專利名稱：游戲控制器及其使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無需高精度定位的控制器的運(yùn)動捕捉方法，具體涉及 一種互動游戲的控制器中使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的游戲控制方式，主要是通過遙桿或按鍵在游戲中進(jìn)行定位的。 這種定位方式雖然可以較為精確的滿足在游戲中進(jìn)行定位的要求，但這種 定位方式顯然無法滿足人們對更加真實的游戲體驗的追求。因此一種全新 的具有空間定位功能的游戲控制方式便應(yīng)運(yùn)而生。
到目前為止，常用的運(yùn)動捕捉技術(shù)從原理上可分為機(jī)械式、聲學(xué)式、 電磁式和光學(xué)式，其應(yīng)用領(lǐng)域包括表演動畫、虛擬現(xiàn)實、游戲、人體工學(xué) 研究、模擬訓(xùn)練等許多方面。
但目前大部分的捕捉方式都傾向于高精度捕捉，使用相對較為復(fù)雜、 成本較高，從而造成這些技術(shù)都停留在專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，無法得到廣泛的應(yīng) 用。
而本發(fā)明采用陀螺儀傳感器來采集人體運(yùn)動的信息，在對采集的信息 進(jìn)行分析之后可以得出人體的位移情況。由于采用的傳感器成本較低，因 此可廣泛用于互動式游戲等需要低成本、低使用難度的領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種游戲控制器，它可以捕捉三維空間的移動變量，給游戲者一種全新的游戲體驗，加強(qiáng)游戲的真實感和 互動性。為此，本發(fā)明還要提供一種上述游戲控制器使用陀螺儀的運(yùn)動捕 捉方法。
為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的游戲控制器包括三軸陀螺儀模塊、 三軸加速度模塊、信號采集及處理模塊和通訊模塊，三軸陀螺儀模塊和三 軸加速度模塊通過信號采集及處理模塊與通訊模塊連接，用于將三軸陀螺 儀模塊和三軸加速度模塊的輸出信號處理后發(fā)送到外部控制器。
基于上述游戲控制器，本發(fā)明的使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法，包括 如下步驟
(1) 采集三軸向運(yùn)動信號和三軸向加速度信號；
(2) 將步驟(1)采集的模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和信號穩(wěn)定性處理；
(3 )根據(jù)三軸向運(yùn)動信號和三軸向加速度信號計算三軸向運(yùn)動參數(shù)。 因為本發(fā)明通過在游戲控制器中集成陀螺儀來捕捉控制器在三維空 間中的移動，可適用于無需高精度定位的場合，如在互動式游戲中捕捉游 戲者的移動信息，用以驅(qū)動游戲環(huán)境中角色的移動，給游戲者一種全新的 游戲體驗，加強(qiáng)游戲的真實感和互動性。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 圖1是本發(fā)明的游戲控制器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法的流程圖； 圖3是本發(fā)明二維陀螺儀設(shè)置示意圖；圖5是本發(fā)明。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的游戲控制器包括三軸陀螺儀模塊、三軸加速 度模塊、信號采集及處理模塊、和通訊模塊。其中三軸陀螺儀模塊和三軸 加速度模塊可以采用三維的傳感器實現(xiàn)，也可以采用兩個相互垂直的二維 傳感器實現(xiàn)，也可以采用多個相互垂直的一維傳感器實現(xiàn)。
如圖3所示，即采用二維傳感器設(shè)置示意圖，將兩個傳感器垂直設(shè) 置，其中一個采集二維數(shù)據(jù)信號，另一個則采集與二維數(shù)據(jù)相垂直的軸向 數(shù)據(jù)信號。
傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到信號采集及處理模塊進(jìn)行處理，信號采集及處 理模塊可以采用一塊微型控制單元(MCU， Micro Controller Unit)實現(xiàn)， 再通過通訊模塊發(fā)送到外部控制器，通訊模塊與信號采集及處理模塊通過 有線方式連接，這種有線的連接方式可以是I2C， SPI， UART， CAN, LIN 等。而通訊模塊與外部控制器或外部PC控制器之間的連接，即可以采用 有線傳輸方式，也可以采用無線傳輸方式。如果用有線連接的話除了可以 用以上說的I2C, SPI， UART， C認(rèn)，LIN這5種方式外，還可以用usb， rs232或1394連接；如果用無線連接的話可以用藍(lán)牙、2. 4G等連接方式 將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個游戲控制器，或外部PC控制器。
本發(fā)明的游戲控制器可以設(shè)置在游戲者的身體上，用于捕捉人體運(yùn) 動的方向和速度，在互動式游戲中捕捉游戲者的移動信息，角以驅(qū)動游戲 環(huán)境中角色的移動，給游戲者一種全新的游戲體驗，加強(qiáng)游戲的真實感和 互動性?；谏鲜鲇螒蚩刂破鳎景l(fā)明的使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法，包括 如下步驟
首先，由采集陀螺儀傳感器和加速度傳感器輸出的三軸向運(yùn)動信號和 三軸向加速度信號，可以通過采集一個三維傳感器信號，或采集兩組相互 垂直的二維傳感器信號，或垂直設(shè)置的一個一維傳感器和一個二維傳感器 信號，或多個相互垂直的一維傳感器信號實現(xiàn)。 一般傳感器輸出的為模擬 信號，信號采集模塊還需將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
信號采集完成之后將對采集到的數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理，去除信號中 的噪聲與抖動。
濾波處理完成后的就可以用得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算了 。算法運(yùn)算可以分 為二部分， 一部分是對三維的陀螺儀傳感器信號進(jìn)行處理，將陀螺儀輸出 的三維結(jié)果進(jìn)行積分運(yùn)算后得到的數(shù)值即為角度變化量，但此角度的坐標(biāo) 系為整個模塊的坐標(biāo)系，此坐標(biāo)系會隨模塊的姿態(tài)變化而變化，因此需要 對這個計算后的角度變化量做姿態(tài)校準(zhǔn)，這就需要用到另一部分的計算結(jié) 果了；另一部分是對三維加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算出整個模塊當(dāng)前的姿 態(tài)，用于對計算得到的角度變化量做校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后獲得在一個固定坐標(biāo)系
中的角度變化量，此坐標(biāo)系的一個軸與重力加速度方向一致，如圖4所示。 如圖5所示，加速度模塊在檢測模塊運(yùn)動的同時，也可以檢測到由重 力引起的1G重力加速度。當(dāng)模塊在劇烈運(yùn)動的狀態(tài)下，此1G重力加速度 無法從加速度模塊輸出的信號中識別出；但當(dāng)模塊穩(wěn)態(tài)或接近穩(wěn)態(tài)的狀態(tài) 下，此1G重力加速度可以加速度模塊輸出的信號中識別出。通過這個1G 重力加速度在三個軸上的分量大小可以得出整個模塊當(dāng)前的姿態(tài)。由于加速度模塊與陀螺儀模塊都固定在同一個控制模塊中，因此它們的相對位置 是固定的。由加速度模塊得出的當(dāng)前姿態(tài)可用于陀螺儀模塊輸出的校正， 圖中虛線坐標(biāo)為校正前坐標(biāo)系，實線坐標(biāo)為校正后的坐標(biāo)。
在得到角度變化量之后，可以通過此角度計算得到整個模塊在空間坐 標(biāo)的三個方向上的位移分量，即模塊的運(yùn)動狀態(tài)。
最后，在得到模塊的運(yùn)動狀態(tài)后，MCU會將得到的結(jié)果發(fā)送給通訊模 塊，并開始新一次采樣。
本發(fā)明的游戲控制器通過引入三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，將使玩家在游戲的 過程中獲得身臨其境的感覺。且增加加速度傳感器可以轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)，準(zhǔn) 確計算運(yùn)動參量，也能夠防止干擾信號。另外本發(fā)明設(shè)置傳感器，可通過 用2個二維傳感器、或二維與一維傳感器結(jié)合、或多個一維傳感器以代替 1個三維傳感器，在完成同樣功能的情況下可以極大的降低產(chǎn)品的成本。 使這種新型的游戲控制方式被更多的消費(fèi)者所接受。
權(quán)利要求
1、一種游戲控制器；其特征在于，包括三軸陀螺儀模塊、三軸加速度模塊、信號采集及處理模塊和通訊模塊，所述三軸陀螺儀模塊和三軸加速度模塊通過所述信號采集及處理模塊與所述通訊模塊連接，用于將所述三軸陀螺儀模塊和三軸加速度模塊的輸出信號處理后發(fā)送到外部控制器。
2、 如權(quán)利要求1所述的游戲控制器，其特征在于，所述的三軸陀螺儀模塊為一個三維陀螺儀傳感器，或兩個垂直設(shè)置的二維陀螺儀傳感器，或垂直設(shè)置的一個一維陀螺儀傳感器和一個二維陀螺儀傳感器，或多個互相垂直設(shè)置的一維陀螺儀傳感器。
3、 如權(quán)利要求1所述的游戲控制器，其特征在于，所述的三軸加速度模塊為一個三維加速度傳感器，或兩個垂直設(shè)置的二維加速度傳感器，或垂直設(shè)置的一個一維加速度傳感器和一個二維加速度傳感器，或多個互相垂直設(shè)置的一維加速度傳感器。
4、 如權(quán)利要求1至3任一項所述的游戲控制器，其特征在于，所述通訊模塊與所述信號采集及處理模塊通過有線方式連接，所述通訊模塊與外部控制器通過無線傳輸方式連接。
5、 如權(quán)利要求1所述的游戲控制器，其特征在于，所述游戲控制器設(shè)置于游戲者的身體上，用于捕捉人體運(yùn)動的方向和速度。
6、 一種使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法，其特征在于，包括如下步驟(1) 采集三軸向運(yùn)動信號和三軸向加速度信號；(2) 將步驟(1)采集的模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和信號穩(wěn)定性處理；(3 )根據(jù)三軸向運(yùn)動信號和三軸向加速度信號計算三軸向運(yùn)動參數(shù)。
7、 如權(quán)利要求6所述的使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法，其特征在于，步驟(1)所述采集三軸向運(yùn)動信號和三軸向加速度信號，包括采集一個三維傳感器信號，或采集兩組相互垂直的二維傳感器信號，或多個相互垂直的一維傳感器信號。
8、 如權(quán)利要求6所述的使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法，其特征在于，步驟(3)包括根據(jù)對三軸向運(yùn)動信號進(jìn)行積分計算角度變化量，根據(jù)三軸向加速度信號校準(zhǔn)所述角度變化量，及根據(jù)校準(zhǔn)后的角度變化量計算空間坐標(biāo)三個軸向的位移分量。
9、 如權(quán)利要求8所述的使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法，其特征在于，所述校準(zhǔn)為將所述角度變化量轉(zhuǎn)換在同 一個坐標(biāo)系，且使其中 一個軸與重力加速度方向一致。
10、 如權(quán)利要求6所述的使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法，其特征在于，步驟(3)后還包括根據(jù)請求將運(yùn)動參數(shù)通過無線方式發(fā)送到外部控制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種游戲控制器，包括三軸陀螺儀模塊、三軸加速度模塊、信號采集及處理模塊和通訊模塊，三軸陀螺儀模塊和三軸加速度模塊通過信號采集及處理模塊與通訊模塊連接，用于將輸出信號處理后發(fā)送到外部控制器。基于上述游戲控制器，本發(fā)明的使用陀螺儀的運(yùn)動捕捉方法，包括如下步驟采集三軸向運(yùn)動信號和三軸向加速度信號；將采集的模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和信號穩(wěn)定性處理；根據(jù)三軸向運(yùn)動信號和三軸向加速度信號計算三軸向運(yùn)動參數(shù)。本發(fā)明通過在游戲控制器中集成陀螺儀來捕捉控制器在三維空間中的移動，可在互動式游戲中捕捉游戲者的移動信息，用以驅(qū)動游戲環(huán)境中角色的移動，加強(qiáng)游戲的真實感和互動性。
文檔編號A63F13/02GK101648076SQ200810043700
公開日2010年2月17日 申請日期2008年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月12日
發(fā)明者霆 李, 巍 魏 申請人:鼎億數(shù)碼科技(上海)有限公司;鼎億公司