具多軸控制的遙控或指針控制裝置及方法
2023-05-30 08:07:21 3
專利名稱：具多軸控制的遙控或指針控制裝置及方法
技術領域：
本發明系關於一種具多軸控制的遙控或指針控制裝置及方法。
背景技術：
現今對於對象的遙控，多仍以傳統操控模式為之，如圖12所示，其系利用一手持遙控裝 置33,以撥動上方操控杆34的偏移，透過上下左右的間接感知操控模式，決定被遙控對象 35所應產生的對應移動方向，以達到互動控制的裝置。
再者，現今計算機屏幕的滑鼠指針，如圖13所示，需將一滑鼠30置於一固定平面上， 並將滑鼠30前後左右推移，用以對屏幕31上的指標32作相等對應的移動控制。
然而，透過操控杆遙控的模式，雖可掌握被遙控對象的方向，但僅是利用手指推移操控 杆所產生的間接遙控，操作模式不僅缺乏變化性，而且喪失主觀控制的感覺，實難稱為理想 的設計。
另外，傳統滑鼠的控制模式，雖然已達到反應快速且精準操控的效果，但其條件必需動 作於X-Y軸的平面上，如此礙於空間的限制，亦無法完全滿足使用上的需求。
因此，有業者針對上述缺點進行改良，繼研發出可於立體空間控制滑鼠指針的裝置，其 系利用 一機械式陀螺儀取代傳統滑鼠的偵測方式，以突破須於固定平面空間動作的限制，進 而達到於空間中任意姿態狀況的控制模式。
但其機械式陀螺儀，不僅單位體積大、恢復時間長，亦須耗費較大的電量以維持機件運 作，且對於角度偏移的偵測並不穩定，故容易造成執行上的誤差，應有待一併加以解決改善。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種具多軸控制的遙控或指針控制裝置及方法，其主要是利用 一多軸陀螺儀，感測人體手部移動或旋轉所產生的角度及角速度變化，轉換成控制受控對象 或屏幕指針所執行的平面或立體運動，並藉由啟動鍵及校正鍵的觸發，有效控制陀螺儀感應 的時機及偏差值的調整。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是 一種具多軸控制的遙控或指針控制裝置，其
特點是，遙控裝置或指針控制裝置內，設有一多軸陀螺儀，並於裝置外部設有一啟動鍵及一 校正鍵，當按壓啟動鍵後，遙控裝置或指針控制裝置即藉由多軸陀螺儀於空間中感應各軸的 角速度，以人體可旋轉的手腕或手軸關節部為支點，以任意姿態移動該裝置，使受控對象或 屏幕指針作相等對應的平面或立體位移運動。
該遙控裝置或指針控制裝置系裝設功能按鍵。
該功能按鍵係為一滾輪、按鈕或開關遙控裝置。
該多軸陀螺儀為各軸互相垂直的微機電傳感器。
藉由該啟動鍵的持續按壓並釋放，控制指針控制裝置或遙控裝置感應的啟動或停止，或 以單次按壓後為啟動控制，並於下一按壓時停止。
藉由該校正鍵的持續按壓並釋放，控制指針控制裝置或遙控裝置校正的啟動或停止，或 以單次按壓並於校正後自動停止控制。
該遙控或指針控制裝置系可變化裝置的外觀樣態。
該受控對象係為一遙控飛機、遙控車或機械狗被遙控物件。
本發明還提供一種具多軸控制的遙控或指標控制方法，其特點是，運用算法(1 )和(2 ) 在多軸陀螺儀每一取樣時間計算於X-Y平面運動各軸的位移量；
Ax一VV5 (2)
或運用算法(3 )、 ( 4 )及(5 )在多軸陀螺儀每一取樣時間計算在X-Z-Y立體運動各 軸的位移量；
(3 ) (4 )
; , ( 5 )
然後將控制訊號輸出到受控對象或屏幕指針上，產生相對於手腕或手軸關節的運動效果。
所述的具多軸控制的遙控或指標控制方法的S2Z、 S2X和S2Y分別與C0z、 C0x和C0y為一函
數關係，以達到由手部旋轉運動精確控制受控對象運動或屏幕指針移動的目的。 該多軸陀螺儀使用X-2-Y任一軸做為遙控裝置在某一軸向運動的感應。 該多軸陀螺儀使用X-Z-Y任兩軸或三軸的組合，做為遙控裝置或指針控制裝置的平面或
立體運動感應o
Y軸向陀螺儀以順時針或逆時針旋轉控制Y軸向線性運動往前往後的效果。
控制信號的傳遞為有線或無線的傳輸方式。
本發明具有如下有益技術效果
1、 以人體可旋轉的手腕或手軸關節部為支點，再利用手部移動遙控或指針控制裝置，進 而產生的角度及角速度變化，轉換為受控對象或屏幕指針位移的距離及方向的平面或立體運 動模式，據以達到任意空間的姿態操控。
2、 以一微機電多軸陀螺儀為主要感測裝置，除了體積小並降低耗電量外，其作業的頻寬 較大，亦可提升整體控制的反應速度；又透過演算方式的調整，修正快速移動後所產生的累 積誤差，進而增加整體系統的準確性。
3、 藉由一啟動鍵控制陀螺儀觸發或停止感測的時機，及利用一校正鍵調整陀螺儀因電壓 或多次使用後所導致的偏差，因此更能有效掌握裝置操控的精準度。
4、 利用遙控裝置執行此種控制模式，直接驅使受控對象執行立即反應動作，以主觀的手 部移動控制取代傳統間接式的機械操作，達到互動性極佳的效能。
圖1系本發明的裝置結構示意圖。
圖2系本發明的裝置控制示意圖1。
圖3系本發明的裝置控制示意圖2。
圖4系本發明的裝置控制示意圖3。
圖5系本發明的運動修正係數示意圖。
圖6系本發明的 一往返運動的陀螺儀輸出量測圖。
圖7系本發明的啟動動作流程示意圖。
圖8系本發明的校正狀態流程示意圖。
圖9系本發明的實施例1。
圖10系本發明的實施例2。
圖11系本發明的實施例3。
圖12系習用遙控裝置的外觀示意圖。
圖13系習用滑鼠指針控制示意圖。
具體實施例方式
有關於本發明的結構組成、技術手段及功效達成方面，謹配合較佳實施例圖式再予舉例 進一步具體說明於後
首先，請參閱圖1所示，本發明主要是於指針控制裝置IO或遙控裝置11內，裝設有一 微機電多軸陀螺儀12,並於裝置的一側設有一啟動鍵13及一校正鍵14;再由圖2所示，當 按壓遙控裝置11上的啟動鍵13後，遙控裝置11即可於立體空間上，以人體可旋轉的手腕或 手軸關節部為支點，任意姿態移動遙控裝置11於X - Y平面的前後左右偏移，控制遙控飛機 20於X - Y平面方向的移動，再藉由滾輪17的前後滾動，調整遙控飛機20上升或下降的運 動效能；又由圖3所示，相同按壓指針控制裝置10上的啟動鍵13後，指針控制裝置10即可 於立體空間上，以任意姿態移動指針控制裝置10,使屏幕15上的指標16作相等對應的位移 動作。
其次，本發明坐標軸的定義如圖2所示，遙控裝置11在立體空間裡以O點為圓心，繞著 X軸旋轉的俯仰(Pitch)運動，並應用下列的算法(1 );假設使用俯仰(Pitch)軸向陀螺儀 所感應的角速度為cox,並以AQ表示俯仰(Pitch)軸相對角度變化和A，yh表示遙控飛機20在 Y軸的相對位移，而CDx與Ay的關係表示為formula see original document page 7 (i )
其中Sfx為X軸陀螺儀的比例常數，S^為將偏轉軸(Pitch)旋轉運動感測轉換為Y軸 向線性運動的修正係數，且S2fTSix， T則為固定的取樣時間；請參閱圖5所示，該S漢與
COx為一函數關係，S2x的數值將隨C0x的增加而呈現遞減的情形，並達到飽和值，而此曲線主
要是針對微小的COx會被視為噪聲或手部的抖動而被忽略計算所做的彌補動作；另外，此曲線 的另一個目的在於多軸陀螺儀12內的慣性傳感器於快速運動後，量測值較大，亦需較長的恢 復時間，容易與實際的運動量有些微的出入，故對此缺點予以修正。
再者，請繼續參閱圖6所示，為固定15度的往返動作，經由示波器量測一靈敏度為33.3 mV/(7sec)和比例常數SR為10的陀螺儀實測值，理論上在偏差值(bias)的上下面積應相同， 但在T二2ms下，經由計算上行程的面積為15.34度，下行程的面積為11.28度，差異為4.06 度，故較大的角速度(Ox會對應較小的S2X值，而越小的COx數值則對應越大的S2X，再利用算 法(1 )的實時計算，使得最後上下行程的面積可以趨近相等，達到由手部旋轉運動精確控 制受控對象或屏幕指針移動的目的。
又，請參閱圖2所示，其裝置感應動作系以一單晶片量測多軸陀螺儀的X-Y軸輸出，其
中X軸的位移量Axh經由算法(2 )獲得，
其中C0y為俯仰軸(Roll)的角速度，而Sfy為Y軸陀螺儀的比例常數及S2Y與C0y為一函 數關係。
另一方面，如圖3所示；假設使用偏轉軸(YAW)向陀螺儀所感應的角速度為C0z，並以 Avj/表示偏轉軸(YAW)相對角度變化和Axp表示指標在x軸的相對位移，而 2與Axp的關 系表示為formula see original document page 8 (3)
其中Sfc為Z軸陀螺儀的比例常數，Sk為將偏轉軸(YAW)旋轉運動感測轉換為x軸向 線性運動的修正係數，iS2z=TSlz。
又，請參閱圖3所示，其裝置感應動作系以一單晶片量測多軸陀螺儀的X-Z-Y軸輸出， 其中Z軸的位移量Azp經由算法(4 ),formula see original document page 8(4)
其中(DX為俯仰軸(Pitch)的角速度，而Sfx為X軸陀螺儀的比例常數及S2x與(0X為 一函 數關係；同時Y軸的位移量A力經由算法(5 ),
formula see original document page 8
其中(DY為滾轉軸(Roll)的角速度，而Sfv為Y軸陀螺儀的比例常數及S2Y與0)Y的關係
為一函數關係，而此軸的操作方式如圖4所示，Y軸向陀螺儀以順時針或逆時針旋轉控制Y 軸向線性運動往前往後的效果。又，此三軸將輸出的電壓值經由A/D轉換得到其數據，再由 此數據整理成指針移動的相關參數，再轉換成X-Z-Y坐標的位移量，最後以指針控制裝置10 的移動樣態輸出於屏幕上，即可得到指針16對應的偏移動作。
如圖7所示，為本發明的啟動動作流程示意圖，當按下啟動鍵，隨即產生一低態觸發， 並啟動單晶片，使陀螺儀及各部組件執行動作，而當放開啟動鍵後，本裝置隨即進入休眠省 電模式，據以提供使用者掌控裝置的使用時機及狀態。
接著，請參閱圖8所示，因控制裝置於使用時，每個陀螺儀的特性皆有些許差異，可能 因電壓或多次使用後而導致的位準偏移，故利用校正鍵加以修正；首先，裝置在穩定狀態按 下校正鍵，而陀螺儀將重複取樣陀螺儀各軸的輸出數值數次，並以平均值作為各軸的偏差值， 再將此數值儲存，而當放開啟動鍵後，本裝置隨即進入休眠省電模式；其目的在於每一次使 用啟動鍵時，將各軸角速度偏差值取出與目前角速度作相互比較，再將比較後的數值傳回主
程序運算，如此即可對偏差狀態予以校正。
另外，請參閱下列指針控制裝置及遙控裝置與受控對象的各實施例。
如圖9所示，除了藉由指針控制裝置10於任意空間上移動，控制屏幕15指針16執行平 面或立體偏移，並結合目錄鍵241、開始/暫停鍵242、停止鍵243、音量加大鍵244、音量 減少鍵245等按鈕，以達到多任務遙控整合的目的。
如圖10所示，系將遙控裝置11改以方向盤21的操控型式呈現，並以左右旋轉方向盤 21控制遙控車22左右轉，再藉由前進鈕211與退後鈕212的按壓，使遙控車22執行前進後 退的動作。
如圖11所示，系藉由遙控裝置11於任意空間上移動，進而直接控制機械狗23的相對平 面運動，以達主觀控制的操作模式。
權利要求
1、一種具多軸控制的遙控或指針控制裝置，其特徵在於，遙控裝置或指針控制裝置內，設有一多軸陀螺儀，並於裝置外部設有一啟動鍵及一校正鍵，當按壓啟動鍵後，遙控裝置或指針控制裝置即藉由多軸陀螺儀於空間中感應各軸的角速度，以人體可旋轉的手腕或手軸關節部為支點，以任意姿態移動該裝置，使受控對象或屏幕指針作相等對應的平面或立體位移運動。
2、 如權利要求1所述的具多軸控制的遙控或指針控制裝置，其特徵在於，該遙控裝置或 指針控制裝置系裝設功能按鍵。
3、 如權利要求2所述的具多軸控制的遙控或指針控制裝置，其特徵在於，該功能按鍵系 為一滾輪、按鈕或開關遙控裝置。
4、 如權利要求1所述的具多軸控制的遙控或指針控制裝置，其特徵在於，該多軸陀螺儀 為各軸互相垂直的微機電傳感器。
5、 如權利要求1所述的具多軸控制的遙控或指針控制裝置，其特徵在於，藉由該啟動鍵: 的持續按壓並釋放，控制指針控制裝置或遙控裝置感應的啟動或停止，或以單次按壓後為啟 動控制，並於下一按壓時停止。
6、 如權利要求1所述的具多軸控制的遙控或指針控制裝置，其特徵在於，藉由該校正鍵 的持續按壓並釋放，控制指針控制裝置或遙控裝置校正的啟動或停止，或以單次按壓並於校 正後自動停止控制。
7、 如權利要求1所述的具多軸控制的遙控或指針控制裝置，其特徵在於，該遙控或指針 控制裝置系可變化裝置的外觀樣態。
8 、如權利要求1所述的具多軸控制的遙控或指針控制裝置，其特徵在於，該受控對象系 為一遙控飛機、遙控車或機械狗被遙控物件。
9、 一種具多軸控制的遙控或指標控制方法，其特徵在於，運用算法(1 )和(2 )在多軸陀螺儀每一取樣間計算於X-Y平面運動各軸的位移量；formula see original document page 2或運用算法(3 )、 ( 4 )及(5 )在多軸陀螺儀每一取樣時間計算在X-Z-Y立體運動各 軸的位移量；formula see original document page 3然後將控制訊號輸出到受控對象或屏幕指針上，產生相對於手腕或手軸關節的運動效果。
10、 如權利要求9所述的具多軸控制的遙控或指標控制方法，其特徵在於，S2Z、 Sm和 S2Y分別與COz、 COx和COY為一函數關係，由手部旋轉運動精確控制受控對象運動或屏幕指針 移動。
11、 如權利要求9所述的具多軸控制的遙控或指標控制方法，其特徵在於，該多軸陀螺 儀使用X-Z-Y任一軸做為遙控裝置在某一軸向運動的感應。
12、 如;f又利要求9所述的具多軸控制的遙控或指標控制方法，其特徵在於，該多軸陀螺 儀使用X-Z-Y任兩軸或三軸的組合，做為遙控裝置或指針控制裝置的平面或立體運動感應。
13、 如權利要求9所述的具多軸控制的遙控或指標控制方法，其特徵在於，Y軸向陀螺 儀以順時針或逆時針旋轉控制Y軸向線性運動往前往後的效果。
14、 如權利要求9所述的具多軸控制的遙控或指標控制方法，其特徵在於，控制信號的 傳遞為有線或無線的傳輸方式。
全文摘要
本發明系提供一種具多軸控制的遙控或指針控制裝置及方法，主要繫於裝置內設有一多軸陀螺儀，據以感測人體手部移動的指向變化，再將感應產生的角速度，轉換對應於受控對象或屏幕指針位移的距離及方向；另外，系藉由一啟動鍵控制陀螺儀觸發或停止的時機，及利用一校正鍵調整陀螺儀的偏差值，如此使用者可於任意姿態下對對象或指針進行控制，更可有效掌握裝置操控的精準度，因此達到主動性及實用性的裝置設計。
文檔編號G06F3/038GK101387926SQ20071004598
公開日2009年3月18日 申請日期2007年9月14日 優先權日2007年9月14日
發明者林金鴻 申請人:林金鴻