无线智能位置追踪操控笔的制作方法

本实用新型涉及3D立体技术领域，特别涉及一种利用蓝牙通信技术的无线智能位置追踪操控笔。

背景技术：

在操控计算机、与计算机进行交互技术方面，除了传统的有线、无线鼠标外，目前最流行、应用最广泛的技术是空中鼠标，首先在计算机上安装驱动软件，在空中鼠标上设置动作分析引擎实现姿态的动作识别，识别动作的方向、力度以及智能动作识别等功能，在空中鼠标设置智能触摸模块来实现光标的触摸开启和关闭、自由控制鼠标移动等功能，空中鼠标广泛应用在课堂教学、会议、商业演讲、家庭影院、酒店以及娱乐等方面，但是空中鼠标实际上实现的是远程鼠标的功能，输出的是2D数据，操控的也是计算机二维功能界面，并不能直接操控3D内容。

Z空间公司开发的操控笔，内置运动传感器和红外发射器，通过HDMI电缆与交互设备配合使用，HDMI电缆将操控笔的空间数据传输到交互设备进行处理，交互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，对交互设备上的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、运动数据传输交互设备进行处理，加重了交互设备处理器负担，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内容播放卡顿甚至交互设备死机的现象。

2、运动传感器采用六轴运动传感器，导致交互设备追踪操控笔空间运动精度降低，进而导致交互设备上的光标出现“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。

3、操控笔与交互设备通过HDMI电缆连接，导致用户操作不方便，降低了用户体验。

技术实现要素：

针对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交互 设备死机、光标出现“漂移”现象以及操控笔与交互设备通过HDMI电缆连接，导致用户体验差的问题，提出一种无线智能位置追踪操控笔，通过在智能控制电路板上设置蓝牙处理芯片以及蓝牙天线与交互设备进行数据传输，极大地提高了用户体验，运动传感器为九轴传感器单元，提高了追踪操控笔空间运动位置精度，操控笔中的处理单元大大降低了交互设备的处理器负担。

一方面，提供一种无线智能位置追踪操控笔，包括笔状壳体及智能控制电路板，所述智能控制电路板设于所述笔状壳体容腔内，所述智能控制电路板包括至少一个运动传感器、处理单元、无线信号处理单元、空间坐标信号单元及反馈提示单元，

所述运动传感器、无线信号处理单元、空间坐标信号单元及反馈提示单元分别与所述处理单元电连接。

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处理单元为MCU。

结合第一方面，第四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。

结合第一方面的第四种可能的实现方式，第五种可能的实现方式中所述红外发射单元包括至少一个红外发射管，所述红外发射管设置于笔状壳体的顶端。

结合第一方面，第六种可能的实现方式中所述智能控制电路板还包括电源单元以及低电检测单元，所述电源单元与所述处理单元电连接；所述低电检测单元分别与所述电源单元以及处理单元电连接。

结合第一方面，第七种可能的实现方式中所述反馈提示单元为振动马达单元。

结合第一方面，第八种可能的实现方式中所述无线信号处理单元为蓝牙通信技术单元，包括蓝牙处理芯片及蓝牙天线，所述蓝牙天线与所述蓝牙处理芯片电连接。

结合第一方面，第九种可能的实现方式中所述智能控制电路板还包括指示灯单元以及按键单元，所述指示灯单元以及按键单元分别与所述处理单元电连 接，所述按键单元包括至少三个按键。

实施本实用新型提供的一种无线智能位置追踪操控笔，通过设置处理单元解决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交互设备死机的问题，通过设置无线信号处理单元使操控笔与交互设备进行无线连接，提高了用户体验，通过设置九轴运动传感器，提高了对操控笔姿态的检测精度，避免了操控笔光标出现的“漂移”现象，本实用新型结合九轴运动传感器和红外追踪技术，使交互设备追踪操控笔空间运动状态精度大大提高，采用蓝牙处理芯片与交互设备进行无线数据传输，提高了用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型中一种无线智能位置追踪操控笔前视图实施例的结构示意图；

图2是本实用新型中一种无线智能位置追踪操控笔后视图实施例的示意图；

图3是本实用新型中一种无线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是本实用新型中一种无线智能位置追踪操控笔按键单元实施例示意图；

图5是本实用新型中一种无线智能位置追踪操控笔红外发射单元实施例示意图；

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——无线信号处理单元、22a——蓝牙处理芯片、22b——蓝牙天线、23——九轴运动传感器、24——电源单元、24a——USB接口、25——低电检测单元、26——空间坐标信号单元、26a——第一红外发射管、26b——第二红外发射管、27——反馈提示单元、28——按键单元、28a——第一按键、28b——第二按键、28c——第三按键、29——指示灯单元。

具体实施方式

下面将结合实用新型中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参考图3，图3是本实用新型中一种无线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，本实用新型提供了一种无线智能位置追踪操控笔，用于与交互设备(图中未标注)配合使用，在使用时，交互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，确定操控笔光标在交互设备上的位置，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。

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交互设备死机、光标出现“漂移”现象以及操控笔与交互设备通过HDMI电缆连接，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包括处理单元21、无线信号处理单元22、至少一个运动传感器23、空间坐标信号单元26及反馈提示单元27。实施本实用新型提出的操控笔，使配合使用的交互设备能够更精确地追踪操控笔的空间姿态，操控笔的光标出现“漂移”现象，大大降低交互设备的处理器负担。

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。

下面将结合附图，详细解释本技术方案。

请参考图1，图1是本实用新型中一种无线智能位置追踪操控笔前视图实施例的结构示意图，一种无线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姿态原始数据传输到交 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运动传感器的姿态原始数据进行处理前，先判断读取的姿态原始数据是否有效，若有效，则进一步对姿态原始数据进行均值滤波。处理单元21读取到九轴传感器23的姿态原始数据后，首先判断该姿态原始数据是否有效，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，则姿态原始数据无效，则需重新请求获取姿态原始数据，若没有数据溢出，对读取的姿态原始数据进行均值滤波，运动传感器在检测原始数据时易受到反馈提示单元27中的振动马达、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姿态原始数据进行均值滤波，处理单元21对姿态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也可以采用但不限于DSP、FPGA等有处理能力的处理芯片。

进一步地，请参考图2，图2是本实用新型中一种无线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。

进一步地，智能控制电路板20还包括九轴运动传感器23，进一步地，九轴运动传感器23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23由加速度传感器单元(附图未标出)、陀螺仪单元(附图未标出)以及磁场传感器单元(附图未标出)构成，九轴运动传感器23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23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(附图未标出)。消费级九轴传感器中的加速度传感器单元(附图未标出)和陀螺仪单元(附图未标出)干扰噪声很大，以平面陀螺为例用ADI的陀螺仪单元(附图未标出)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(附图未标出)和加速度传感器单元(附图未标出)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(附图未标出)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(附图未标出)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23中的陀螺仪单元(附图未标出)、加速度传感器单元(附图未标出)以及地磁传感器单元(附图未标出)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23的姿态原始数据，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，为了实现操控笔与交互设备无线连接，智能控制电路板20还包括无线信号处理单元22，优选地，无线信号处理单元22为蓝牙处理芯片22a和蓝牙天线22b的组合，蓝牙处理芯片22a与处理单元21电连接，蓝牙天线22a与蓝牙处理芯片22a电连接，操控笔通过无线蓝牙通信技术与交互设备进行数据传输，极大地方便了用户操作使用，提高了用户体验。

需要说明的是，无线信号处理单元22也可以采用WiFi、ZigBee或2.4G等无线通信技术与交互设备进行数据传输，只要是实现操控笔与交互设备进行无线通信的技术都属于本实用新型的保护范围。

进一步地，为了实现对操控笔的空间坐标定位追踪，智能控制电路板20还包括空间坐标信号单元26，在本技术方案的实施例中，空间坐标信号单元26优选为红外发射单元。

具体地，空间坐标信号单元26与处理单元21电连接，处理单元21控制空间坐标信号单元26发射红外信号，交互设备捕捉操控笔发射的红外信号，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27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。

具体地，在本技术方案的实施例中，红外发射单元的成本低、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26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。

请参考图5，图5是本实用新型中一种无线智能位置追踪操控笔红外发射单元实施例示意图；上述红外发射单元包括至少一个红外发射管，本实施例红外发射管的数量优选为两个：第一红外发射管26a及第二红外发射管26b，第一、二红外发射管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管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，红外发射管的数量可以为多个，具体的数量应根据实际需要来确定。

进一步地，智能控制电路板20还包括电源单元24、低电检测单元25、反馈提示单元27、按键单元28及指示灯单元29。

具体地，电源单元24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。电源单元24连接有USB接口24a，笔状壳体10上设有与USB接口24a配合使用的缺口，USB接口用于连接电源对操控笔进行充电。

需要说明的是USB接口24a可以为多个，笔状壳体10上的缺口数量和位置与USB接口24a数量和位置相对应。通过USB接口24a提高了操控笔的利用率、减少了因更换纽扣电池带来的成本投入。

具体地，低电检测单元25分别与处理单元21和电源单元24连接，用于提醒用户及时进行充电。

具体地，反馈提示单元27优选为振动马达，反馈提示单元27与处理单元21电连接，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27也可以采用但不限于声音提示、LED提示等提示操作人员的手段。

具体地，请参考图4，图4是本实用新型中一种无线智能位置追踪操控笔按键单元28实施例示意图；按键单元28包括第一按键28a、第二按键28b及第三按键28c，第一按键28a用于对3D显示内容高一级目录进行操作，例如点击进入3D内容，或者，播放3D显示内容；第二按键28b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28c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。

具体地，指示灯单元29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。

实施本实用新型提供的一种无线智能位置追踪操控笔，通过设置处理单元21解决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交互设备死机的问题，通过设置无线信号处理单元22使操控笔与交互设备进行无线连接，提高了用户体验，通过设置九轴运动传感器23，提高了对操控笔姿态的检测精度，避免了操控笔光标出现的“漂移”现象，本实用新型结合九轴运动传感器23和红外追踪技术，使交互设备追踪操控笔空间运动状态精度大大提高，采用蓝牙处理芯片与交互设备进行无线数据传输，提高了用户体验。

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