪示圖25之力演算法運算及致動器控制程序之一流程圖。

相關申請案之交叉參考

本申請案主張Chad Laurehdeau在2015年3月27日申請且標題為「SYSTEM AND METHOD FOR FORCE FEEDBACK INTERFACE DEVICES」之臨時美國專利申請案第62/139,575號及Chad Laurendeau在2016年3月16日申請且標題為「SYSTEM AND METHOD FOR FORCE FEEDBACK INTERFACE DEVICES」之非臨時美國專利申請案第15/072,235號之權利，該兩案之全文以引用的方式併入本文中。

本發明之實施例提供改良之力回饋系統。根據本發明之實施例可透過產生根據車輛特定參數及即時動態應用程式輸出而改變之「適應性控制」來改良在車輛模擬、遊戲及訓練中之力回饋系統之現實性、準確度及整體「感覺」。此等改良係使用硬體及軟體技術之一新穎組合來達成，該新穎組合使用車輛特定運動學透過與致動器控制之一獨有方法及一使用者 可客製化介面耦合之具有虛擬扭矩感測之一新穎力至位置介面來提供跨裝置之力回饋「感覺」之標準化。為針對主機控制之閉合迴路力回饋提供所需保真度，一實施例有利地在處於介面裝置本地之一處理器與主機電腦系統之間分配運算負擔，而另一創新實施例利用標準化API(諸如來自Microsoft公司之DirectInput)管理對主機電腦之控制之所需位準。在本文中描述系統之此等及其他發明方法及實施例。

本發明現將闡述各項實施例之詳細描述。此等實施例提供關於力回饋系統之方法及裝置及其設置及其系統之組態。

可用儲存於一電腦可讀媒體上或透過該電腦可讀媒體傳送之程式指令或程式碼來實施下文所描述之方法及實施例。此一電腦可讀媒體可為數位記憶體晶片或其他記憶體裝置；磁性媒體，諸如硬磁碟、軟磁碟或磁帶；或其他媒體，諸如CD-ROM、DVD、PCMCIA卡等。該等程式指令亦可透過一通道(網路、無線傳輸等)自一不同源傳輸至主機電腦或裝置(在適當情況下)。一些或所有該等程式指令亦可(例如，使用邏輯閘)實施於硬體中。在其他實施例中，可使用其他電腦、媒體、處理機構或傳輸方法。

在以下描述中，闡述許多細節以提供本發明之一透徹理解。熟習此項技術者將理解，此等特定細節之變動係可行的，同時仍達成本發明之結果。一般不詳細描述熟知元件及處理步驟以避免不必要地模糊本發明之描述。

貫穿此描述，所繪示之較佳實施例及實例應被視為範例而非對本發明之限制。如本文中所使用，術語「發明」、「裝置」、「方法」、「本發明」、「本發明裝置」或「本發明方法」係指本文中所描述之本發明之 實施例之任一者及任何等效物。此外，貫穿此文件引用「發明」、「裝置」、「方法」、「本發明」、「本發明裝置」或「本發明方法」之各種(若干)特徵並不意謂所有主張之實施例或方法必須包含該(等)經引用特徵。

亦應理解，在一元件或特徵被稱為係在另一元件或特徵「上」或「鄰近於」另一元件或特徵時，其可直接在該另一元件或特徵上或鄰近於該另一元件或特徵或亦可存在中介元件或特徵。亦應理解，在一元件被稱為「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件或可存在中介元件。相比而言，當一元件被稱為「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在任何中介元件。

諸如「外」、「上方」、「下」、「下方」、「水平」、「垂直」之相對術語及類似術語可在本文中用於描述一特徵與另一特徵之一關係。應理解，除了圖中所描繪之定向之外，此等術語亦旨在涵蓋不同定向。

應理解，在一第一元件被稱為「介於兩個或兩個以上其他元件之間」、或「夾置於兩個或兩個以上其他元件之間」時，該第一元件可直接介於該兩個或兩個以上其他元件之間或在該兩個或兩個以上其他元件之間亦可存在中介元件。例如，若一第一層介於一第二層與一第三層「之間」或「夾置於一第二層與一第三層之間」，則該第一層可直接介於該第二層與該第三層之間而無中介元件，或該第一層可鄰近於一或多個額外層，其中該第一層及此等額外層全部介於該第二層與該第三層之間。

儘管術語第一、第二等可在本文中用於描述各種元件或組件，然此等元件或組件不應受此等術語限制。此等術語僅用於區分一元件或組件與另一元件或組件。因此，下文論述之一第一元件或組件可在不脫離本發明 之教示的情況下稱作一第二元件或組件。如本文中所使用，術語「及/或」包含相關聯清單項目之一或多者之任一及所有組合。

本文中所使用之術語學僅用於描述特定實施例且並不旨在限制本發明。如本文中所使用，除非上下文另有明確指示，否則單數形式「一」、「一個」及「該」旨在亦包含複數形式。將進一步理解，術語「包括(comprises)」、「包括(comprising)」在本文中使用時指定存在所陳述之特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件，但不排除存在或添加一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其等之群組。

在本文中參考流程圖及橫截面視圖圖解(其等係本發明之實施例之示意性圖解)描述本發明之實施例。因而，組件之配置可不同且期望由於(例如)製造技術及/或公差所致之圖解之形狀之變動。此外，展示為一單數組件之組件可包含多個組件，而展示為一多組件之態樣可為一單數組件。本發明之實施例不應理解為限於本文中所繪示之特定配置、組件或區域或組件之形狀，但應包含(例如)由製造或實際使用之硬體所引起之形狀及組件之偏差。經繪示或描述為正方形或矩形之一區域通常將歸因於正規製造公差而具有圓形或彎曲特徵。因此，圖中所繪示之區域本質上係示意性的且其等形狀並不旨在繪示一裝置之一區域之精確形狀且不旨在限制本發明之範疇。

本發明之實施例可包含硬體組件及軟體組件兩者及此等組件如何一起運作，在下文單獨描述其等之各者。關於硬體，系統可包含類似於圖4中所展示之系統之一系統。在圖4中，一力回饋系統40可包含一力回饋介面裝置42及一主機電腦48。該所繪示系統40可用於一視訊遊戲、訓練程式或模擬或其他應用程式。該介面裝置42可由一使用者接觸且在一或多個 運動自由度中進行操縱。與遊戲或模擬有關之影像回應於此等操縱而顯示於該電腦48之一顯示設備(諸如螢幕41)上。在一些實施例中，該電腦可包含一顯示裝置。

電腦48可為具有代管及處理模擬或遊戲之能力之任何電腦，舉例而言，一個人電腦、工作站、視訊遊戲控制台、平板電腦、行動運算裝置或任何其他運算或顯示裝置。電腦系統可為在現代作業系統(諸如Windows^TM、OS X、Linux或其他作業系統)下操作之一個人電腦或可攜式電腦。替代性地，主機電腦系統48可為各種家用視訊遊戲系統(諸如可自Nintendo、Microsoft或Sony公司購得之系統)之一者。替代性地，該系統可為一平板電腦、智慧型電話、智慧型TV或能夠處理遊戲或模擬之其他裝置。在又其他實施例中，可將主機電腦系統構建至介面裝置42中。

運行於主機電腦48上之軟體可具有廣泛多種。例如，主機應用程式可為一模擬、視訊遊戲、虛擬實境訓練程式或應用程式或利用對象42之輸入且將力回饋命令輸出至該對象42之其他應用程式。例如，許多遊戲應用程式包含傳統力回饋功能性且可使用標準協定/驅動程式/API(諸如來自Microsoft公司之DirectXTM)與力回饋介面裝置42通信。在本文中，電腦48可被稱為顯示「圖形對象」或「電腦對象」。此等對象並非實體對象而是可藉由電腦48在一顯示螢幕41上顯示為影像之資料及/或程序之邏輯軟體單元集合，如熟習此項技術者所熟知。一經顯示車輛(諸如一汽車或一飛行器)可被視為一圖形對象。

顯示裝置41可包含於主機電腦48中或可為單獨的。一顯示裝置係能夠顯示藉由介面裝置42控制之對象之實體表示之任何物件。顯示裝置可包含標準顯示螢幕(LCD、CRT等)、3-D護目鏡或任何其他視覺輸出裝置。 通常，主機應用程式提供待顯示於顯示裝置41上之影像及/或其他回饋(諸如聽覺信號)。例如，顯示螢幕41可顯示來自一遊戲程式之影像。

如圖4中所繪示之介面裝置42係用於對運行於主機電腦48上之應用程式提供一介面。例如，由使用者接觸之一裝置42可為可在一或多個自由度中移動之一方向盤，如隨後更詳細描述。將理解，大量其他類型之對象可與本發明之方法及設備一起使用。實際上，本發明可與其中期望提供一人/機介面之任何機械對象一起使用。此等對象可包含鍵盤、滑鼠、操縱桿、踏板(包括一或複數個踏板之踏板集合)、換擋器、手刹、飛行搖桿等。儘管圖式展示一方向盤及經由一介面45連接之單獨踏板或換擋旋鈕46，但應知道此等控制可如所展示經分離、併入至一單一組件中或以其他分組分離。在此等闡釋性實施例中，關於連接44之特定形式(無論類比、數位、有線、無線等)，無特定限制旨在針對該等連接44之任一者或所有者。

此項技術中熟知如輸入裝置之一方向盤之功能性。例如，此等裝置通常包含具有用於介接機械輸入與輸出之一機械設備之一殼體。該機械設備提供裝置可用之自由度且容許感測器感測該等自由度中之移動且容許致動器在該等自由度中提供力。下文更詳細描述該機械設備。該機械設備經調適以提供資料，一電腦或其他運算裝置(諸如一微處理器)可自該資料確定對象在其在空間中移動時之位置及/或定向。接著轉譯此資訊以控制或影響一顯示器上之一影像。

系統可包含一電腦，諸如一個人電腦、工作站、視訊遊戲控制台或其他運算或顯示裝置。電腦系統通常包含一微處理器、隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、輸入/輸出(I/O)電子器件、一時脈、一顯示 裝置及一音訊輸出裝置。微處理器可包含來自Intel、AMD或其他製造者之各種市售微處理器且可為單晶片、多晶片、共處理器等。微處理器較佳擷取及儲存來自RAM及ROM之指令及其他必要資料，如熟習此項技術者所熟知。電腦系統亦可接收感測器資料或一感測器信號。此資料可自I/O裝置或別處到達。可無線或經由來自裝置或其他資訊之(若干)感測器之一匯流排接收此資訊。

時脈可包含藉由一電腦使用之一標準時脈晶體或等效組件以提供時序至藉由微處理器及電腦系統之其他組件使用之電信號且可用於提供可在判定位置/柔度值時必需之時序資訊。

感測器介面可視需要包含於電子介面中以將感測器信號轉換至可藉由微處理器及/或電腦系統解譯之信號。例如，感測器介面可自一數位感測器(諸如一編碼器)接收信號且使用一類比轉數位轉換器(ADC)轉換該等信號。替代性地，微處理器可執行此等介面功能或可將來自感測器之感測器信號直接提供至電腦系統。致動器介面可視需要連接於一裝置之致動器與微處理器之間以將來自微處理器之信號轉換成適於驅動致動器之信號。介面可包含功率放大器、開關、數位轉類比控制器(DAC)及熟習此項技術者所熟知之其他組件。替代性地，微處理器可執行此等致動器介面功能。

一介面裝置可包含感測器、致動器及其他機構。感測器感測裝置沿著一或多個自由度之位置、運動及/或其他特性且將包含表示該等特性之資訊之信號提供至微處理器。通常，一感測器經提供以用於移動一對象可沿之各自由度，或一單一複合感測器可用於多個自由度。適用於本文中所描述之實施例之感測器之實例係數位旋轉光學編碼器，其等感測一對象圍繞一旋轉軸之位置之變化且提供指示該位置變化之數位信號。線性光學編 碼器可類似地感測一對象沿著一線性自由度之位置之變化。替代性地，可使用類比感測器，諸如電位計。亦可在相對於一裝置之不同位置處使用非接觸式感測器，諸如用於偵測來自對象之磁場之磁性感測器或一光學感測器(諸如具有一射極/偵測器對之一橫向效應光二極體)。此外，可使用速度感測器(例如，轉速計)及/或加速度感測器(例如，加速度計)。此外，可採用相對或絕對感測器。

致動器回應於藉由微處理器及/或一電腦輸出之信號沿著一或多個自由度在一或多個方向上將力傳輸至對象(即，其等係「受電腦控制」)。通常，一致動器經提供以用於期望傳輸力所沿之各自由度。致動器可包含三種類型：主動致動器、被動致動器及混合致動器。主動致動器包含線性電流控制馬達、步進馬達、氣動/液壓主動致動器、一扭矩器(具有有限角度範圍之馬達)、一音圈致動器及傳輸一力至一對象之其他類型之致動器。被動致動器亦可用於致動器(諸如磁粉制動器、摩擦制動器或氣動/液壓被動制動器)及在一運動度中產生一阻尼電阻或摩擦。混合致動器包含主動致動器及被動致動器兩者之屬性。在一些實施例中，可包含一起作為一感測器/致動器對傳感器之所有或一些感測器及致動器。一致動器介面可視需要連接於致動器與微處理器之間以將來自微處理器之信號轉換成適於驅動致動器之信號。視需要，感測器介面及/或致動器介面之一些或所有功能性可併入至微處理器中，諸如用於致動器之脈衝寬度調變(PWM)控制器、編碼器處理電路等。命令值可實施為類比信號、PWM信號或輸入至致動器之其他信號。

介面裝置可為一方向盤、操縱桿、踏板或其他裝置或物品。其他輸入裝置可視需要包含於介面系統中且將輸入信號發送至微處理器及/或電 腦。此等輸入裝置可包含用於將來自使用者之輸入增補至一遊戲、模擬、GUI等之按鈕(諸如操縱桿握把上之按鈕)。又，可使用撥號盤、開關、語音識別硬體或其他輸入機構。

在本文中提供車輛特定架構之一簡要概述。關於汽車轉向系統設計，同調觸覺回饋對於駕駛實車及模擬器係至關重要的。已研究許多力回饋策略；然而，出自研究之最重要事實在於一「零扭矩」系統使駕駛變得幾乎不可能。由使用者感覺到之方向盤力係施加至輪胎之路面接觸力及轉向系統之運動配置之所得物。為增強使用者舒適度，將動力轉向系統額外添加至系統以降低使用者所需之作用力。然而，無論是手動還是動力輔助，一轉向系統需要傳達關於車輛之瞬時動力學之相關資訊。與速度及軌跡有關之此資訊係用於加強視覺及聽覺資訊以執行轉向任務。

藉由車輛及駕駛員形成之閉合迴路控制系統動態地起作用。該駕駛員透過控制輸入(諸如方向盤及踏板)及透過視覺輸入(諸如儀表板讀數及換擋燈)而與該車輛介接。作為控制器之駕駛員之能力限於控制該車輛。因此，車輛-駕駛員系統之輸出行為取決於車輛之特性。車輛之性質因此在判定車輛-駕駛員系統之抓地(road holding)行為對於外部干擾是否將保持穩定時發揮一主要作用。

因此，駕駛員之主要目標係提供車輛之方向「控制」以及維持「穩定性」。在一傳統意義上，控制可為以下兩種主要類型之任一者：開放迴路或閉合迴路。例如，開放迴路(圖3)將藉由(例如)方向盤給予車輛一初始方向且接著「放手」駕駛(假定車輛將維持其預期方向)。車輛將僅對藉由駕駛員提供之輸入作出反應且將不提供來自外部之回饋。

相比而言，一閉合迴路系統(圖6)容許駕駛員根據他自車輛獲得之回 饋或感覺進行連續控制校正，源自車輛之力被使用者感覺到且影響使用者控制。在初始輸入之後，車輛將給予某一回應，但不可能完全匹配駕駛員所需要的，因此一些校正動作係必需的。校正輸入將基於由感官線索及「感覺」組成之駕駛員之「內部模型」。感覺存在於許多層級上且一些態樣僅係主觀的，而其他態樣具有可基於車輛動力學資料而被指派數值之一科學基礎。

一使用者之感官輸入供應視覺、觸覺及慣性資訊。透過訓練及實踐，使用者獲取其等車輛在處置及效能方面之動態行為之一「內部模型」或「感覺」。此容許該等使用者回應於其等對方向盤之動作預期及繪製一未來路線。僅自視覺資訊學習此「感覺」係可行的，然而研究展示藉由相關觸覺回饋(即，轉向回饋或「作用力」)之存在來增強此學習。轉向作用力係給予關於車輛之穩定性及方向控制之使用者資訊之一重要回饋機制。

汽車競賽致力於自賽車及駕駛員提取最大效能。因此，增大任一元件之效能具有至關重要。賽車-駕駛員介面必須能夠控制及利用賽車效能改良以影響速度之增大及單圈時間之減少。因此，「最佳轉向回饋」對於駕駛員自賽車提取最大效能係必需的。

車輛與方向盤之間的鏈路由在一閉合迴路中操作之一機械連接系統組成。方向盤係經設計以賦予車輛之方向變化之一車輛轉向「系統」之部分。該車輛轉向系統係由一方向盤、一轉向柱、一或多個萬向接頭、一齒條與小齒輪以及連接至前輪之轉向拉桿組成。

當由施加旋轉「力」之駕駛員轉動方向盤時，該方向盤將該力轉換成藉由「轉向比」控管之一方向盤圍繞其軸之位移。該轉向比係方向盤轉動之度數相對於前輪圍繞其等軸偏轉之度數之比。但最重要的是，轉向比 亦係指示在方向盤處使前輪圍繞其等軸偏轉所需之「力」之機械優點。因此，根據即時系統動力學施加至方向盤之力將指示前輪之位移量。且，考慮到車輛與方向盤之間之鏈路由在一閉合迴路中操作之一機械連接系統組成，轉動方向盤之「因」及「果」反向同樣有效。因此，作用於前輪上引起該等前輪圍繞其等轉向軸偏轉之「力」將透過轉向系統動力學轉變成方向盤上之旋轉「位置」及「力」之一對應變化。轉向系統中之此雙向「位置及力」轉變係由運動學方程及車輛特定參數控管且因此跨所有車輛並不恆定。

此等方程包含變量，諸如：轉向比、轉向柱剛度、阻尼、慣性、齒條剛度及將轉向柱模型化為一可撓性元件。該等方程係熟習此項技術者所熟知的且提供用於構建用於轉向系統動力學之一健全數學模型之基礎。

為匹配現實，與車輛方向盤介面對準之一控制迴路及車輛控制程序將類似於圖5及圖6。與上文關於圖2所描述之系統相比，根據本發明之系統容許由於一介面裝置(諸如一操縱桿或方向盤)之位移引起之遊戲中之對象之位移及由於遊戲中之對象位移引起之該介面裝置之位移兩者。

先前技術系統運行於一開放迴路系統中，意謂來自介面裝置之輸入影響遊戲中對象，但遊戲中對象及互動並不影響該介面。可提供存錄(canned)輸出及效應，然而，此等僅用於效應且並不提供真力回饋。根據本發明之系統提供一閉合迴路系統，使得遊戲輸入(介面輸入)外部與遊戲中事件及對象兩者彼此影響。圖5展示介面裝置502與遊戲中車輛輪胎504之間的一例示性關係500。當前，該裝置502之位移506引起該等輪胎之位移508。與先前技術相比，此通信510係雙向的。模擬或遊戲中之事件並不引起輪胎之位移508且因此裝置502由於遊戲中之力而移位，從而導致 真力回饋，而不僅藉由作為力回饋傳遞至裝置502之效應而移位。例如，即使在模擬中停用介面裝置上之力回饋，車輪仍將回應於遊戲中或模擬中事件而移動。因為真力回饋經提供至車輪以提供車輛之現實控制，所以在力回饋開啟或未開啟時使用回應於模擬中事件或條件之輪胎移動。

本發明之一成果係提供一閉合迴路系統，其提供真力回饋。此閉合迴路系統導致對一介面裝置供應剛性位置控制同時維持可變柔度之一控制機構。與剛性或並不具有可變柔度之裝置(其等移動至一特定位置且儘管有外力仍保持於該位置中)相比，根據本發明之控制系統具有容許取決於所施加外力自其等預期位置偏離之可變柔度。例如，模仿一彈簧機構產生一位置控制之可調適彈簧。明確言之，在關於一車輛及如一方向盤之一介面裝置之一模擬之實例之情況下，作用於該車輛之輪胎上之在運動學上移動該等輪胎達一特定程度之一外力將藉此使方向盤移動至一特定設定點。然而，方向盤在該設定點處之剛度及使該方向盤自該設定點移動所需之力可取決於許多變量而顯著改變，該等變量諸如表面類型(即，沙子/礫石、鋪面、雪等)、車輛速度等及已施加至介面裝置(在此情況中為一方向盤)之反作用力。大多數力回饋系統係藉由經設計以依一抵抗方式抵著使用者互動移動之剛性電驅動裝置來致動。時常，此等驅動裝置在「失速」之一恆定狀態附近或中操作，藉此隨時間對機構引發熱及損壞。致動之柔度可防止損壞發生，從而改變虛擬彈簧之平衡點。改變一致動器之柔度之一方式係藉由一剛性致動器之軟體控制。基於外力或扭矩之量測，藉由控制器計算一特定偏差且藉由該剛性致動器設定該特定偏差。此類型之柔性致動器需要具有允許在操作期間調整柔度之一高頻率控制迴路之一致動器、一感測器及一控制器。因此，此係可變/主動柔度。

圖6中展示本發明之閉合迴路系統之一實例，其展示一例示性真力回饋資訊迴路600。此迴路係在主機電腦或應用程式602與介面裝置604之間。如所展示，該介面裝置604發送力、壓力及位置資料606至該應用程式602。此資料606指示模擬中車輛或輪胎移動且在一些情況中藉由什麽力移動。該應用程式接著將包含位置及柔度設定點資訊之真力回饋命令608發送回至該介面裝置604。此係一更現實互動迴路，因為實際模擬中互動影響車輛或介面裝置移動。介面裝置及模擬中對象位置資訊兩者之組合皆係用於判定遊戲中或模擬中對象位置而非僅介面裝置用於判定遊戲中或模擬中對象位置。在遊戲中對象位置與介面裝置位置之間產生一完整雙向迴路。更明確言之，在圖6中，力回饋控制迴路由以下各者組成：(1)主機電腦應用程式將一位置設定點(具有用於該設定點之對應柔度/剛度)發送至介面裝置；及(2)「若」由使用者輸入，則介面裝置藉由發送回力(扭矩)資料來作出回應。此控制迴路接著對準至車輛控制程序。該車輛控制程序由以下各者組成：(1)車輛基於前輪位置向駕駛員「呈現」方向盤；(2)該駕駛員接著施加力(扭矩)至該方向盤以實行車輛方向變化；(3)其中轉向系統及車輛動力學基於扭矩之一總和判定前輪之一新位置；及(4)導致轉向系統運動學判定方向盤位置、力(扭矩)、慣性及摩擦之一變化。該迴路接著回饋，其中向駕駛員「呈現」一新方向盤位置及柔度且程序再次開始。

本發明之真力回饋迴路類似於如圖7中所展示之一車輛中之一真實力回饋迴路。此控制迴路係對準至車輛控制程序。該車輛控制程序由以下各者組成：(1)車輛基於前輪位置向駕駛員「呈現」方向盤；(2)該駕駛員接著施加力(扭矩)至該方向盤以實行車輛方向變化；(3)其中轉向系統及車輛動力學基於扭矩之一總和判定前輪之一新位置；及(4)導致轉向系統運動 學判定方向盤位置、力(扭矩)、慣性及摩擦之一變化。該迴路接著回饋，其中向駕駛員「呈現」一新方向盤位置及柔度且程序再次開始。

圖8A係利用一真力回饋迴路之一系統800可如何起作用之一例示性流程圖。在第一步驟802中，針對該系統判定一起始設定點。接著，該系統偵測車輛模擬及介面裝置兩者之變化804。最後，組合步驟804中偵測之該等變化且將其等應用於車輛移動。步驟804及806繼續重複直至模擬結束。

圖8B展示一類似但替代實施例。在此實施例中，系統801之步驟802及804與圖8A中之步驟802及804相同；然而，第三步驟807略微不同。在偵測變化之後，該系統應用此等變化以影響車輛移動而且亦使用此資訊以判定該系統之新設定點。該設定點可被視為該系統之常態、零點或休息點。

圖9展示可在圖8A及圖8B之判定設定點步驟802內發生之步驟之一更詳細視圖900。首先，系統可偵測或分析與該系統一起使用之硬體902。例如，此可包含偵測哪些周邊裝置連接至一系統、明確言之偵測此等周邊裝置之各者之能力及校準此等裝置以用於預期用途。接著，該系統可偵測或分析將在模擬內使用之車輛參數904。此可包含偵測車輛物理引擎相關特性，更明確言之與轉向齒條、轉向比及其他細節有關之特性。接著，系統基於該經偵測及分析之資訊組態設定點906。

圖10展示表示利用真力回饋迴路之一系統1000可如何起作用之一流程圖。在第一步驟1002中，該系統必須通電。此可為一系統之電力開啟或僅為用以運行一特定模擬應用程式或遊戲之指令。接著，該系統鍵入可被視為一設置模式1004之內容。

在該設置模式1004內，系統必須偵測正運行之模擬是否原生於該系統或係一第三方模擬1006。此處區別在於一第三方模擬原生可能無法或不指向使用一真力回饋迴路，而是最初經產生以使用僅提供效應之一傳統力回饋系統。若此係一原生模擬，則系統進行至步驟1008。否則，系統初始化且運行一介面應用程式以介接於該系統與第三方模擬之間或在該系統與該第三方模擬之間調解1007。系統接著進行至步驟1008。在步驟1008中，系統偵測待用於模擬中之車輛及與此車輛相關聯之相關變量。接著，在步驟1010中，系統載入且組態將影響車輛與車輛控制之操作及互動之該等經偵測車輛變量。在完成模擬偵測及車輛偵測之後，系統繼續前進至包含偵測介面裝置之步驟1012。在此偵測步驟之後，系統組態介面裝置1014以與該系統一起運作。此等步驟可包含：讀取裝置以觀察其所包含之感測器類型(諸如力或扭矩感測器)；偵測裝置之不同組態；及基於先前步驟設定裝置及系統之一設定點。此外，應注意，此等步驟可基於介面裝置是否原生於系統或係第三方裝置而不同，使得將需要到處調查及臨時準備能力及感測器類型。此時完成設置1004步驟且系統進行至運行模擬。

在設置之後，在步驟1016中，系統開始處理來自(若干)介面裝置之感測器資料及模擬資料及輸出。接著組合來自該(等)裝置及模擬兩者之此資料以在步驟1018中控制該(等)裝置及模擬兩者。步驟1016及1018連續迴圈直至模擬終止。

圖11係展示根據本申請案之一實施例之一系統之組件之一例示性圖表。該系統1100包含自介面裝置(1108、1110、1112)及一模擬(1104、1106)接受輸入及輸出至該等介面裝置及該模擬之一VSR 1102。如先前所 描述，根據本發明之系統可與相關聯介面裝置1108、1110或第三方裝置1112一起使用。又，該系統可與一原生模擬(其可為包含該VSR 1102之軟體之一部分)或與第三方模擬一起使用，此將需要額外組件，諸如部分1104及1106中所展示之該等組件。如圖11中所提及，部分1104、1106之用途將取決於應用程式之類型而改變。包含作為圖12之此圖之一簡化版本，其展示使用原生模擬而非一第三方之相同系統。

如所展示，包含VSR之控制應用程式自原生介面裝置1108、1100且亦自第三方車輪或裝置1112接受壓力、位置及扭矩資料(無論原生或自感測器資料解譯)。控制應用程式及VSR亦將位置及柔度/剛度資料輸出至介面裝置以根據上文所描述之真力回饋迴路向使用者提供回饋。

在其中使用一原生模擬之實施例中，亦在含有VSR之應用程式內處理及管理模擬資料及回饋。在其中使用一第三方模擬之其他實施例中，系統可利用一疊對或介面應用程式以與第三方模擬協作。此可包含用於攔截車輛選擇資訊之一組件1106。此亦可包含用於攔截或解譯模擬資料、API及操縱桿位置資訊之一組件1104。資料可保存於記憶體映射檔案或別處中。

各種通信及處理方法可用於執行圖11及圖12中所展示之系統。例如，USB連接方法可用於系統與介面裝置之間。然而，應注意，可使用任何其他類型之通信通道，諸如藍芽或其他有線及無線連接。此外，可藉由主系統(諸如一電腦)上之處理器執行系統資料及註解之處理；然而，在其他實施例中，一些此處理可在介面裝置或獨立處理器上進行。

圖13A及圖13B係繪示根據本發明之用於控制一力回饋系統及介面裝置之一方法1300之一實施例的流程圖。力回饋系統可使用該等系統自身 用於模擬之軟體或第三方軟體來運行。此外，系統可運行於該系統自身之介面裝置及微處理器或第三方裝置及/或微處理器上。方法1300係關於一「主機控制之」實施例，其中主機電腦系統1302經由一介面裝置相容通信路徑維持閉合迴路具有可變柔度之剛性位置控制(或真力回饋)。在一些實施例中，可藉由使用標準化USB「HID/PID」裝置協定或API(諸如DirectInput，Microsoft公司之DirectXTM之一組件)提供直接、低階命令至裝置之微處理器來控制裝置。應理解，可使用其他通信方法及處理層級。

在使用通用串列匯流排(「USB」)標準之實施例中，大多數裝置並不一定需要廠商特定驅動程式。USB定義許多「裝置類別」，該等「裝置類別」定義屬於此類別之裝置之行為。在處置輸入裝置時之主要類別係「HID」(人類輸入裝置)。舉例而言，HID裝置係滑鼠、鍵盤及遊戲控制器。然而，HID裝置並未經設計以實施力回饋。因此，產生呈「PID」(實體互動裝置)類別之形式之HID類別之一延伸以定義力回饋裝置之能力及標準。PID類別裝置具有展示其等輸入/輸出用途之一「描述符」。「用途」係表示描述一裝置之某一態樣之資訊之來自HID規格之一術語。PID用途藉由輸出功能性延伸HID用途使得一裝置可通知主機其可對介面對象賦予之力或「效應」。

為在基於Windows之環境中賦予此等「效應」，DirectX中之DirectInput API已成為用於控制PID之標準。DirectInput定義一組「效應」，該組「效應」之各者具有其特定參數。硬體廠商可增加當前定義之標準DirectX效應，以容許開發者在力回饋之領域中利用更特定裝置能力。此方法係非常靈活的，然而很少使用，因為開發者不想使其等應用程 式限於僅運行於一特定裝置上而是運行於儘可能多的裝置上。藉由DirectInput定義之標準效應足夠有力以滿足一些需求，因此幾乎不使用廠商定義之效應。當前定義之「標準DirectInput力」及其等參數係如下文描述且可分成兩個群組：僅輸出；及在一回饋迴路內之效應。該等標準DirectInput力係以下者：恆力：此係最簡單類型之力。其表示具有一方向及一量值、視需要具有用以隨時間調變力之一包絡之一力向量。在下文描述該包絡效應。恆力效應係僅輸出效應。漸增力：一漸增力係第二最簡單力類型。一漸增力係定義為一可變恆力。漸增力具有一開始及結束量值而非具有一恆定量值且在效應之重播時間之持續時間期間在此兩端之間執行一線性掃掠。如同恆力，該漸增力具有一方向及視需要具有一包絡。漸增力效應係一僅輸出效應。週期性：DirectInput定義全部屬於週期性效應類型之群組之許多非常類似的效應。此等力表示不同週期性波形。所有該等週期性波形具有相同參數：頻率、相位、方向、量值及視需要一包絡。可用波形係：方波、正弦波、三角波、鋸齒上行(sawtooth up)波及鋸齒下行(sawtooth down)波。週期性效應係一僅輸出效應。客製力：類似於週期性，一客製力係一週期性波形。與規則週期性相比，一客製力並不具有一預定義波形；而是，應用程式藉由指定曲線上之所有相關點來定義波形之外觀，很像一聲音樣本。該客製力具有與一週期性相同之參數。客製力效應係一僅輸出效應。彈簧：彈簧力施加回應於自一經定義中心點之偏轉線性改變之一力。阻尼器：一阻尼器很像一彈簧；差異在於其並不作用於自一中心之一偏轉(距離)而是作用於與一參考點之一速度差。慣性：又，慣性非常類似於阻尼器及彈簧，只是其作用於控制器之加速度。摩擦：摩擦係一效應，其中操縱桿一經移動，便發揮一力。

DirectX經設計以用於及針對遊戲開發者以容許其等直接及藉由較少附加項與現有硬體通信，而不必明確考慮硬體特定參數。DirectX可被視為硬體之一最小抽象。在遊戲/模擬(應用程式)與硬體之間存在裝置驅動程式，該等裝置驅動程式實現用於其等特定硬體之抽象。

圖13A及圖13B展示簡化及更詳細流程圖，該等流程圖展示控制真力回饋系統及相關聯介面裝置之一方法1300。系統以通電之初始步驟1301開始。一旦通電，可見處理及控制接著分成兩個理論分支：主機應用程式/模擬1302及(若干)介面裝置1304。應理解，在其中主機應用程式原生於介面裝置之一組態中，可組合此等分支。該主機應用程式1302可包含模擬自身或可與視需要如藉由部分1306展示之一外部模擬介接。不管如何，該方法藉由以下步驟繼續：同時偵測或分析車輛參數1308；識別並組態介面裝置1310；及透過裝置介面處理資料1312，接著進行介面裝置控制計算1314。接著，將此等步驟之輸出發送回至與(若干)介面裝置1304協作之主機應用程式1302。該(等)介面裝置1304處理介面裝置感測器1316且藉由基於該感測器處理及來自主機應用程式1302之輸出而將信號及指令發送至介面裝置1318馬達及致動器來實體控制該介面裝置。

在圖13B中之組件之各者內展示更多細節。在其中程序開始於步驟1301之方法1300中對此進行繪示。在步驟1301中，例如，藉由一使用者啟動電力開關來給主機應用程式1302及介面裝置1304通電。在步驟1301之後，程序分支成兩個平行程序。一程序係實施於主機電腦系統或應用程式1302上，且另一程序係實施於與該(等)介面裝置1304相關聯之本地微處理器上。

在主機應用程式1302程序中，處理一應用程式。此應用程式可為一 模擬、視訊遊戲、訓練程式或其他程式。可在一輸出顯示螢幕上對一使用者顯示影像且可呈現其他回饋(諸如音訊回饋)。此步驟亦可判定使用一第三方模擬或一原生模擬。若利用一第三方模擬，則處理選用步驟1306。

再次參考該(等)介面裝置，兩個分支離開介面裝置1304以指示存在同時運行之兩個程序(多任務)。在一程序中，實施步驟1316，其中接收、處理感測器資料且將其發送至主機。本地處理器可自感測器連續接收信號，處理原始資料且將經處理之感測器資料發送至主機。如本文中引用之「感測器資料」可包含自偵測一或多個介面裝置在一或多個自由度中之運動之感測器導出之位置值、速度值及/或加速度值。此外，在步驟1316中亦可藉由主機接收自其他輸入裝置接收之任何其他資料作為感測器資料，諸如指示已由使用者啟動一介面裝置上之一按鈕之信號。最後，術語「感測器資料」亦可包含值之一歷史，諸如先前經記錄及儲存以計算在一或多個自由度中施加至介面裝置對象之一速度或扭矩之位置值。當然，主機亦使用感測器資料作為用於主機應用程式之輸入以相應地更新該主機應用程式。介面裝置實施與上文所描述之主機電腦程序平行而自步驟1301分支且開始於步驟1304之程序。更詳細言之，藉由自感測器讀取原始資料(感測器讀數)之處理器實施步驟1316。此原始資料較佳包含描述使用者對象沿著經提供之自由度之位置之位置值。感測器係提供描述自讀取最後位置以來之位置變化之位置值之相對感測器。處理器可藉由自一經指定參考位置量測相對位置來判定絕對位置。在替代實施例中，感測器可包含用於提供介面裝置之原始速度及加速度值之速度感測器及加速度計。在步驟1316中讀取之原始資料亦可包含諸如來自介面裝置之一經啟動按鈕或其他控制件之其他輸入。

在步驟1316中讀取感測器資料之後，處理器繼續進行至步驟1318，其中來自平行程序之步驟1314之傳入感測器資料或新位置/柔度命令更新管理介面裝置之「位置及柔度」值之「低階」HID/PID介面裝置控制迴路。在步驟1314完成之後，步驟1314輸出DirectInput API ConstantForce命令至介面裝置之微處理器。此ConstantForce命令通常包含根據上文所描述之參數判定之一方向及量值。在未利用DirectX之其他實施例中，其他變量及方法可用於傳遞力、位置及柔度變量。程序接著返回至與1302通信之步驟1304使得主機可回應於使用者對裝置之操縱及經接收之任何其他使用者輸入而更新應用程式且判定在平行程序中是否需要改變及應用位置及柔度值。此等步驟係實施於自本地處理器讀取資料且更新介面裝置位置及柔度值之一連續迴路中。

源自主機1302之步驟係與主機電腦或應用程式判定位置/柔度命令以對操縱介面裝置之使用者提供力回饋之程序有關。若使用一第三方模擬，則接下來方法以步驟1306繼續，在該步驟1306中一單獨應用程式/副常式自主機或該第三方模擬讀取原始資料且將其儲存於一可共用記憶體映射檔案(「MMF」)資料結構中。此資料結構提供對資料之無縫及快速存取。其亦容許儲存資料，此並非模擬應用程式之一能力。此程序提供在不引發主機應用程式中之延時的情況下將資料「供應」至主機應用程式下游之其他應用程式之能力。此對於最大主機應用程式效能係關鍵的。例如，一單獨應用程式/副常式自MMF檔案讀取原始資料且根據一組運動學演算法處理該原始資料。該等演算法經預定義及標準化但特定組態變量係車輛特定的且有助於準確判定用於使用力至位置介面(在本文中被稱為「F2PI」)之使用者介面裝置之位置/柔度值。

在步驟1312及1314中，進行介面裝置是否需要位置/柔度之一變化之一判定。若當前不需要位置/柔度之變化，則程序返回至主機以更新主機應用程式且返回至介面裝置以再次開始處理迴圈直至需要位置/柔度之此一變化。當需要此一變化時，實施步驟1314中之介面裝置控制計算，其中一主機電腦判定待發送至介面裝置之本地微處理器之適當DirectInput API ConstantForce命令。

在步驟1312中，若適用，則可處理至感測器資料中之經接收原始資料。例如，此處理可包含兩個步驟：自原始位置資料運算速度及/或加速度值(若需要速度及/或加速度來運算力)；及過濾經運算之速度及加速度資料。自經接收之原始位置資料及經儲存之位置及時間值運算該等速度及加速度值。較佳地，許多位置值及對應於何時接收該等位置值之時間值可儲存於應用程式或裝置中。可使用經儲存之位置資料及時序資料來運算速度及加速度，如熟習此項技術者所熟知。接著可過濾該等經計算之速度及/或加速度值以自該資料移除雜訊(諸如由介面裝置之位置之快速變化引起之可導致速度計算之大尖波)。因此，所描述實施例中之感測器資料包含位置、速度、加速度及其他輸入資料。在一替代實施例中，電耦合至處理器但與該處理器分離之電路可接收原始資料且判定速度及加速度。例如，一特定應用積體電路(ASIC)或離散邏輯電路可使用計數器或類似者來判定速度及加速度以節省微處理器上之處理時間。此原始資料可在介面裝置或主機應用程式上進行處理。此將需要主機過濾且運算來自位置資料之速度及加速度。因此，較佳的是介面裝置進行此處理以降低在主機上執行之處理量。

在其他實施例中，可在主機上執行過濾而可在介面裝置上執行速度 及加速度計算。又，在使用速度及/或加速度感測器以提供原始速度及加速度資料之實施例中，可省略速度及/或加速度之計算。

步驟1318係與介面裝置之處理器控制該介面裝置上之致動器或其他裝置以提供藉由主機計算之力有關。此藉由檢查是否已接收一命令而開始。若未接收，則程序繼續檢查此一力命令。當已接收一力命令時，介面裝置之處理器輸出一低階處理器力命令至經指定之致動器以將輸出力設定至所要量值、方向等。此力命令可等效於來自主機之經接收DirectInput API ConstantForce命令或視需要轉換至可藉由致動器使用之一適當形式(或致動器介面可執行此轉換)。程序接著返回檢查另一力命令。

此外，一清除命令可用於主機。此命令可包含指定特定自由度之一參數且容許主機電腦取消該指定自由度中之全部命令/力。此容許在施加其他命令/力之前移除命令/力。

又，可提供一組態主機命令。此命令最初可設置介面裝置以接收特定通信參數並指定哪一輸入及輸出將用於一特定應用程式，例如，主機可指示一本地微處理器以將特定資訊報告給主機電腦及報告該資訊之頻率。例如，一主機電腦或應用程式可指示一微處理器以報告來自特定自由度之位置值、來自介面裝置之特定按鈕之按鈕狀態及在何種程度上報告主機出現之錯誤。亦可藉由主機將一「請求資訊」命令或列舉發送至介面裝置以接收在製造時儲存於介面裝置上之資訊(諸如序列號、型號、樣式資訊、校準參數及資訊、感測器資料之解析度、力控制之解析度、沿著經提供自由度之運動範圍等)。此資訊對於主機可為必要的使得可針對介面裝置之特定類型調整及客製化該主機輸出至本地處理器之命令。例如，此資訊將在裝置識別及組態期間在步驟1310中處理。此係與步驟1308中之車輛參 數識別及組態及與在步驟1312及1314中處理VSR及介面裝置計算有關之步驟並行執行。可在一請求命令之後將介面必需之其他資訊提供至主機，該等其他資訊諸如廠商識別、裝置類別及電力管理資訊。

圖13A及圖13B係指經組態以與第三方介面裝置或原生介面裝置一起運作之系統。圖14描繪一類似系統1400；然而，此系統經特定組態以與無需額外步驟以適應額外處理或解譯來自各種第三方裝置之資料之原生介面裝置一起運作。該系統以通電1401開始。接著在主機應用程式1402及介面裝置1404內執行平行程序。

該主機應用程式1402必須偵測一第三方模擬或原生模擬是否正在運行且藉此選取以針對第三方應用程式運行選用步驟1406或直接進行至步驟1408及1412。步驟1406用於讀取與該第三方應用程式有關之資料檔案且解譯此等資料檔案，使得主機應用程式可在某種意義上操作為主機應用程式與第三方模擬之間的一中間物。接著，系統藉由處理車輛參數偵測及分析1408繼續進行以將該系統校準至特定車輛參數。同時，主機透過裝置介面(諸如VSR)、虛擬扭矩感測器及其他此等虛擬化來處理資料。接著將此資料發送至模擬資料處理組件1414，該模擬資料處理組件1414計算是否需要位置或柔度之一變化，判定此等變化且將資料發送至主機應用程式、模擬及介面裝置使得該模擬及該裝置必須維持一閉合真力回饋迴路。

在此等程序期間，介面裝置運行平行程序以識別、組態裝置及為該裝置選設定點1410且亦處理裝置感測器資料1416並提供實體裝置控制1418。

可關於另一實施例更特定描述圖14。圖14係繪示本發明之用於控制一力回饋系統之一方法1400之一第一實施例之一流程圖。方法1400係關 於一「混合控制之」實施例，其中一主機電腦系統藉由提供高階命令至一微處理器來維持對介面裝置之閉合迴路位置與可變柔度控制，且該微處理器根據該等高階命令使用感測器及致動器獨立管理低階閉合迴路控制以達成及維持介面裝置對象之所需位置及對應柔度。

圖14之「混合控制之」實施例經設計以用於高速通信介面(諸如USB)；然而，因為使用一本地微處理器可舒解來自主機處理器之大部分運算負擔，所以其亦適用於低速通信匯流排。

程序開始於1401。在步驟1401中，例如，藉由一使用者啟動電力開關來給主機電腦系統及介面裝置通電。在步驟1401之後，程序1400分支成兩個平行(同時)程序。一程序係實施於主機電腦系統上，且另一程序係實施於本地微處理器上。此兩個程序在不同方向上從步驟1401分支以指示此同時性。

在主機電腦系統程序中，首先實施其中處理或更新一應用程式之步驟1402。此應用程式可為一模擬、視訊遊戲、訓練程式或其他程式。可在輸出顯示螢幕上對一使用者顯示影像且可呈現其他回饋(諸如音訊回饋)。在步驟1402之後，若主機應用程式並非系統之一部分而代替性地為一第三方應用程式，則可執行選用步驟1406。

在一程序中，實施步驟1412，其中藉由主機電腦自一本地微處理器接收感測器資料。如下文在微處理器程序中詳述，本地處理器自感測器連續接收信號，處理原始資料且將經處理之感測器資料發送至主機電腦。替代性地，本地處理器將原始資料直接發送至主機電腦系統。如本文中引用之「感測器資料」可包含自偵測一對象在一或多個自由度中之運動之感測器導出之位置值、速度值及/或加速度值。此外，在步驟1418中亦可接收 自其他輸入裝置接收之任何其他資料作為感測器資料，諸如指示已由使用者啟動介面裝置上之一按鈕之信號。最後，術語「感測器資料」亦可包含值之一歷史，諸如先前經記錄及儲存以計算在一或多個自由度中施加至介面裝置對象之一速度或扭矩之位置值。

在步驟1416及1418中讀取感測器資料之後，程序返回至步驟1402，在該步驟1402中主機電腦系統可回應於使用者對對象之操縱及在步驟1416及1418中接收之任何其他使用者輸入而更新應用程式且判定在步驟1414中之平行程序中是否需要改變位置及柔度值及將其等應用於對象。步驟1416及1418係實施於自本地處理器讀取資料之一連續迴路中。

兩個分支離開步驟1402/1406以指示在主機電腦系統上存在同時運行之兩個程序(多任務)。來自步驟1402之第二分支係與主機電腦判定位置/柔度命令以對操縱對象之使用者提供力回饋之程序有關。該第二分支在步驟1412之後以步驟1414繼續，在該步驟1414中一單獨應用程式/副常式自主機應用程式讀取原始資料且將其儲存於一可共用記憶體映射檔案(MMF)資料結構(熟習此項技術者易於理解之虛擬記憶體中之一可定址空間)中。此資料結構提供對主機應用程式資料之無縫及快速存取。其亦容許儲存資料，此並非主機應用程式之一能力。此程序提供在不引發主機應用程式中之延時的情況下將資料「供應」至主機應用程式下游之其他應用程式之能力。此對於最大主機應用程式效能係關鍵的。

透過步驟1414，一單獨應用程式/副常式自MMF檔案讀取原始資料且根據一組運動學演算法處理該原始資料。該等演算法經預定義及標準化，但特定組態變量係車輛特定的且有助於準確判定用於使用力至位置介面(在本文中被稱為「F2PI」)之使用者介面裝置之位置/柔度值。

在步驟1414中判定介面裝置是否需要位置/柔度之一變化。若在步驟1414中當前無需位置/柔度之變化，則程序返回至步驟1402以更新主機應用程式且返回至步驟1414以再次開始處理迴圈直至需要位置/柔度之此一變化。當需要此一變化時，實施步驟1414，其中主機電腦判定待發送至介面裝置之本地微處理器之適當位置/柔度命令。

將經判定之一位置/柔度命令輸出至一微處理器。此位置/柔度命令通常包含根據上文所描述之參數判定之一位置/柔度值。程序接著返回至步驟1402以處理/更新主機應用程式。

程序繼續，其中主機電腦檢查是否應輸出一不同位置/柔度命令，如藉由上文所描述之參數判定。若是，則判定及輸出一新位置/柔度命令。若無需位置/柔度之變化，則主機電腦不發出另一命令，此係因為微處理器繼續回應於最後位置/柔度命令而管理致動器之低階控制迴路(替代性地，即使無需位置/柔度之變化，主機電腦亦可繼續輸出命令)。取決於步驟之參數，可根據相同程序或一不同程序來判定在步驟中輸出之後續力命令。

此外，主機電腦較佳透過一使用者對象上之位置/柔度使與主機應用程式有關之任何適當視覺回饋、聽覺回饋或其他回饋與力之施加同步化。例如，在一視訊遊戲應用程式中，視覺事件(諸如一顯示螢幕上與使用者碰撞之一對象)之起始或開始應與對應於該等視覺事件或與該等視覺事件互補之由使用者感覺到之力之起始或開始同步化。

本地微處理器實施與上文所描述之主機電腦程序平行而自步驟1401分支且開始於步驟1404之程序。在步驟1404中，啟動介面裝置。例如，可在主機電腦與介面裝置之間發送信號以確認該介面裝置現處於作用中。 自步驟1404，兩個程序分支以指示在本地處理器上存在同時運行之兩個程序(多任務)。

在一程序中，實施步驟1416，其中處理器自感測器讀取原始資料(感測器讀數)。此原始資料較佳包含描述使用者對象沿著經提供之自由度之位置之位置值。在一項實施例中，感測器係提供描述自讀取最後位置以來之位置變化之位置值之相對感測器。處理器可藉由自一經指定參考位置量測相對位置來判定絕對位置。在替代實施例中，感測器可包含用於提供對象之原始扭矩、速度及加速度值之扭矩感測器、速度感測器及加速度計。在步驟1416中讀取之原始資料亦可包含其他輸入，諸如來自介面裝置之一經啟動按鈕或其他控制件之輸入。

若適用，則步驟1416藉由處理器將經接收之原始資料處理成感測器資料而繼續。在一項實施例中，此處理包含兩個步驟：自原始位置資料運算速度及/或加速度值(若需要速度及/或加速度來運算力)；及過濾經運算之速度及加速度資料。自步驟1416中接收之原始位置資料及經儲存之位置及時間值運算該等速度及加速度值。較佳地，處理器儲存許多位置值及對應於何時接收該等位置值之時間值。處理器可使用其自身或一本地系統時脈來判定時序資料或一共同時脈。可使用經儲存之位置資料及時序資料來運算速度及加速度，如熟習此項技術者所熟知。接著可過濾該等經計算之速度及/或加速度值以自資料移除雜訊(諸如由對象之位置之快速變化引起之可導致速度計算之大尖波)。因此，所描述實施例中之感測器資料包含位置、速度、加速度及其他輸入資料。在一替代實施例中，電耦合至處理器但與該處理器分離之電路可接收原始資料且判定速度及加速度。例如，一特定應用積體電路(ASIC)或離散邏輯電路可使用計數器或類似者 來判定速度及加速度以節省微處理器上之處理時間。

在此程序期間，處理器檢查是否已自感測器或其他輸入接收扭矩感測器資料。若不存在扭矩感測器且因此未處理任何資料，則處理器讀取位置感測器資料並透過位置至力介面(在本文中稱為「P2FI」)處理該位置感測器資料，藉此產生一虛擬扭矩感測器(在本文中稱為「VTS」)資料串流。在藉由P2FI使用VTS時，將介面對象位置位移資料轉譯成在主機應用程式中模擬之車輛之適當對應介面對象扭矩值。在不存在扭矩感測器之替代實施例中，VTS亦可藉由使用「電流感測」來量測施加至致動器之力。此等計算可發生在1412內。當已接收真實或虛擬扭矩感測器資料時，處理器進行至用於處理之步驟1414，其包含兩個步驟：將車輛特定扭矩值映射至介面裝置之對應位移；接著將介面對象位移轉換成一USB HID操縱桿輸入。在實施其中處理器將經處理之感測器資料發送至主機電腦之此等步驟1414之後，處理器接著返回至步驟1416以讀取原始資料。因此連續實施步驟1414、1416及1418以將電流感測器資料提供至主機電腦系統。

來自步驟1404之第二分支係與處理器控制致動器以將剛性位置控制及藉由主機電腦計算之對應柔度提供給對象有關。第二分支以其中處理器檢查是否已經由匯流排自主機電腦接收一高階位置/柔度命令之步驟1414開始。若未接收，則處理器繼續檢查此一位置/柔度命令。當已接收一位置/柔度命令時，處理器藉由至指定致動器之低階命令來維持介面裝置之位置及對應柔度之閉合迴路控制。程序接著返回至開始步驟1414以檢查來自主機電腦之另一位置/柔度命令。

步驟1408及1401係指設置程序。步驟1408係與設置車輛特定參數有 關且步驟1410係關於設置介面裝置自身。

圖15係展示處置車輛參數之偵測及分析1500之組件1308及1408之一更詳細視圖之一實施例的一流程圖。在第一步驟1502中，自模擬讀取車輛組態檔案。接著1504，根據此組態檔案調整應用程式參數。例如，調整VSR。在此之後，列舉經連接裝置1506且查找裝置能力1508。以下步驟係關於該(等)裝置是否可組態來進行判定1510。若該(等)裝置不可組態，則完成設置。若該(等)裝置可組態，則比較裝置組態與組態之車輛參數1512。接著，若此比較1514揭示無需任何組態，則完成設置。若需要組態，則調整該組態1516。最後，系統偵測一可組態微處理器是否可用1518且若可用，則發送組態命令至此微處理器1520，以完成系統設置之此部分。

圖16至圖18展示在圖13A、圖13B及圖14之裝置識別及組態步驟1310、1410中陳述之程序之一實施例之詳細視圖。

圖16展示描繪裝置起動常式1600之一實施例之一流程圖。該常式以列舉裝置1602開始。接著，讀取裝置描述符及識別符1604、1606。在此等步驟之後，系統檢查此等裝置是否在裝置資料庫中1608。若此等裝置不在裝置資料庫中，則藉由產生一設定檔1610將裝置添加至該資料庫。一旦找到或產生一裝置設定檔，則系統確定是否必須測試裝置範圍1612。若是，則測試範圍限制1614。若已知或測試範圍，則系統藉由找到裝置之中心1616、藉由判定該中心1618或設定手動中心1620、1622而繼續進行。接著，系統檢查裝置之識別及調諧是否係必需的1624且結束或進行至在圖18中更詳細展示之該程序1626。

圖17描繪裝置組態程序1700之一實施例。首先，系統判定是否已接 收一裝置組態1702。若是，則系統進行至將裝置移動至起動位置之最後步驟1710。若否，則系統處理裝置組態1704，諸如調整車輪、換擋器、踏板及手刹。接著，若需要，則將該調整或組態儲存於(例如)一微處理器或一資料儲存系統上1706。接著，系統亦可儲存裝置實體控制參數1708。此等可為致動器控制參數或其他移動特定控制參數。最後，系統繼續進行以將該(等)裝置移動至起動位置或初始位置中1710。

圖18描繪系統識別及調諧之一程序1800(其為裝置組態及設置程序之一部分及圖16之程序之一部分)之一實施例。在第一步驟中，系統獲得及/或讀取(若干)裝置設定檔1802。接著，系統判定該等裝置是否在資料庫中1804。若是，則系統接著視需要重新調諧裝置動力學1806。接著，系統可判定1808是否自動重新調諧1812或經由使用者手動重新調諧1810。在自動重新調諧期間，系統運行一動力學測試1812，其由以下各者組成：運行馬達測試1814；計算系統參數1816；及將此等系統參數(使用者或自動參數)儲存於一資料庫中1818。若該(等)裝置動力學係在該資料庫內，則系統代替性地繼續進行以評估是否存在裝置基值1820。若存在，則系統接著繼續進行至相同動力學測試1812。若不存在，則可向使用者查詢裝置參數(諸如馬達電壓或電力供應器規格)1822。使用者可輸入此等1824、1826或結束程序，以觸發動力學測試1812或設定裝置調諧旗標1828。

一些例示性系統識別測試可包含馬達或系統測試，諸如速度相對於電壓、自旋加速(spin-up)/自旋減速(spin-down)、刹車摩擦扭矩或步階輸入電壓。該等測試亦可包含參數識別測試，諸如對於傳送功能計算馬達或系統參數、曲線擬合測試輸出；計算速度/扭矩斜率；計算失速(最大)扭 矩；驗證失速電流；計算效率；計算機械及電時間常數；計算角加速度(最大)；對於最大扭矩計算峰值電流；及對於電力供應能力計算扭矩。

圖19A至圖19D描繪用於各種裝置之各種組態常式之各項實施例。圖20A至圖20E展示一些此等裝置之各種組態參數。

圖21至圖23描繪系統之VSR及虛擬扭矩感測器介面(「VTSI」)組件之實施例及使用。此等組件回應於模擬而計算及輸出裝置設定點及柔度或剛度且亦量測或計算裝置上之扭矩以影響該模擬。明確言之，圖21陳述用於設置VSR之一程序2100之一實施例。在第一步驟中，系統偵測特定車輛轉向系統參數2102。接著，系統基於此等參數計算轉向旋轉2104。在此之後，系統偵測(若干)介面裝置能力(諸如力、摩擦、慣性)2106。最後，系統將參數映射至介面裝置2108以產生一VSR。

圖22描繪VSR系統2200之一實施例之一更詳細視圖。該系統以計算車輛動力學2202開始。系統之此部分評估當前變量及狀態。其以自主機應用程式拉取或讀取資料開始。此可為一相關聯模擬、一第三方模擬或一專屬軟體。資料可呈任何種類之檔案或格式，但在一些情況中可提取原始資料。接著，除非提供動力學自身，否則基於此原始資料計算車輛動力學。在車輛動力學計算之後，計算總輪胎及大王銷力(king pin)。接著，計算繼而可用於判定柔度或剛度之基礎力。在結束計算車輛動力學2202之後，系統讀取VTSI(或虛擬扭矩感測器)輸出2204。在圖23中更詳細描述此步驟。

系統接著計算車輛運動學2206，其中組合車輛動力學與VTSI輸出。在此部分中，可直接使用介面裝置位置使得計算或藉由使用扭矩計算淨位置來間接計算裝置及車輛方向盤位置。接著，採用VSR來計算新方向盤位 置，應用轉向減速比且計算虛擬車輛上之輪胎角度或度位移。最後，系統計算且輸出介面裝置控制2208。此藉由計算轉向鎖之百分比而開始。此百分比係按比例調整為取決於所使用之裝置之類型之一百分比。接著，計算裝置輸入，諸如位置。最後，輸出介面裝置位置及柔度(或剛度)。

圖23更詳細展示將用於一VSR系統內之一VTSI 2300之一實施例。由於VSR需要來自介面裝置之扭矩及位置資訊，所以若介面裝置不具有扭矩感測器及位置感測器兩者，則可期望產生此資訊。此例示性VTSI藉由自介面裝置接受或接收感測器資料2302且應用車輛參數2304來運作。接著，將來自裝置之扭矩資料(若可用)並行轉換成位置資料(2306、2310、2314、2318、2322)；將位置資料(若可用)並行轉換至扭矩資料(2308、2312、2316、2320、2326)；及自此等之組合計算大王銷扭矩2324。

應用VTSI之車輛參數2304係關於(例如)應用圖20A中所展示之車輪組態參數或其他組態參數，此係因為該等參數係關於車輛轉向模型。在一般實踐中，車輛具有控管系統如何反應、作出回應及向駕駛員呈現一介面之一組設計意圖運動學方程。車輛亦依靠其如何基於所使用之實體組件及其等總成來呈現該介面。但最重要的是，各系統可藉由轉向類型、轉向比及隨附系統動力學(諸如慣性、摩擦及阻尼)特性化。

此等因數有助於藉由透過方程應用與車輛模型有關之參數來(例如)自位置判定扭矩，該等方程計算，例如，若駕駛員使方向盤旋轉「x」度，則考慮到給定轉向系統動力學(諸如慣性、摩擦、阻尼及齒條剛度)，將需要駕駛員施加之扭矩之「y」量以達成該位移。因此，可自此資訊判定一駕駛員方向盤扭矩值。在系統將使虛擬系統連接至一實體及現實世界體驗或車輛時，此等轉換對於將體驗自虛擬轉變至現實及將體驗自現實轉變至 虛擬可為至關重要。

若扭矩資料可自介面裝置獲得2306，則此係用於自方向盤處之扭矩計算大王銷扭矩2310。接著，基於該大王銷扭矩計算方向盤位移2314且計算前輪位移或位置2318。此程序容許計算駕駛員方向盤位置2322。

若位置資料可自介面裝置獲得2308，則此係用於基於方向盤位移計算大王銷扭矩2312。接著，基於該大王銷扭矩計算方向盤扭矩2316，且計算方向盤扭矩2320。此容許計算駕駛員方向盤扭矩。輸出經由方向盤扭矩計算2310或經由方向盤位移計算2312之大王銷扭矩作為大王銷扭矩變量2324。此程序容許計算駕駛員方向盤位置、駕駛員方向盤扭矩及大王銷扭矩，無關於介面裝置是否僅具有用於位置、扭矩或兩者之感測器。藉此，產生一程序，其產生一虛擬扭矩感測器。接著將駕駛員方向盤位置、駕駛員方向盤扭矩及大王銷扭矩資料輸出回至系統之其餘部分以用於控制車輛及介面裝置，如關於VSR所描述。

圖24展示根據本發明之一實施例之一例示性系統2400之一般概述。圖24之虛擬車輛控制系統2400包含可為一模擬或視訊遊戲之一應用程式2402。該應用程式2402與控制VSR之一運動學引擎2404通信。該運動學引擎2404判定經傳送至介面裝置2408之用於各時脈循環之一設定點2406。該介面裝置2408包含感測器2410。將來自當前時脈循環之介面裝置資訊及感測器資訊傳回至運動學引擎以接著計算下一設定點。運動學引擎與一物理或動畫引擎2412通信且使運動學資訊(包含來自裝置及感測器之輸出及此等如何影響車輛)與應用環境之物理規則組合，從而將此資訊輸出回至應用程式或模擬以顯示車輛。

系統之其他特徵包含介面裝置之剛性位置控制。在系統偵測及輸出 位置時，減小介面裝置之各時脈循環(連續產生一恆定迴路及計算)及失速狀態，不同於指示裝置在一特定時間量期間施加一力(無論在該時框期間發生什麽)之傳統系統。一傳統系統可指示一介面裝置車輪在一特定方向上自旋持續一特定時間量，無論中介事件或使用者互動如何。此等系統等待使用者停止產生馬達之一失速之力。當前系統在各時脈循環使用位置控制，因此車輪移動至一特定位置且接著降低電流以保持此位置。藉此，永遠無法達成一失速狀態。此外，系統亦基於使用者互動重新計算位置且亦以此方式減少失速。減少一失速狀態之頻率係重要的，因為其可減少馬達磨損及熱。

此外，在其他實施例中，使用者可設定對於轉向感之偏好，諸如更多或更少路感及其他偏好。在其他實施例中，可針對不同輪胎模型或轉向系統類型調整轉向感。

以下資訊係關於系統之其他組件。此等係基於一實施例之例示性組態且可使用其他組態或實施例。又，可使用此等之組合及變動。

圖25係繪示本發明之用於處理主機命令及組態參數以藉由維持具有可變柔度之剛性位置控制而輸出力回饋至使用者對象之一功能微處理器2550實施方案2580之一實例之一方塊圖。使用儲存於記憶體中之指令將實施方案2580較佳提供於該微處理器2550上。使用程式指令以對一微處理器執行操作係熟習此項技術者所熟知的且可儲存於一「非暫時性電腦可讀媒體」上。在本文中，例如，此一媒體包含記憶體(諸如ROM)、磁碟、光學可讀媒體(諸如CD ROM)、半導體記憶體等。在各情況中，媒體可採取一可攜式品項之形式，諸如一小磁碟、SD卡、USB快閃隨身碟等，或其可採取一相對較大或固定品項之形式，諸如一硬碟機。

較佳地，各種子程序2582、2584、2586、2587及2588並行運行於微處理器2550上以最佳化力回饋介面裝置之回應。此等程序在本文中亦被稱為「處理器」。在一較佳實施例中由實施方案2580之該等子程序共用各種參數及資料。

通信程序2582維持微處理器2550與主機電腦2518之間的通信鏈路。通信程序2582自主機2518接收高階主機命令及組態參數且將此資料發送至一命令程序2584。程序2582亦自下文描述之一報告程序2587接收感測器資料。程序2582將自程序2587接收之資訊直接中繼至主機2518。較佳地，程序2582管理微處理器2550上之一輸入緩衝器，該輸入緩衝器係用於緩衝來自主機電腦2518之傳入命令及資料。該輸入緩衝器在包含USB介面及具有高通信速率之其他介面之實施例中尤其有用。

命令程序2584處理來自主機2518且經由通信程序2582傳輸之傳入高階主機命令及組態參數。基於該等傳入命令，命令程序2584設定用於感測器更新程序2586、報告程序2587及致動器控制程序2588之組態參數以及待發送至致動器控制程序2588之程序高階主機命令。用於程序2586、2587及2588之組態參數係微處理器2550之內部參數。

例如，報告參數係向微處理器2550指定將哪一特定資料及以哪一速率報告至主機電腦2518之內部參數。例如，該等報告參數可指定是否針對特定自由度、一通信速度報告使用者對象之位置、速度或扭矩，或是否報告及以什麽方式報告錯誤。該等報告參數係自從主機電腦2518接收之組態命令導出且被提供至感測器更新程序2586及報告程序2587使得程序2587知道經由通信程序2582將哪一資訊報告至主機電腦2518。

感測器更新程序2586自命令程序2584接收報告及組態參數。基於經 接收之該等參數，程序2586讀取感測器2560及時脈且儲存感測器讀取歷史及時序歷史。程序2586亦可運算自感測器位置資料、感測器資料歷史、時序資料或此資料之組合導出之值，諸如速度或加速度值。在本文中，術語「感測器資料」係指直接自感測器接收之資料(感測器讀數)及/或自該等感測器讀數導出之包含感測器資料之歷史之值兩者。「時序資料」或「時間資料」係指包含時序資料之歷史之表示一時間段之特定值。週期性地，報告程序2587讀取藉由程序2586提供及儲存之資料(或程序2586可將該資料直接發送至程序2587)。亦將感測器及時序資料「發送」至致動器控制程序2588。術語「發送」或「接收」在本文中係指一程序提供另一程序最終接收之資料。在程序之間發送及接收資料之實際實施方案可在不同實施例中改變。例如，發送程序可將經運算資料儲存於記憶體中且接收程序可以其自身速率自記憶體擷取資料。

報告程序2587自感測器更新程序2586接收感測器資料且在適當時間或在透過通信程序2582自主機2518接收一請求之後將此資料報告至該主機電腦2518。藉由命令程序2584將報告參數發送至程序2587。此外，可將一般狀態及錯誤資訊自致動器控制程序2588發送至報告程序2587。參考圖22更詳細描述藉由報告程序2587實施之程序。在替代實施例中，例如，若以一規則速率(在「串流」模式中)將資料報告至主機，則報告程序2587可與背景程序2582合併。

致動器控制程序2588使用來自命令程序2584之位置/柔度命令及來自感測器更新程序2586之感測器資料以藉由在一閉合迴路中控制(若干)致動器2562來運算待施加至使用者對象之力。致動器控制參數係自特性化各種控制律模型(諸如(PID、PI、PD、Feed Forward、Cascaded PI等))之組 態參數導出，如熟習此項技術者所熟知。程序2588運算待施加至致動器之一所得PWM信號。

應強調，圖25中之實施方案2580內之程序2582、2584、2586、2587及2588較佳(例如)使用一多任務環境並行運行於微處理器2550上。循序運行所有此等程序將顯著減慢回應於使用者對象之使用者操縱之力回饋。

圖25中所展示之實施方案2580係旨在作為將微處理器2550之各種子程序劃分成邏輯分區之一方式之一實例。在其他實施例中，可提供各種其他實施方案以結合或分離微處理器2550之所描述功能之一些或所有功能。

圖26係更詳細繪示圖25之通信程序2582之一流程圖。最初，主機電腦將在步驟2602中建立與一介面裝置之一通信鏈路。此可藉由發送介面裝置等待接收之一預定信號或資訊來實現。介面裝置接著可發送指示其準備接收命令之一應答信號。

若使用USB通信介面，則命令程序2584較佳請求處理器2550接著接收及儲存之來自主機之一USB位址。每當自主機接著發送一資料封包時，命令處理器可檢查該資料封包之位址且比較該位址與經儲存位址以判定該封包是否旨在用於微處理器2550。此外，若實施USB，則命令處理器可檢查USB通信協定中之資料且報告處理器可發送出此協定中之資料。此協定包含一符記封包，接著一資料封包，然後一交握封包，如熟習此項技術者所熟知。可在資料封包中加密主機命令。

在下一步驟2604中，主機電腦可需要介面裝置之特性使得可藉由主機電腦提供適合於特定介面裝置之適當命令。此等特性可包含(例如)介面裝置之序列號、型號、使用者對象之經提供之自由度數、校準參數及報告 速率。在自主機電腦接收用於此資訊之一請求(諸如一「請求資訊」命令)之後，微處理器2550在步驟2604中將該資訊發送至主機電腦。主機電腦通常將僅在通電或在開始力回饋實施方案時請求此等特性。

圖27係更詳細繪示圖25之命令程序2584之一流程圖。在下一步驟2702中，程序檢查是否已接收一主機命令。若否，則步驟2702連續迴圈直至接收一主機命令。

若接收一主機命令，則接著實施其中程序判定該(等)經接收命令是否為一組態命令之步驟2704。若該命令係一組態命令，則實施其中設定用於報告程序、感測器更新程序及致動器控制程序之參數之步驟2706。

若步驟2704判定經接收命令並非一組態命令，則步驟2704已偵測控制介面裝置之力回饋功能性之一高階主機命令。若偵測一高階主機命令，則步驟2708根據致動器控制參數處理該主機命令，且接著在步驟2710中將該命令發送至致動器控制處理器。在完成步驟2706或2710之後，程序迴圈回至步驟2702以等待接收另一主機命令。

此外，在較佳實施例中，在一預定時間間隔之後，程序2584亦定期檢查/接收來自主機電腦之一心跳信號。此信號將為指示主機電腦仍連接至一介面裝置且該主機具有一「OK」狀態之一安全檢查。若在該時間間隔內未接收任何心跳信號，則介面裝置可撤銷啟動及等待來自主機之一初始化命令。心跳信號可為一正常信號或主機命令，或其可為特定用作在該時間間隔內未發送其他信號之情況下主機電腦可發送之一心跳信號之一信號。在步驟2702中接收一信號之後，程序2584較佳儲存在一特定記憶體位置中接收該信號之時間。

圖28係繪示圖25之感測器更新程序2586之一流程圖。在步驟2802 中，程序2586檢驗藉由命令程序2584設定之報告及組態參數。較佳地，程序2586檢驗已藉由命令程序2584更新之在記憶體中之報告及組態參數。自報告參數及組態參數兩者，步驟2804判定將讀取哪些感測器。該等組態參數判定致動器控制程序2588所需之感測器資料及需要報告至主機之感測器資料。

例如，若組態參數判定需要圍繞x軸而非y軸來控制位置及力，則無需來自y軸之感測器資料。報告參數判定將哪一感測器資料報告至主機電腦。因此，報告參數亦可指定不必將y軸感測器資料發送至主機電腦，此係因為該主機電腦忽視該特定資料。因此，因為y軸資料既不用於運算一力亦不為主機所需，所以微處理器2550在步驟2804中判定不讀取y軸感測器。

步驟2808判定是否始終運算速度及/或加速度。此步驟之結果取決於經實施之特定實施例。在一些實施例中，若始終運算速度及/或加速度資料，則該步驟可為較簡單且需要較少處理時間，無論是否需要速度及/或加速度資料來運算力或需要將該速度及/或加速度資料發送至主機。在其他實施例中，唯若速度/加速度資料為運算位置/力值所需或若主機需要此等值，方可運算此資料。在又其他實施例中，可取決於特定應用或其他判定因數來設定模式(「始終運算」或「僅在必要時運算」)。

在始終運算速度及加速度之一實施例中，實施步驟2808及2812，其中使用感測器讀數及時序資料運算速度及/或加速度值。例如，經記錄位置值之一歷史及相關聯時間間隔可用於計算速度。程序接著繼續至步驟2818。若未使用此一實施例，則步驟2816僅在適當的時候運算速度及/或加速度值。程序2586可類似於步驟2804中檢驗組態參數及報告參數以判 定是否應運算速度及/或加速度值。

步驟2806判定是否需要讀取及儲存扭矩資料。若在步驟2806中需要扭矩資料，則步驟2810檢查一扭矩感測器是否可用於力回饋系統中。若判定一扭矩感測器不可用，則步驟2814使用一虛擬扭矩感測器(VTS)以透過位置至力介面提供所需資料。

在步驟2810、2808、2814或2816之後，執行其中程序2586將自感測器、時脈讀取且在步驟2808或2816中運算之感測器資料及時序資料儲存於記憶體中之步驟2818。感測器資料及時序資料亦可包含關於其他輸入裝置之資料，例如，是否已在介面裝置上按壓一按鈕(感測器資料)。如上所述，程序2586較佳共用微處理器2550之處理時間，此係因為多個程序並行運行(多任務)。在此情況中，程序2586可需要在步驟2820等待直至微處理器2550可用或有意容許另一等待程序使用微處理器2550。

圖29係繪示圖25之將資料報告至主機電腦之報告程序2587之一流程圖。步驟2902判定命令程序2584是否接收一組態命令。若接收一組態命令，則步驟2906設定如指定之報告參數，接著程序迴圈回至步驟2902以等待接收另一命令。若未接收一組態命令，則程序繼續至步驟2904。

步驟2904判定報告是否以查詢模式或串流模式進行。在此論述中，查詢模式使用基於來自主機電腦之對於資訊之請求之一非同步報告方法，且串流模式使用基於預定時間間隔之一同步報告方法。

在查詢報告模式中，步驟2908判定是否已自主機電腦接收用於一報告之一請求。可藉由報告程序2587直接接收該請求，或替代性地可透過命令程序2584將該請求中繼至報告程序2587。當接收該請求時，步驟2910將在圖28中之步驟2818中儲存之感測器資料及時序資料以及來自程 序2588之錯誤資訊及力值報告(即，發送出)至主機。經發送出之特定資料取決於藉由自主機接收之組態命令及請求指定之報告參數。例如，在一些實施例中，主機可能夠請求特定資訊。程序接著返回至步驟2904以判定是否使用查詢或串流模式。因此，在所描述之實施例中，可在資料傳輸期間之任何時間切換模式。在替代實施例中，一特定報告模式可為可用之唯一選項。替代性地，兩種模式皆可用，但一旦在一介面裝置之操作開始時選擇一模式，就不可切換該模式。

在串流報告模式中，步驟2912判定報告時間段是否已期滿。較佳地，在首先設置介面裝置及主機電腦時設定一標準報告時間段。當該時間段已期滿，則步驟2914根據報告參數報告在圖28之步驟2818中儲存之資料。若時間未期滿，則程序返回至步驟2904以再次判定報告模式。

圖30係繪示圖25之致動器控制程序2588之一流程圖。較佳地，在通電時在此程序之前或在自主機電腦接收一清除命令之後將各自由度中之所有經組合位置/柔度設定點初始化至零。此後，程序2588將開始於步驟3002。在步驟3002中，選擇將應用一位置/柔度設定點之一軸或自由度。在本文中，「軸」係與藉由介面裝置提供之一自由度同義。

在步驟3004中，程序2588根據組態參數管理一回饋控制系統，諸如一比例-積分-微分(「PID」)控制系統。此一控制系統係其之性質被熟知之一標準系統。圖24繪示先前技術中熟知之一PID控制迴路之結構。該PID控制迴路包含一PID控制器及待控制之一程序。量測與該程序相關聯之一程序變量PV且比較該程序變量PV與一設定點值SP。將定義為設定點與程序值之差之一誤差值作為輸入供應至該PID控制器。該PID控制器之輸出驅動「程序」。

一PID控制器之「程序」可包含許多目標，但通常採用一控制器之此形式以將致動器移動至所命令位置。例如，在位置控制中，該PID控制器將直接命令輸出機構之位置。例如，若將一負載放置於該機構上，則系統將調整PWM信號以施加如到達所命令位置且將該機構維持於所命令位置中所需般多的電力。藉由使用PWM信號改變所命令「位置」，吾人可使機構以一受控制方式移動。

PWM(「脈衝寬度調變」)信號係用於控制(若干)致動器之一方法。在PWM控制中，藉由任意改變一預定電壓之脈衝寬度(在此期間供應電力)來控制輸入至致動器中之電力。微處理器2550提供兩個信號至各致動器：一方向信號及一脈衝寬度調變信號。該方向信號指示該(等)致動器以提供在其自由度內沿著兩個方向之一者之力。該PWM信號藉由提供具有一恆定頻率(例如，24kHz)及一變化工作循環之一信號來控制該力之量值。一高工作循環提供高量值力且反之亦然。將來自微處理器2550之方向及PWM信號輸入至致動器介面。致動器介面提供來自微處理器2550之控制信號以依藉由電源供應器供應之適當高電流位準驅動致動器。

程序2588因此擷取所需感測器資料、時序資料、致動器控制程序參數及/或步驟3004所需之其他資料以管理回饋控制系統且因此運算用於致動器之一PWM信號值。

在步驟3006中，程序2588判定另一軸(自由度)是否需要運算一位置/柔度值。若是，則針對其他軸重複步驟3002及3004直至運算用於其他軸之總位置/柔度值。

若步驟3006判定不存在需要針對其運算力之更多軸(自由度)，則步驟3008可限制各軸上之PWM信號。因為上文運算之在一軸上之總力可超 過介面裝置之硬體規格(諸如致動器力輸出)，所以步驟3008設定PWM信號以位於硬體之設計範圍內。PWM信號值係限於(若干)致動器之最大動態範圍之一預定及使用者可組態百分比，諸如最大輸出之75%。例如，此係在使用者將一負載放置於機構上時進行，系統之輸出能力將不會完全飽和且將具有調整PWM信號以施加更多電力以到達及維持所命令之位置/柔度設定點之能力。如藉由一錯誤旗標所指示，在上文運算之總力可對使用者不安全時，步驟3008亦可修改該總力。例如，在較佳實施例中，若違反一安全條件，則可設定一錯誤旗標，如下文在步驟3010至3014中所描述。此引起輸出PWM信號為零。

接著，步驟3010施加安全條件至由步驟3008所引起之各軸上之總力。當藉由主機電腦發送一特定命令時可違反安全條件。當違反安全條件時，在步驟3012中將(若干)致動器上之力設定為零。接著，在步驟3014中設定指示違反之錯誤旗標且寫入關於錯誤何時發生之時序資訊。接著，程序2588在步驟3018中等待直至微處理器再次準備繼續進行。

作為一額外安全特徵，程序2588較佳檢驗記憶體以判定在所需時間間隔內是否已接收主機之心跳信號。若程序2588判定在所容許間隔外接收最後信號，則程序2588假定主機已斷開或已具有一錯誤。因此關閉至致動器之全部電力作為一安全措施直至自主機接收一適當初始化命令。

若在步驟3010中並未違反安全條件，則在步驟3016中將用於各軸之PWM信號發送至適當致動器以將對應力施加於使用者對象之該等軸上。此外，程序2588可發送已輸出至報告程序2587之任何錯誤資訊及任何力值，該報告程序2587判定是否如上所述般將資料發送至主機(無論安全條件為何，將錯誤資訊發送至程序2587)。較佳地，程序2588將此資訊寫入 至其中報告程序2587可擷取其之記憶體。隨後，程序2588在步驟3018等待直至微處理器2550做好準備。在步驟3018之後，程序返回至步驟3002以在位置/柔度設定點運算及應用之一新反覆中選擇另一軸。

如先前所陳述，本文中所描述之系統及方法可用於藉由任何具有力回饋能力之介面裝置控制一模擬中之任何對象。儘管在實例中使用車輛及方向盤，但其等僅為例示性的。此等方法及系統可與任何裝置及模擬一起使用，例如，操縱桿或新穎介面裝置及第一人稱射手或其他遊戲。此等亦可用於飛行器模擬中。大及小之飛行器通常具有複數個飛行控制表面：用於滾轉之副翼、用於俯仰之升降舵及用於偏航之方向舵。存在各種類型之控制系統以用於控制現代飛行器之主要飛行操作組件。取決於飛行器之大小及類型，此等控制系統自連接至一機械纜線連桿組之一軛或桿改變至稱作「線傳飛控」之最新控制技術。如同車輛，飛行器系統亦提供將飛行器動力學傳送「回」至駕駛艙控制件中之一機械閉合迴路。在飛行器中將桿、機輪及踏板運動轉換成控制表面偏轉之控制系統構成飛行員與機身之間的介面。一飛行器控制系統之關於提供至飛行員之力線索之態樣被稱為控制負載系統(CLS)。飛行器飛行模擬器使飛行員熟悉執行良好執行之機動所需之控制力。

如同車輛，CLS必須自模擬器及飛行員接收輸入且對該飛行員及該模擬器提供輸出。輸入係力之施加及飛行器狀態且輸出係飛行控制位置及力。CLS亦包含提供使駕駛艙控制件能夠模仿機械連結之控制之動作之電伺服之「主動側桿」技術。資料自控制件流動至線傳飛控系統且亦自數位飛行控制件流動回至側桿。來自飛行控制電腦之資料引起側桿一起移動且亦在自動駕駛儀進行輸入時使側桿移動至飛行控制系統。此等亦可提供用 於結構及航空動力學限制之觸覺線索及用於失速屏障保護之抖桿器及推動器。然而，在應用本申請案中之方法及系統之前，未在此等系統上提供準確觸覺回饋。

在模擬中或在實際駕駛艙中，本發明方法及系統可用於提供飛行器控制系統之位置控制且將來自一飛行器或飛行器模擬之力線索準確傳達至一力回饋介面裝置，諸如在一駕駛艙中之組件之後模型化之裝置。相同連續閉合迴路系統可用於傳達介面裝置互動/力及飛行器對象互動/力兩者至另一者。因而，亦可將具有可變柔度之剛性位置控制提供至此等介面裝置。

雖然本發明之前述書面描述使一般技術者能夠製造及使用目前視為其之最佳模式之內容，然一般技術者將理解及瞭解本文中之特定實施例、方法及實例之變動、組合及等效物之存在。因此，本發明不應受限於上述實施例、方法及實例，而是受限於在本發明之範疇及精神內之所有實施例及方法。

例如，許多可能類型之致動器及感測器可用於本發明中。又，可包含許多類型之機構以對對象提供一或多個自由度。此外，不同類型之介面可用於將主機電腦連接至本地微處理器。可藉由本發明將廣泛範圍及類型之力傳輸至一使用者對象。許多不同類型之致動器控制律模型可實施於運行於微處理器上之許多相異程序中，在本文中僅描述一些該等程序。

此外，已出於描述清楚之目的使用特定術語學且該特定術語學並不限於本發明。因此，旨在以下隨附申請專利範圍包含如落在本發明之真實精神及範疇內之所有此等變更、修改及置換。

應理解，本文中提出之實施例旨在為例示性。本發明之實施例可包 括各種圖中所展示之相容特徵之任何組合且此等實施例不應限於經明確繪示及論述之該等實施例。

儘管已參考本發明之特定較佳組態詳細描述本發明，然其他版本亦係可行的。因此，本發明之精神及範疇不應限於上文所描述之版本。

40:力回饋系統/系統

41:螢幕/顯示螢幕/顯示裝置

42:力回饋介面裝置/介面裝置/對象/裝置

44:連接

45:介面

46:換擋旋鈕

48:主機電腦/電腦/主機電腦系統

Claims (23)

1. 一種用於力回饋介面裝置之系統，其包括：一電腦，具有一處理器及包含一車輛模擬應用程式之記憶體；一模擬介面裝置，被配置以提供模擬介面裝置資訊至與該模擬介面裝置及車輛模擬應用程式操作上連接之一真力回饋資訊迴路；其中，該真力回饋資訊迴路被配置以藉由依編程至該車輛模擬應用程式之物理規則調整該模擬介面裝置資訊以提供該模擬介面裝置與車輛模擬應用程式之間之準確交互作用；且其中，該車輛模擬應用程式被配置為根據物理規則基於模擬內交互資訊來控制模擬對象的運動，並且被配置為不論模擬介面裝置是否正在提供模擬介面裝置資訊而不受干擾地操作；其中，所述車輛模擬應用被配置為計算該模擬介面裝置的物理定向與目標定向之間的誤差值，該目標定向係基於該模擬對象的狀態；及其中，車輛模擬應用程式進一步被配置為通過以下方式管理使誤差值最小化的過程：將命令作為輸出機制發送至模擬介面裝置，儘管將外力施加到該模擬介面裝置，該命令仍將該模擬介面裝置移動到命令的方向，並且將模擬介面裝置保持在命令的方向，其中，由於外力作用而偏離命令的方向，只有在根據物理規則與模擬中的相互作用資訊相一致的情況下才允許。
2. 如請求項1之系統，其中該模擬介面移動至該命令方向係藉由位置控制達成。
3. 如請求項1之系統，其中該模擬中之該對象係一經模擬車輛之至少一部分。
4. 如請求項1之系統，其中該模擬介面裝置係至少一方向盤。
5. 如請求項1之系統，其中該對象之互動係藉由對象參數客製化。
6. 如請求項1之系統，其進一步包括一虛擬轉向齒條以控制該對象與該模擬介面裝置之間的該等互動，其中該虛擬轉向齒條計算且輸出該命令方向。
7. 如請求項1之系統，其進一步包括一虛擬扭矩感測器，其中該虛擬扭矩感測器使用該模擬介面裝置位置位移的位置以計算對應模擬裝置扭矩值。
8. 如請求項1之系統，其中，該車輛模擬應用程式被進一步被配置為根據物理規則，通過將該模擬介面裝置資訊調整為與模擬中互動資訊一致，以管理使誤差值最小化的過程。
9. 一種提供即時力回饋之方法，其包括：自一力回饋介面裝置接收感測器資訊；將位置及扭矩資訊之至少一者提供至該力回饋介面裝置；自一模擬接收與一對象及對象位置有關之資料； 提供與該對象有關之位置及力資料之至少一者；形成用於控制該模擬內之對象之一連續閉合迴路控制系統，其中，該閉合迴路控制系統內的通信在該對象與該力反饋介面裝置之間是雙向的；及提供該力回饋介面裝置之位置控制，其中來自該力回饋介面裝置之位移引起該對象之位移，且其中該模擬中之該對象上之力引起該對象之位移及該力回饋介面裝置之位移；其中該力回饋介面裝置之位置由該模擬映射；且其中該力回饋介面裝置之位置係利用剛性位置控制而同時保持可變柔度；進一步包括移動該力回饋介面裝置至該位置。
10. 如請求項9之方法，其中該模擬中之該對象係一經模擬車輛之至少一部分。
11. 如請求項9之方法，其中該力回饋介面裝置係至少一方向盤。
12. 如請求項9之方法，其進一步包括組態該力回饋介面裝置，其中該組態步驟包括偵測該力回饋介面裝置參數且基於該偵測步驟設定該力回饋介面裝置之一設定點。
13. 如請求項9之方法，其進一步包括組態該等對象參數。
14. 如請求項9之方法，其進一步包括組態一虛擬轉向齒條以判定該對象 與該力回饋介面裝置之間的互動，其中該虛擬轉向齒條計算且輸出該力回饋介面裝置設定點及柔度或剛度。
15. 如請求項14之方法，其中藉由將對象參數及力回饋介面裝置參數映射至該力回饋介面裝置來產生該虛擬轉向齒條。
16. 如請求項9之方法，其進一步包括藉由自該力回饋介面裝置讀取位置感測器資料及透過一位置至力介面處理該位置感測器資料來產生一虛擬扭矩感測器。
17. 一種用於力回饋介面裝置之系統，包括：一力回饋介面裝置，供一使用者使用；一模擬，在該模擬中具有一對象；其中該力反饋介面裝置與該模擬協作以形成用於控制該對象之連續閉合迴路控制系統，其中該閉合迴路控制系統內的通信在該對象與該力反饋介面裝置之間是雙向的；其中，該力反饋介面裝置之位移導致該對象之位移，且其中，在模擬中作用在該對象上及/或與該對象相互作用的力導致該對象之位移及該力反饋介面裝置之位移；其中該力反饋介面裝置之映射位置是由該模擬所映射；及其中使用剛性位置控制以控制該力反饋介面裝置之物理位置，同時保持可變的順應性，以將該力反饋介面裝置之映射位置與該力反饋介裝置之物理位置之間之任何差異最小化。
18. 如請求項17之系統，其中，該力反饋介面裝置之物理位置係基於該模擬之物理規則。
19. 如請求項17之系統，其中，該力反饋介面裝置之物理位置係使用一種比例積分微分(PID)控制系統來控制。
20. 如請求項17之系統，其中，該模擬向該力反饋介面裝置輸出一設定點值。
21. 如請求項之系統，其中，該設定點值是與該力反饋介面裝置之映射位置相對應之位置值。
22. 如請求項21之系統，其中，該模擬基於該力反饋介面裝置之物理位置將該設定點值與一過程值進行比較，且其中，該物理位置是允許或不允許係基於該模擬之物理規則。
23. 如請求項17之系統，其中，在該模擬中作用在該對像上及/或與該對象的相互作用導致該對象之位移而不論是否有來自該力反饋介面裝置之輸入。

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