用于在固定參照系中感測物體在空間中的取向的方法和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及能夠向電子設(shè)備發(fā)送命令的人機(jī)界面。更具體地，其提高了空中指向 器的對(duì)光標(biāo)在顯示器上的移動(dòng)進(jìn)行控制的能力。顯示器可以是計(jì)算機(jī)顯示器、連接到機(jī)頂 盒的電視屏幕、游戲控制臺(tái)等等。空中指向器可以是3D鼠標(biāo)、裝備有運(yùn)動(dòng)傳感器的智能電 話或平板電腦、或者甚至是用戶的裝備有傳感器/處理組件的手指或肢體。
【背景技術(shù)】
[0002] 空中指向器在許多不同情形下都可以用作遙控器，并且可以具有多種功能。例如， 視聽裝置（電視、盤的讀取器/記錄器、高保真系統(tǒng)）的遙控器可以用于從菜單中選定程序 或選擇功能。家用裝置的遙控器可以用于指向裝置以命令特定功能的執(zhí)行。當(dāng)空中指向器 用作計(jì)算機(jī)遙控器時(shí)，指向器可以被編程為由計(jì)算機(jī)執(zhí)行的應(yīng)用程序的函數(shù)。在電子游戲 界面中，取決于游戲，指向器可以模仿由用戶操控的物體（高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、保齡球、手 槍等等）?？罩兄赶蚱鬟€可以為人機(jī)界面提供輔助或者用作旨在用于行動(dòng)不便的人的遙控 器：例如，空中指向器可以被固定于頭部、眼鏡、耳機(jī)或與頭部的移動(dòng)相關(guān)聯(lián)的任何其它部 分，以便幫助具有運(yùn)動(dòng)缺陷或者不能使用傳統(tǒng)手持式鼠標(biāo)的人。通常，空中指向器裝備有允 許對(duì)命令進(jìn)行選擇的按鈕，或者空中指向器可以被編程為執(zhí)行功能（或服務(wù)）。按鈕還可以 用于通過從一些特性特征中識(shí)別姿態(tài)和/或與特定姿態(tài)的數(shù)據(jù)庫相匹配來在指向姿態(tài)期 間將不同的指向器狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。
[0003]指向器在空間中的移動(dòng)包括旋轉(zhuǎn)和平移。它們可以由各種類型的傳感器來測量。 例如，相機(jī)或圖像傳感器可以通過比較連續(xù)圖像并使用幾何變換來同時(shí)測量旋轉(zhuǎn)和平移。 替代地，磁力計(jì)、加速度計(jì)和/或陀螺測試儀的組合可以測量空中指向器圍繞幾個(gè)軸的平 移和旋轉(zhuǎn)。包括一個(gè)或多個(gè)相機(jī)以及幾個(gè)磁力計(jì)、加速度計(jì)和/或陀螺儀傳感器的組合的 系統(tǒng)可以用于提高測量準(zhǔn)確度和冗余度。
[0004] 運(yùn)動(dòng)感測指向器的這些應(yīng)用必須解決的普遍問題是考慮用戶握持指向器的方式， 特別是指向器在空間中的取向。如果指向器已經(jīng)在用戶的手中沿著其縱軸旋轉(zhuǎn)并且在例如 45°被握持，則指向器的水平或垂直運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致指向器正指向的屏幕上的對(duì)角運(yùn)動(dòng)。該現(xiàn) 象被稱為"傾斜"或扭轉(zhuǎn)。因此，為了使指向器更加用戶友好，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行校正。
[0005] 用于解決該問題的第一種選擇是提供機(jī)械單元，以使得當(dāng)用戶對(duì)指向器實(shí)施扭轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器在屏幕的參照系中保持在大體上固定的位置中。因此，有可能提供以鐘擺方 式在指向器內(nèi)移動(dòng)的傳感器或多個(gè)傳感器，傳感器的基座具有足夠的慣性以大體上保持固 定，盡管對(duì)指向器實(shí)施了扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種設(shè)備由美國專利5, 453, 758公開。還有可能將所述 傳感器封裝在由通過旋轉(zhuǎn)軸連接到指向器的一對(duì)球體組成的穩(wěn)定設(shè)備中，正如在船上或飛 機(jī)上的羅盤中的情形。這種設(shè)備由美國專利5, 440, 326公開。用于補(bǔ)償指向器扭轉(zhuǎn)的這些 機(jī)械設(shè)備的第一個(gè)缺點(diǎn)是它們受限于扭轉(zhuǎn)角度和位移速率的受限的范圍。第二個(gè)缺點(diǎn)是這 些設(shè)備是笨重的。第三個(gè)缺點(diǎn)在于這些設(shè)備的機(jī)械慣性以及所誘導(dǎo)的水平對(duì)準(zhǔn)中的延遲， 因此阻礙了它們的實(shí)時(shí)指向應(yīng)用。
[0006] 用于補(bǔ)償指向器的扭轉(zhuǎn)的第二種選擇在于通過使用嵌入在指向器上的傳感器中 的一些（尤其是加速度計(jì)）的測量值來計(jì)算扭轉(zhuǎn)角度。所計(jì)算的扭轉(zhuǎn)角度隨后用于通過向 所述測量值施加一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣來對(duì)傳感器的測量值執(zhí)行從指向器的參照系到屏幕 的參照系的變換，所述旋轉(zhuǎn)矩陣的系數(shù)取決于所計(jì)算的扭轉(zhuǎn)角度。這種過程尤其是由以下 文件所公開：i)專利US5, 902, 968,其中，主傳感器是陀螺測試儀，并且用于計(jì)算扭轉(zhuǎn)角度 的傳感器是加速度計(jì)，ii)專利申請(qǐng)US2004/0075650,其中，主傳感器是耦合到加速度計(jì) 的相機(jī)，該組合允許傾斜校正，iii)專利申請(qǐng)US2002/0140745,其中，主傳感器是GPS接收 機(jī)，并且傾斜校正傳感器是一組加速度計(jì)，以及iv)專利US7，158，118，其中，主傳感器由 一個(gè)或多個(gè)陀螺測試儀組成，并且傾斜校正傳感器由一個(gè)或多個(gè)加速度計(jì)組成。只要通過 使用三角函數(shù)計(jì)算來計(jì)算扭轉(zhuǎn)角度，這些過程將具有提供含噪聲且不準(zhǔn)確的結(jié)果的缺點(diǎn)， 所述三角函數(shù)計(jì)算不適合于優(yōu)選用于低成本空中指向設(shè)備中的定點(diǎn)/小型存儲(chǔ)處理器。
[0007] 已經(jīng)由被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人的美國專利8, 010, 313公開了校正傾斜的新方 式。根據(jù)該發(fā)明，代替利用正則三角函數(shù)公式來計(jì)算傾斜角度，加速度計(jì)的測量值直接用于 校正陀螺儀傳感器的測量值。
[0008] 還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在某一時(shí)刻僅及時(shí)使用一個(gè)加速度計(jì)測量值來完成傾斜校正可能是 有利的，以便簡化校正的計(jì)算并且使用較少的計(jì)算能力，這些計(jì)算能力隨后被釋放以用于 其它任務(wù)。而且，當(dāng)加速度計(jì)軸接近垂直時(shí)，由于滾動(dòng)角度的改變而引起的加速度計(jì)信號(hào)的 變化與噪聲水平相比很小。因此，接近1的值缺乏準(zhǔn)確度，并且沿該軸的滾動(dòng)校正對(duì)于大于 大約70°的角度而言并不準(zhǔn)確，這導(dǎo)致影響顯示器上的光標(biāo)移動(dòng)的整體偏差。被轉(zhuǎn)讓給當(dāng) 前申請(qǐng)的申請(qǐng)人、被提交為PCT/EP2011/056925的PCT申請(qǐng)?zhí)岢隽藢?duì)這類問題的解決方案。
[0009] 然而，這些現(xiàn)有技術(shù)引用都沒有公開很好地適合于用戶給予指向器明顯動(dòng)力的使 用情形的解決方案。在這些使用情形中，加速度計(jì)的測量值包括不能被忽略的固有加速度 分量。因此，由于所需要的是加速度計(jì)測量值的重力分量，所以固有加速度分量創(chuàng)建了要 被控制的光標(biāo)從其應(yīng)當(dāng)遵循的軌跡的偏離，以適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換用戶所預(yù)期的移動(dòng)。如美國專利 7, 158, 118所提出的對(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)行低通濾波并不提供對(duì)該問題的解決方案，因?yàn)?低通濾波僅對(duì)固有加速度分量進(jìn)行平均，而不會(huì)消除它們。此外，使用低通濾波器使系統(tǒng)的 靈敏度減小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明通過提供用于使用物體的加速度的重力分量的合成值對(duì)傾斜進(jìn)行校正的 方法來解決該問題，所述合成值是根據(jù)設(shè)備中可用的傳感器的類型并且根據(jù)由用戶給予空 中指向設(shè)備的移動(dòng)的動(dòng)力來計(jì)算的。
[0011] 為此，本發(fā)明提供了用于在工作參照系中感測移動(dòng)物體的取向的系統(tǒng)，所述系統(tǒng) 包括：
[0012] -第一傳感器，其用于利用至少兩條主動(dòng)感測軸來感測物體的角速度和角位置的 其中之一；
[0013]-第二傳感器，其用于利用三條感測軸來感測物體的加速度；
[0014]-處理模塊，其被配置為通過融合運(yùn)動(dòng)向量Vm與合成向量Vsyn來將物體取向數(shù)據(jù) 從感測參照系轉(zhuǎn)換到工作參照系，其中所述運(yùn)動(dòng)向量Vm由來自第一傳感器的輸出中的一 些或全部輸出組成，所述合成向量Vsyn表示對(duì)象的加速度的重力分量，所述合成向量Vsyn 被計(jì)算為具有權(quán)重K的校正向量Vcor與具有權(quán)重（1-K)的加速度向量Vac的加權(quán)平均，其 中所述校正向量Vcor由第一傳感器和第二傳感器的至少其中之一的輸出組成，所述加速 度向量Vac由第二傳感器的輸出中的一些輸出組成；
[0015] 其中，對(duì)校正向量Vcor的計(jì)算取決于第一傳感器的主動(dòng)感測軸的數(shù)量，并且K是 物體的移動(dòng)的動(dòng)態(tài)性變量D的函數(shù)。
[0016] 有利地，動(dòng)態(tài)性變量D從基于第一傳感器和第二傳感器的至少其中之一的輸出的 一個(gè)或多個(gè)加權(quán)動(dòng)態(tài)性測試的結(jié)果Di(i多1)中導(dǎo)出。
[0017] 有利地，動(dòng)態(tài)性測試產(chǎn)生二進(jìn)制結(jié)果（Di={0 ;1})，并且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性變量D是 動(dòng)態(tài)性測試的結(jié)果Di的邏輯組合。
[0018] 有利地，權(quán)重因數(shù)（1-K)在動(dòng)態(tài)性測試確定其處于準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)時(shí)等于1，并且在所 有其它實(shí)例中等于零。
[0019] 有利地，加權(quán)動(dòng)態(tài)性測試的至少其中之一基于第一傳感器和第二傳感器的其中之 一的輸出的范數(shù)N。
[0020] 有利地，所述動(dòng)態(tài)性測試的結(jié)果Di在范數(shù)N落入預(yù)定義的范圍內(nèi)時(shí)為零，并且在 所有其它實(shí)例中等于一。
[0021] 有利地，加權(quán)動(dòng)態(tài)性測試的至少其中之一基于第一傳感器和第二傳感器的其中之 一的輸出的方差V。
[0022] 有利地，將方差V與預(yù)設(shè)閾值相比較，并且所述動(dòng)態(tài)性測試的結(jié)果Di在所述方差 大于閾值時(shí)為零，并且在所有其它實(shí)例中等于一。
[0023] 有利地，加權(quán)動(dòng)態(tài)性測試的至少其中之一是取向測試，其中，至少將第二傳感器的 輸出與重力向量相比較。
[0024] 有利地，取向測試基于感測設(shè)備的滾動(dòng)軸與重力向量之間的角度，并且取向測試 的結(jié)果Di在角度大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)為零，并且在所有其它實(shí)例中等于一。
[0025] 有利地，第一傳感器包括兩條主動(dòng)感測軸，并且當(dāng)物體最后處于D= 0的狀態(tài)時(shí)， 時(shí)間t處的校正向量Vcor等于時(shí)間ts處的加速度向量Vac，并且其中，權(quán)重因數(shù)（1-K)平 均來說是物體的移動(dòng)的動(dòng)態(tài)性D的減函數(shù)。
[0026] 有利地，第一傳感器包括三條主動(dòng)感測軸，并且時(shí)間t處的校正向量Vcor是基于 時(shí)間t處的第一傳感器的輸出中的至少其中之一來計(jì)算的。
[0027] 有利地，當(dāng)動(dòng)態(tài)性變量D等于1時(shí)，權(quán)重K等于1，并且當(dāng)D等于0時(shí)，權(quán)重K等于 0〇
[0028] 有利地，第一傳感器是陀螺測試儀，并且第二傳感器是加速度計(jì)。
[0029] 本發(fā)明還提供了用于控制顯示器上的光標(biāo)的手持式設(shè)備，包括：
[0030] -第一傳感器，其用于利用至少兩條主動(dòng)感測軸來感測手持式設(shè)備的角速度和角 位置的其中之一；
[0031] -第二傳感器，其用于利用三條感測軸來感測手持式設(shè)備的加速度；
[0032] _所述