空中鼠标系统及其操控方法
【专利摘要】本发明公开了一种空中鼠标系统及其操控方法，包括：加速度计的输出端与重力分量滤除滤波模块的输入端相连，重力分量滤除滤波模块的输出端与比较器模块的输入端相连；陀螺仪的输出端与加权移动平滑滤波模块的输入端相连，加权移动平滑滤波模块的控制端与比较器的输出端相连，加权移动平滑滤波模块的输出端与动态积分模块的输入端相连，动态积分模块的输出端与发送模块相连；第二处理器模块分别与接收模块及显示模块相连。本发明可以使用户在三维空间内对大屏幕智能终端进行交互，克服了传统鼠标将用户限制在二维桌面身上的弊端，提高了用户体验。
【专利说明】空中鼠标系统及其操控方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种人机交互领域，特别是涉及一种空中鼠标系统及其操控方法。
【背景技术】
[0002] 在传统的人机交互中，一般用鼠标、键盘或遥控器等设备通过有线或无线，将用户 交互指令传给媒体终端，进而实现相关控制功能。这些方式简单易于实现，但是随着智能数 字媒体终端迅速发展，大屏幕智能终端在生活和工作中日益普及，其应用场景也变得多样 化。如在家庭影院、多媒体教育、媒体会议等场合，人们可能需要躺着、站着、移动等方式对 媒体终端交互，因此在这种场景下，传统的二维鼠标没有桌面的辅助，使人机交互变得非常 不便。在这种情景下人们迫切希望一种能够在三维空间内对媒体终端进行交互的方式来适 应这些新型交互场合。
【发明内容】
[0003] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种空中鼠 标系统及其操控方法。
[0004] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种空中鼠标系统，包括手持设备及 接收显示设备，所述手持设备包括惯性传感器、第一处理器及发送模块，所述第一处理器分 别与所述惯性传感器及所述发送模块相连；所述惯性传感器包括加速度计及陀螺仪，所述 加速度计用于检测所述手持设备的加速度值，所述陀螺仪用于检测所述手持设备的角速度 值；所述第一处理器包括重力分量滤除滤波模块、比较器模块、加权移动平滑滤波模块及动 态积分模块；所述加速度计的输出端与所述重力分量滤除滤波模块的输入端相连，所述重 力分量滤除滤波模块的输出端与比较器模块的输入端相连，所述陀螺仪的输出端与所述加 权移动平滑滤波模块的输入端相连，所述加权移动平滑滤波模块的控制端与所述比较器的 输出端相连，所述加权移动平滑滤波模块的输出端与所述动态积分模块的输入端相连，所 述动态积分模块的输出端与所述发送模块相连；所述重力分量滤除滤波模块用于滤除加速 度值中的重力分量，得到线性加速度；所述比较器模块用于比较所述线性加速度与阀值的 大小来控制所述加权移动平滑滤波模块是否进行加权移动平滑滤波，当线性加速度大于阀 值时，所述加权移动平滑滤波模块将输入的角速度值进行加权移动平滑滤波，得到平滑角 速度，所述动态积分模块用于将所述平滑角速度进行动态积分，得到角度值；所述发送模块 用于发送所述角度值；所述接收显示设备包括接收模块、显示模块及第二处理器模块，所述 第二处理器模块分别与所述接收模块及所述显示模块相连；所述接收模块用于接收所述手 持设备发送模块发送的角度值；所述第二处理器模块包括光标驱动模块，所述光标驱动模 块驱动所述显示模块显示交互命令。
[0005] 本发明可以使用户在三维空间内对大屏幕智能终端进行交互，克服了传统鼠标将 用户限制在二维桌面身上的弊端，提高了用户体验。
[0006] 在本发明的一种优选实施方式中，还包括低通滤波模块，所述低通滤波模块的输 入端及输出端串连在所述加速度计的输出端及所述重力分量滤除滤波模块的输入端之间； 所述低通滤波模块用于滤除所述加速度值中的高次干扰毛刺。
[0007] 在本发明的一种优选实施方式中，所述手持设备为智能手机或平板电脑。
[0008] 本发明采用智能手机或者平板电脑作为硬件数据采集和处理部分，相对于特定开 发的硬件系统要更稳定，携带方便，节约硬件成本。
[0009] 在本发明的一种优选实施方式中，所述接收显示设备为家庭影院、多媒体教育或 媒体会议之一的显示装置。
[0010] 本发明提供了一种空中鼠标系统的操控方法，包括以下步骤：
[0011] S1，实时获取所述手持设备内置的所述陀螺仪及所述加速度计的原始数据并记 录；
[0012] S2,将获取的所述加速度计的原始数据进行重力分量滤除滤波，得到线性加速度； 当线性加速度大于阀值时，执行下一步；否则返回步骤S1 ;
[0013] S3,将获取的所述陀螺仪的原始数据进行加权移动平滑滤波，得到平滑角速度；
[0014] S4,将所述平滑角速度进行动态积分，得到所述手持设备的转动的角度值；
[0015] S5,将所述角度值通过无线网络发送到所述接收显示设备；
[0016] S6,所述接收显示设备将角度值作为光标驱动函数的参数；
[0017] S7,所述光标驱动函数驱动光标动作，完成交互；循环步骤S1-S7。
[0018] 在本发明的一种优选实施方式中，在进行重力分量滤除滤波之前，先进行低通滤 波，滤除所述加速度计的原始数据中的高次干扰毛刺。
[0019] 在本发明的一种优选实施方式中，所述重力分量滤除滤波得到线性加速度的方法 包括以下步骤：
[0020] 步骤 1，计算 Gi = α ΧΑη+(1_ a ) XAi
[0021] 所述化是当前时刻加速度计的采样值，所述Ag是上一时刻加速度计的采集值，所 述匕是当前时刻得到的重力观测值，所述α是迭代控制参数，所述0〈α〈1，所述i为时刻 的序号，i为正整数；
[0022] 步骤 2,计算 Line+Ai = Ai-Gp
[0023] 所述Line+Ai是线性加速度。
[0024] 在本发明的一种优选实施方式中，所述加权移动平滑滤波得到平滑角速度的方法 包括以下步骤：
[0025] 步骤1，获取所述手持设备内置的所述陀螺仪的原始数据；
[0026] 步骤2,传感器监测函数依次读取所述陀螺仪的原始数据y(k)并将其从队尾插 入，所述k为正整数；
[0027] 步骤3,判断队列是否已满，若未满，则Y (k) = y (k)，返回执行步骤2 ;若已满，则 执行下一步；所述Y(k)为经过加权移动平滑滤波输出的平滑角速度，所述y(k)为输入加权 移动平滑滤波输出的角速度值；
[0028] 步骤 4,计算 Y(k) = QX y (k)+C2Xy (k_l)+· · ·+CNXy (k-N+1)
[0029] 所述N为队列窗口宽度，所述N为正整数，所述Q为队列相应位置的权重系数，所 述 0〈(；〈1，i = 1、2、3、......、N ;
[0030] 步骤5,更新队列，队尾插入，队头移除；
[0031] 步骤6,线性加速度小于门限时结束运算，否则返回执行步骤4。
[0032] 本发明在数据处理上采用加权移动平均法对角速度数据平滑滤波，算法复杂度 低，降低处理器开销。
[0033] 在本发明的一种优选实施方式中，所述计算角度值的方法包括以下步骤：
[0034] 步骤1，首先采集有限个零速度状态陀螺仪的角速度值，求其平均值得到cal，
[0035] 步骤 2,计算 = Y (k) -cal
[0036] 其中，所述Y(k)是平滑角速度，所述cal是采集的有限个零速度状态的陀螺仪输 出的角速度值的均值；
[0037] 步骤 3,计算 Θ t = θ Η+?ΓεΧ dT
[0038] 其中，所述Θ t是手持设备转过的角度值，所述θ η是上一次积分的角度值，所述 dT是陀螺仪采样时隙。
[0039] 本发明采用简单偏移校准和动态控制积分算法求解鼠标转过的角度值，使系统输 出角度值更能接近真实输入角度值。
[0040] 在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤S2为：将获取的所述加速度计的原始 数据进行重力分量滤除滤波，得到线性加速度；再将所述线性加速度乘以加速度计采样时 隙得到线性加速度值，当线性加速度值大于阀值时，执行下一步；否则返回步骤S1。
[0041] 综上，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：可以使用户在三维空间内 对大屏幕智能终端进行交互，克服了传统鼠标将用户限制在二维桌面身上的弊端，提高了 用户体验。
[0042] 其次：1、本方案采用智能手机作为硬件数据采集和处理部分，相对于特定开发的 硬件系统要更稳定，携带方便，节约硬件成本。
[0043] 2、本发明在对传感器的数据处理上采用加权移动平均法对角速度值数据平滑滤 波，算法复杂度低，降低处理器开销。
[0044] 3、本发明采用简单偏移校准和动态控制积分算法求解鼠标转过的角度，使系统输 出角度值更能接近真实输入角度值。
【专利附图】
【附图说明】
[0045] 图1是本发明的示意图。
[0046] 图2是本发明的加权移动平滑滤波流程示意图。
【具体实施方式】
[0047] 下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0048] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"纵向"、"横向"、"上"、"下"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底" "内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所 示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限 制。
[0049] 在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语"安装"、"相连"、 "连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据 具体情况理解上述术语的具体含义。
[0050] 本发明提供了一种空中鼠标系统，如图1所示，包括手持设备及接收显示设备，手 持设备包括惯性传感器、第一处理器及发送模块，第一处理器分别与惯性传感器及发送模 块相连；惯性传感器包括加速度计及陀螺仪，加速度计用于检测手持设备的加速度值，陀螺 仪用于检测手持设备的角速度值；第一处理器包括重力分量滤除滤波模块、比较器模块、力口 权移动平滑滤波模块及动态积分模块；加速度计的输出端与重力分量滤除滤波模块的输入 端相连，重力分量滤除滤波模块的输出端与比较器模块的输入端相连，陀螺仪的输出端与 加权移动平滑滤波模块的输入端相连，加权移动平滑滤波模块的控制端与比较器的输出端 相连，加权移动平滑滤波模块的输出端与动态积分模块的输入端相连，动态积分模块的输 出端与发送模块相连；重力分量滤除滤波模块用于滤除加速度值中的重力分量，得到线性 加速度；比较器模块用于比较线性加速度与阀值的大小来控制加权移动平滑滤波模块是否 进行加权移动平滑滤波，当线性加速度大于阀值时，加权移动平滑滤波模块将输入的角速 度值进行加权移动平滑滤波，得到平滑角速度，动态积分模块用于将平滑角速度进行动态 积分，得到角度值；发送模块用于发送角度值；接收显示设备包括接收模块、显示模块及第 二处理器模块，第二处理器模块分别与接收模块及显示模块相连；接收模块用于接收手持 设备发送模块发送的角度值；第二处理器模块包括光标驱动模块，光标驱动模块驱动显示 模块显示交互命令。
[0051] 在本发明的一种优选实施方式中，还包括低通滤波模块，低通滤波模块的输入端 及输出端串连在加速度计的输出端及重力分量滤除滤波模块的输入端之间；低通滤波模块 用于滤除加速度值中的高次干扰毛刺。
[0052] 在本发明的一种优选实施方式中，手持设备为智能手机或平板电脑。
[0053] 在本发明的一种优选实施方式中，接收显示设备为家庭影院、多媒体教育或媒体 会议之一的显示装置。
[0054] 本发明提供了一种空中鼠标系统的操控方法，包括以下步骤：
[0055] S1，实时获取手持设备内置的陀螺仪及加速度计的原始数据并记录；
[0056] S2,将获取的加速度计的原始数据进行重力分量滤除滤波，得到线性加速度；当线 性加速度大于阀值时，执行下一步；否则返回步骤S1 ;
[0057] S3,将获取的陀螺仪的原始数据进行加权移动平滑滤波，得到平滑角速度；
[0058] S4,将平滑角速度进行动态积分，得到手持设备的转动的角度值；
[0059] S5,将角度值通过无线网络发送到接收显示设备；在本实施方式中，无线网络为 WIFI、WLAN、GPRS 或 CDMA 之一。
[0060] S6,接收显示设备将角度值作为光标驱动函数的参数；
[0061] S7,光标驱动函数驱动光标动作，完成交互；循环步骤S1-S7。
[0062] 在本发明的一种优选实施方式中，在进行重力分量滤除滤波之前，先进行低通滤 波，滤除加速度计的原始数据中的高次干扰毛刺。
[0063] 需要注意的，低通滤波滤除原始数据中的高次干扰毛刺，采用现有现有技术，在此 不再赘述。
[0064] 在本发明的一种优选实施方式中，重力分量滤除滤波得到线性加速度的方法包括 以下步骤：
[0065] 步骤 1，计算 Gi = α XAH+(l-a) XAi
[0066] &是当前时亥lj加速度计的采样值，Ah是上一时亥lj加速度计的采集值，匕是当前时 刻得到的重力观测值，α是迭代控制参数，〇〈α〈1，i为时刻的序号，i为正整数；
[0067] 步骤 2,计算 Line-Ai = Ai-Gi
[0068] Line+Ai是线性加速度。
[0069] 需要注意的，未经低通滤波进行的重力分量滤除滤波中，Ai是当前时刻加速度计 未经低通滤波的采样值，Ah是上一时刻加速度计未经低通滤波的采集值；经过低通滤波进 行的重力分量滤除滤波中，A是当前时刻加速度计经低通滤波的采样值，Ag是上一时刻加 速度计经低通滤波的采集值。
[0070] 加速度数据处理算法的部分核心代码如下所示：
[0071] getLineAccData (float x ,float y,float z,float f) { float a = f; //设置权值
【权利要求】
1. 一种空中鼠标系统，其特征在于，包括手持设备及接收显示设备，所述手持设备包括 惯性传感器、第一处理器及发送模块，所述第一处理器分别与所述惯性传感器及所述发送 模块相连； 所述惯性传感器包括加速度计及陀螺仪，所述加速度计用于检测所述手持设备的加速 度值，所述陀螺仪用于检测所述手持设备的角速度值； 所述第一处理器包括重力分量滤除滤波模块、比较器模块、加权移动平滑滤波模块及 动态积分模块； 所述加速度计的输出端与所述重力分量滤除滤波模块的输入端相连，所述重力分量滤 除滤波模块的输出端与比较器模块的输入端相连，所述陀螺仪的输出端与所述加权移动平 滑滤波模块的输入端相连，所述加权移动平滑滤波模块的控制端与所述比较器的输出端相 连，所述加权移动平滑滤波模块的输出端与所述动态积分模块的输入端相连，所述动态积 分模块的输出端与所述发送模块相连； 所述重力分量滤除滤波模块用于滤除加速度值中的重力分量，得到线性加速度；所述 比较器模块用于比较所述线性加速度与阀值的大小来控制所述加权移动平滑滤波模块是 否进行加权移动平滑滤波，当线性加速度大于阀值时，所述加权移动平滑滤波模块将输入 的角速度值进行加权移动平滑滤波，得到平滑角速度，所述动态积分模块用于将所述平滑 角速度进行动态积分，得到角度值；所述发送模块用于发送所述角度值； 所述接收显示设备包括接收模块、显示模块及第二处理器模块，所述第二处理器模块 分别与所述接收模块及所述显示模块相连；所述接收模块用于接收所述手持设备发送模块 发送的角度值；所述第二处理器模块包括光标驱动模块，所述光标驱动模块驱动所述显示 模块显示交互命令。
2. 根据权利要求1所述的空中鼠标系统，其特征在于，还包括低通滤波模块，所述低通 滤波模块的输入端及输出端串连在所述加速度计的输出端及所述重力分量滤除滤波模块 的输入端之间；所述低通滤波模块用于滤除所述加速度值中的高次干扰毛刺。
3. 根据权利要求1所述的空中鼠标系统，其特征在于，所述手持设备为智能手机或平 板电脑。
4. 根据权利要求1所述的空中鼠标系统，其特征在于，所述接收显示设备为家庭影院、 多媒体教育或媒体会议之一的显示装置。
5. -种权利要求1所述的空中鼠标系统的操控方法，其特征在于，包括以下步骤： S1，实时获取所述手持设备内置的所述陀螺仪及所述加速度计的原始数据并记录； 52, 将获取的所述加速度计的原始数据进行重力分量滤除滤波，得到线性加速度；当线 性加速度大于阀值时，执行下一步；否则返回步骤S1 ; 53, 将获取的所述陀螺仪的原始数据进行加权移动平滑滤波，得到平滑角速度； 54, 将所述平滑角速度进行动态积分，得到所述手持设备的转动的角度值； 55, 将所述角度值通过无线网络发送到所述接收显示设备； 56, 所述接收显示设备将角度值作为光标驱动函数的参数； 57, 所述光标驱动函数驱动光标动作，完成交互；返回步骤S1。
6. 根据权利要求5所述的空中鼠标系统的操控方法，其特征在于，在进行重力分量滤 除滤波之前，先进行低通滤波，滤除所述加速度计的原始数据中的高次干扰毛刺。
7. 根据权利要求5所述的空中鼠标系统的操控方法，其特征在于，所述重力分量滤除 滤波得到线性加速度的方法包括以下步骤： 步骤 1，计算 Gi= αΧΑΗ+(1_α)ΧΑ? 所述化是当前时刻加速度计的采样值，所述Ag是上一时刻加速度计的采集值，所述匕 是当前时刻得到的重力观测值，所述α是迭代控制参数，所述0〈α〈1，所述i为时刻的序 号，i为正整数； 步骤 2,计算 Line_Ai = Ai-Gi， 所述Line+Ai是线性加速度。
8. 根据权利要求5所述的空中鼠标系统的操控方法，其特征在于，所述加权移动平滑 滤波得到平滑角速度的方法包括以下步骤： 步骤1，获取所述手持设备内置的所述陀螺仪的原始数据； 步骤2,传感器监测函数依次读取所述陀螺仪的原始数据y (k)并将其从队尾插入，所 述k为正整数； 步骤3,判断队列是否已满，若未满，则Y(k) =y(k)，返回执行步骤2 ;若已满，则执行 下一步；所述Y(k)为经过加权移动平滑滤波输出的平滑角速度，所述y(k)为输入加权移动 平滑滤波输出的角速度值； 步骤 4,计算 Y(k) = QXy (k)+C2Xy (k-l)+. · · +CNXy (k-Ν+Ι)， 所述N为队列窗口宽度，所述N为正整数，所述Q为队列相应位置的权重系数，所述 (KC'l，i = 1、2、3、......、N ; 步骤5,更新队列，队尾插入，队头移除； 步骤6,线性加速度小于门限时结束运算，否则返回执行步骤4。
9. 根据权利要求5所述的空中鼠标系统的操控方法，其特征在于，所述计算角度值的 方法包括以下步骤： 步骤1，首先采集有限个零速度状态陀螺仪的角速度值，求其平均值得到cal， 步骤 2，计算 = Y (k) -cal, 其中，所述Y(k)是平滑角速度，所述cal是采集的有限个零速度状态的陀螺仪输出的 角速度值的均值； 步骤 3,计算 0t= θΗ+WeXdT， 其中，所述0t是手持设备转过的角度值，所述θ Η是上一次积分的角度值，所述dT是 陀螺仪采样时隙。
10. 根据权利要求5所述的空中鼠标系统的操控方法，其特征在于，所述步骤S2为：将 获取的所述加速度计的原始数据进行重力分量滤除滤波，得到线性加速度；再将所述线性 加速度乘以加速度计采样时隙得到线性加速度值，当线性加速度值大于阀值时，执行下一 步；否则返回步骤S1。
【文档编号】G06F3/0346GK104267834SQ201410502213
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】韩鹏, 段建雷, 侯锋, 王燕霞 申请人:重庆市科学技术研究院