智能位置追踪操控笔及姿态原始数据处理方法与流程

本发明涉及3d立体技术领域，特别涉及一种智能位置追踪操控笔及姿态原始数据的处理方法。

背景技术：

现有的交互操控笔，内置运动传感器和红外发射器，通过hdmi电缆与3d显示设备配合使用，hdmi电缆将操控笔的空间数据传输到3d显示设备进行处理，3d显示设备通过红外追踪模块追踪操控笔的红外发射器确定操控笔的大致位置，叠加hdmi电缆传输过来的空间数据确定光标的精确位置，对3d显示设备上的3d内容进行操作，然而这种操控笔主要存在以下几个方面的问题：

1、通过hdmi电缆将操控笔运动传感器检测的空间、运动数据传输3d显示设备进行处理，加重了3d显示设备处理单元负担，响应时间延长，尤其是在操控笔动作频繁时，严重情况下会出现3d内容播放卡顿甚至3d显示设备死机的现象。

2、运动传感器采用六轴运动传感器，导致3d显示设备追踪操控笔空间运动精度降低，进而导致3d显示设备上的光标出现“漂移”现象，使用户在操作时会导致光标不能有效操作3d内容。

技术实现要素：

针对现有的操控笔在与3d显示设备配合使用时，3d显示设备播放卡顿甚至3d显示设备死机、光标出现“漂移”现象导致用户体验差的问题，提出一种智能位置追踪操控笔及姿态原始数据的处理方法，操控笔的智能控制电路板中设置处理单元，对九轴传感器检测到的三个自由度的加速度参数、角速度参数以及方向参数进行融合处理，获取操控笔的欧拉角参数和四元数，传输到特定的交互设备来对智能位置追踪操控笔空间传感器定位，大大降低了交互设备的处理负担，九轴传感器单元中的地磁传感器检测的方向传感器数据对现有的智能位置追踪操控笔的空间传感器数据进行有效的修正，提高了对智能位置追踪操控笔空间运动位置追踪精度，本发明中采用hid协议的usb数据线与交互设备连接，通用性强。

一方面，提供一种智能位置追踪操控笔，包括笔状壳体以及智能控制电路板，所述智能控制电路板设于所述笔状壳体内，包括：

处理单元，用于对运动传感器传输过来的传感器原始数据进行融合处理，通过通信单元将融合处理后的传感器数据以及按键指令传输到特定的交互设备，接收所述交互设备的反馈指令，控制反馈提示单元发出提示信息；

运动传感器，与所述处理单元电连接，用于检测智能位置追踪操控笔的空间传感器，并将空间传感器原始数据传输到处理单元处理；

按键单元，与所述处理单元电连接，用于输出功能按键指令到特定的交互设备，对所述交互设备上的内容进行操作；

通信单元，与所述处理单元电连接，用于与所述交互设备进行通信；

反馈提示单元，与所述处理单元电连接，用于对用户通过智能位置追踪操控笔对所述交互设备上显示内容的操作行为进行反馈；

空间坐标信号单元，与所述处理单元电连接，用于发射坐标信号到所述交互设备。

结合第一方面，第一种可能的实现方式中所述运动传感器为九轴运动传感器。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，第二种可能的实现方式中所述九轴运动传感器包括加速度传感器单元、陀螺仪单元以及地磁传感器单元。

结合第一方面，第三种可能的实现方式中所述通信单元通过采用usb数据线进行通信。

结合第一方面，第四种可能的实现方式中所述智能控制电路板还包括电管理源单元以及指示灯单元，所述电源管理单元和指示灯单元分别与所述处理单元电连接，所述电源管理单元用于使所述智能控制电路板电压稳定在工作范围内，所述指示灯单元用于指示智能位置追踪笔与交互设备之间的数据传输情况。

结合第一方面，第五种可能的实现方式中所述处理单元利用数据融合算法对运动传感器的传感器原始数据进行处理前，先判断读取的传感器原始数据是否有效，若有效，则进一步对传感器原始数据进行均值滤波。

结合第一方面，第六种可能的实现方式中所述处理单元通过对运动传感器传输过来的传感器原始数据进行融合处理后获取操控笔空间姿态的欧拉角参数及四元数。

结合第一方面，第七种可能的实现方式中所述空间坐标信号单元为红外发射单元，所述红外发射单元至少包括一个红外发射器件，所述红外发射器件设于所述智能位置追踪操控笔的顶端位置。

第二方面，提供一种操控笔姿态原始数据的处理方法，利用第一方面所述的智能位置追踪操控笔，所述处理方法包括：

a、通过九轴运动传感器获取所述操控笔空间姿态原始数据，传输到所述处理单元进行处理；

b、所述处理单元读取所述原始数据，判断所述原始数据是否有效，若否，则执行步骤a，若是，则执行步骤c；

c、所述处理单元对所述原始数据进行均值滤波，并通过数据融合算法获取所述操控笔的欧拉角参数和四元数；

d、通过通信单元将所述操控笔的欧拉角参数和四元数传输到特定的交互设备，确定操控笔的空间姿态；

其中，所述九轴运动传感器包括加速度传感器单元、陀螺仪单元以及地磁传感器单元。

结合第二方面，第一种可能的实现方式中所述通信单元通过usb数据线进行通信。

实施本发明提出的一种智能位置追踪操控笔和空间姿态原始数据的处理方法，操控笔的智能控制电路板中设置处理单元，对九轴传感器中的加速度传感器单元、陀螺仪单元以及地磁传感器单元分别检测到的三个自由度的加速度参数、角速度参数以及方向参数进行融合处理，获取操控笔的欧拉角参数和四元数，传输到特定的交互设备来对智能位置追踪操控笔空间传感器定位，大大降低了交互设备的处理负担，九轴运动传感器中的地磁传感器检测的方向传感器数据对现有的智能位置追踪操控笔的空间传感器数据进行有效的修正，提高了对智能位置追踪操控笔空间运动位置追踪精度，本发明中采用hid协议的usb数据线与交互设备连接，数据线接口通用性强。实施本发明克服了现有的操控笔在与交互设备配合使用时，交互设备播放卡顿甚至出现死机现象、光标出现“漂移”现象导致用户体验差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中一种智能位置追踪操控笔前视图实施例的结构示意图；

图2是本发明中一种智能位置追踪操控笔后视图实施例的示意图；

图3是本发明中一种智能位置追踪操控笔中的电路组成逻辑连接实施例的示意图；

图4是本发明中一种智能位置追踪操控笔空间坐标信号单元的红外发射器件实施例示意图；

图5是本发明中一种智能位置追踪操控笔按键单元中的功能按键组成实施例示意图；

图6是本发明中一种智能位置追踪操控笔九轴运动传感器组成实施例示意图；

图7是本发明中一种操控笔姿态原始数据的处理方法实施例示意图；

附图中各数字所指代的部位名称为：10——笔状壳体、20——智能控制电路板、21——处理单元、22——九轴运动传感器、22a——加速度传感器单元、22b——陀螺仪单元、22c——地磁传感器单元、23——电源单元、24——空间坐标信号单元、24a——第一红外发射器件、24b——第二红外发射器件、25——反馈提示单元、26——按键单元、26a——第一按键、26b——第二按键、26c——第三按键、27——指示灯单元、28——通信单元、28a——usb接口。

具体实施方式

下面将结合发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图3，图3是本发明中一种智能位置追踪操控笔(下面称操控笔)中的电路组成逻辑连接实施例的示意图，本发明提供了一种智能位置追踪操控笔，用于与交互设备例如3d显示设备配合使用，在使用时，3d显示设备利用红外追踪装置及操控笔传输过来的位置欧拉角参数及四元数，确定操控笔光标在3d显示设备上的位置，相当于将操控笔“映射”到3d显示设备，用户移动光标到要操作的3d内容图标上，然后再通过操控笔上的按键对3d内容进行播放，移动以及关闭等操作。

需要说明的是，本实施例所述的交互设备(图中未标出)指的是能与操控笔进行信息交互以及具有特定显示功能的3d显示设备或2d显示设备，3d显示设备或2d显示设备具有自身的处理单元系统和显示系统，能够根据欧拉角参数和四元数对操控笔进行定位，同时具有但不限于播放3d内容的功能。

一、本技术方案中的系统

本技术方案目的在于克服现有操控笔存在的操控笔与交互设备配合使用时，交互设备播放卡顿甚至死机以及光标出现“漂移”现象导致用户体验差的问题，智能控制电路板20包括笔状壳体10及其设在笔状壳体10容腔中的智能控制电路板20，智能控制电路板20包括运动传感器、处理单元21、电源管理单元23、空间坐标信号单元24、通信单元28、反馈提示单元25、按键单元26及指示灯单元27，智能控制电路板20采用九轴运动传感器22，能够更精确地追踪操控笔的空间姿态，避免显示在交互设备上的操控笔光标出现“漂移”现象，处理单元21能够对操控笔传输过来的操控笔空间传感器原始数据进行融合处理后，获取欧拉角参数和四元数并传输给交互设备，交互设备只需要将操控笔的姿态数据和空间坐标参数进行叠加，不用进行融合处理，大大降低了交互设备的处理单元负担，用户也可以通过usb接口28a单元与交互设备进行有线连接，大大方便了用户。

下面将结合附图，详细解释本技术方案。

二、系统实施例

请参考图1，图1是本发明中一种智能位置追踪操控笔前视图实施例的结构示意图，一种智能位置追踪操控笔，包括笔状壳体10及智能控制电路板20，智能控制电路板20设于笔状壳体10容腔内。智能控制电路板20包括处理单元21，处理单元21利用数据融合和卡尔曼滤波算法对九轴运动传感器22检测到操控笔位置参数进行处理，得到操控笔的欧拉角参数和四元数，发送到交互设备，克服了现有的操控笔直接将检测到的空间传感器原始数据传输到交互设备进行处理，导致交互设备出现因处理单元负担过重而死机的问题。

处理单元21利用数据融合算法对九轴运动传感器22原始数据进行处理前，先判断读取的原始数据是否有效，若有效，则进一步对该原始数据进行均值滤波。处理单元21读取原始数据后，首先判断该原始数据是否有效，在对各个数据进行数据采样时易出现溢出现象，若出现溢出现象，则原始数据无效，则需重新请求获取原始数据，若没有数据溢出，对读取的原始数据进行数字均值滤波，运动传感器在检测原始数据时易受到反馈提示单元25中的马达、电源以及操作人员本身操作行为等干扰、噪声的影响，因此需要对对读取的传感器原始数据进行均值滤波，处理单元21对该原始数据进行均值滤波，并通过数据融合算法获取操控笔的欧拉角参数和四元数。

本技术方案中的处理单元21优选为mcu，mcu的处理能力强、体积小、造价低廉，非常适用于本实施例中的操控笔，在体积要求放宽的情况下，处理单元21也可以采用dsp、fpga等有数据处理能力的处理芯片。

请参考图6，图6是本发明中一种智能位置追踪操控笔九轴运动传感器22组成实施例示意图。

进一步地，运动传感器与处理单元21电连接，作为一种优选实施方式，该运动传感器为九轴运动传感器22，交互设备追踪红外发射器件发出的红外信号只能确定操控笔的空间坐标位置，并不能追踪操控笔相对于交互设备屏幕的完整运动姿态。九轴运动传感器22是三种传感器的组合：三轴加速度传感器单元22a、三轴陀螺仪单元22b和三轴地磁传感器单元22c，三个部分相互配合、作用。利用加速传感器单元和陀螺仪单元22b，基本可以描述设备的完整运动状态。但是随着长时间运动，也会产生累计偏差，不能准确描述运动姿态，比如操控画面发生倾斜。地磁传感器单元22c利用测量地球磁场，通过绝对指向功能进行修正补偿，可以有效解决累计偏差，从而修正操控笔的运动方向、姿态角度、运动力度和速度等。通过采用九轴运动传感器22提高对操控笔动态姿态位置追踪的精度，避免了操控笔在交互设备上光标的“漂移”问题的出现。

进一步地，九轴运动传感器22检测到的姿态原始数据包括三个自由度的加速度、角速度以及方向，九轴运动传感器22由加速度传感器单元22a、陀螺仪单元22b以及磁场传感器单元22c构成，九轴运动传感器22输出的绝对方向来自于地球的重力场和地球的磁场，九轴运动传感器22的静态终精度取决于对磁场的测量精度和对重力的测量精度，而动态性能取决于陀螺仪单元22b。消费级九轴运动传感器22中的加速度传感器单元22a和陀螺仪单元22b干扰噪声很大，以平面陀螺为例用adi的陀螺仪单元22b进行积分一分钟会漂移2度左右，这种前提下如果没有磁场和重力场来校正三轴陀螺的话，那么基本上3分钟以后物体的实际姿态和测量输出姿态就完全变样了，所以，低价陀螺仪单元22b和加速度传感器单元22a的架构下必须运用场向量来进行修正。本实施例中的九轴运动传感器22利用三维的陀螺仪单元22b来快速跟踪智能位置追踪操控笔的三维姿态，它以陀螺仪单元22b单元为核心，同时也测量加速度和地磁场的方向为系统提供可靠的参考。具体测量载体三个方向的的绝对角速率、加速度以及磁场强度，并采用特定姿态融合算方法和卡尔曼滤波信息融合得到操控笔的四元数、姿态数据等。需要实时的集成算法为系统提供准确，可靠，及时以及稳定的姿态输出。从九轴运动传感器22中的陀螺仪单元22b、加速度传感器单元22a以及地磁传感器单元22c全部被传输到处理单元21中。处理单元21依据特定的数据融合算法以及存储在flash存储器中的标定数据处理来自九轴运动传感器22原始数据，作为其基本算法，处理单元21采用自适应卡尔曼滤波算法，自动调整并适应不断变化的动态条件，无需外部人为的干预。

进一步地，请参考图2，图2是本发明中一种智能位置追踪操控笔后视图实施例的示意图。笔状壳体10的外形及尺寸以用户能够刚好握住为宜，智能控制电路板20形状应适应笔状壳体10的容腔，智能控制电路板20包括通信单元28，通信单元28的传输线部分为采用hid传输协议的usb数据线，通信单元28采用usb数据线传输时，usb数据线与处理单元21电连接，笔状壳体10上设有与usb接口28a配合使用的缺口，相比于传统的hdmi数据线，usb数据线通用性更强。

进一步地，智能控制电路板20还包括电源管理单元23、空间坐标信号单元24反馈提示单元25、按键单元26及指示灯单元27，电源管理单元23与处理单元21电连接，用于向智能控制电路板20供电，使智能控制电路板20电压稳定在工作范围内，例如智能控制电路板20的工作电压为3.3v，电源管理单元23对输入电源进行转换，并将电压稳定在3.3v，保证智能控制电路板20正常工作。

具体地，空间坐标信号单元24与处理单元21电连接，处理单元21控制空间坐标信号单元24发射红外信号，交互设备捕捉操控笔红外发射器件发射的红外信号，确定操控笔在交互设备中的x、y、z三维坐标位置，相当于将操控笔映射到交互设备上，通过捕捉红外信号还可以确定操控笔到交互设备屏幕的距离以及操控笔的倾斜程度，并通过与操控笔处理单元21传输过来的欧拉角参数进行叠加，精确确定操控笔的动态姿态位置，进而产生移动的光标，反馈提示单元25与处理单元21电连接，当操控笔在交互设备上的移动光标移动到3d内容的可操作位置时，交互设备传输反馈信号到操控笔的处理单元21中，处理单元21控制反馈提示单元25发出提示信息，告知用户可以作进一步操作。

作为一种优选实施方式，反馈提示单元25优选为振动马达，处理单元21控制振动马达振动，操作人员根据振动信号，对交互设备中的3d显示内容做进一步操作，反馈提示单元25也可以采用声音提示、led提示等提示操作人员的技术手段。

进一步地，指示灯单元27用于指示智能位置追踪笔与交互设备之间的数据传输情况，当智能位置追踪笔与交互设备通信正常时，指示灯单元27中的指示灯显示第一颜色优选为绿色，当智能位置追踪笔与交互设备通信异常时，显示为第二颜色优选为红色，提醒用户进行处理。

进一步地，请参考图4，图4是本发明中一种智能位置追踪操控笔空间坐标信号单元24实施例示意图；在本技术方案的实施例中，空间坐标信号单元24优选为红外发射单元，红外通信技术成本低、跨平台、点对点高速数据连接，尤其是在嵌入式系统方面具有一定的优势。在成本因素及体积条件限制放宽的情况下，空间坐标信号单元24也可以采用但不限于超声波、激光定位、图像识别以及雷达等技术来实现本技术方案。

上述红外发射单元包括至少一个红外发射器件，作为一种优选实施方式，本技术方案中的红外发射器件数量优选为两个：第一红外发射器件24a及第二红外发射器件24b，第一、二红外发射器件(24a，24b)分别设置在智能控制电路板20的两顶端位置，这样即使其中有一个红外发射器件被遮挡也能保证操控笔能够被交互设备有效追踪到，需要说明的是，红外发射器件的数量可以为多个，这里不做限制，具体的红外发射器件数量应根据实际需要来确定。

具体地，请参考图5，图5是本发明中一种智能位置追踪操控笔按键单元26实施例示意图，按键单元26包括第一按键26a、第二按键26b及第三按键26c，第一按键26a用于对3d显示内容高一级目录进行操作，在进入3d显示内容前，操控笔相当于普通鼠标的功能，在交互设备的显示屏幕上移动，选中3d资源，例如点击进入3d内容，或者，播放3d内容；第二按键26b用于3d显示内容位于高一级目录时点击弹出菜单快捷键，快速对3d显示内容进行操作；第三按键26c用于进入次级目录时，对其中的3d内容进行操作：抓取、拖动下一级目录，各个方向的移动，3d资源可以是3d视频，也可以是3d教学交互式课件，这里不做限制，学生通过操控笔操作该课件中的内容，达到学习的目的。

三、方法实施例

请参考图7，图7是本发明中一种空间交互传感器原始数据的处理方法实施例示意图。

一种姿态原始数据的处理方法，采用系统实施例提供的智能位置追踪操控笔，上述智能位置追踪操控笔包括处理单元21、运动传感器22以及通信单元28，处理方法包括：

a、运动传感器获取操控笔姿态原始数据，传输到处理单元21进行处理，其中，九轴运动传感器22包括加速度传感器单元22a、陀螺仪单元22b及地磁传感器单元22c。运动传感器为九轴运动传感器22，交互设备追踪红外发射器件发出的红外信号只能确定操控笔的空间坐标位置，并不能追踪操控笔相对于交互设备屏幕的完整运动姿态。九轴运动传感器22是三种传感器的组合：三轴加速度传感器单元22a、三轴陀螺仪单元22b和三轴地磁传感器单元22c，三个部分相互配合、作用。利用加速传感器和陀螺仪单元22b，基本可以描述设备的完整运动状态。但是随着长时间运动，也会产生累计偏差，不能准确描述运动姿态，比如操控画面发生倾斜。电子罗盘(地磁传感器单元22c)利用测量地球磁场，通过绝对指向功能进行修正补偿，可以有效解决累计偏差，从而修正操控笔的运动方向、姿态角度、运动力度和速度等。

b、处理单元21读取所述原始数据，判断所述原始数据是否有效，若否，则执行步骤a，若是，则执行步骤c；

在九轴运动传感器22各个数据进行数据采样时易出现溢出现象，若出现溢出现象，九轴运动传感器22原始数据无效，则需重新请求获取该数据，若没有数据溢出，对读取的原始数据进行均值滤波。

c、处理单元21对所述原始数据进行均值滤波，并通过数据融合算法获取操控笔的欧拉角参数和四元数；

消费级九轴运动传感器22中的加速度传感器单元22a和陀螺仪单元22b干扰噪声很大，以平面陀螺为例用adi的陀螺仪单元22b进行积分一分钟会漂移2度左右，这种前提下如果没有磁场和重力场来校正三轴陀螺的话，那么基本上3分钟以后操控笔的实际姿态和测量输出姿态就完全变样了，所以，低价陀螺仪单元22b和加速度传感器单元22a的架构下必须运用场向量来进行修正。本实施例中的九轴传感器利用三维的陀螺仪单元22b来快速跟踪智能位置追踪操控笔的三维的姿态，它以陀螺仪单元22b为核心，同时也测量加速度和地磁场的方向为系统提供可靠的参考。具体测量载体三个方向的的绝对角速率、加速度以及磁场强度，并采用特定传感器原始数据融合方法和卡尔曼滤波信息融合得到载体的四元数、姿态数据等。需要实时的集成算法为系统提供准确，可靠，及时以及稳定的姿态输出。从九轴运动传感器22中的陀螺仪单元22b、加速度传感器单元22a以及地磁传感器单元22c全部被传输到处理单元21中。处理单元21依据特定的算法以及存储在flash存储器中的标定数据处理来自九轴运动传感器原始数据，作为其基本算法，处理单元21采用自适应卡尔曼滤波算法，自动调整并适应不断变化的动态条件，无需外部人为的干预，九轴运动传感器22在检测数据时易受到反馈马达、电源以及操作人员本身操作行为等干扰、噪声的影响，因此需要对对读取的传感器数据进行均值滤波，处理单元21对传感器原始数据进行均值滤波，并通过数据融合算法获取操控笔的欧拉角参数和四元数。。

d、通过通信单元28将操控笔的欧拉角参数和四元数传输到特定的交互设备，确定操控笔的空间姿态。

交互设备接收从智能位置追踪操控笔传输过来的欧拉角参数和四元数，实时动态显示对应的操控笔光标，无需对原始数据做进一步融合处理。

通信单元28通过usb数据线或hid电缆与交互设备进行通信。

通信单元28的传输线部分为采用hid传输协议的usb数据线，通信单元28采用usb数据线传输时，usb数据线与处理单元21电连接，笔状壳体10上设有与usb接口28a配合使用的缺口，相比于传统的hdmi数据线，usb数据线通用性更强。

实施本发明提出的一种智能位置追踪操控笔和姿态原始数据的处理方法，操控笔的智能控制电路板中设置处理单元，对九轴运动传感器中的加速度传感器单元22a、陀螺仪单元22b以及地磁传感器单元22c分别检测到的三个自由度的加速度参数、角速度参数以及方向参数进行融合处理，获取操控笔的欧拉角参数和四元数，传输到特定的交互设备，交互设备只需要将操控笔的空间坐标和传感器原始数据进行叠加，无需做进一步融合处理，大大降低了交互设备的处理负担，九轴运动传感器22中的地磁传感器检测的方向传感器原始数据对现有的智能位置追踪操控笔的空间传感器数据进行有效的修正，提高了对智能位置追踪操控笔空间运动位置追踪精度，本发明中采用hid协议的usb数据线与交互设备连接，提高了数据传输的可靠性。实施本发明克服了现有的操控笔在与交互设备配合使用时，交互设备播放卡顿甚至出现死机现象、光标出现“漂移”现象导致用户体验差的问题。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。