徐 宁

（中国华录集团有限公司，辽宁大连 116023）

红外传输遥控按键方式在传统的影音设备多使用进行操作，虽然该技术已非常成熟，但该功能单一，只是作为一种按键式操作面板来使用，不具有互动功能;随着人们对电子产品多样性的追求，在人们的生活中，出现了很多多样性的游戏手柄设计。但是，除了在游戏机领域，在高清媒体与网络娱乐的家庭影音设备中，一种能够实现更好人机互动的手柄急待被需要研制，以替代现有的遥控按键式手柄。

1 系统模型

针对现有技术的不足，本技术研制了在三个维度方向上的运动速度及旋转角度的空间识别技术，同时应用红外摄像定位技术和二维平面坐标指向功能。本技术采用了领先的无线传输方式，引入新颖的动作感应操作方式并加以震动音效等反馈响应的动感游戏控制手柄。本技术所采用的技术手段如下:

一种操作手柄，包括:

（1）外部壳体:用于固定手柄的组成部件。

（2）按键处理电路:用于对功能按键进行扫描，并将按键信息发送给主控单元。

（3）蓝牙或RF模组:用于将手柄的控制信息传送到主机端。

（4）主控单元:用于对按键电路传输回来的按键信号进行处理后通过蓝牙或RF模组发送到主机端。

其特征在于还包括:

（1）红外模组:用于扫描红外发光二极管单元发出的红外信号。

（2）3D运动感应单元:用以产生空间三个维方向上的运动速度信号和旋转角度信号。

（3）无线接收信号，形成数据处理:同时主控单元还对3D运动感应单元传回的手柄速度、角度信息进行处理;另外，所述主控单元将上述信息处理后通过蓝牙或RF模组传送到主机端。

（4）还包括马达和喇叭，所述的蓝牙或RF模组还用于接收主机端传回的反馈信息;并将反馈信息传送到主控单元，另经主控单元处理后形成马达及喇叭的控制信息，以用来控制马达及喇叭振动或发出声音。

2 工作原理

所述外部壳体为火炬造型设计，分上和下两个壳体，上壳体是平滑的弧面设计，在它的表面设有功能按键;下壳体是主要承载体，采用轴线曲度的近圆柱面的设计，然后在其后部设有手持凸起。

一种操作手柄的运动方向判定方法，其特征在于包括如下步骤:

（1）首先将红外发光二极管单元固定在基准位置，以用以发射红外信号;

（2）手柄的红外模组以固定的频率扫描步骤（1）中红外发光二极管单元发出的红外光学信号，用以二维图像形式发送到主控单元;

（3）主控单元对步骤（2）传回的所述图像进行了对比，计算其接收的两相邻图像中的红外发光二极管单元相对位置的变化信息，并将此位置变化信息转变为手柄移动方向信息;

（4）主控单元可将步骤（3）中的手柄移动方向信息在通过蓝牙或RF模组处理后发送到主机端。

所述红外发光二极管单元是两组设置，并且每组可由多个红外发光二极管组成;而且两组光源正对用户视线后成对称分布。

3 涉及技术及功能

本产品主要应用了蓝牙通信技术和RF射频通信技术，红外摄像定位技术，还有高速实时的数据处理，能够同时实现对按键扫描以及音频信号的处理和震动效果的控制。作为控制终端也进行了细致的结构和造型设计以使产品美观符合人体工学的特点。其主要特色如下:

（1）采用人体工学设计原理，握持舒适。

（2）使用Bluetooth通信技术，另外可选2.4G RF射频技术，这两种通信方式均可保证10 m的使用距离。摆脱连接线的干扰和限制，抗干扰能力很强，数据传输很稳定。

（3）运动感应的功能，可把肢体的动作转为控制信号输送到电脑或互动平台，实现人机交互的功能。

（4）图像定位技术，本技术可实现类似鼠标目标指向功能而又不放置平面的限制。

（5）振动功能技术，增加操作的代入可操作感。

（6）声音输出技术，可以输出提示音，和播放音乐的功能。

（7）控制器设置有多个传统的按键，可以满足大部分手柄操作的需求。

（8）可支持多个手柄同时联机的工作。

4 具体实施方式

图1中所示的手柄的描述是，本发明技术的电路结构方框图，其中的键处理电路104采用比较常见的GPIO扫描模式，以实现，用于扫描的功能键，和所述密钥信息传送到主控制单元101处理，蓝牙或RF模块102可将处理的控制信息传送到主机端，使用的BCM2042蓝牙单元是很好的蓝牙芯片模块中集成的HID协议，完整的蓝牙协议栈的8051MCU和8k的RAM有一定的数据处理功能（如提供共享部分主单元的工作，如:它是负责实施关键扫描和三维移动红外模块，后台数据处理以及其他的模块，另一种芯片（电机，等），如图2中所示的控制功能）。RF NORDIG的nRF24L01，其最大的特点是超低功耗，可以工作在电压范围为1.9～3.6，2 Mbit/s的数据传输速率，最小工作电流，峰值12.5毫安。数据处理使用SPCA563B单片机，16位U NSP MCU内核，内置1k字RAM，32k字ROM，以及DSP的图像处理软件。

图1 具体实施方式简图

主控制单元101，其关键电路的传输后退按钮信号处理后，通过蓝牙或RF模块发送到主机侧103 MCU（MicroControllerUnit，中文名称为微控制单元），在使用环境相对比较简单，数据处理量不是很大时，可以直接使用蓝牙单元的BCM2042 MCU模块。IR模块106，单色CMOS来完成接收红外发光二极管发出的红外信号，有TI的SOC数据处理功能，光学坐标数据逻辑算法，三维运动传感器单元105模块使用MMA7360芯片，飞思卡尔出品的加速度传感器的运动采集功能已被广泛用于消费电子市场。设计可以以高精确度完成，用于产生信号的三维方向上的空间移动速度，和旋转角度信号。红外扫描模块106的红外信号由一个外部的红外发光二极管单元发出时，使用主控制单元101，用于加工成形的方向信息;主控单元进一步对三维运动感应单元的句柄返回速度，角度信息进行处理;后通过蓝牙或射频（RF）模块，所述主控单元的信息处理终端103传送到主机。

振动电机108从主机端控制，控制扬声器109发生声音部分芯片选择支持WAV格式，配置Rohm公司的BU8844完整的解码，这些功能已应用在许多消费电子产品，这里已不再是复杂的。蓝牙或射频（RF）模块102接收的反馈信息由主机侧返回，反馈信息发送给主单元，由主单元处理，马达和喇叭形成的控制信息，是用来控制电机和扬声器的振动或声音。

图2 手柄工作流程图

一般的红外定位需要两个模块来实现，红外发光二极管单元组和红外模块106的协同作用。图2示出操作手柄的运动方向的确定方法。包括以下步骤:首先，红外发光二极管单元被固定在基准位置，用于发射红外信号，其特征在于，所述红外发光二极管单元是相对简单的，它的工作只发射红外线的光信号，这些非可见光信号不久将成为手柄CMOS拾取器一个固定的频率扫描（作为位置的基准坐标），红外模块106被以一个二维图像的形状发送到主单元向;事实上，它是提供一种光学定位系统的参考坐标，并在其放置，即红外光的发光二极管可以设置为放置在中间，因此，也有特殊要求置于主机侧的显示画面（根据实际操作的需要，人们对电视和其他媒体设备的显示画面的朝向，便于用于遥控器的远程控制），每一个红外发光二极管组可以产生很大的发射角使其更方便。通过前面的手柄部红外模块106接收红外光信号的红外发光管被放置在手柄内。灯罩的作用，筛选出可见光的外部环境，它会使手柄在各种照明条件下工作。CMOS摄像模块（360*296分辨率）提供速率为30fps的扫描图像，它可以扫描的信号，即红外波束管两套红外光源（步骤601）。主控制部的红外线的比较模块106返回到二维图像，探测红外发光二极管之前的相对位置的定位信息和红外发光二极管最后一次扫描的图像的变化（步骤602）的比较值是多少。如果比较值有变化，则计算所接收的两个相邻图像的红外光的发光二极管单元中相对的变化位置信息（即，这两个取得的数据的差分的数据信息的中心定位坐标），使每帧的数据一起获得，它可以被认为是，遥控器的运动轨迹是一个二维坐标上面的点函数（步骤603），主单元到手柄的移动方向信息（步骤603）被发送;如果没有变化，则返回到步骤601，通过蓝牙或射频（RF）模块的主机侧（步骤604）;在实际使用中红外发光二极管单元的位置是不变的，各自手柄的相机（COMS）不断地改变位置，相对位置变化的两个频率为30帧每秒，相机用来记录信息，这些数据反映在相机中作为两套红外光源的参考坐标信息，然后可由一个软件算法装置判断为变化的参考对象的位置。摄像头，或处理到固定位置（显示画面）的红外光的发光管，软件应用程序实施为主机侧的屏幕中的光标的移动位置，并在主机的内存软件中完成对光标移动位置数据的处理，红外模块提供的坐标数据与主机之间的通信是一个蓝牙模块或一个RF模块组。

另外，该三维移动感测单元的核心是引入3D模块，空间控制能力归于此的加速度传感器。MMA7360加速度传感器采用了信号调理，单极低通滤波器和温度补偿技术，提供4个范围，对应于不同的灵敏度选择最多高达800mV/g at 1.5g和集成的低通滤波器作为零g补偿，定位更准确，是一个高精度MEMS器件。三轴操作的空间测量原理是根据自身运动方向和速度的变化，改变输出电压信号。简单地说，运动传感器模块的作用是一个动作记录器，它的输入是在加速的位置或改变的空间变化，并且由所述传感器输出的是一个电压信号，通过量化后的数值转换成数字信号由蓝牙模块或射频模块发送到主机侧。在正常情况下，以地球为参考，有1g重力系数（加速度）在地球的垂直方向上。我们首先在传感器的水平，垂直，纵向定义它的X，Y，Z轴，参照地球的空间XYZ轴区分。当传感器Y轴垂直于地球，在Y-轴输出的电压是2.45V，在XZ轴向加速度0g的，输出电压为1.65V。和加速度是一个向量，具有方向性，空间三轴+/-表示，-1g相应的输出是0.85V。在静止状态下，改变到一个不同的输出信号相对应位置（定位）的上方的传感器，由这些数据，我们可确定传感器的当前状态（处理），即，抽头，垂直的集或纵向。传感器可以是加速度略有敏感变化的，并得到相应的电压输出，例如，传感器被置于倾斜的角度，所以，在XYZ三个轴向的方向将有不同电压从0g状态输出。三种状态下的数据，可确定传感器（处理）的放置状态。如果传感嚣发生一个或大或小的运动，该传感器可以是类似的这种运动改变了形式的ADC输出电压信号运动传感器模块，传感器的电压模拟信号过程的原则是在三个维轴向方向（X轴，Y轴，Z轴）上的加速区间3g～线性量化3g 0至255的8位的数字信号的时间间隔，在主机侧仅用于处理8位的数字信号，或对应的加速。蓝牙模块或RF模块从主机侧通过运动数字量化传感器信号的采集，可以控制应用［1］在各种传感器的映射应用程序软件的实际运动。

首先要注意的是手柄在工作中，不是所有的模块都可以发挥作用。红外模块系统106，3 D运动传感器单元105和关键处理电路104，它们可以承载应用软件操作控制，三个模块是相对彼此独立的，可以在相同的时间生成一个输入，也可以是只有一组、两组输入。从系统组件可以看出，该系统具有一个输出电动机108和喇叭109，移动设备的特点，从而产生振动或释放语音信号。蓝牙模块，RF模块负责系统中各个模块和主机端通信，始终处于工作状态。它保持到主机以无线方式由输入装置所产生的信号，而且还接收主机发出的控制命令到输出单元的反馈信息。

例如，手柄突然抬起，但不向其它方向运动，这时信号由主控制单元发送到主控制单元的3D运动感应单元，相当于在主机侧检测到的Z轴的值从初始值变为最大值255，即，在Z轴的加速度1g-3g变化，而相应的X和Y轴的输出只有很轻微的改变，即这两个轴向的加速度变化非常微弱。主机端的动作感应模块输出的应用软件将发出跳跃的控制信号，通过蓝牙模块的控制器的运动是快速提升的空间，沿+Z轴运动，遥控器可以表示为主角的时候，应用软件可以是一个优秀的体操运动员，上面已经描述，实现了跳跃（您也可以按操作按钮，只做到这一点），蓝牙或RF模块信息被发送到主机端，应用软件的控制信息接收这一系列的动作完成应用程序的主角完整的360度大转弯的动作（或转出的这组动作动画）后，将发出一个提示符的命令，蓝牙或RF模块接收到这个信号时输出操作后，和其他句柄产生感觉，电机工作，主机发出语音信号语音模块扬声器发出观众叫好声。引用图片浏览应用程序，在这里，红外模块发挥了重要作用。图片浏览器，光标设置为手型，上面已经描述过，红外模块的工作机制，该句柄指向的图片的方向，光标将停留上方的屏幕画面，按下按钮，蓝牙或FR模块的信息发送到主机端，该软件将得到张开双手紧握的拳头，然后摆动手柄的左侧（X轴）的信号光标，蓝牙模块将运动传感模块的数字信号传送到主机，接到指令后，该软件将做两件事情，首先要确定当前状态，被锁定的画面;问题翻转“命令的同时，浏览器会显示下一张图片。如果两个程序都成功地执行，应用软件在同一时间发出命令提示符和蓝牙模块发送到处理输出部分控制电机工作，发送信号给声音模块。

5 结束语

技术公开了一种操作手柄及操作手柄的运动方向判定方法，其中手柄包括外部壳体、按键处理，蓝牙、电路或RF模组及主控单元;其特征还包括:红外模组，用于扫描红外发光二极管单元发出的红外信号;3D运动感应单元，用以产生空间三个维方向上的运动速度信号，以及旋转角度信号;所述主控单元还对红外模组扫描的外部红外发光二极管单元发出的红外信号进行处理，形成方向信息;同时主控单元还对3D运动感应单元传回的手柄速度、角度信息进行处理;所述主控单元将上述信息处理后通过蓝牙或RF模组传送到主机端。方法包括发射红外信号、扫描、对比及发送的步骤;该手柄具有实用方便、结构新颖等特点，适于在家电遥控领域广泛推广。

［1］王杰.体感技术的发展与设想［OL］.www.wenku.baidu.com，2012-08.