專利名稱：定向照明手腕燈及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以對手腕運(yùn)動進(jìn)行捕捉和反應(yīng)的手腕燈。特別是涉及一種利用MEMS加速度計(jì)與MEMS陀螺儀進(jìn)行動作捕捉，通過微處理器與伺服電機(jī)進(jìn)行光線控制的定向照明手腕燈及其控制方法。
背景技術(shù)：
手電筒早已被人們普遍使用，其為人們提供一種可以隨身攜帶靈活使用的照明工具。但手電筒的使用需要一只手持握，這就使得在許多需要雙手操作的活動中很難使用手電筒照明。而像外出露營、修理保險(xiǎn)絲等許多活動又不便使用其他光源，這就為生活帶來了 極大不便。鑒于此人們嘗試使用手腕燈，將手解放出來。但手腕燈存在的一個巨大問題是，手腕的微小轉(zhuǎn)動也會引起光線的巨大偏轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種保證手腕運(yùn)動時手腕燈射出的光線方向恒定；實(shí)現(xiàn)只通過手腕的運(yùn)動便能夠?qū)饩€照射方向進(jìn)行控制的定向照明手腕燈及其控制方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種定向照明手腕燈及其控制方法。定向照明手腕燈，包括第一基座、通過可彎曲支撐軸與第一基座相連接的第二基座以及設(shè)置在第二基座上的帶有LED燈的雙軸云臺機(jī)構(gòu)，所述的第一基座內(nèi)設(shè)置有與所述的雙軸云臺機(jī)構(gòu)電連接的控制芯片和向雙軸云臺機(jī)構(gòu)供電的電源，所述的第二基座上還設(shè)置有用于采集手腕運(yùn)動狀態(tài)的加速度計(jì)陀螺儀模塊，所述的加速度計(jì)陀螺儀模塊電連接所述的控制芯片，所述的第一基座上還設(shè)置有用于與手腕連接的腕帶。所述的控制芯片和供電的電源是通過貫穿可彎曲支撐軸內(nèi)的導(dǎo)線分別與雙軸云臺機(jī)構(gòu)和加速度計(jì)陀螺儀模塊電連接。所述的雙軸云臺機(jī)構(gòu)包括有水平支架和垂直支架，所述的水平支架的上面固定設(shè)置有與控制芯片電連接的第一伺服電機(jī)，所述的垂直支架上固定設(shè)置有與控制芯片電連接的第二伺服電機(jī)和與供電電源電連接的LED燈，其中，所述的第一伺服電機(jī)的電機(jī)軸穿過水平支架并與水平支架固定連接，穿過水平支架的電機(jī)軸的端部可旋轉(zhuǎn)的連接在第二基座上；所述的水平支架上還固定設(shè)置有支架，所述的第二伺服電機(jī)的機(jī)身與垂直支架固定連接，第二伺服電機(jī)的電機(jī)軸與所述的支架固定連接。所述的LED燈設(shè)置在垂直支架的遠(yuǎn)離第二伺服電機(jī)的那一側(cè)面上。一種用于定向照明手腕燈的控制方法，其特征在于，包括如下步驟( I)讀取加速度計(jì)陀螺儀模塊的加速度值，記為％，讀取加速度計(jì)陀螺儀模塊所測角速度，記為Oci，讀取兩次加速度值讀取之間的時間間隔，記為t ；(2)設(shè)濾波之后的加速度為a，則a的算法為a=a’ +Kia^ )，其中a’為前一次計(jì)算得的濾波后加速度，ka為濾波系數(shù)；
(3)設(shè)濾波之后的角速度為ω，則ω的算法為ω = ω ’+ku ( ω ^ ω ’)，其中ω’為前一次計(jì)算得的濾波后角速度，為濾波系數(shù)；(4)用X表示光線照射方向的方向向量，X’表示上次計(jì)算得的光線照射方向的方向向量，X=X，— X’ X ω Xt ；(5)將X轉(zhuǎn)為極坐標(biāo)形式(r，Φ, Θ)，其中φ為X與z軸的夾角，即云臺水平軸的轉(zhuǎn)動角度，Θ為X在xoy平面上的投影與X軸的夾角，即云臺豎直軸的轉(zhuǎn)動角度；(6)根據(jù)步驟(3)給出的濾波后的角速度計(jì)算公式計(jì)算出濾波后云臺水平軸轉(zhuǎn)動角度和云臺豎直軸轉(zhuǎn)動角度；(7)分別判斷濾波后云臺水平軸轉(zhuǎn)動角速度和云臺豎直軸轉(zhuǎn)動角速度值是否超過設(shè)定的閾值，若超過，返回步驟(I )，若未超過，進(jìn)入下一步驟；(8)將ao+x定義為新的X,返回第(I)步驟。 步驟(4)中所述的光線照射方向的方向向量X與加速度計(jì)使用相同坐標(biāo)系，即為要保持光線照射方向恒定所需的光線照射方向向量。本發(fā)明的定向照明手腕燈及其控制方法，結(jié)構(gòu)簡單，便于制作和使用。能夠保證手腕運(yùn)動時手腕燈射出的光線方向恒定；能夠?qū)崿F(xiàn)只通過手腕的運(yùn)動便能夠?qū)饩€照射方向進(jìn)行控制的定向照明。


圖I是本發(fā)明的定向照明手腕燈的整體示意圖；圖2是本發(fā)明的雙軸云臺機(jī)構(gòu)的整體示意圖；圖3是本發(fā)明電連接的框圖。其中I:第一基座2:可彎曲支撐軸3 :第二基座4 =LED 燈5 :雙軸云臺機(jī)構(gòu) 6 :加速度計(jì)陀螺儀模塊7 :控制芯片8 :水平支架9 :垂直支架10 :第一伺服電機(jī)11 :第二伺服電機(jī) 12:電機(jī)軸13:電機(jī)軸14:支架15 :腕帶
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的定向照明手腕燈及其控制方法做出詳細(xì)說明。如圖I所示，本發(fā)明的定向照明手腕燈，包括第一基座I、通過可彎曲支撐軸2與第一基座I相連接的第二基座3以及設(shè)置在第二基座3上的帶有LED燈4的雙軸云臺機(jī)構(gòu)5，所述的第一基座I內(nèi)設(shè)置有與所述的雙軸云臺機(jī)構(gòu)5電連接的控制芯片7和向雙軸云臺機(jī)構(gòu)5供電的電源，所述的第二基座3上還設(shè)置有用于采集手腕運(yùn)動狀態(tài)的加速度計(jì)陀螺儀模塊6，所述的加速度計(jì)陀螺儀模塊6電連接所述的控制芯片7，所述的第一基座I上還設(shè)置有用于與手腕連接的腕帶15。
所述的控制芯片7和供電的電源是通過貫穿可彎曲支撐軸2內(nèi)的導(dǎo)線分別與雙軸云臺機(jī)構(gòu)5和加速度計(jì)陀螺儀模塊6電連接。如圖2所示，所述的雙軸云臺機(jī)構(gòu)4包括有水平支架8和垂直支架9，所述的水平支架8的上面固定設(shè)置有與控制芯片7電連接的第一伺服電機(jī)10，所述的垂直支架9上固定設(shè)置有與控制芯片7電連接的第二伺服電機(jī)11和與供電電源電連接的LED燈4，其中，所述的第一伺服電機(jī)10的電機(jī)軸12穿過水平支架8并與水平支架8固定連接，穿過水平支架8的電機(jī)軸12的端部可旋轉(zhuǎn)的連接在第二基座3上；所述的水平支架8上還固定設(shè)置有支架14，所述的第二伺服電機(jī)11的機(jī)身與垂直支架9固定連接，第二伺服電機(jī)11的電機(jī)軸13與所述的支架14固定連接。所述的LED燈4設(shè)置在垂直支架9的遠(yuǎn)離第二伺服電機(jī)11的那一側(cè)面上。所述的雙軸云臺機(jī)構(gòu)4通過由控制芯片7控制的第一伺服電機(jī)10驅(qū)動水平支架8的旋轉(zhuǎn)，以及通過由控制芯片7控制的第二伺服電機(jī)11驅(qū)動垂直支架9的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)光線照射的目的。 本發(fā)明的用于定向照明手腕燈的控制方法，包括如下步驟( I)讀取加速度計(jì)陀螺儀模塊的加速度值，記為％，讀取加速度計(jì)陀螺儀模塊所測角速度，記為Oci，讀取兩次加速度值讀取之間的時間間隔，記為t ；(2)設(shè)濾波之后的加速度為a，則a的算法為a=a’ +Kia^ )，其中a’為前一次計(jì)算得的濾波后加速度，ka為濾波系數(shù)；(3)設(shè)濾波之后的角速度為ω，則ω的算法為ω = ω ’+ku ( ω Q-ω ’)，其中ω’為前一次計(jì)算得的濾波后角速度，為濾波系數(shù)；(4)用X表示光線照射方向的方向向量，X’表示上次計(jì)算得的光線照射方向的方向向量，X=X，— X’ X ω Xt ；所述的光線照射方向的方向向量X與加速度計(jì)使用相同坐標(biāo)系，即為要保持光線照射方向恒定(相對于地)所需的光線照射方向向量(相對于加速度計(jì)坐標(biāo)系);(5)將X轉(zhuǎn)為極坐標(biāo)形式(r，Φ, Θ )(好轉(zhuǎn)嗎，業(yè)內(nèi)人都知道怎么轉(zhuǎn)嗎？)，其中Φ為X與Z軸的夾角，即云臺水平軸的轉(zhuǎn)動角度，Θ為X在xoy平面上的投影與X軸的夾角，即云臺豎直軸的轉(zhuǎn)動角度；(6)根據(jù)步驟(3)給出的濾波后的角速度計(jì)算公式計(jì)算出濾波后云臺水平軸轉(zhuǎn)動角度和云臺豎直軸轉(zhuǎn)動角度；(7)分別判斷濾波后云臺水平軸轉(zhuǎn)動角速度和云臺豎直軸轉(zhuǎn)動角速度值是否超過設(shè)定的閾值，若超過，返回步驟(I )，若未超過，進(jìn)入下一步驟；(8)將aQ+x定義為新的x,返回第(I)步驟。
權(quán)利要求
1.一種定向照明手腕燈，其特征在于，包括第一基座(I)、通過可彎曲支撐軸(2)與第一基座(I)相連接的第二基座(3)以及設(shè)置在第二基座(3)上的帶有LED燈(4)的雙軸云臺機(jī)構(gòu)(5)，所述的第一基座(I)內(nèi)設(shè)置有與所述的雙軸云臺機(jī)構(gòu)(5)電連接的控制芯片(7)和向雙軸云臺機(jī)構(gòu)(5)供電的電源，所述的第二基座(3)上還設(shè)置有用于采集手腕運(yùn)動狀態(tài)的加速度計(jì)陀螺儀模塊(6)，所述的加速度計(jì)陀螺儀模塊(6)電連接所述的控制芯片(7 )，所述的第一基座(I)上還設(shè)置有用于與手腕連接的腕帶(15 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向照明手腕燈，其特征在于，所述的控制芯片(7)和供電的電源是通過貫穿可彎曲支撐軸(2)內(nèi)的導(dǎo)線分別與雙軸云臺機(jī)構(gòu)(5)和加速度計(jì)陀螺儀模塊(6)電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向照明手腕燈，其特征在于，所述的雙軸云臺機(jī)構(gòu)(4)包括有水平支架(8)和垂直支架(9)，所述的水平支架(8)的上面固定設(shè)置有與控制芯片(7)電連接的第一伺服電機(jī)(10)，所述的垂直支架(9)上固定設(shè)置有與控制芯片(7)電連接的第 二伺服電機(jī)(11)和與供電電源電連接的LED燈(4 )，其中，所述的第一伺服電機(jī)(10 )的電機(jī)軸(12)穿過水平支架(8)并與水平支架(8)固定連接，穿過水平支架(8)的電機(jī)軸(12)的端部可旋轉(zhuǎn)的連接在第二基座(3)上；所述的水平支架(8)上還固定設(shè)置有支架(14)，所述的第二伺服電機(jī)(11)的機(jī)身與垂直支架(9)固定連接，第二伺服電機(jī)(11)的電機(jī)軸(13)與所述的支架(14)固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定向照明手腕燈，其特征在于，所述的LED燈(4)設(shè)置在垂直支架(9)的遠(yuǎn)離第二伺服電機(jī)(11)的那一側(cè)面上。
5.一種用于權(quán)利要求I所述的定向照明手腕燈的控制方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)讀取加速度計(jì)陀螺儀模塊的加速度值，記為％，讀取加速度計(jì)陀螺儀模塊所測角速度，記為Oci，讀取兩次加速度值讀取之間的時間間隔，記為t ； (2)設(shè)濾波之后的加速度為a,則a的算法為a=a’+ka{a^a9 ),其中a’為前一次計(jì)算得的濾波后加速度，ka為濾波系數(shù)； (3)設(shè)濾波之后的角速度為ω，則ω的算法為ω= ω ’+ku ((Oci-CO’)，其中ω ’為前一次計(jì)算得的濾波后角速度，為濾波系數(shù)； (4)用X表示光線照射方向的方向向量，X’表示上次計(jì)算得的光線照射方向的方向向量，x=x，— X，X ω Xt ； (5)將X轉(zhuǎn)為極坐標(biāo)形式(r，Φ，Θ)，其中Φ為X與z軸的夾角，即云臺水平軸的轉(zhuǎn)動角度，Θ為X在xoy平面上的投影與X軸的夾角，即云臺豎直軸的轉(zhuǎn)動角度； (6)根據(jù)步驟(3)給出的濾波后的角速度計(jì)算公式計(jì)算出濾波后云臺水平軸轉(zhuǎn)動角度和云臺豎直軸轉(zhuǎn)動角度； (7)分別判斷濾波后云臺水平軸轉(zhuǎn)動角速度和云臺豎直軸轉(zhuǎn)動角速度值是否超過設(shè)定的閾值，若超過，返回步驟(I )，若未超過，進(jìn)入下一步驟； (8)將aQ+x定義為新的X,返回第(I)步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于定向照明手腕燈的控制方法，其特征在于，步驟(4)中所述的光線照射方向的方向向量X與加速度計(jì)使用相同坐標(biāo)系，即為要保持光線照射方向恒定所需的光線照射方向向量。
全文摘要
一種定向照明手腕燈及其控制方法，定向照明手腕燈包括第一基座、通過可彎曲支撐軸與第一基座相連接的第二基座以及設(shè)置在第二基座上的帶有LED燈的雙軸云臺機(jī)構(gòu)，所述的第一基座內(nèi)設(shè)置有與所述的雙軸云臺機(jī)構(gòu)電連接的控制芯片和向雙軸云臺機(jī)構(gòu)供電的電源，所述的第二基座上還設(shè)置有用于采集手腕運(yùn)動狀態(tài)的加速度計(jì)陀螺儀模塊，所述的加速度計(jì)陀螺儀模塊電連接所述的控制芯片，所述的第一基座上還設(shè)置有用于與手腕連接的腕帶。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，便于制作和使用。能夠保證手腕運(yùn)動時手腕燈射出的光線方向恒定；能夠?qū)崿F(xiàn)只通過手腕的運(yùn)動便能夠?qū)饩€照射方向進(jìn)行控制的定向照明。
文檔編號F21L4/00GK102913766SQ201210410748
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者趙昀, 張洪彬, 李惟帆, 栗大超 申請人:天津大學(xué)