способ ввода информации в электронно-вычислительную машину (эвм)
Классы МПК: | G06F3/033 указательные устройства, перемещаемые пользователем, например "мыши", шаровые манипуляторы (трекболы), перья или джойстики; принадлежности для них |
Автор(ы): | Супрун А.Е. (RU) |
Патентообладатель(и): | Супрун Антон Евгеньевич (RU), Симоненко Дмитрий Владимирович (US), Романов Юрий Игоревич (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-03-13 публикация патента:
20.09.2001 |
Изобретение относится к электронике и вычислительной технике и может быть использовано для ввода координатной, графической информации и команд в ЭВМ. Техническим результатом является обеспечение возможности ввода пространственных и угловых координат. Для этого способ включает в себя следующие операции: создают магнитное поле в магнитной жидкости, при этом магнитное поле имеет такую величину, при которой положение равновесия инерционного тела смещено по вертикальной оси Z от геометрического центра замкнутого объема датчика ускорения, совпадающего с точкой пересечения трех взаимно перпендикулярных осей X, Y, Z, регистрируют переменные составляющие напряжений с помощью размещенных на замкнутом объеме по каждой упомянутой оси соответствующих пар катушек индуктивности, при этом дополнительно регистрируют изменения переменных составляющих напряжений, возникающих при повороте датчика ускорения вокруг осей Х или Y с помощью пар катушек, расположенных соответственно по оси Y или X. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
1. Способ ввода информации в электронно-вычислительную машину, осуществляемый с помощью устройства ввода информации, содержащего датчик, заключающийся в том, что создают постоянное магнитное поле, регистрируют изменения переменных составляющих напряжений, возникающих при перемещении устройства ввода информации вдоль любой из взаимно перпендикулярных осей X, Y, Z, на основе упомянутых зарегистрированных изменений переменных составляющих напряжений определяют координаты положения устройства ввода информации, которые передают в электронно-вычислительную машину, отличающийся тем, что датчик выполнен в виде датчика ускорения, содержащего симметричное инерционное тело из немагнитного материала, помещенное в симметричный замкнутый объем, заполненный магнитной жидкостью, упомянутое магнитное поле создают в магнитной жидкости, при этом магнитное поле имеет такую величину, при которой положение равновесия инерционного тела смещено по вертикальной оси Z от геометрического центра замкнутого объема датчика ускорения, совпадающего с точкой пересечения трех взаимно перпендикулярных осей X, Y, Z, упомянутую регистрацию переменных составляющих напряжений осуществляют с помощью размещенных на замкнутом объеме по каждой упомянутой оси соответствующих пар катушек индуктивности, при этом дополнительно регистрируют изменения переменных составляющих напряжений, возникающих при повороте датчика ускорения вокруг осей Х или Y, с помощью пары катушек, расположенных соответственно по оси Y или X, упомянутые определяемые координаты представляют собой компоненты линейного ускорения и угловые координаты датчика ускорения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения трех компонентов линейного ускорения и угловых координат датчика ускорения регистрируют изменения добротностей катушек индуктивности, входящих в состав соответствующих пар катушек. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения угловых координат датчика ускорения регистрируют изменения величин индуктивностей катушек индуктивности, входящих в состав соответствующих пар катушек.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электронике и вычислительной технике и может быть использовано для ввода координатной, графической информации и команд в ЭВМ. Известен способ ввода трехмерной информации в ЭВМ, основанный на индукционном измерении координат, включающий формирование в рабочем пространстве переменного магнитного поля, вектор индукции которого вращают поочередно в горизонтальной и вертикальной плоскостях рабочего пространства, фиксацию максимальной амплитуды обобщенных информационных сигналов с трех пар катушек индуктивности, входящих в состав магнитометрического датчика съемника координат, определение соответствующих максимумам обобщенных информационных сигналов углов поворота вектора магнитной индукции для каждой из плоскостей, возбуждение по значениям вышеуказанных углов относительно начала координат итогового магнитного поля с соответствующими составляющими вектора магнитной индукции по координатным осям, измерение амплитуд наведенных в катушках магнитометрического датчика съемника координат сигналов, по которым с поправкой на углы поворота оси съемника координат вычисляют трехмерные координаты считываемой точки (Патент РФ N 2074419, кл. G 06 К 11/16). Недостатками известного способа являются необходимость обеспечения сложных зависимостей управляющих формированием магнитного поля сигналов от времени, невысокое быстродействие, определяемое необходимостью организации последовательного сканирования направлением вектора индукции магнитного поля в двух плоскостях, по результатам которого определяется направление итогового вектора индукции магнитного поля, высокая чувствительность к магнитным помехам (например, от импульсного блока питания используемой ЭВМ), требование высокой однородности рабочего пространства, несоблюдение которого приводит к необходимости калибровки устройства в каждом конкретном объеме рабочего пространства. Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения трехмерных координат, включающий в себя возбуждение переменного электромагнитного поля в системе координат рабочего пространства, формирование обобщенного информационного сигнала с помощью расположенных соосно в съемнике координат двух магнитометрических датчиков, определение считываемых координат X, Y, Z острия съемника координат (Патент РФ N 2015564). Данный способ позволяет определить три пространственных координаты X, Y, Z, но не позволяет определить угловые координаты. Решаемой задачей предлагаемого изобретения является ввод в ЭВМ пространственных и угловых координат. Поставленная задача решается тем, что в способе ввода информации в электронно-вычислительную машину, осуществляемом с помощью устройства ввода информации, содержащего датчик, заключающемся в том, что создают постоянное магнитное поле, регистрируют изменения переменных составляющих напряжений, возникающих при перемещении устройства ввода информации вдоль любой из взаимно перпендикулярных осей X, Y, Z, на основе упомянутых зарегистрированных изменений переменных составляющих напряжений определяют координаты положения устройства ввода информации, которые передают в электронно-вычислительную машину, согласно изобретению датчик выполнен в виде датчика ускорения, содержащего симметричное инерционное тело из немагнитного материала, помещенное в симметричный замкнутый объем, заполненный магнитной жидкостью, упомянутое магнитное поле создают в магнитной жидкости, при этом магнитное поле имеет такую величину, при которой положение равновесия инерционного тела смещено по вертикальной оси Z от геометрического центра замкнутого объема датчика ускорения, совпадающего с точкой пересечения трех взаимно перпендикулярных осей X, Y, Z, упомянутую регистрацию переменных составляющих напряжений осуществляют с помощью размещенных на замкнутом объеме по каждой упомянутой оси соответствующих пар катушек индуктивности, при этом дополнительно регистрируют изменения переменных составляющих напряжений, возникающих при повороте датчика ускорения вокруг осей X или Y с помощью пар катушек, расположенных соответственно по оси Y или X, упомянутые определяемые координаты представляют собой компоненты линейного ускорения и угловые координаты датчика ускорения. Поставленная задача решается также тем, что для определения трех компонентов линейного ускорения и угловых координат датчика ускорения регистрируют изменения добротностей катушек индуктивности, входящих в состав соответствующих пар катушек. Поставленная задача решается также тем, что для определения угловых координат датчика ускорения регистрируют изменения величин индуктивностей катушек индуктивности, входящих в состав соответствующих пар катушек. Поясним сущность предлагаемого способа ввода информации в ЭВМ. Для реализации предлагаемого способа использовано свойство магнитной жидкости, заполняющей замкнутый объем датчика ускорения, заключающееся в возникновении выталкивающей силы, действующей на тело из немагнитного материала, помещенное в магнитную жидкость, в которой создано магнитное поле. Величина и направление этой силы определяются величиной напряженности и распределением силовых линий магнитного поля в магнитной жидкости (С.В.Рулев, В.Н.Самсонов, А.М. Савостьянов, Г.К.Шмырин, "Управляемые магнитожидкостные виброизоляторы", МО СССР, М., 1988 г., с. 17 - 21). Внутри датчика ускорения, представляющего собой замкнутый объем (например, сферический), заполненный магнитной жидкостью, в котором находится инерционное тело из немагнитного материала, создано магнитное поле с нарастающей от центра объема напряженностью. Инерционное тело находится в положении равновесия тогда, когда сумма действующих на него сил равна нулю (сила тяжести, архимедова сила и выталкивающая сила со стороны магнитной жидкости, величина которой определяется магнитным полем). Таким образом положение равновесия инерционного тела определяется величиной напряженности и пространственным распределением силовых линий магнитного поля. Поскольку величина силы, действующей на инерционное тело (имеющее отличную от магнитной жидкости плотность) со стороны магнитного поля, сосредоточенного в магнитной жидкости, растет как по мере удаления инерционного тела от геометрического центра замкнутого объема, так и с увеличением напряженности магнитного поля, то необходимая величина смещения инерционного тела по вертикальной оси Z от геометрического центра замкнутого объема, совпадающего с точкой пересечения пространственных осей датчика ускорения, устанавливается путем задания соответствующей напряженности постоянного магнитного поля. Кроме того в магнитной жидкости создают переменное магнитное поле, напряженность которого много меньше напряженности постоянного магнитного поля. Для создания переменного магнитного поля используют катушки индуктивности, размещенные попарно по трем взаимно перпендикулярным осям вокруг замкнутого объема с магнитной жидкостью. Переменное магнитное поле каждой катушки взаимодействует с объемом магнитной жидкости, расположенным под катушкой, имеющим форму, определяемую распределением силовых линий магнитного поля в магнитной жидкости, и "глубину", отграниченную положением инерционного тела. Величина энергозатрат переменного магнитного поля на перемагничивание магнитной жидкости определяется свойствами магнитной жидкости и ее количеством, находящимся в вышеуказанном объеме взаимодействия. Таким образом величина энергозатрат переменного магнитного поля, являющаяся мерой добротности катушки индуктивности, определяется количеством магнитной жидкости в объеме взаимодействия катушки, которое, в свою очередь, зависит от положения инерционного тела внутри замкнутого объема датчика ускорения. При перемещении датчика ускорения в пространстве инерционное тело смещается от положения равновесия из-за возникающих при перемещении ускорений. Смещение инерционного тела приводит к изменению добротностей катушек индуктивности, а следовательно, и переменных составляющих напряжений на каждой из катушек. Пусть действие ускорения, направленного вдоль оси X, привело к смещению инерционного тела влево от положения равновесия. При этом толщина слоя магнитной жидкости под левой катушкой, расположенной по оси X, уменьшится, а под правой - возрастет, что приведет к уменьшению количества магнитной жидкости в объеме взаимодействия левой и увеличению количества магнитной жидкости в объеме взаимодействия правой катушки индуктивности. Следовательно, добротность и переменное напряжение на левой катушке возрастут, а добротность и переменное напряжение на правой катушке - уменьшатся. По зарегистрированным изменениям переменных составляющих напряжений на катушках, расположенных по оси X, определяют величину ускорения, действующего вдоль оси X, в соответствии с формулой:ax=p

где p - коэффициент, определяемый геометрическими размерами элементов датчика ускорения и свойствами магнитной жидкости при заданной величине постоянной составляющей магнитного поля в магнитной жидкости,
Uxi - текущее значение амплитуды переменной составляющей напряжения на i-м выходе датчика ускорения 1, соответствующем оси X,
Uxi0 - значение амплитуды переменной составляющей напряжения на i-м выходе датчика ускорения 1, соответствующем оси X в состоянии покоя. Компоненты ускорения ay, az, направленные вдоль осей Y и Z, определяются по формулам, аналогичным (1). Рассмотрим вращение датчика ускорения вокруг оси X. Пусть плотность инерционного тела выше плотности магнитной жидкости. При этом инерционное тело оказывается смещенным вниз по оси Z от геометрического центра замкнутого объема. Пусть датчик ускорения повернут вокруг оси X по часовой стрелке на некоторый угол (не превышающий 90o). При этом расположенная по оси Y катушка индуктивности окажется "дальше", а расположенная справа - "ближе" от инерционного тела, следовательно количество магнитной жидкости в объеме взаимодействия левой катушки возрастет, а правой - уменьшится. Следовательно, добротность и переменное напряжение на правой катушке возрастут, а добротность и переменное напряжение на левой катушке - уменьшатся. По зарегистрированным изменениям переменных составляющих напряжений на катушках, расположенных по оси Y, определяют направление вращения (по знаку результата) и величину угла поворота датчика ускорения вокруг оси Y, которые в совокупности являются угловой координатой датчика ускорения, в соответствии с формулой:


где P - заранее определенный в зависимости от угла поворота переменный параметр, зависящий от геометрических размеров элементов датчика ускорения и свойств магнитной жидкости при заданной величине постоянной составляющей магнитного поля в магнитной жидкости,
Uyi - текущее значение амплитуды переменной составляющей напряжения на i-м выходе датчика ускорения 1, соответствующем оси Y,
Uyi0 - значение амплитуды переменной составляющей напряжения на i-м выходе датчика ускорения 1, соответствующем оси Y при нулевом значении угла поворота датчика ускорения вокруг оси X. Угловую координату







1) Ось X расположена горизонтально, ось Z - вертикально. 2) В результате поворота вокруг оси Y ось X расположена вертикально (поворот на 90o по отношению к положению 1). Для катушек, расположенных по оси X, легко показать, что в случае (1) расстояния до инерционного тела от каждой катушки индуктивности равны: l1 = l2 = 2r-



В случае (2) по принятым условиям модели l1 = r/2, l2 = 3r/2. При этом в случае (1) амплитуды переменных составляющих напряжений на катушках равны U1=U2=k



























- по командам ЭВМ, поступающим с последовательного входа устройства, или программным обеспечением блока преобразования сигнала 5 путем изменения напряжений на выходах ЦАП 14, управляющих генераторами тока 7,
- непосредственной "ручной" настройкой параметров генераторов тока 7. Для сопряжения динамического диапазона изменения выходных напряжений датчика ускорения 1 с фиксированной шкалой АЦП микроконтроллера, входящего в состав блока преобразования сигнала 5, в блок АЦП 9 может быть включен 6-канальный усилитель переменного напряжения, включенный последовательно с входами АЦП микроконтроллера. С целью повышения соотношений (сигнал/шум) и (сигнал/помеха) на входе АЦП усилитель может включать активный фильтр. Для снижения требований к точности изготовления деталей и узлов датчика ускорения 1 и регулировке каналов усилителя, входящего в состав АЦП 9, фактические амплитуды напряжений на выходах датчика ускорения 1 в состоянии покоя, преобразованные в цифровую форму АЦП 9, запоминаются и используются для расчетов по формулам (1) и (2), выполняемых вычислителем 10. Пусть один из переключателей, выполняющий функцию индикатора использования устройства оператором, нажат. Напряжения с выходов датчика ускорения 1, преобразованные АЦП 9 в цифровую форму, поступают в вычислитель 10, где в соответствии с зарегистрированными изменениями амплитуд переменных составляющих напряжений периодически осуществляется процесс вычисления значений компонентов линейного ускорения а = {ax, ay, az} и угловых координат датчика ускорения







Класс G06F3/033 указательные устройства, перемещаемые пользователем, например "мыши", шаровые манипуляторы (трекболы), перья или джойстики; принадлежности для них