專利名稱：方向控制裝置及利用該裝置進行方向控制的方法
技術領域：
本發明涉及對運動物體的方向控制，具體地說，是一種方向控制裝置及利用該裝置進行方向控制的方法。
背景技術：
目前，通常的方向控制是通過手動方式完成的，例如使用方向盤、車把、剎車、油門、操縱桿、按鈕等操作方式對車輛、船只、飛機等設備進行控制，使設備執行轉彎、前進、后退、定速巡航等動作；而現有的諸如玩具車、船模、航模等是由操作者通過遙控器上的方向盤、方向按鈕、操縱桿等獲得方向信號，再經無線方式發出方向控制信號，接收器接收到信號后通過伺服裝置驅動轉向機構或變速機構，以執行相應的動作。這些均需要使用者轉動方向盤、按動按鈕或者轉動操縱桿等獲得方向控制信號，操作比較麻煩，而且至少要占用一只手來操作。因此，需要一種用于方向控制的新的裝置和方法，以解決上述問題。

發明內容
本發明的目的，在于解決現有的方向控制系統和方向控制方法中所存在的不足，從而提供了一種創新的方向控制裝置和方法。本發明的方向控制裝置包括:姿態傳感器檢測單元，其用于對該方向控制裝置的姿態進行檢測，并輸出運動信息數據；信息處理單元，用于接收所述姿態傳感器檢測單元輸出的運動信息數據，計算并輸出該方向控制裝置的運動狀態數據和運動參數數據；輸入單元，用于將輸入控制信號輸入至所述信息處理單元；輸出單元，用于接收所述信息處理單元輸出的運動狀態數據和運動參數數據，并將該運動狀態數據和運動參數數據輸出至外部設備。優選地，所述姿態傳感器檢測單元包括加速度計或陀螺儀，所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動速度數據、運動位移數據和運動角度數據。優選地，所述姿態傳感器檢測單元包括水平傳感器，所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動角度數據。優選地，所述外部設備為車輛、船只和飛機中的一種。本發明還提供了一種利用上述方向控制裝置進行方向控制的方法，包括以下步驟:a，利用所述姿態傳感器檢測單元，對該方向控制裝置的姿態進行檢測，并輸出運動信息數據；b，利用所述信息處理單元，接收所述姿態傳感器檢測單元輸出的運動信息數據，計算并輸出該方向控制裝置的運動狀態數據和運動參數數據；C，將該運動狀態數據和運動參數數據輸出至外部設備。優選地，所述姿態傳感器檢測單元包括加速度計；所述步驟a中，該輸出的運動信息數據包括在空間坐標X、Y、Z方向上的加速度數據；所述步驟b中，計算該方向控制裝置的運動狀態數據包括:對空間坐標X、Y、Z方向上的加速度數據分別進行積分，得出所述運動狀態數據和運動參數數據，其中所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動速度數據、運動位移數據和運動角度數據。優選地，所述姿態傳感器檢測單元包括陀螺儀；所述步驟a中，該輸出的運動信息數據包括在空間坐標X、Y、Z方向上的角速度數據；所述步驟b中，計算該方向控制裝置的運動狀態數據包括:對空間坐標X、Y、Z方向上的角速度數據分別進行積分，得出所述運動狀態數據和運動參數數據，其中所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動速度數據、運動位移數據和運動角度數據。優選地，所述姿態傳感器檢測單元包括多個水平傳感器；所述步驟a中，該輸出的運動信息數據包括該多個水平傳感器的通斷狀態數據；所述步驟b中，計算該方向控制裝置的運動狀態數據包括:根據所述多個水平傳感器的通斷狀態數據，確定所述運動狀態數據，并通過時間積分，得出運動參數數據，其中所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動角度數據。所述水平傳感器優選地為水銀開關。優選地，在所述步驟c之前，還包括:根據空間坐標X、Y、Z方向上的加速度數據，判斷方向控制裝置是否墜落。本發明的方向控制裝置和控制方法，可使操作者不需要轉動方向盤、按動按鈕或者轉動操縱桿等獲得方向控制信號，而僅需要改變控制裝置的姿態即可實現方向控制。


圖1為本發明的方向控制裝置的組成示意圖；圖2為本發明的進行方向控制的方法的流程示意圖；圖3為本發明的方向控制裝置的一種使用方式示意圖；圖4為本發明的方向控制裝置的另一種使用方式示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
，對本發明的方向控制裝置以及利用該方向控制裝置進行方向控制的方法進行詳細說明。總體而言，本發明的方向控制裝置，通過其姿態傳感器檢測單元來檢測控制裝置本身相對于世界坐標的方位和傾角變化，為使用者提供控制裝置的運動狀態數據和運動參數數據，并以此作為方向控制信號，用于控制車輛、船只、飛機等設備的行進操作。
具體地，如圖1所示，本發明的方向控制裝置包括:姿態傳感器檢測單元100，其用于對該方向控制裝置的姿態進行檢測，并輸出運動信息數據；信息處理單元200，用于接收姿態傳感器檢測單元100輸出的運動信息數據，計算并輸出該方向控制裝置的運動狀態數據和運動參數數據；輸入單元300，用于將輸入控制信號輸入至信息處理單元200 ;輸出單元400，用于接收信息處理單元200輸出的運動狀態數據和運動參數數據，并將該運動狀態數據和運動參數數據輸出至外部設備500。在一個優選的實施方式中，姿態傳感器檢測單元100包括加速度計或陀螺儀，對應地，運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動速度數據、運動位移數據和運動角度數據。對加速度計或陀螺儀檢測所得的運動信息數據進行處理，進而得到運動狀態數據和運動參數數據的具體說明，將在以下對利用本發明的方向控制裝置進行方向控制的方法中進行詳細描述。備選地，姿態傳感器檢測單元100包括水平傳感器，對應地，運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動角度數據。對水平傳感器所得的運動信息數據進行處理，進而得到運動狀態數據和運動參數數據的具體說明，將在以下對利用本發明的方向控制裝置進行方向控制的方法中進行詳細描述。信息處理單元200可以采用常規的信息處理模塊，例如CPU，也可以采用專用的數字信號處理器等數字信號處理芯片。輸入單元300輸入的控制指令包括開啟、關閉、重啟、模式切換等指令，用于對信息處理單元200的狀態進行控制。輸入單元300可通過有線或無線數據傳輸方式，例如采用串口有線通信或RF無線射頻識別通信技術，將控制指令傳輸給信息處理單元。輸出單元400用于實現信息處理單元200對數據處理后數據的輸出，同樣地，其輸出方式可以采用有線或無線的數據傳輸方式，例如采用串口有線通信或RF無線射頻識別通信技術等。更具體地，輸出單元400可將接收到的運動狀態數據和運動參數數據作為控制信號指令，傳輸給外部設備500。外部設備500為車輛、船只和飛機中的一種。由此，可通過運動狀態數據和運動參數數據，對車輛、船只或飛機等設備的轉彎、前進、后退或定速巡航等進行方向控制。另外，本發明的方向控制裝置還包括常規的電源供應單元(圖未示)，用于為各個組件，包括姿態傳感器檢測單元100、信息處理單元200、輸入單元300和輸出單元400提供電源供應。本發明的方向控制裝置，可采用手持方式控制，具體地，參考圖3，為使用者20采用手持方式使用本發明的方向控制裝置10的示意圖。具體地，若本發明的控制裝置10沿X軸向左偏轉，經計算后就可輸出向左的轉向信號；同樣，若控制裝置10沿X軸向右偏轉，經計算后就可輸出向右的轉向信號；若控制裝置10沿Z軸水平向左旋轉，經計算后就可輸出向左的轉向信號；若控制裝置10沿Z軸水平向右旋轉，經計算后就可輸出向右的轉向信號；若控制器裝置Y軸向下偏轉，經計算后就可輸出前進信號；若控制裝置沿Y軸向上偏轉，經計算后就可輸出后退信號；若控制裝置保持水平不動，則輸出定速巡航信號，即保持當前速度不變運行。另參考圖4，為使用者20采用佩戴方式使用本發明的方向控制裝置10的示意圖。具體地，如圖所示，本發明的方向控制裝置10固定于使用者20身體上的某一位置。若人體沿X軸向左偏轉，經計算后就可輸出向左的轉向信號；若沿X軸向右偏轉，經計算后就可輸出向右的轉向信號；若人體沿Z軸水平向左旋轉，經計算后就可輸出向左的轉向信號；若人體沿Z軸水平向右旋轉，經計算后就可輸出向右的轉向信號；若人體沿Y軸向前傾斜，經計算后就可輸出前進信號；若人體沿Y軸向后傾斜，經計算后就可輸出后退信號；若人體保持水平不動，則輸出定速巡航信號，即保持當前速度不變運行。以下結合圖1、2，對利用圖1中本發明的方向控制裝置進行方向控制的方法的流程步驟進行詳細說明。如圖2所示，利用本發明的方向控制裝置進行方向控制的方法，包括以下步驟:在步驟SlOO中，利用所述姿態傳感器檢測單元，對該方向控制裝置的姿態進行檢測，并輸出運動信息數據；在步驟S200中，利用所述信息處理單元，接收所述姿態傳感器檢測單元輸出的運動信息數據，計算并輸出該方向控制裝置的運動狀態數據和運動參數數據；在步驟S300中，將該運動狀態數據和運動參數數據輸出至外部設備。以下分別根據姿態傳感器檢測單元采用的不同的傳感器，來對其對應的各步驟進行詳細描述。實施例1，姿態傳感器檢測單元包括加速度計。該實施例中，姿態傳感器檢測單元100包括加速度計；對應地，在步驟SlOO中，該輸出的運動信息數據包括在空間坐標X、Y、Z方向上的加速度數據；在步驟S200中，計算該方向控制裝置的運動狀態數據包括:對空間坐標X、Y、Z方向上的加速度數據分別進行積分，得出所述運動狀態數據和運動參數數據，其中所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動速度數據、運動位移數據和運動角度數據。所述方位變化狀態數據包括控制裝置上、下、左、右的方位變化狀態數據，傾轉狀態數據是指控制裝置相對于世界坐標各坐標軸的傾轉角度數據。例如，從X方向的加速度經積分可以得出控制器前進或后退的速度和位移，若速度和位移分別大于某一值(如0.lm/s和0.1m)，可以判斷出控制裝置向該方向運動，獲得控制裝置的前進或后退速度和位移；若Z軸加速度的變化大于某一值(如IOOmg)，Y軸加速度小于某一值(如IOOmg)，此時通過X軸加速度的變化趨勢可以得出控制器發生了前傾或后傾運動，前后傾角度可分別用作前進后退信號；從Y、Z方向的加速度經積分可以得出控制裝置側傾的速度和位移，同樣可以通過速度和位移與某一值(如0.lm/s和0.1m)的比較，判斷出控制器向該方向發生側傾，左右側傾角度可分別用作左右轉彎信號；gX、Y、Z三軸的加速度的變化均小于某一值(如IOOmg)，則認為此時控制器沒有運動，輸出定速巡航信號JfX、Y、Z三軸的加速度信號做矢量計算，可得出控制裝置的實際運動方向；若加速度計敏感軸方向上沒有平移，僅為繞其它軸進行轉動，那從加速度的值即可直接得到控制器相對世界坐標傾斜的角度，如IOOmg大約為該方向傾斜9度，利用該特點可以通過布置加速度計的位置，使其敏感軸方向上沒有平移，即可直接得到控制器相對世界坐標傾斜的角度，該角度可以作為方向控制信號，如用于控制車輛、船只、飛機等設備的轉彎、前進、后退、定速巡航等方向控制。
對于運動速度數據、運動位移數據和運動角度數據的運動狀態數據，可利用常規的計算方法對加速度進行計算得出。例如利用二次積分法等。另外，在數據處理中，可控制裝置的位移設置一個閾值(如5cm)，當X、Y、Z軸方向的相對位移小于這個閾值時，則令相對位移值為0，從而控制控制器移動的靈敏度。每次系統復位后，設定控制裝置的初始速度與初始位移均為O。由于重力加速度的影響，當控制裝置傾斜時，也會有加速度信號輸出，該加速度值經過多次積分后，控制裝置移動的瞬時速度值會越來越大，當控制裝置的相對位移超過了程序設定的位移閾值時，會導致定位不準。為了解決這一現象，在程序設計中可進行相應處理，對檢測到的加速度值進行判斷，當其絕對值小于給定的閾值時，則將加速度值清零；此外，定時的將瞬時速度值清零，從而抑制多次積分后控制裝置的計算速度越來越大。優選地，該實施例中，在步驟S300之前，還包括墜落判定步驟，即根據空間坐標X、Υ、ζ方向上的加速度數據，判斷方向控制裝置是否墜落。具體地，當加速度計三個軸的值突然小于某一值(如250mg) —段時間(如200ms)時，即判斷為控制裝置發生自由落體，此時輸出的方向控制信號進入保護狀態，即輸出保護信號(包括不再輸出轉彎信號，酌情輸出減速信號，如速度較快，必要時輸出關機信號，如Is內沒有接到控制器再次啟動命令)，從而對控制裝置掉落或者使用者摔倒情況進行保護。實施例2，姿態傳感器檢測單元包括陀螺儀。該實施例中，姿態傳感器檢測單元100包括陀螺儀；對應地，在步驟SlOO中，該輸出的運動信息數據包括在空間坐標X、Y、Z方向上的角速度數據；在步驟S200中，計算該方向控制裝置的運動狀態數據包括:對空間坐標X、Y、Z方向上的角速度數據分別進行積分，得出所述運動狀態數據和運動參數數據，其中所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動速度數據、運動位移數據和運動角度數據。利用角速度數據計算運動狀態數據和運動參數數據的方法，可利用常規的計算方法得出，例如，計算運動角度數據時，可利用矩形法、梯形法等積分方法獲得。例如，設上電時控制器為零位狀態，從繞X的角速度經積分可以得出控制裝置傾轉的角度，左右傾轉角度可分別用作左右轉彎信號；從繞Y的角速度經積分可以得出控制裝置向下或向上的角度，可分別用作前進或后退信號；從繞Z的角速度經積分可以得出控制裝置左右轉動的角度，可用作左右轉彎信號；如果三個軸上的角速度均小于某一閾值(如10° /S)，則認為此時控制裝置沒有運動，輸出定速巡航信號。由于陀螺儀得出的是相對的角速度，多次積分后得到的結果可能飽和，因此需要在初始上電時或隔一段時間對陀螺儀進行標定，以確定其零位狀態。實施例3，姿態傳感器檢測單元包括水平傳感器。該實施例中，姿態傳感器檢測單元包括多個水平傳感器；對應地，在步驟SlOO中，該輸出的運動信息數據包括該多個水平傳感器的通斷狀態數據；在步驟S200中，計算該方向控制裝置的運動狀態數據包括:
根據所述多個水平傳感器的通斷狀態數據，確定所述運動狀態數據，并通過時間積分，得出運動參數數據，其中所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動角度數據。水平傳感器，又稱傾側開關，通常用于系統的水平測量，從工作原理上可分為“固體擺”式、“氣體擺”式、“液體擺”式等。在本發明的實施方式中，可優選地采用“液體擺”式水平傳感器構成本發明的姿態傳感器檢測單元，例如水銀開關。當然，也可選用“固體擺”式、“氣體擺”式等合適的水平傳感器類型。以水銀開關為例，在水銀開關內，水銀以一接著電極的小巧容器儲存著一小滴水銀，容器中多數注入惰性氣體或真空。因為重力的關系，水銀水珠會隨容器中較低的地方流去，如果同時接觸到兩個電極的話，開關便會將電路閉合，開啟開關。采用水平傳感器判斷控制裝置運動狀態，主要是和水平傳感器的布置位置有關，可通過布置水平傳感器的位置，檢測前傾、后傾、左右側傾和未傾斜狀態等方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，分別對應前進、后退、左轉、右轉和定速巡航，由于水平傳感器僅能獲得通斷狀態，因此需要通過對其時間的積分，得到運動角度數據，該角度可以作為方向控制信號，如用于控制車輛、船只、飛機等設備的轉彎、前進、后退、定速巡航等方向控制。綜上所述，本發明的方向控制裝置和控制方法，可使操作者不需要轉動方向盤、按動按鈕或者轉動操縱桿等獲得方向控制信號，而僅需要改變控制裝置的姿態即可實現方向控制，具有簡單明了，容易操縱的特點，尤其是將控制裝置固定于身體的某一位置，此時完全可以解放出雙手，僅用身體的姿態即可控制方向，能夠集運動和娛樂于一身。此外本發明的方向控制方法還帶有自由落體保護功能，當檢測到控制裝置發生自由落體時，輸出的方向控制信號進入保護狀態，即輸出保護信號(包括不再輸出轉彎信號，酌情輸出減速信號，必要時輸出關機信號)，從而避免將控制裝置掉落或者使用者摔倒情況時的輸出的異常信號作為控制指令傳輸給外部設備。
權利要求
1.一種方向控制裝置，其特征在于，包括: 姿態傳感器檢測單元，其用于對該方向控制裝置的姿態進行檢測，并輸出運動信息數據； 信息處理單元，用于接收所述姿態傳感器檢測單元輸出的運動信息數據，計算并輸出該方向控制裝置的運動狀態數據和運動參數數據； 輸入單元，用于將輸入控制信號輸入至所述信息處理單元； 輸出單元，用于接收所述信息處理單元輸出的運動狀態數據和運動參數數據，并將該運動狀態數據和運動參數數據輸出至外部設備。
2.根據權利要求1所述的方向控制裝置，其特征在于，所述姿態傳感器檢測單元包括加速度計或陀螺儀，所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動速度數據、運動位移數據和運動角度數據。
3.根據權利要求1所述的方向控制裝置，其特征在于，所述姿態傳感器檢測單元包括水平傳感器，所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動角度數據。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的方向控制裝置，其特征在于，所述外部設備為車輛、船只和飛機中的一種。
5.一種利用如權利要求1所述的方向控制裝置進行方向控制的方法，其特征在于，包括以下步驟: a，利用所述姿態傳感器檢 測單元，對該方向控制裝置的姿態進行檢測，并輸出運動信息數據； b，利用所述信息處理單元，接收所述姿態傳感器檢測單元輸出的運動信息數據，計算并輸出該方向控制裝置的運動狀態數據和運動參數數據； C，將該運動狀態數據和運動參數數據輸出至外部設備。
6.根據權利要求5所述的進行方向控制的方法，其特征在于， 所述姿態傳感器檢測單元包括加速度計； 所述步驟a中，該輸出的運動信息數據包括在空間坐標X、Y、Z方向上的加速度數據； 所述步驟b中，計算該方向控制裝置的運動狀態數據包括: 對空間坐標X、Y、Z方向上的加速度數據分別進行積分，得出所述運動狀態數據和運動參數數據，其中所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動速度數據、運動位移數據和運動角度數據。
7.根據權利要求5所述的進行方向控制的方法，其特征在于， 所述姿態傳感器檢測單元包括陀螺儀； 所述步驟a中，該輸出的運動信息數據包括在空間坐標X、Y、Z方向上的角速度數據； 所述步驟b中，計算該方向控制裝置的運動狀態數據包括: 對空間坐標X、Y、Z方向上的角速度數據分別進行積分，得出所述運動狀態數據和運動參數數據，其中所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動速度數據、運動位移數據和運動角度數據。
8.根據權利要求5所述的進行方向控制的方法，其特征在于， 所述姿態傳感器檢測單元包括多個水平傳感器；所述步驟a中，該輸出的運動信息數據包括該多個水平傳感器的通斷狀態數據； 所述步驟b中，計算該方向控制裝置的運動狀態數據包括: 根據所述多個水平傳感器的通斷狀態數據，確定所述運動狀態數據，并通過時間積分，得出運動參數數據，其中所述運動狀態數據包括方位變化狀態數據和傾轉狀態數據，所述運動參數數據包括運動角度數據。
9.根據權利要求8所述的進行方向控制的方法，其特征在于，所述水平傳感器為水銀開關。
10.根據權利要求6所述的進行方向控制的方法，其特征在于，在所述步 驟c之前，還包括: 根據空間坐標X、Y、Z方向上的加速度數據，判斷方向控制裝置是否墜落。
全文摘要
本發明提供了一種方向控制裝置和方法。該裝置包括姿態傳感器檢測單元，其用于對該方向控制裝置的姿態進行檢測，并輸出運動信息數據；信息處理單元，用于接收所述姿態傳感器檢測單元輸出的運動信息數據，計算并輸出該方向控制裝置的運動狀態數據和運動參數數據；輸入單元，用于將輸入控制信號輸入至所述信息處理單元；輸出單元，用于接收所述信息處理單元輸出的運動狀態數據和運動參數數據，并將該運動狀態數據和運動參數數據輸出至外部設備。本發明的方向控制裝置和控制方法，可使操作者不需要轉動方向盤、按動按鈕或者轉動操縱桿等獲得方向控制信號，而僅需要改變控制裝置的姿態即可實現方向控制。
文檔編號G05D1/02GK103092200SQ20111034982
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者蘭天, 陳養彬, 方繼勇, 王建寬 申請人:上海新世紀機器人有限公司