輔助對自供電移動元件的實時定位的設備的制作方法

輔助對自供電移動元件的實時定位的設備的制作方法
【專利摘要】本發明的目的尤其是一種實時定位自供電移動元件。每個移動元件允許通過電磁輻射實時定位。其包括以下裝置：接收包括至少一個同步信息的無線電信號的接收裝置(505，520)，所述接收裝置被配置為從所接收的無線電信號中接收能量；發射電磁信號的發射裝置(515)，所述電磁信號是響應于激活信號而被發射的；連接到所述接收裝置和電磁信號的所述發射裝置的控制裝置(510)，所述控制裝置被無線電信號的所述接收裝置供電并且被配置為響應于同步信息來生成激活信號。
【專利說明】輔助對自供電移動元件的實時定位的設備

【技術領域】
[0001] 本發明涉及用戶和計算機化系統之間的界面，特別是在游戲領域，更特別地涉及 用于輔助對自供電移動元件進行實時定位的設備。

【背景技術】
[0002] 在很多情況下，計算機化系統必需檢測移動元件的位置和/或朝向以便允許移動 元件相應地做出反應。因此，例如，在允許用戶與計算機化系統模擬的虛擬玩家進行游戲的 棋類游戲中，在計算機化系統上運行的應用必需知道棋盤上所有部件的位置，特別是由用 戶移動的那些部件，以便計算其行動。
[0003] 存在用于檢測把實際對象作為計算機化系統的界面的游戲板上的實際對象的位 置和/或朝向的方案。
[0004] 因此，例如，可以使用阻性類型觸摸屏作為游戲板以便在施加足夠的壓力時檢測 對象入觸筆的位置。然而，該類屏幕通常僅支持單點觸摸并要求用戶的連續按壓以便知道 位置。換句話說，如果釋放如此施加的按壓，則不能檢測觸筆的位置。
[0005] 還可以使用基于經由導體的電流泄漏原理的容性類型的觸摸屏。然而，僅導電并 接地的對象才允許檢測其位置。因此，例如，塑料或木質對象的位置不能被使用這樣的屏確 定。
[0006] 而且，一般地，基于觸摸屏或觸摸膜的方案僅能支持有限數量的同時或準同時觸 摸并不允許確定大量的對象。
[0007] 其它方案使用基于紅外的技術，特別是以表的形式。因此例如，稱作"Surface (微 軟的商標）"、"mTouch (Merel公司的商標）"、Entertaible (飛利浦的商標）的產品使用布 置在表的厚度中的紅外照相機。然而，這些表的要求厚度使它們厚重，不方便移動，并且賦 予它們硬度。而且，其價格實際上不允許家庭使用。
[0008] 最后， 申請人:開發的另一方案允許多個移動元件與計算機化系統的實時接口連 接。在已經選擇了包括在移動元件內的至少一個定位模塊之后，該定位模塊被順次激活。然 后從該激活的定位模塊接收信號并且根據接收到的信號實時計算包括該激活的定位模塊 的移動元件的位置數據項。定位模塊被順次激活，在給定時刻僅激活單個定位模塊。
[0009] 雖然后一方案令人滿意，但一直有改進性能和降低制造成本的需求。


【發明內容】

[0010] 本發明允許解決上述問題中的至少一個。
[0011] 本發明的目的因此是一種用于輔助通過電磁輻射來實時定位自供電移動元件的 設備，該設備的特征在于包括以下裝置：
[0012] 一接收包括至少一個同步信息的無線電信號的接收裝置，所述接收裝置被配置為 從所接收的無線電信號中接收能量；
[0013] 一發射電磁信號的發射裝置，所述電磁信號是響應于激活信號而被發射的；
[0014] 一連接到所述接收裝置和電磁信號的所述發射裝置的控制裝置，所述控制裝置被 無線電信號的所述接收裝置供電并且被配置為響應于同步信息來生成激活信號。
[0015] 根據本發明的設備因此使得可以組合與標準技術（該標準技術尤其能夠以一般 成本利用）的使用相關的優點和允許在實時應用（其中可以使用數百個移動元件）中使用 移動元件的結構的優點。
[0016] 無線電信號的所述接收裝置優選地包括雙端口存儲器，所述雙端口存儲器被配置 為能夠通過無線電信號和所述控制裝置來讀和/或寫存取。根據本發明的設備因此使得可 以使用很多標準電路的特點來控制移動元件的激活以便允許定位移動元件和/或控制其 它相關聯的功能，特別是致動器、電機和/或顯示器的功能。
[0017] 根據一個特別實施例，無線電信號的所述接收裝置包括基于所接收無線電信號來 識別同步信息的識別裝置以及把所識別出的同步信息發送到所述控制裝置的發送裝置。根 據本發明的設備因此使得可以使用很多標準電路的特點來控制移動元件的激活以便允許 定位移動元件。
[0018] 再根據一個特別實施例，所述控制裝置包括檢測無線電信號的所述接收裝置的電 能源的狀態變化的檢測裝置，同步信息是響應于無線電信號的所述接收裝置的電能源的狀 態變化而被識別出的。根據本發明的設備因此特別易于使用。
[0019] 再根據一個特別實施例，所述控制裝置包括檢測所接收的無線電信號的載波的狀 態變化的檢測裝置，同步信息是響應于所接收的無線電信號的載波的狀態變化而被識別出 的。根據本發明的設備因此特別易于使用。
[0020] 再根據一個特別實施例，所述控制裝置包括存取在所述雙端口存儲器中存儲的值 的存取裝置，同步信息是根據所述雙端口存儲器中存儲的值而被識別出的。因此容易設置 根據本發明的設備的參數并限制可能引起的延遲時間。
[0021] 電磁信號的所述發射裝置優選地包括螺線管和控制所述螺線管的激活的開關。
[0022] 根據一個特別實施例，該設備還包括確定生成激活信號的時刻的確定裝置，所述 時刻是根據同步信息和延遲信息的接收時刻而被確定的。該設備因此允許在限制可能在兩 個移動元件的相繼激活之間產生的延遲時間的同時順次使用很多移動元件。
[0023] 無線電信號的所述接收裝置例如符合射頻識別RFID類型標準或諸如QI建議之類 的建議。
[0024] 根據一個特別實施例，所述控制裝置還包括控制所述移動元件的至少一個致動器 的裝置。
[0025] 再根據一個特別實施例，該設備還包括發射電磁信號的第二發射裝置，電磁信號 的所述發射裝置被稱為電磁信號的第一發射裝置，電磁信號的所述第一發射裝置和第二發 射裝置被配置為逐個發射電磁信號以便允許確定所述移動元件的朝向。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 通過閱讀示例性而非限定的以下詳細描述并參照附圖，本發明的其它特征、目的 和優點將顯得清楚，在附圖中：
[0027] -圖1示出能用于實施本發明的結構的示例；
[0028] -圖2示出用于確定移動元件的位置和朝向的邏輯表面和相關檢測的示例；
[0029] -圖3示出在螺線管和檢測表面的導電環路之間的感性耦合的物理原理；
[0030] -圖4示出根據由參照圖2描述的系統獲得的測量結果、沿著給定軸線允許計算 放置在檢測表面上的螺線管的位置的插值機制；
[0031] 一圖5至圖8示出允許被定位的移動元件電子電路的實施例；
[0032] -圖9示出由微控制器控制的移動元件的振蕩電路；
[0033] -圖10示出表示電感器的振蕩開始和停止期間的激活控制的模擬；
[0034] 一圖11示出允許從用于接收來自定位模塊的定位信號的定位表面的行和列接收 能量的定位模塊的示例；以及
[0035] -圖12示出當使用兩個同步信號時的同步定時圖的示例。

【具體實施方式】
[0036] 總體而言，本發明的目的是一種移動元件，其位置（X軸，y軸和/或高度）和/或 朝向（俯仰，偏航，搖擺）可以通過能夠順次確定一組移動元件的位置和/或朝向的表面來 確定。為此，每個移動元件在此具有至少一個定位模塊和一個激活模塊。該位置可以是一 個平面中的二維位置，或包括高度（或海拔）的三維位置。檢測表面可以與屏幕組合以便 提供例如背景元件或信息。
[0037] 例如，可通過電磁場來執行移動元件的三維位置的捕獲。為此，使用檢測移動元件 的位置的由行/列類型的電磁捕獲柵格構成的表面。該表面與能夠通過復用來計算發射電 磁場的定位模塊的位置的電子模塊相關聯。
[0038] 因此每個定位模塊例如被根據專屬于它的標識符來順次選擇，使得其發射電磁 場。為此，每個定位模塊包括激活機制以使得當被激活時發射可被檢測表面捕獲的電磁場。
[0039] 位置檢測驅動器模塊與檢測表面相關聯，以便經由控制信號來順次激活定位模塊 的電磁發射，或控制這樣的順次激活。在該模塊和定位模塊之間的控制信號有利地經由無 線連接來發送。
[0040] 控制信號可以例如根據標識符來選擇性地尋址每個定位模塊，或來尋址一組定位 模塊，這組定位模塊然后根據內含的延遲機制而被順次激活，從而允許在接收控制信號之 后的預定延遲之后的激活。
[0041] 根據本發明，激活并定位移動元件的電子元件是通過電感供電的，用于捕獲功率 的天線還用于激活并同步移動元件，即允許定位表面和移動元件之間的通信。使用感性耦 合的通過電感的供電可以使用特定控制電路或標準電路，例如符合RFID(射頻識別）標準 或QI建議（由無線功率協會開發）的電路，如承載由德州儀器公司開發的標號為BQ500110 和BQ510Ix的電路。
[0042] 位置的檢測表面例如是用于電磁接收的撓性或剛性PCB(印制電路板）類型板。其 可以與撓性或剛性、觸摸或非觸摸的屏幕（例如液晶顯示器LCD屏或有機電致發光二極管 OLED屏）相關聯，從而允許在交互的視覺表面上操縱移動元件。檢測表面還可以與磁化表 面相關聯，從而允許在傾斜、垂直或顛倒（頭朝下）的屏幕上或經受撞擊的情況下操縱移動 元件，而不影響位置檢測。
[0043] 圖1示出能用于實施本發明的結構100的示例。
[0044] 此處結構100包括板105,例如游戲板,在上面布置有允許用戶通過移動這些移動 元件110來與關聯于該板的計算機化系統交互的移動元件110。盡管此處僅示出五個移動 元件，但可以使用幾十、幾百個移動元件。板105定義用于檢測所用移動元件的位置和/或 朝向的面積。
[0045] 板105此處包括耦合到屏幕120的檢測表面115和磁化表面125 (檢測表面115、 屏幕120和磁化表面125在此基本上平行）。板還包括硬件模塊130 (或中央處理系統）， 硬件模塊130用于檢測移動元件110的位置，并且必要時用于檢測朝向以及用于運行與用 戶交互的一個或更多個應用。硬件模塊130特別地負責管理移動元件的位置和/或朝向， 即依次識別定位模塊、激活它們以使得它們逐個發射電磁場并估計其位置。
[0046] 硬件模塊130優選地與板105的其它元件一起插入殼中。或者，其可以是例如合并 到計算機或游戲控制臺中的遠程模塊。其可由可充電電池供電，或者經由主電源適配器供 電，并且具有一組常規連接器135,例如用于主電源適配器的電插頭、USB、以太網、VGA(視 頻圖形陣列）視頻和/或適當時的HDMI (該清晰度多媒體輸入）端口，特別是如果屏幕與 檢測區域相關聯的話。而且，硬件模塊130優選地包括無線通信模塊，例如允許與另一計算 機化系統交互和/或經由通信網絡存取數據的WIFI或藍牙類型的無線通信模塊。
[0047] 硬件模塊130通常包括計算模塊和此后描述的驅動位置檢測和捕獲的模塊。計算 模塊此處具有中央處理單元（CPU)、圖形處理單元（GPU)、用于存儲實施發明所需的程序和 變量的存儲器組件（隨機存儲存取器RAM、只讀存儲器和/或閃存類型存儲器）、以及聲音 處理模塊，例如以芯片組的形式。
[0048] 根據特別實施例，硬件模塊130不與板105集成但是鏈接到板105。例如，智能電 話類型的設備連接到板105。
[0049] 位置檢測和捕獲驅動模塊優選地通過無線電來順次激活必須確定位置的每個定 位模塊并控制這樣的順次激活。在激活之后，每個定位模塊在此發射由檢測表面捕獲的電 磁場。該檢測表面然后向位置檢測和捕獲模塊發送允許計算定位模塊的位置的信息項，例 如（x，y，z)類型的信息項。如后面描述的那樣，當若干定位模塊與同一移動元件相關聯時， 可以根據這些定位模塊的位置來確定該移動元件的朝向參數，例如以角度的形式。必須要 被確定位置和/或朝向的所有移動元件的位置和/或朝向然后就被發送到計算模塊，計算 模塊使用它們來管理與所關注的應用之間的交互性。
[0050] 在其余說明書部分中，板105和相關電子元件被稱作有效區域。
[0051] 圖2示出檢測表面和相關邏輯的示例。
[0052] 檢測表面115在此由形成導電網格的行列形式的網格構成。導電網格包括沿著兩 個正交軸線的一組導電環路。每個環路是個單獨的傳感器，允許測量由屬于其位置和/或 朝向必須要被計算的移動元件的輻射元件（通常螺線管）感應的電流或電壓的強度，移動 元件位于檢測表面上。
[0053] 作為示例，假定在此螺線管放置在位置200,即在環路205和210的交叉處，螺線 管一端接地并且另一端連接到用于計算位置的電子組件。當位于位置200的螺線管被供電 時，其在環路205和210中生成感性電流，該感性電流可以被分析并且與其它環路中感應的 電流比較。因此通過螺線管和網格之間的感性耦合并且通過測量感應的電流，可以確定螺 線管的位置。
[0054] 復用器215和220連接到網格的兩個軸線中的每個軸線的每個環路，即在此分別 是垂直和水平環路中的每個環路。復用器215和220的輸出分別連接到硬件模塊130的標 記為130-1的位置檢測和捕獲驅動模塊中的自動增益控制器（AGC) 225和230。自動增益控 制器225和230中的輸出信號首先分別在解調器235和240中解調。解調產生與原始正弦 加上是由螺線管發射的固定頻率的倍數的交流成分（交流）成比例的連續信號（直流）。
[0055] 根據常用的方案，硬件模塊130的此處標記為130-2的計算模塊驅動復用器215 和220以便順次激活環路，即在環路η之后激活環路n+1。當到達最后環路時，處理器開始 新的循環并且驅動第一環路的激活。
[0056] 在每個自動增益控制器225和230中使用帶通濾波器以便抑制解調后的信號的不 想要的諧波以及電磁背景噪聲。該濾波使得可以改善來自復用器215和220的信號的測量， 所述信號分別在解調器235和240中解調并且然后在模數轉換器（ADC) 245和250中數字 化。
[0057] 所獲得的數字值然后被傳送到計算模塊130-2的中央處理單元（CPU) 255以便存 儲。如所示例那樣，中央處理單元255控制解調器235和240。
[0058] 在所述值被存儲之后，中央處理單元使復用器的地址遞增以便進行來自后續環路 的信號的數字化。當到達最后環路時，中央處理單元重新初始化復用器的與所關心的軸線 的第一環路的值對應的地址。
[0059] 在循環結束處，中央處理單元已經針對每個軸線存儲了與螺線管的位置接近的相 鄰環路數量相同的數字值。基于這些值，中央處理單元通過插值來計算螺線管的位置，如后 面所述那樣。
[0060] 觀察到可以由位于不同環路之間的金屬帶執行環路接地以便保護它們免受電磁 干擾。替代的方案包括在導電網格下布置均勻的接地平面。
[0061] 此外，位置檢測和捕獲控制模塊130-1在此包括被計算模塊130-2的中央處理單 元255控制的發射器260,從而允許激活移動元件的定位模塊。作為示例，中央處理單元255 把要被激活的定位模塊的標識符發送到發射器260。該標識符被編碼然后以數字或模擬無 線電信號的形式發送。接收該信號的每個定位模塊然后可以比較所接收的標識符與自己的 標識符并且如果標識符相同則激活自己。替代地，中央處理單元255向發射器260發送總 激活命令，總激活命令被編碼然后被以數字或模擬無線電信號的形式發送。
[0062] 發射器260連接到天線265,天線265允許發送由移動元件使用作為電源、并激活 定位模塊的控制信號。天線265有利地放置在檢測表面115上，例如在環路205和210周 圍。根據特別實施例，環路205和210還可以用于形成天線265。為此，開關用于確定環路 205和210的發送或接收功能（這些環路然后根據開關的位置而被連接到復用器215和220 或連接到發射器260)。
[0063] 如上所述，發射器260可以特別包括RFID類型讀取器。
[0064] 因此，為了估計一組定位模塊的位置，必須順次激活每個定位模塊，并且對于這些 定位中的每個而言根據此處描述的實施例執行每組環路的循環。
[0065] 若干檢測表面可以組合在一起，所得檢測表面的表面積是所組合的檢測表面的表 面積之和。為此，一個檢測表面被視為主，其它檢測表面被視為從。移動元件的順次激活被 主檢測表面管理，主檢測表面優選地接收由與每個從檢測表面相關聯的硬件模塊計算出的 位置并且通過準備包含定位模塊的坐標和自由度的表來合并這些位置。
[0066] 圖3示出螺線管和檢測表面的導電環路之間的感性耦合的物理原理。
[0067] 根據本發明，位置和/或朝向必須要被計算的每個移動元件包括至少一個螺線 管，其軸線優選地朝向檢測表面。
[0068] 交流電流通過螺線管300并且發射傳播朝向檢測表面的電磁場，特別地，在該示 例中，發射朝向環路210的電磁場。接收來自螺線管300的電磁場的環路210與螺線管300 耦合。然后可以在記為305的環路端子處測量交流信號。
[0069] 螺線管300和環路210之間的耦合可以以下表達式的形式表示：

【權利要求】
1. 一種用于輔助通過電磁輻射來實時定位自供電移動元件的設備，該設備的特征在于 包括以下裝置： 一接收包括至少一個同步信息的無線電信號的接收裝置（505, 520,605,620, 705, 720， 805,820)，所述接收裝置被配置為從所接收的無線電信號中接收能量； 一發射電磁信號的發射裝置（515,615,715,815)，所述電磁信號是響應于激活信號而 被發射的； 一連接到所述接收裝置和發射電磁信號的所述發射裝置的控制裝置（510,610,710， 810)，所述控制裝置被無線電信號的所述接收裝置供電并且被配置為響應于同步信息來生 成激活信號。
2. 按照權利要求1所述的設備，其中，無線電信號的所述接收裝置包括雙端口存儲器， 所述雙端口存儲器被配置為能夠通過無線電信號和所述控制裝置來讀和/或寫存取。
3. 按照權利要求1或2所述的設備，其中，無線電信號的所述接收裝置包括基于所接收 無線電信號來識別同步信息的識別裝置以及把所識別出的同步信息發送到所述控制裝置 的發送裝置。
4. 按照權利要求1或2所述的設備，其中，所述控制裝置包括檢測無線電信號的所述接 收裝置的電能源的狀態變化的檢測裝置，同步信息是響應于無線電信號的所述接收裝置的 電能源的狀態變化而被識別出的。
5. 按照權利要求1或2所述的設備，其中，所述控制裝置包括檢測所接收的無線電信號 的載波的狀態變化的檢測裝置，同步信息是響應于所接收的無線電信號的載波的狀態變化 而被識別出的。
6. 按照權利要求2所述的設備，其中，所述控制裝置包括存取在所述雙端口存儲器中 存儲的值的存取裝置，同步信息是根據所述雙端口存儲器中存儲的值而被識別出的。
7. 按照前述權利要求中任一項所述的設備，其中，電磁信號的所述發射裝置包括螺線 管（L1)和控制所述螺線管的激活的開關（Q1)。
8. 按照前述權利要求中任一項所述的設備，還包括確定生成激活信號的時刻的確定裝 置，所述時刻是根據同步信息和延遲信息的接收時刻而被確定的。
9. 按照前述權利要求中任一項所述的設備，其中，無線電信號的所述接收裝置符合射 頻識別RFID類型標準。
10. 按照前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述控制裝置包括控制所述移動元 件的至少一個致動器的裝置。
11. 按照前述權利要求中任一項所述的設備，其中，還包括發射電磁信號的第二發射裝 置，電磁信號的所述發射裝置被稱為電磁信號的第一發射裝置，電磁信號的所述第一發射 裝置和第二發射裝置被配置為逐個發射電磁信號以允許確定所述移動元件的朝向。
【文檔編號】G06K19/07GK104364802SQ201380029708
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年5月27日 優先權日:2012年6月7日
【發明者】V·勒菲弗, C·迪泰伊, L·沙班 申請人:Epawn公司