本發(fā)明涉及音樂制作領(lǐng)域，特別是涉及一種基于航姿參考系統(tǒng)的MIDI(Musical Instrument Digital Interface，音樂設(shè)備數(shù)字接口)控制器。

背景技術(shù)：

MIDI是一種電子樂器之間以及電子樂器與電腦之間的統(tǒng)一交流協(xié)議。從80年代初問世至今，它經(jīng)歷了長時(shí)間的發(fā)展，現(xiàn)已成為電腦音樂的代名詞。人們可以從廣義上將其理解為電子合成器、電腦音樂的統(tǒng)稱，包括協(xié)議、設(shè)備等等相關(guān)的含義。

航姿參考系統(tǒng)(AHRS)用三個(gè)單軸的加速度計(jì)，三個(gè)單軸的陀螺儀，和三個(gè)單軸的地磁傳感器，通過九軸融合算法來獲得空間姿態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于航姿參考系統(tǒng)的MIDI控制器，能使操作更加靈活無阻力，且體積小重量輕，可穿戴。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的基于航姿參考系統(tǒng)的MIDI控制器，包括：

一傳感器，其上設(shè)置九軸傳感器芯片、單片機(jī)和2.4G天線，用于采集三軸加速度，三軸陀螺儀，三軸電子羅盤的數(shù)據(jù)進(jìn)行九軸融合，生成姿態(tài)四元數(shù)并通過2.4G天線向外發(fā)送；

一接收機(jī)，具有USB接口，用于接收所述姿態(tài)四元數(shù)并將其轉(zhuǎn)換成歐拉角，取出該歐拉角中橫滾分量，用貝塞爾函數(shù)將橫滾分量轉(zhuǎn)換成用于控制MIDI的某個(gè)通道上的控制數(shù)據(jù)，通過MIDI發(fā)送給后端的合成器作為合成器控制參數(shù)，進(jìn)行音樂制作以及音樂演奏。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)MIDI控制器使用推子和旋鈕，有摩擦力，不可穿戴；而本發(fā)明與其相比，可穿戴，操作無摩擦阻力，可以非?？焖俑咝У倪M(jìn)行控制，且體積小重量輕，成本低廉。

本發(fā)明由于使用貝塞爾函數(shù)來將空間姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MIDI的通道上控制數(shù)據(jù)，其運(yùn)算量小，占用的內(nèi)存空間小，數(shù)據(jù)平滑，并且在作為穿戴式設(shè)備的時(shí)能夠靈活的進(jìn)行空間姿態(tài)數(shù)據(jù)向MIDI的通道上控制數(shù)據(jù)的變換，適應(yīng)人類的非線性的動(dòng)作。

附圖說明

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

圖1是兩端平緩，中間陡峭的貝塞爾曲線圖；

圖2是兩端陡峭，中間平緩的貝塞爾曲線圖；

圖3是低端接近于線性，高端陡峭的曲線圖；

圖4是低端接近于線性，高端平緩的曲線圖；

圖5是低端平緩，高端陡峭，中端有一個(gè)急速變化點(diǎn)的曲線圖；

圖6是所述基于航姿參考系統(tǒng)的MIDI控制器系統(tǒng)框圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖6所示，所述基于航姿參考系統(tǒng)的MIDI控制器，包括一傳感器和一接收機(jī)。

所述傳感器上放置九軸傳感器芯片，單片機(jī)以及2.4G天線。九軸傳感器芯片采集三軸加速度，三軸陀螺儀，三軸電子羅盤的數(shù)據(jù)；單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行九軸融合，生成姿態(tài)四元數(shù)；2.4G天線將姿態(tài)四元數(shù)發(fā)送給接收機(jī)。

所述接收機(jī)是一個(gè)外形上接近U盤的設(shè)備，具備USB接口，將收到的姿態(tài)四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角，取出橫滾分量，然后用貝塞爾函數(shù)轉(zhuǎn)換成用于控制MIDI的某個(gè)通道上的控制數(shù)據(jù)，通過MIDI發(fā)送給后端的合成器作為合成器控制參數(shù)，用于音樂制作以及音樂演奏。

所述基于航姿參考系統(tǒng)的MIDI控制器還包括一上位機(jī)，通過軟件配置轉(zhuǎn)換函數(shù)(即貝塞爾函數(shù))的參數(shù)。需要配置的參數(shù)包括貝塞爾函數(shù)控制點(diǎn)，橫滾角度偏移量，音樂設(shè)備數(shù)字接口通道號，音樂設(shè)備數(shù)字接口控制器編號。

所述基于航姿參考系統(tǒng)的MIDI控制器中采用的主要算法是九軸融合算法，和姿態(tài)數(shù)據(jù)/MIDI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法。

九軸融合算法取自Sebastian O.H.Madgwick(塞巴斯蒂安O.H.馬德威克)的論文《An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays》(一個(gè)有效的用于慣性和慣性/磁場傳感器數(shù)組的方向?yàn)V波器，2010年4月30日)。

它的輸入是三軸加速度，三軸角速度(由陀螺儀測得)和三軸磁場(由電子羅盤測得)，輸出是姿態(tài)四元數(shù)。

姿態(tài)數(shù)據(jù)/MIDI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法是將姿態(tài)四元數(shù)轉(zhuǎn)換成用于控制MIDI的某個(gè)通道上的控制數(shù)據(jù)。具體控制如下：

首先將四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角

Pitch＝asin(-2q2q4+2q1q3)

Yaw＝atan2(2(q2q3+q1q4),q1q1+q2q2-q3q3-q4q4)

Roll＝atan2(2q3q4+2q1q2,-2q2q2-2q3q3+1)。

然后取出Roll數(shù)據(jù)，它的范圍是–π到π。如果將傳感器穿戴于額頭上，則Roll的角度同頭部的上下動(dòng)作是同步的。因此可以使用一個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)f(Roll)＝CCVal來將Roll的角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MIDI CC(樂器數(shù)字接口連續(xù)線性控制器)數(shù)據(jù)。這個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)可以通過一個(gè)三階貝塞爾函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

B(t)＝P0(1-t)^3+3P1t(1-t)^2+3P2t^2(1-t)+P3t^3

只要指定四個(gè)控制點(diǎn)P0,P1,P2,P3，就可以根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)t來計(jì)算出對應(yīng)的點(diǎn)B。運(yùn)算量較小，速度快，占用內(nèi)存小，靈活。適合在單片機(jī)上使用。

對于MIDI CC數(shù)據(jù)，其范圍是0-127，由MIDI協(xié)議所規(guī)定。所以B(t)的范圍是0-127。

在上面的公式中，t的范圍是[0,1]，P0,P1,P2,P3四個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)分別是P0(x0,y0),P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3)，結(jié)果B的坐標(biāo)是(x,y)。x軸表示角度數(shù)據(jù)，y軸表示MIDI CC數(shù)據(jù)。在x0<x1<x2<x3或者x0<x2<x1<x3的情況下，調(diào)節(jié)t的大小可以讓B點(diǎn)的x值落在x0和x3之間。這時(shí)對應(yīng)的y值就是MIDI CC輸出值了。

將傳感器佩戴于額頭，使用頭部的上下動(dòng)作來對MIDI控制器7號控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，假設(shè)合成器將該控制器數(shù)據(jù)解釋為音量參數(shù)，那么演奏者可能會希望在運(yùn)動(dòng)過程的兩端進(jìn)行更粗的控制，在運(yùn)動(dòng)過程的中間段進(jìn)行更細(xì)的控制，這時(shí)就可以使用貝塞爾函數(shù)描述這樣的映射曲線，參見圖1，其橫坐標(biāo)為角度，縱坐標(biāo)為音樂設(shè)備數(shù)字接口控制器數(shù)據(jù)。圖1為兩端平緩，中間陡峭的貝塞爾曲線，適合于希望兩端平緩，中間激進(jìn)的用戶使用。

而如果演奏者希望更為激進(jìn)的在兩端進(jìn)行控制以適應(yīng)自己激進(jìn)的情感變化(例如甩頭)，那么可以使用另一套參數(shù)來映射。參見圖2，為兩端陡峭，中間平緩的貝塞爾曲線，適用于希望中間平緩，兩端激進(jìn)的用戶使用。

人們要做的只是簡單的修改貝塞爾函數(shù)控制點(diǎn)參數(shù)而已。

同樣可以方便的描述出其他的控制需求，例如半段線性變化，半段激進(jìn)/平緩變化，中途突變等。

圖3為低端接近于線性，高端陡峭的曲線，適用于希望低端中庸，高端激進(jìn)的用戶使用，

圖4為低端接近于線性，高端平緩的曲線，適用于希望低端中庸，高端平緩的用戶使用。

圖5為低端平緩，高端陡峭，中端有一個(gè)急速變化點(diǎn)的曲線，適用于希望中間有一個(gè)計(jì)算變化的激進(jìn)用戶使用。

以上通過具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。