專(zhuān)利名稱(chēng)：姿態(tài)感知設(shè)備及其定位、鼠標(biāo)指針的控制方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及姿態(tài)感知設(shè)備及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及姿態(tài)感知設(shè)備及其定位方法和裝置、鼠標(biāo)指針的控制方法和裝置。
背景技術(shù)：
目前，計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)指針的定位大多數(shù)都依靠光學(xué)傳感器或激光傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些傳感器都基于物理光學(xué)原理，使得傳感器需要依靠桌面等平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是在很多場(chǎng)合， 例如在計(jì)算機(jī)多媒體教學(xué)中，用戶(hù)想在空中操控鼠標(biāo)指針或是通過(guò)在空中操控鼠標(biāo)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)多媒體電視播放、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等應(yīng)用，僅使用傳統(tǒng)的傳感器就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，于是空間鼠標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生?？臻g鼠標(biāo)是一種輸入設(shè)備，像傳統(tǒng)鼠標(biāo)一樣操作屏幕光標(biāo)(鼠標(biāo)指針)，但卻不需要放在任何平面上，在空中晃動(dòng)就能直接依靠空中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的感知實(shí)現(xiàn)對(duì)鼠標(biāo)指針的控制。要實(shí)現(xiàn)空中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的感知，一般在姿態(tài)感知設(shè)備(例如空間鼠標(biāo))中設(shè)置慣性器件， 利用慣性器件測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)載體姿態(tài)的跟蹤。利用慣性器件測(cè)量技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)載體姿態(tài)的跟蹤具有非常廣闊的前景。慣性跟蹤系統(tǒng)的基本原理是在目標(biāo)初始位置和姿態(tài)已知的基礎(chǔ)上，依據(jù)慣性原理，利用陀螺儀傳感器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)陀螺儀)、加速度傳感器等慣性器件測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的角速度和直線(xiàn)加速度，然后通過(guò)積分獲得物體的位置和姿態(tài)。其中，陀螺儀基本原理是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，強(qiáng)大的角動(dòng)量使旋轉(zhuǎn)軸一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)，所制造出來(lái)的定向儀器。當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)軸指向不一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的偏角，再根據(jù)偏角與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，得到目前運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡和位置，從而實(shí)現(xiàn)定位的功能。而加速度傳感器技術(shù)是慣性與力的檢測(cè)綜合體，目前在汽車(chē)電子和消費(fèi)電子領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。加速度傳感器通過(guò)實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)物體加速度信號(hào)，通過(guò)二階積分的方式得到運(yùn)動(dòng)的軌跡實(shí)現(xiàn)定位。另外，在器件處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下， 可以通過(guò)分析傳感器件自身重力加速度，得到目前器件的自身姿態(tài)。陀螺儀輸出角速度，是瞬時(shí)量，將角速度對(duì)時(shí)間積分計(jì)算得到的角度變化量與初始角度相加，得到角度，其中積分時(shí)間dt越小，輸出角度越準(zhǔn)。但是陀螺儀的原理決定其測(cè)量基準(zhǔn)是自身，沒(méi)有系統(tǒng)外的絕對(duì)參照物，加上dt不可能無(wú)限小，所以積分的累積誤差會(huì)隨時(shí)間迅速增加，導(dǎo)致最終輸出角度與實(shí)際不符。加速度傳感器測(cè)量的是重力方向，有系統(tǒng)外的絕對(duì)參照物“重力軸”，在無(wú)外力加速度的情況下，能準(zhǔn)確地輸出角度并且不會(huì)有累積誤差。但是加速度傳感器是用MEMS技術(shù)檢測(cè)慣性力造成的微小形變，而慣性力本質(zhì)上就是重力，所以加速度傳感器不能區(qū)分重力加速度和外力加速度，當(dāng)系統(tǒng)在三維空間做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度傳感器的輸出就不準(zhǔn)確了。相關(guān)技術(shù)還可參考公開(kāi)號(hào)為W02005108119(A2)的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)，該專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種帶有傾斜補(bǔ)償和提高可用性的自由空間定位設(shè)備。由于陀螺儀技術(shù)以及加速度傳感器技術(shù)都存在運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)很難完全體現(xiàn)的不足，因此，如何將陀螺儀技術(shù)以及加速度傳感器技術(shù)有效地結(jié)合，從而能實(shí)現(xiàn)空間定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是本領(lǐng)域技術(shù)人員長(zhǎng)期探討的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題是提供一種姿態(tài)感知設(shè)備及其定位方法和裝置、鼠標(biāo)指針的控制方法和裝置，結(jié)合陀螺儀技術(shù)和加速度傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施方式提供一種姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，所述姿態(tài)感知設(shè)備包括陀螺儀和加速度傳感器，所述姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法包括獲取陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角；獲取加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角和線(xiàn)加速度，所述加速度傳感器的敏感軸對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的敏感軸；基于所述加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度設(shè)置對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的第一權(quán)重和對(duì)應(yīng)所述加速度傳感器的第二權(quán)重；基于所述第一權(quán)重和第二權(quán)重，對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角和所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行加權(quán)處理，得到姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施方式還提供一種鼠標(biāo)指針的控制方法，包括上述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法；計(jì)算所述姿態(tài)感知設(shè)備的變化分量Ad，其中，Ad = d-dcos θ， θ為姿態(tài)角，d為姿態(tài)感知設(shè)備在空間坐標(biāo)系的初始分量；確定所述鼠標(biāo)指針的位移變化量As，其中，As = Ad/(SF*MF)，SF為所述陀螺儀的靈敏度系數(shù)，MF為鼠標(biāo)指針的靈敏度系數(shù)；基于所述鼠標(biāo)指針的位移變化量控制所述鼠標(biāo)指針的移動(dòng)。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施方式還提供一種姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，包括第一獲取單元，適于獲取陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角；第二獲取單元，適于獲取加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角和線(xiàn)加速度，所述加速度傳感器的敏感軸對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的敏感軸；設(shè)置單元，適于基于所述加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度設(shè)置對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的第一權(quán)重和對(duì)應(yīng)所述加速度傳感器的第二權(quán)重；處理單元，適于基于所述第一權(quán)重和第二權(quán)重，對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角和所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行加權(quán)處理，得到姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施方式還提供一種鼠標(biāo)指針的控制裝置，包括上述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置；分量變化確定單元，適于計(jì)算所述姿態(tài)感知設(shè)備的分量變化 Ad，其中，Ad = d-dcos θ，θ為姿態(tài)角，d為姿態(tài)感知設(shè)備在空間坐標(biāo)系的初始分量；位移變化確定單元，適于確定所述鼠標(biāo)指針的位移變化量Δ s，其中，As= Ad/(SF*MF)，SF 為所述陀螺儀的靈敏度系數(shù)，MF為鼠標(biāo)指針的靈敏度系數(shù)；指針控制單元，適于基于所述鼠標(biāo)指針的位移變化量控制所述鼠標(biāo)指針的移動(dòng)。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施方式還提供一種姿態(tài)感知設(shè)備，包括陀螺儀、加速度傳感器和上述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案基于線(xiàn)加速度對(duì)陀螺儀和加速度傳感器設(shè)置不同的權(quán)重，使得陀螺儀的權(quán)重和加速度傳感器的權(quán)重可以隨線(xiàn)加速度變化而自適應(yīng)調(diào)整；并且，通過(guò)加權(quán)處理將陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角和加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角結(jié)合，由此有效地融合了陀螺儀的數(shù)據(jù)和加速度傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)感知設(shè)備的準(zhǔn)確定位和鼠標(biāo)指針的精確控制。


圖1是本發(fā)明實(shí)施方式的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法的流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施方式的三維空間坐標(biāo)系的示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法的步驟S3的流程圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法的步驟S4的流程圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法的步驟S3的流程圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例2的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法的步驟S4的流程圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例2的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明實(shí)施例的鼠標(biāo)指針的控制方法在姿態(tài)感知設(shè)備的定位步驟后的流程圖；圖10是本發(fā)明實(shí)施例的鼠標(biāo)指針的控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說(shuō)明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制。本發(fā)明實(shí)施方式的姿態(tài)感知設(shè)備包括陀螺儀和加速度傳感器，由于姿態(tài)感知設(shè)備一般是前端運(yùn)動(dòng)最大，因此陀螺儀和加速度傳感器可以安裝在姿態(tài)感知設(shè)備中靠近前端的位置，以更好地感應(yīng)姿態(tài)感知設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。要對(duì)姿態(tài)感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，需要融合陀螺儀的數(shù)據(jù)和加速度傳感器的數(shù)據(jù)，融合通常包括實(shí)時(shí)融合和長(zhǎng)期融合，實(shí)時(shí)融合每一算法周期執(zhí)行一次(即每次采樣數(shù)據(jù)后都執(zhí)行一次)，長(zhǎng)期融合固定檢測(cè)周期(例如256個(gè)算法周期)執(zhí)行一次。融合可以是互補(bǔ)權(quán)重融合，也可以結(jié)合互補(bǔ)權(quán)重融合和卡爾曼濾波融合。所謂互補(bǔ)權(quán)重融合是指對(duì)陀螺儀和加速度傳感器設(shè)置不同的權(quán)重，兩者的權(quán)重之和為1，然后將陀螺儀的數(shù)據(jù)和加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理。由于在無(wú)外力加速度的情況下，加速度傳感器能準(zhǔn)確地輸出角度并且不會(huì)有累積誤差，也就是說(shuō)，加速度傳感器在靜態(tài)或低速運(yùn)動(dòng)時(shí)精度很高；而當(dāng)姿態(tài)感知設(shè)備在三維空間做變速運(yùn)動(dòng)，特別是高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于加速度傳感器不能區(qū)分重力加速度和外力加速度，其在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)精度就降低了。因此可以基于姿態(tài)感知設(shè)備的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如靜態(tài)、低速或高速，對(duì)陀螺儀和加速度傳感器設(shè)置不同的權(quán)重，具體地，在靜態(tài)或低速時(shí)，加速度傳感器的精度較高，設(shè)置加速度傳感器的權(quán)重大于陀螺儀的權(quán)重；在高速時(shí)，陀螺儀的精度較高，設(shè)置陀螺儀的權(quán)重大于加速度傳感器的權(quán)重。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施方式是結(jié)合陀螺儀和加速度傳感器兩種慣性器件對(duì)姿態(tài)感知設(shè)備進(jìn)行定位，因此兩者的權(quán)重互補(bǔ)，即權(quán)重之和為1，但是，如果姿態(tài)感知設(shè)備還結(jié)合其他慣性器件(例如地磁傳感器)進(jìn)行定位，則陀螺儀和加速度傳感器的權(quán)重之和可以小于 1?；谏鲜龇治?，本發(fā)明實(shí)施方式提供一種姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法如圖1所示， 包括步驟Si，獲取陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角；步驟S2，獲取加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角和線(xiàn)加速度，所述加速度傳感器的敏感軸對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的敏感軸；步驟S3，基于所述加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度設(shè)置對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的第一權(quán)重和對(duì)應(yīng)所述加速度傳感器的第二權(quán)重；步驟S4，基于所述第一權(quán)重和第二權(quán)重，對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角和所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行加權(quán)處理，得到姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角。如圖2所示，姿態(tài)感知設(shè)備AO在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，設(shè)三維空間坐標(biāo)系包括兩兩垂直的X軸、y軸和Z軸，其中，X軸和γ軸平行于地平面，Z軸垂直于地平面，陀螺儀可以是單軸陀螺儀、兩軸陀螺儀或三軸陀螺儀，加速度傳感器可以是單軸重力加速度傳感器、兩軸重力加速度傳感器或三軸重力加速度傳感器。姿態(tài)感知設(shè)備平行于地平面時(shí)，陀螺儀的敏感軸與對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸重合，加速度傳感器的敏感軸與對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸重合。以姿態(tài)感知設(shè)備包括兩個(gè)相互垂直的單軸陀螺儀和一個(gè)三軸重力加速度傳感器為例，姿態(tài)感知設(shè)備平行于地平面時(shí)，其中一個(gè)單軸陀螺儀的敏感軸與X軸重合，記為X軸陀螺儀；另一個(gè)單軸陀螺儀的敏感軸與Z軸重合，記為Z軸陀螺儀；加速度傳感器的三個(gè)敏感軸分別與X軸、y軸和Z軸重合，分別記為加速度傳感器的X敏感軸、y敏感軸和Z敏感軸；其中，加速度傳感器的χ敏感軸對(duì)應(yīng)χ軸陀螺儀的敏感軸，加速度傳感器的ζ敏感軸對(duì)應(yīng)ζ軸陀螺儀的敏感軸。下面即以姿態(tài)感知設(shè)備包括兩個(gè)相互垂直的單軸陀螺儀和一個(gè)三軸重力加速度傳感器，姿態(tài)感知設(shè)備在所述空間坐標(biāo)系內(nèi)運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。首先對(duì)旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、傾斜角和姿態(tài)角進(jìn)行定義陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角是指陀螺儀的敏感軸與其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸的夾角，用α 表示。具體地，X軸陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角是指X軸陀螺儀的敏感軸與X軸的夾角，記為 α χ ；ζ軸陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角是指ζ軸陀螺儀的敏感軸與ζ軸的夾角，記為α ζ。加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角是指加速度傳感器的敏感軸與其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸的夾角，用β表示。具體地，加速度傳感器的X敏感軸的偏轉(zhuǎn)角是指X敏感軸與X軸的夾角，記為β χ;加速度傳感器的ζ敏感軸的偏轉(zhuǎn)角是指ζ敏感軸與ζ軸的夾角，記為βζ。加速度傳感器測(cè)量的是敏感軸的傾斜角，加速度傳感器的敏感軸的傾斜角是指加速度傳感器的敏感軸與重力加速度方向的夾角，實(shí)際上也就是加速度傳感器的敏感軸與ζ 軸的夾角，用Y表示，加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角通過(guò)敏感軸的傾斜角轉(zhuǎn)換得到。具體地，加速度傳感器的X敏感軸的傾斜角是指X敏感軸與ζ軸的夾角，記為Yx ；加速度傳感器的ζ敏感軸的傾斜角是指ζ敏感軸與ζ軸的夾角，記為Y ζ。姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角是指姿態(tài)感知設(shè)備與各坐標(biāo)軸的夾角，用θ表示。具體地，姿態(tài)感知設(shè)備與X軸的姿態(tài)角是指姿態(tài)感知設(shè)備與X軸的夾角，記為θ χ;姿態(tài)感知設(shè)備與Z軸的姿態(tài)角是指姿態(tài)感知設(shè)備與Z軸的夾角記為θ ζ。上述的夾角均為銳角。實(shí)施例1本實(shí)施例結(jié)合互補(bǔ)權(quán)重濾波融合和卡爾曼濾波融合對(duì)陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角和加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行融合，獲得姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角。請(qǐng)參考圖1，步驟Si，獲取陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角。陀螺儀輸出的是敏感軸的角速度，角速度對(duì)時(shí)間積分可以得到角度變化量，再與初始角度相加可以得到旋轉(zhuǎn)角，可以用公式表示為α = ai+codt，其中，α為陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角，Q1為陀螺儀的敏感軸的初始角度(前一采樣時(shí)刻確定的旋轉(zhuǎn)角)，ω為陀螺儀的敏感軸的角速度(當(dāng)前采樣時(shí)刻獲取的角速度)。具體實(shí)施時(shí)，χ軸陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角α χ = α xl+coxdt，其中，α x為χ軸陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角，α χ1為χ軸陀螺儀的敏感軸的初始角度，軸陀螺儀的敏感軸的角速度。ζ軸陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角Qz= azl+ zdt，其中，％為2軸陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角，α zl為ζ軸陀螺儀的敏感軸的初始角度，《2為ζ軸陀螺儀的敏感軸的角速度。步驟S2，獲取加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角和線(xiàn)加速度，所述加速度傳感器的敏感軸對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的敏感軸。加速度傳感器輸出的是各敏感軸的傾斜角，對(duì)各敏感軸的傾斜角進(jìn)行轉(zhuǎn)換后可以得到各敏感軸的偏轉(zhuǎn)角。具體實(shí)施時(shí)，加速度傳感器的χ敏感軸的偏轉(zhuǎn)角β x = 90° - Y χ，ζ敏感軸的偏轉(zhuǎn)角βζ= Yz，Yz為加速度傳感器的X敏感軸的傾斜角，Yz為加速度傳感器的Z敏感軸的傾斜角。加速度傳感器還輸出各敏感軸的線(xiàn)加速度，可以反映姿態(tài)感知設(shè)備的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此可作為設(shè)置權(quán)重的依據(jù)，具體請(qǐng)參見(jiàn)步驟S3的說(shuō)明。步驟S3，基于所述加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度設(shè)置對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的第一權(quán)重和對(duì)應(yīng)所述加速度傳感器的第二權(quán)重。本實(shí)施例中，對(duì)陀螺儀的數(shù)據(jù)(敏感軸的旋轉(zhuǎn)角)和加速度傳感器的數(shù)據(jù)(敏感軸的偏轉(zhuǎn)角)進(jìn)行加權(quán)前，還需要對(duì)陀螺儀的數(shù)據(jù)和加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波(參見(jiàn)步驟S4)，因此，步驟S3首先建立濾波時(shí)間常數(shù)與加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度的關(guān)聯(lián)，再基于濾波時(shí)間常數(shù)與第一權(quán)重和第二權(quán)重存在的關(guān)聯(lián)得到權(quán)重值。如圖3所示，本實(shí)施例的步驟S3包括步驟S31，設(shè)置第一濾波參數(shù)η和第二濾波參數(shù)m，所述第二濾波參數(shù)m為所述第一濾波參數(shù)η的3 5倍，通常為整數(shù)倍。第一濾波參數(shù)η和第二濾波參數(shù)m為建立濾波時(shí)間常數(shù)與加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度的關(guān)聯(lián)所需要的參數(shù)。所述第一濾波參數(shù)η 為經(jīng)驗(yàn)值，本實(shí)施例中，第一濾波參數(shù)η的取值范圍為[3，6]，通常取整數(shù)，例如，3、4、5或6。步驟S32，確定濾波時(shí)間常數(shù)τ，其中，若Ki彡n/m則τ = -m*Ki+n，若Ki > n/m 則τ =0，Ki為所述加速度傳感器的合加速度與重力加速度G的差值，所述加速度傳感器的合加速度是指各敏感軸(X敏感軸、y敏感軸和ζ敏感軸)的線(xiàn)加速度的矢量和。加速度傳感器除了輸出敏感軸的傾斜角，還輸出敏感軸的線(xiàn)加速度，線(xiàn)加速度為矢量，有大小和方向，大小通常是以重力加速度G的倍數(shù)表示，如1G、1. 2G、2G、2. 5G等，因此Ki與重力加速度 G呈倍數(shù)關(guān)系。濾波時(shí)間常數(shù)τ是相對(duì)于信號(hào)的持續(xù)時(shí)間而言的，對(duì)于低通濾波，允許持續(xù)時(shí)間大于或等于濾波時(shí)間常數(shù)τ的信號(hào)通過(guò)，而持續(xù)時(shí)間小于濾波時(shí)間常數(shù)τ的信號(hào)則會(huì)被濾除(允許低頻信號(hào)通過(guò)，濾除高頻信號(hào))；對(duì)于高通濾波，允許持續(xù)時(shí)間小于或等于濾波時(shí)間常數(shù)τ的信號(hào)通過(guò)，而持續(xù)時(shí)間大于濾波時(shí)間常數(shù)τ的信號(hào)則會(huì)被濾除(允許高頻信號(hào)通過(guò)，濾除低頻信號(hào))。步驟S33，確定第一權(quán)重a和第二權(quán)重b，其中，
權(quán)利要求
1.一種姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，所述姿態(tài)感知設(shè)備包括陀螺儀和加速度傳感器，其特征在于，包括獲取陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角；獲取加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角和線(xiàn)加速度，所述加速度傳感器的敏感軸對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的敏感軸；基于所述加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度設(shè)置對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的第一權(quán)重和對(duì)應(yīng)所述加速度傳感器的第二權(quán)重；基于所述第一權(quán)重和第二權(quán)重，對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角和所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行加權(quán)處理，得到姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角。
2.如權(quán)利要求1所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，其特征在于，所述加速度傳感器為三軸重力加速度傳感器，基于所述加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度設(shè)置對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的第一權(quán)重和對(duì)應(yīng)所述加速度傳感器的第二權(quán)重包括設(shè)置第一濾波參數(shù)η和第二濾波參數(shù)m，所述第二濾波參數(shù)m為所述第一濾波參數(shù)η的 3 5倍；確定濾波時(shí)間常數(shù)τ，其中，若Ki彡n/m則τ =-m*Ki+n，若Ki > n/m則τ = O,Ki 為所述加速度傳感器的各敏感軸的線(xiàn)加速度的矢量和與重力加速度的差值；確定所述第一權(quán)重a和第二權(quán)重b，其中乂 = -^Jf，a = Ι-b。
3.如權(quán)利要求2所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，其特征在于，所述第一濾波參數(shù)η的取值范圍為[3，6]。
4.如權(quán)利要求2所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，其特征在于，基于所述第一權(quán)重和第二權(quán)重，對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角和所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行加權(quán)處理，得到姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角包括基于所述濾波時(shí)間常數(shù)對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行高通濾波后乘以所述第一權(quán)重，得到第一乘積結(jié)果；基于所述濾波時(shí)間常數(shù)對(duì)所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行低通濾波后乘以所述第二權(quán)重，得到第二乘積結(jié)果；將所述第一乘積結(jié)果和第二乘積結(jié)果相加，得到所述姿態(tài)角。
5.如權(quán)利要求2所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，其特征在于，基于所述第一權(quán)重和第二權(quán)重，對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角和所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行加權(quán)處理，得到姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角包括基于所述濾波時(shí)間常數(shù)對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行高通濾波后乘以所述第一權(quán)重，得到第一乘積結(jié)果；基于所述濾波時(shí)間常數(shù)對(duì)所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行低通濾波后乘以所述第二權(quán)重，得到第二乘積結(jié)果；對(duì)所述第一乘積結(jié)果和第二乘積結(jié)果進(jìn)行卡爾曼濾波，得到所述姿態(tài)角。
6.如權(quán)利要求1所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，其特征在于，所述加速度傳感器為三軸重力加速度傳感器，所述第一權(quán)重和第二權(quán)重之和為1 ；基于所述加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度設(shè)置對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的第一權(quán)重和對(duì)應(yīng)所述加速度傳感器的第二權(quán)重包括將所述加速度傳感器的各敏感軸的線(xiàn)加速度的矢量和對(duì)時(shí)間積分得到線(xiàn)速度；若所述線(xiàn)速度小于預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重小于所述第二權(quán)重； 若所述線(xiàn)速度大于或等于預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重大于所述第二權(quán)重。
7.如權(quán)利要求6所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)值為0.5米/秒，若所述線(xiàn)速度小于所述預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重為1/3或2/5 ； 若所述線(xiàn)速度大于或等于所述預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重為1。
8.如權(quán)利要求1所述的姿態(tài)感知設(shè)備的 定位方法，其特征在于，所述加速度傳感器為三軸重力加速度傳感器，所述第一權(quán)重和第二權(quán)重之和為1 ；基于所述加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度設(shè)置對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的第一權(quán)重和對(duì)應(yīng)所述加速度傳感器的第二權(quán)重包括將所述加速度傳感器的各敏感軸的線(xiàn)加速度的矢量和對(duì)時(shí)間積分得到線(xiàn)速度； 若所述線(xiàn)速度小于第一預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重小于所述第二權(quán)重； 若所述線(xiàn)速度大于第二預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重為1 ； 否則設(shè)置所述第一權(quán)重大于所述第二權(quán)重。
9.如權(quán)利要求8所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，其特征在于，所述第一預(yù)設(shè)值為0.3 米/秒，所述第二預(yù)設(shè)值為0. 6米/秒；若所述線(xiàn)速度小于所述第一預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重為1/3 ； 若所述線(xiàn)速度大于所述第二預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重為1 ； 否則設(shè)置所述第一權(quán)重為2/3。
10.如權(quán)利要求1所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，其特征在于，基于所述第一權(quán)重和第二權(quán)重，對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角和所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行加權(quán)處理，得到姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角包括將所述旋轉(zhuǎn)角乘以所述第一權(quán)重，得到第三乘積結(jié)果； 將所述偏轉(zhuǎn)角乘以所述第二權(quán)重，得到第四乘積結(jié)果； 將所述第三乘積結(jié)果和第四乘積結(jié)果相加，得到所述姿態(tài)角。
11.如權(quán)利要求1所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，其特征在于，基于所述第一權(quán)重和第二權(quán)重，對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角和所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行加權(quán)處理，得到姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角包括將所述旋轉(zhuǎn)角乘以所述第一權(quán)重，得到第三乘積結(jié)果； 將所述偏轉(zhuǎn)角乘以所述第二權(quán)重，得到第四乘積結(jié)果； 對(duì)所述第三乘積結(jié)果和第四乘積結(jié)果進(jìn)行卡爾曼濾波，得到所述姿態(tài)角。
12.如權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法，其特征在于，還包括 確定所述姿態(tài)感知設(shè)備在空間坐標(biāo)系的分量dcos θ，d為姿態(tài)感知設(shè)備在空間坐標(biāo)系的初始分量，θ為姿態(tài)角。
13.一種鼠標(biāo)指針的控制方法，其特征在于，包括權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法；計(jì)算所述姿態(tài)感知設(shè)備的變化分量Ad，其中，Ad = d-dcos θ，θ為姿態(tài)角，d為姿態(tài)感知設(shè)備在空間坐標(biāo)系的初始分量；確定所述鼠標(biāo)指針的位移變化量As，其中，As = Ad/(SF*MF)，SF為所述陀螺儀的靈敏度系數(shù)，MF為鼠標(biāo)指針的靈敏度系數(shù)；基于所述鼠標(biāo)指針的位移變化量控制所述鼠標(biāo)指針的移動(dòng)。
14.一種姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，所述姿態(tài)感知設(shè)備包括陀螺儀和加速度傳感器，其特征在于，包括第一獲取單元，適于獲取陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角；第二獲取單元，適于獲取加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角和線(xiàn)加速度，所述加速度傳感器的敏感軸對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的敏感軸；設(shè)置單元，適于基于所述加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度設(shè)置對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的第一權(quán)重和對(duì)應(yīng)所述加速度傳感器的第二權(quán)重；處理單元，適于基于所述第一權(quán)重和第二權(quán)重，對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角和所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行加權(quán)處理，得到姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角。
15.如權(quán)利要求14所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，所述加速度傳感器為三軸重力加速度傳感器，所述設(shè)置單元包括濾波參數(shù)設(shè)置單元，適于設(shè)置第一濾波參數(shù)η和第二濾波參數(shù)m，所述第二濾波參數(shù)m 為所述第一濾波參數(shù)η的3 5倍；時(shí)間常數(shù)確定單元，適于確定濾波時(shí)間常數(shù)工，其中，若
16.如權(quán)利要求15所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，所述第一濾波參數(shù)η 的取值范圍為[3，6]。
17.如權(quán)利要求15所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，所述處理單元包括 高通濾波器，適于基于所述濾波時(shí)間常數(shù)對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行高通濾波；第一乘法器，適于將所述高通濾波器的輸出結(jié)果后乘以所述第一權(quán)重，得到第一乘積結(jié)果；低通濾波器，適于基于所述濾波時(shí)間常數(shù)對(duì)所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行低通濾波； 第二乘法器，適于將所述低通濾波器的輸出結(jié)果乘以所述第二權(quán)重，得到第二乘積結(jié)果；加法器，適于將所述第一乘積結(jié)果和第二乘積結(jié)果相加，得到所述姿態(tài)角。
18.如權(quán)利要求15所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，所述處理單元包括 高通濾波器，適于基于所述濾波時(shí)間常數(shù)對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行高通濾波；第一乘法器，適于將所述高通濾波器的輸出結(jié)果后乘以所述第一權(quán)重，得到第一乘積結(jié)果；低通濾波器，適于基于所述濾波時(shí)間常數(shù)對(duì)所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行低通濾波； 第二乘法器，適于將所述低通濾波器的輸出結(jié)果乘以所述第二權(quán)重，得到第二乘積結(jié)果；卡爾曼濾波器，適于對(duì)所述第一乘積結(jié)果和第二乘積結(jié)果進(jìn)行卡爾曼濾波，得到所述姿態(tài)角。
19.如權(quán)利要求14所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，所述加速度傳感器為三軸重力加速度傳感器，所述第一權(quán)重和第二權(quán)重之和為1 ；所述設(shè)置單元包括線(xiàn)速度計(jì)算單元，適于將所述加速度傳感器的各敏感軸的線(xiàn)加速度的矢量和對(duì)時(shí)間積分得到線(xiàn)速度；判斷單元，適于判斷所述線(xiàn)速度是否小于預(yù)設(shè)值；權(quán)重設(shè)置單元，適于在所述判斷單元的判斷結(jié)果為是時(shí)設(shè)置所述第一權(quán)重小于所述第二權(quán)重；在所述判斷單元的判斷結(jié)果為否時(shí)設(shè)置所述第一權(quán)重大于所述第二權(quán)重。
20.如權(quán)利要求19所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，所述第一預(yù)設(shè)值為 0. 5米/秒，若所述線(xiàn)速度小于所述預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重為1/3或2/5 ； 若所述角速度大于或等于所述預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重為2/3或3/5。
21.如權(quán)利要求14所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，所述加速度傳感器為三軸重力加速度傳感器，所述第一權(quán)重和第二權(quán)重之和為1 ；所述設(shè)置單元包括線(xiàn)速度計(jì)算單元，適于將所述加速度傳感器的各敏感軸的線(xiàn)加速度的矢量和對(duì)時(shí)間積分得到線(xiàn)速度；第一判斷單元，適于判斷所述線(xiàn)速度是否小于第一預(yù)設(shè)值；第二判斷單元，適于判斷所述線(xiàn)速度是否大于第二預(yù)設(shè)值，所述第二預(yù)設(shè)值大于所述第一預(yù)設(shè)值；權(quán)重設(shè)置單元，適于在所述第一判斷單元的判斷結(jié)果為是時(shí)設(shè)置第一權(quán)重小于第二權(quán)重；在所述第二判斷單元的判斷結(jié)果為是時(shí)設(shè)置第一權(quán)重為1，第二權(quán)重為0 ；否則設(shè)置第一權(quán)重大于第二權(quán)重。
22.如權(quán)利要求21所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，所述第一預(yù)設(shè)值為 0. 3米/秒，所述第二預(yù)設(shè)值為0. 6米/秒；若所述線(xiàn)速度小于所述第一預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重為1/3 ； 若所述線(xiàn)速度大于所述第二預(yù)設(shè)值則設(shè)置所述第一權(quán)重為1 ； 否則設(shè)置所述第一權(quán)重為2/3。
23.如權(quán)利要求14所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，所述處理單元包括 第三乘法器，適于將所述旋轉(zhuǎn)角乘以所述第一權(quán)重，得到第三乘積結(jié)果；第四乘法器，適于將所述偏轉(zhuǎn)角乘以所述第二權(quán)重，得到第四乘積結(jié)果； 加法器，適于將所述第三乘積結(jié)果和第四乘積結(jié)果相加，得到所述姿態(tài)角。
24.如權(quán)利要求14所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，所述處理單元包括 第三乘法器，適于將所述旋轉(zhuǎn)角乘以所述第一權(quán)重，得到第三乘積結(jié)果；第四乘法器，適于將所述偏轉(zhuǎn)角乘以所述第二權(quán)重，得到第四乘積結(jié)果； 卡爾曼濾波器，適于對(duì)所述第三乘積結(jié)果和第四乘積結(jié)果進(jìn)行卡爾曼濾波，得到所述姿態(tài)角。
25.如權(quán)利要求14至24任一項(xiàng)所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置，其特征在于，還包括 分量確定單元，適于確定所述姿態(tài)感知設(shè)備在空間坐標(biāo)系的分量dcos θ，d為姿態(tài)感知設(shè)備在空間坐標(biāo)系的初始分量，θ為姿態(tài)角。
26.一種鼠標(biāo)指針的控制裝置，其特征在于，包括權(quán)利要求14-25任一項(xiàng)所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置；分量變化確定單元，適于計(jì)算所述姿態(tài)感知設(shè)備的分量變化△(!，其中，Ad =d-dcos θ，θ為姿態(tài)角，d為姿態(tài)感知設(shè)備在空間坐標(biāo)系的初始分量；位移變化確定單元，適于確定所述鼠標(biāo)指針的位移變化量As，其中，As= Ad/ (SF*MF)，SF為所述陀螺儀的靈敏度系數(shù)，MF為鼠標(biāo)指針的靈敏度系數(shù)；指針控制單元，適于基于所述鼠標(biāo)指針的位移變化量控制所述鼠標(biāo)指針的移動(dòng)。
27.一種姿態(tài)感知設(shè)備，包括陀螺儀和加速度傳感器，其特征在于，還包括權(quán)利要求14-25任一項(xiàng)所述的姿態(tài)感知設(shè)備的定位裝置。
28.如權(quán)利要求27所述的姿態(tài)感知設(shè)備，其特征在于，還包括分量變化確定單元，適于計(jì)算所述姿態(tài)感知設(shè)備的分量變化△(!，其中，Ad = d-dcos θ , θ為姿態(tài)角，d為姿態(tài)感知設(shè)備在空間坐標(biāo)系的初始分量。
29.如權(quán)利要求28所述的姿態(tài)感知設(shè)備，其特征在于，還包括位移變化確定單元，適于確定所述鼠標(biāo)指針的位移變化量As，其中，As= Ad/ (SF*MF)，SF為所述陀螺儀的靈敏度系數(shù)，MF為鼠標(biāo)指針的靈敏度系數(shù)。
30.如權(quán)利要求29所述的姿態(tài)感知設(shè)備，其特征在于，還包括指針控制單元，適于基于所述鼠標(biāo)指針的位移變化量控制所述鼠標(biāo)指針的移動(dòng)。
31.如權(quán)利要求27至30任一項(xiàng)所述的姿態(tài)感知設(shè)備，其特征在于，包括兩個(gè)相互垂直的單軸陀螺儀和一個(gè)三軸重力加速度傳感器。
全文摘要
一種姿態(tài)感知設(shè)備及其定位、鼠標(biāo)指針的控制方法和裝置。所述姿態(tài)感知設(shè)備的定位方法包括獲取陀螺儀的敏感軸的旋轉(zhuǎn)角；獲取加速度傳感器的敏感軸的偏轉(zhuǎn)角和線(xiàn)加速度，所述加速度傳感器的敏感軸對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的敏感軸；基于所述加速度傳感器的敏感軸的線(xiàn)加速度設(shè)置對(duì)應(yīng)所述陀螺儀的第一權(quán)重和對(duì)應(yīng)所述加速度傳感器的第二權(quán)重；基于所述第一權(quán)重和第二權(quán)重，對(duì)所述旋轉(zhuǎn)角和所述偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行加權(quán)處理，得到姿態(tài)感知設(shè)備的姿態(tài)角。本發(fā)明的技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)感知設(shè)備的準(zhǔn)確定位以及鼠標(biāo)指針的精確控制。
文檔編號(hào)G06F3/01GK102306054SQ20111025293
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者嚴(yán)松, 劉正東, 唐元浩, 龍江, 龍濤 申請(qǐng)人:江蘇惠通集團(tuán)有限責(zé)任公司