一种基于超声红外的新型无线虚拟控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种基于超声红外的新型无线虚拟控制装置，具体涉及一种新的 用于人机交互的虚拟控制装置及方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，虚拟现实技术、3D动画技术以及立体视频游戏技术的迅猛发展，使得低成 本、高性能的虚拟控制装置的市场需求越来越强烈。在虚拟现实系统中，高性能的虚拟控制 装置是使参与者与虚拟环境及虚拟物体进行交互的保证；在3D动画的制作过程中，可以通 过专用虚拟控制装置完成特定的动画制作，以达到人性化、自然化的设计；在立体视频游戏 中，可将虚拟控制装置作为3D游戏控制器，完成对3D游戏中虚拟物体的六自由度控制。以 下列出了一些可能的具体应用情形。
[0003] 在信息化教学课堂上，数学老师为了系统化、形象化的讲授立体几何，可通过虚拟 控制装置完成对虚拟几何体的六自由度控制，使学生能从各个方向和角度观察虚拟几何 体，达到深入理解和掌握的目的；又如地理老师为了清楚地表述地球的自转和公转过程，可 通过虚拟控制装置，人为地主动"再现"该过程，以使授课过程生动化、形象化和具体化。
[0004] 在模拟训练系统中，如在模拟反恐训练中，参与者可通过虚拟控制装置控制虚拟 3D手枪、虚拟警棍等，并通过控制按钮或特定的姿态以实施反恐操作。又如在医生模拟手术 培训中，医生可通过虚拟控制装置控制虚拟手术刀、虚拟止血钳等手术工具，并配合软件系 统完成虚拟手术实验，无需真人或动物活体素材，既方便又形象直观。
[0005] 在立体视频游戏中，如在3D战机游戏中，可通过虚拟控制装置控制虚拟飞机的飞 行、姿态旋转、发射导弹等操作，克服传统二维控制器无法获得六自由度信息的缺陷；又如 在海底探险游戏中，可通过虚拟控制装置控制虚拟潜艇或虚拟鱼儿的移动、姿态或其它特 定操作并配合以3D眼镜、3D显示服务器，使3D游戏的逼真度更高，进一步达到亲身体验、身 临其境的目的。
[0006] 如上所述，三维虚拟控制装置可应用于许多高新领域并且市场需求越来越大。上 述应用情形仅是所有可能中的一小部分示例。
[0007] 目前，已开发出部分三维虚拟控制装置来实现人机交互，如基于电磁波的3D虚拟 控制装置、基于光学的3D虚拟控制装置以及基于超声波的3D虚拟控制装置等等，虽然上述 装置均有其各自优点，但就目前来看，这些装置仍普遍存在一些不足：（1)基于电磁波的3D 虚拟控制装置易受外界电磁场及电磁性物体的干扰，且需要多次修正；（2)基于光学的3D 虚拟控制装置作用范围小，对光线和光路敏感，且对图像处理的数据量大，系统延迟较大； (3)现有的基于超声波的虚拟控制装置，大都采用有线方式传递时基信号和控制信号，便利 性、适用性较差。此外，现有的虚拟控制装置大都存在价格昂贵、功耗大的缺陷。
【发明内容】
[0008] 本实用新型提供一种基于超声红外的新型无线虚拟控制装置，以解决目前虚拟控 制装置存在的适用性差、价格昂贵、功耗大的问题。
[0009] 本实用新型采取的方案是：一种基于超声红外的新型无线虚拟控制装置，包括：
[0010] 信号发射器，包括超声发射传感器和红外发射传感器，分别用于发射超声定位信 号和红外脉冲编码信号；
[0011] 信号接收器，包括超声波接收传感器和红外接收传感器。其中超声波接收传感器 用于接收发来的超声波信号，经AD采样后进入DSP对信号进行处理，并基于TDOA进行算法 定位，进一步参考位置信息与方向信息完成对虚拟物体的移动、旋转等操作；红外接收传感 器用于接收发来的红外脉冲编码信号，经解码后获得控制信息，完成对虚拟物体的缩放、切 换背景等操作及其它特定操作；
[0012] 3D显示服务器，用于绘制虚拟场景及虚拟物体以提供人机交互界面。
[0013] 本实用新型所述的信号发射器由三个超声波发射传感器、一个红外发射传感器、 一个超声波定位按钮、四个红外控制按钮和三个拨动开关组成，位置关系是：三个超声波发 射传感器之间呈等边三角形分布，相应的红外发射传感器分布在由超声波发射传感器组成 的等边三角形的中心。
[0014] 本实用新型所述的超声波定位按钮用于控制超声波发射传感器发射超声波定位 信号；不同红外控制按钮用于控制红外发射传感器发射不同的红外控制信号；拨动开关用 于对信号发射器的工作模式进行设定，以满足系统功耗及需要实现的自由度数，在具体的 实施例中，可设定的工作模式包括三种：
[0015] 模式一：当只需要获得3个自由度的信息时，可通过波动开关关闭信号发射器中 任意两个超声波发射传感器；
[0016] 模式二：当需要获得5个自由度的信息时，可通过拨动开关关闭信号发射器中任 意一个超声波发射传感器；
[0017] 模式三：当需要获得6个自由度的信息时，必须保证3个超声波发射传感器同时处 于开启状态。
[0018] 本实用新型所述的红外脉冲编码信号可以是基于脉冲个数不同及脉冲间隔时间 不同的两种红外脉冲编码控制信号。
[0019] 本实用新型所述的信号接收器由4个超声波接收传感器、4个红外接收传感器和 相应的信号调理电路以及罩于3D显示服务器专用框架组成；4个超声波接收传感器和4个 红外接收传感器被均匀地安装在罩于3D显示服务器的专用框架上，呈规则的矩形分布；信 号调理电路可以是单独的PCB板，也可以集成为IC模块安装在3D显示服务器的主板上。
[0020] 本实用新型所述的3D显示服务器专用框架具有伸缩功能，可根据3D显示服务器 的屏幕尺寸通过拨动旋钮与相应的卡槽匹配进行模式设定。
[0021] 本实用新型的优点在于：以超声信号为定位信号，以红外脉冲编码信号为控制信 号，不仅具有成本低、功耗小、无线、无机械触动、无污染等优点，而且可以根据需要工作在 三种模式，以获得信号发射器的三自由度、五自由度和六自由度信息，进一步灵活地完成对 虚拟物体的移动、旋转、缩放以及其它特定操作。
【附图说明】
[0022] 图1是本实用新型提出的基于超声红外的新型无线虚拟控制装置100的整体框 图；
[0023] 图IA是示出根据本实用新型的信号发射器的内部硬件结构布局图；
[0024] 图IB是示出根据本实用新型的信号接收器的内部硬件结构布局图；
[0025] 图2是示出根据本实用新型的信号发射器的外观设计示意图；
[0026] 图3是示出根据本实用新型的携带有不同控制信息的红外脉冲编码方案示意图， 其中分别示出了基于脉冲个数不同及脉冲间隔时间不同的两种编码方案；
[0027] 图4是示出根据本实用新型的信号发射器的工作模式设定示意图；
[0028] 图5是示出根据本实用新型的信号接收器的外观设计示意图；
[0029] 图6是示出根据本实用新型的基于超声波传播时延差的TDOA定位原理示意图；
[0030] 图7A是示出用于说明信号发射器工作在模式一时对某些特定虚拟物体的控制过 程流程图；
[0031] 图7B是示出用于说明信号发射器工作在模式二时对某些特定虚拟物体的控制过 程流程图；
[0032] 图7C是示出用于说明信号发射器工作在模式三时对某些特定虚拟物体的控制过 程流程图；
【具体实施方式】
[0033] 一种基于超声红外的新型无线虚拟控制装置，包括：
[0034] 信号发射器，包括超声发射传感器和红外发射传感器，分别用于发射超声定位信 号和红外脉冲编码信号；
[0035] 信号接收器，包括超声波接收传感器和红外接收传感器。其中超声波接收传感器 用于接收发来的超声波信号，经AD采样后进入DSP对信号进行处理，并基于TDOA进行算法 定位，进一步参考位置信息与方向信息完成对虚拟物体的移动、旋转等操作；红外接收传感 器用于接收发来的红外脉冲编码信号，经解码后获得控制信息，完成对虚拟物体的缩放、切 换背景等操作及其它特定操作；
[0036] 3D显示服务器，用于绘制虚拟场景及虚拟物体以提供人机交互界面。
[0037] 本实用新型一种实施方式是：信号发射器由三个超声波发射传感器、一个红外发 射传感器、一个超声波定位按钮、四个红外控制按钮和三个拨动开关组成，位置关系是：三 个超声波发射传感器之间呈等边三角形分布，相应的红外发射传感器分布在由超声波发射 传感器组成的等边三角形的中心。
[0038] 本实用新型一种实施方式是：超声波定位按钮用于控制超声波发射传感器发射超 声波定位信号；不同红外控制按钮用于控制红外发射传感器发射不同的红外控制信号；拨 动开关用于对信号发射器的工作模式进行设定，以满足系统功耗及需要实现的自由度数， 在具体的实施例中，可设定的工作模式包括三种：
[0039] 模式一：当只需要获得3个自由度的信息时，可通过波动开关关闭信号发射器中 任意两个超声波发射传感器；
[0040] 模式二：当需要获得5个自由度的信息时，可通过拨动开关关闭信号发射器中任 意一个超声波发射传感器；
[0041] 模式三：当需要获得6个自由度的信息时，必须保证3个超声波发射传感器同时处 于开启状态。
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