专利名称：手持装置的向前指点方向的确定的制作方法
手持装置的向前指点方向的确定
相关申请
本申请涉及2010年6月3日提交的题为“Method of Computing aDynamic Forward Direction(计算动态向前方向的方法)”的第61/351，108号美国临时专利申请, 并要求其优先权，该申请的内容通过弓I用并入本文。
背景技术：
本发明描述了能够用于3D指点装置(pointing device)以及其他类型装置中的 向前指点方向(forward pointing direction)确定技术、系统、软件以及设备。
与信息通信有关的技术在过去的几十年里有了迅速的发展。电视、蜂窝电话、互联 网和光学通信技术(这里仅列出几样)结合起来将消费者淹没在可得到的信息和娱乐选择 中。以电视为例，最近30年来已经引入了有线电视服务、卫星电视服务、按次计费电影和视 频点播。然而，20世纪60年代的电视观众在他们的电视机上通常只能够接收到也许是四或 五个无线TV频道，今天的电视观众有机会在数以百计、数以千计和潜在的数以万计的节目 和信息频道中选择。目前主要在旅馆等中使用的视频点播技术提供了一种用于从数以千计 的电影节目单中进行家庭娱乐选择的潜能。
为终端用户提供那么多的信息和内容的技术能力给系统设计人员和服务供应商 提供了机会和挑战。一种挑战是尽管终端用户通常更愿意拥有更多选择而不愿意选择变 少，但这种喜好与他们希望的既快速又简单的选择处理相背。不幸的是，终端用户用来访问 媒体节目的系统和界面的发展使得选择处理既不快捷又不简单。再次以电视节目为例。在 电视处于其初期时，确定看哪一个节目是相对简单的事情，这是因为可选择的数目较少。人 们可以查阅印制的节目指南，该节目指南被格式化为例如一系列的行和列，这些行和列显 示出了在⑴邻近的电视频道、⑵被传输到这些频道的节目以及⑶日期和时间之间的 对应关系。通过调节调谐钮，电视被调谐到所需的频道，并且观众观看到所选择的节目。在 这之后，允许观众远距离调谐电视的遥控装置被引入。这种对用户-电视交互的增添产生 了被称为“频道冲浪”的现象，借此，观众能够迅速地观看在大量频道中广播的短片段，从而 可以快速得知在任意给定的时间什么节目是可看的。
尽管存在频道的数量和可观看的内容急剧增加的事实，但通常可得到的用于电视 的用户界面、控制设备选择和架构在过去的30年里没有改变太多。印制的节目指南仍然是 用于传递节目信息的最流行的机制。具有上下箭头的多按钮遥控器仍然是最流行的频道/ 内容选择装置。设计和实现TV用户界面的人们对可得到的媒体内容的增加的反应已经成 为现存的选择处理和界面对象的直接延伸。这样，印制的节目指南中的行数增加以容纳更 多的频道。遥控装置中的按钮的数目也增加以支持附加的功能和内容处理，例如，像图1所 示的那样。然而，这种方法大大增加了观众浏览可得到信息所需的时间和执行选择所需运 动的复杂度。有争议的是，现存界面的麻烦的本质阻碍了一些服务(例如视频点播)的商 业应用，这是由于消费者反对给在他们看来已经是太慢和太复杂的界面再增加复杂度的新 服务。
除了在带宽和内容方面增加之外，技术的集成还加剧了用户界面的瓶颈问题。消 费者正在积极地做出反应要选择购买集成系统而不是大量可分离组件。这种趋势的一个实 施方式是电视/VCR/DVD的组合，其中的三个组成部分以前是三个独立的组件，如今则作为 一个集成单元而被频繁购买。这种趋势会延续下去，潜在的最终结果是目前在家庭中可以 找到的大部分而非所有通信设备将会组合在一起作为集成单元，例如，电视/VCR/DVD/互 联网接入/收音机/立体声单元。即便是那些继续购买分离组件的人们也会期望上述单独 组件的无缝控制和这些分立组件之间的互相交互。随着这种集成度的增长，产生了使用户 界面更加复杂的潜在可能。例如，在所谓的“通用”遥控单元(例如TV遥控单元和VCR遥控 单元功能的组合)被提出时，这些通用遥控单元上的按钮的数目通常地多于单个TV遥控单 元或VCR遥控单元上的按钮数目。如果不能准确地找到该遥控装置中的正确按钮，这些增 加了数目的按钮和功能使人除了只能在控制TV或VCR的最简单的方面外很难控制其它任 何事情。许多时候，这些通用的遥控装置不能提供足够的按钮以访问某些TV所特有的许多 层面上的控制或特性。在这种情况下，仍然需要原始设备的遥控单元，并且由于集成的复杂 度导致的用户界面问题，所以处理多遥控的最初争论仍然存在。一些遥控单元通过增加可 用专家命令编制的“软”按钮解决了这个问题。这些软按钮有时具有附随的LCD显示装置 来指示它们的运动。这种方式也具有缺陷，即，如果不将视线从TV转移到遥控装置，它们就 难以使用。这些遥控单元的另一个缺陷是采用了多模式以试图减少按钮个数。在这些“模 式化”的通用遥控单元中，存在专门的按钮来选择该遥控装置是否与TV、DVD播放器、有线 机顶盒和VCR等通信。这产生了许多使用性的问题，包括发送命令到错误的装置、迫使用户 通过观看遥控装置来确信其是否处于正确的模式，并且它不能给多装置的集成提供任何的 简化。这些通用遥控单元的最大好处是它可通过允许用户将用于多个设备的命令序列编写 到遥控装置中来提供一定的集成度。这是一个较困难的任务，以至于许多用户雇佣职业的 安装人员来对他们的通用遥控单元进行程序编写。
人们还做出了一些尝试来使终端用户与媒体系统之间的屏幕界面现代化。然而， 上述尝试除了其它缺点以外，通常具有不能容易地在媒体节目的大集合与媒体节目的小集 合之间调整比例的问题。例如，依赖于节目列表的界面可以很好地为媒体节目的小集合工 作，但是对于浏览媒体节目的大集合却是冗长乏味的。与媒体节目的大集合所用的列表界 面相比，依赖于分等级的导航(例如树结构)的界面可具有更快的遍历速度，但是不适于媒 体节目的小集合。另外，用户趋向于对不得不在树结构中经过三层或更多层的选择处理失 去兴趣。对于所有的这些情况，目前的遥控单元通过迫使用户反复地按上按钮和下按钮来 遍历上述列表或分级结构以更冗长乏味地进行这些选择处理。在可以使用选择跳过控制 时(例如上翻页和下翻页)，用户经常不得不看该遥控装置以找到这些特殊的按钮，或不得 不经过训练以知道它们恰好存在。因此，在题为“A Control Framework with a Zoomable GraphicalUser Interface for Organizing, Selecting and Launching Media Items (用 于组织、选择并启动媒体节目的具有可缩放图形用户界面的控制架构)”的第10/768，432 号美国专利申请中已经提出了一种组织架构、技术和系统，其简化用户与媒体系统之间的 控制和屏幕界面、并加快选择过程、而同时允许服务提供商通过便利地向用户供应大量媒 体节目和新的服务来利用对终端用户设备增加的可用带宽的益处，该申请的内容通过引用 并入本文。
本文特别感兴趣的是可用于与这种架构、以及其他应用和系统交互的遥控装置。 如上述并入的申请中所提到的，各种不同类型的遥控装置可用于这种架构，例如包括轨迹 球、“鼠标”型指点装置、光笔等。能够与这种架构(以及其他应用)一起使用的其他类别 的遥控装置是3D指点装置。“3D指点(3D pointing)” 一词在本文中指输入装置在例如显 示屏前的空中进行三维(或更多维)移动的能力、以及用户界面将这些移动直接转换为例 如光标在显示屏上移动的用户界面命令的相应能力。3D指点装置之间的数据传递可无线 地执行或者通过3D指点装置连接至其它装置的线缆来执行。因而“3D指点”不同于例如传 统的计算机鼠标指点技术，所述计算机鼠标指点技术使用例如桌子表面或鼠标垫的表面作 为代理表面，通过该代理表面将鼠标移动转化为计算机显示屏上的光标移动。在Matthew G. Liberty的第7，118，518号美国专利(下文中称为‘518专利)中可以得到3D指点装置 的实施例，该申请的内容通过弓I用并入本文。
诸如激光指点器或‘518专利中描述的示例性3D指点装置的指点装置通常具有向 前指点方向，其通常指点装置的机械产品设计或形状因数来确定或指示。例如，与3D指点 装置关联的外壳可被设计使用户通常以预定的方式抓握装置，以使与装置的预定“前面”相 关的特定点或点轨迹通常在屏幕或显示器上指点，从而控制光标的移动。然而，虽然为了鼓 励用户以预定方式握持指点装置而进行设计，但是一些用户不能始终以预定方式握持这些 装置，因而装置的实际前向指点方向可能在操作中与其所设计的前向指点方向不同。例如 对于确定光标移动或其他因数的各种算法处理而言，在某种程度上所设计的前向指点方向 被假定为实际前向指点方向，指点装置的这种不期望使用可能引起光标移动的不精确性， 或者可能需要其他追踪或补偿。
因此，在手持装置设计尤其是3D指点器设计的领域还存在改进的空间。发明内容
与手持装置关联的向前指点方向例如通过对装置旋转中心进行计算来估算或确 定。然后，所得到的组合后或选定后的偏置估算可被用于对例如3D指点装置中的传感器的 偏置输出进行补偿。
根据示例性实施方式，用于确定装置的向前指点方向的方法包括以下步骤通过 处理器接收与装置的线性加速度和角速度关联的传感器输出，以及通过处理器使用线性加 速度和角速度确定装置的向前指点方向。该方法还包括计算装置的旋转中心的步骤和使用 旋转中心来确定装置的向前指点方向的步骤。
根据另一示例性实施方式，一种装置包括加速计、至少一个角速度传感器和处理 单元，加速计用于感应装置的加速度并输出与装置的加速度关联的至少一个加速度输出， 至少一个传感器用于感应装置的旋转并输出与装置的旋转关联的至少一个角速度输出；以 及处理单元用于对加速度输出和至少一个角速度输出进行处理以确定装置的向前指点方 向。
根据另一实施方式，一种装置包括加速计、至少一个传感器以及处理单元，加速计 配置为感应装置的加速度并输出与装置的加速度关联的至少一个加速度输出，至少一个传 感器配置为感应装置的旋转并输出与装置的旋转关联的至少一个角速度输出，以及处理单 元配置为对加速度输出和至少一个角速度输出进行处理以确定装置的向前指点方向，其中，使用处理后的输出和万有引力常数基于对装置的旋转中心进行的计算来确定装置的向 前指点方向，其中，该计算使用基于所述角速度输出的角速度矩阵；基于所述角速度输出 的角加速度矩阵；用于相对于地球参照系定义装置参照系的基于所述角速度矩阵和所述角 加速度矩阵的方向余弦矩阵；以及基于所述加速度输出的线性加速度。
根据又一示例性实施方式，一种装置包括加速计、至少一个传感器和处理器，该处 理器配置为使用来自加速计和至少一个传感器的输出估算方向余弦矩阵，方向余弦矩阵相 对于装置的用户参照系定义装置主体参照系。至少一个传感器例如可以为磁力计、陀螺仪、 旋转传感器或者这些传感器的任意组合。
根据另一示例性实施方式，一种系统包括加速计、至少一个传感器和处理器，该处 理器配置为使用来自加速计和至少一个传感器的输出估算方向余弦矩阵，方向余弦矩阵定 义相对于装置用户参照系的装置主体参照系。至少一个传感器例如可以为磁力计、陀螺仪、 旋转传感器或者这些传感器的任何组合。加速计和至少一个传感器可设置在手持式装置的 壳体中。处理器可位于手持装置的同一壳体内或者可设置在其它装置中，例如系统控制器 或游戏机，处理器可接收来自加速计和至少一个传感器的输出，通过该输出计算方向余弦 矩阵(或能用于确定手持式装置的向前指点方向的其它参数)。
附图示出了示例性实施方式，其中
图1示出了用于娱乐系统的传统遥控单元；
图2示出了能实现示例性实施方式的示例性多媒体系统；
图3示出了根据本发明的示例性实施方式的3D指点装置；
图4示出了图4中包括两个旋转传感器和一个加速计的3D指点装置的剖面图5示出了根据另一个示例性实施方式的3D指点装置；
图6示出了根据示例性实施方式的图5的、用作“10英尺”接口的一部分的3D指 点装置的剖面图7示出了根据一个实施方式的可用于确定向前指点方向的用户参照系、旋转中 心与主体参照系之间的示例性关系；
图8为示出根据一个实施方式用于确定向前指点方向的示例性方法的流程图；以 及
图9示出了根据示例性实施方式的3D指点装置的硬件元件。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行详细的说明。在不同的附图中，相同或相似的元件用 同一附图标记表示。此外，以下详细说明并不用于限制本发明。相反，本发明的范围由权利 要求来限定。
示例性实施方式使诸如指点装置或3D指点装置的装置(包括可具有一种辅助功 能以通过操作来提供指点输入的装置，例如，遥控器、移动电话、手持计算设备等)能够基 于操作者如何使用装置而自动地且动态地确定最佳的向前指点方向。通过动态地确定向前 方向，能够改善装置的性能。系统对每个操作者怎样使用装置进行解释，而非仅依赖于不可改变的预定设计。然而，应该注意，这些实施方式可与也向用户指示优选的(或潜在的)向 前指点方向的机械设计结合使用，同时也可用于其机械设计不具有明显向前指点方向的装 置中，例如球形(球式)外壳中。
在详细地讨论这些示例性实施方式前且为了为该讨论提供背景，首先参考图2对 可以实现本发明的一个示例性的集成媒体系统200进行详细描述。但是，本领域普通技术 人员可以预见到，本发明并不限于在这类媒体系统中实现，而是可以在其中包括更多或更 少的组件。在本系统中，输入/输出(I/O)总线210将媒体系统200中的各个组件连接在 一起。该I/O总线210代表多种用于对媒体系统组件之间的信号进行传输的机制和技术中 的任意一种。例如，该I/O总线210可以包括适当数量的用于传输音频信号的独立音频“插 头”电缆、用于传输视频信号的同轴电缆、用于传输控制信号的双线式串行线路或红外线或 射频收发器、光纤或任何用于传输其它类型的信号的其它传输机制。
在这个示例性的实施方式中，媒体系统200包括电视/监视器212、视频卡式记录 器(VCR) 214、数字化视频盘(DVD)记录/回放装置216、音频/视频调谐器218和小型碟播 放机220，这些器件都被连接到I/O总线210上。VCR 214,DVD 216和小型碟播放机220可 以是单光盘或单磁带式设备，也可以是多光盘或多磁带式设备。它们可以是独立的单元或 者被集成在一起。此外，媒体系统200还包括一个麦克风/扬声器系统222、摄像机224和 无线I/O控制装置226。根据本发明的示例性实施方式，无线I/O控制装置226是根据以下 所述示例性实施方式之一的3D指点装置。无线I/O控制装置226能够通过使用例如IR或 者RF发射器或者收发器与娱乐系统200通信。可选地，I/O控制装置能够通过有线与娱乐 系统200连接。
媒体系统200还包括系统控制器228。根据本发明的一个示例性的实施方式，系 统控制器228能够操作以存储和显示可从多个娱乐系统数据源获得的娱乐系统数据，并能 控制与系统各组件关联的多种特征。如图2所示，必要时，系统控制器228可通过I/O总线 210直接或者间接地连接到系统的各个组件。在一个示例性的实施方式中，除I/O总线210 外，或者用来替代I/O总线210，系统控制器228配备有无线通信发射器(或收发器)，它能 够通过IR信号或RF信号与系统组件进行通信。无论控制媒质是什么，系统控制器228都 被设置成能够通过下文所述的图形用户界面来控制媒体系统200中的各个媒体组件。
如图2进一步所示，媒体系统200可以被设置用于接收来自多个媒体源和服务提 供商的媒体节目。在这个示例性的实施方式中，媒体系统200从以下数据源中的任一个或 全部接收信息并且可选择地向其发送信息有线广播230，卫星广播232 (例如通过卫星天 线)，广播电视网234的甚高频(VHF)或超高频(UHF)射频通信(例如通过空中的天线)， 电话网236和有线调制解调器238 (或者其它的互联网内容源)。本领域技术人员可以预见 到，图2所示的媒体组件和媒体源仅仅是一个示例，媒体系统200可以包括更多或者更少的 这些组件。例如，对于上述系统的其它形式的输入包括AM/FM无线装置和卫星无线装置。
在上面通过引用并入的美国专利申请“A Control Framework witha Zoomable Graphical User Intertace for Organizing, Selecting andLaunching Media Items (用 于组织、选择并启动媒体节目的具有可缩放图形用户接口的控制架构)”中，能够找到关于 这个示例性娱乐系统及其关联架构的更多细节。可选地，根据本发明的遥控装置能够与其 他系统结合使用，例如与包括例如显示器、处理器的计算机系统、存储系统或者其他各种系统以及应用结合使用。
如在背景技术部分中所述，本文感兴趣的是用作3D指点器的遥控装置，但是实施 方式不限于在3D指点装置中实现。这种3D指点装置能将移动(例如，姿势或指向)能够转 化为用户界面的命令。图3中示出了示例性的3D指点装置400。其中，可根据例如3D指点 装置400的X轴方位角(滚动)、y轴高度(俯仰)和/或z轴方向(摇摆)运动的组合， 界定3D指点装置的用户移动。此外，本发明的某些示例性实施方式还可测量3D指点装置 400沿x、y和z轴的线性移动，以生成光标移动或其它的用户界面命令。虽然其他示例性实 施方式将包括其他物理配置，但是在图3的示例性实施方式中，3D指点装置400包括两个按 钮402和404以及滚轮406。根据本发明的示例性实施方式可预见，3D指点装置400将由 用户在显示器408的前方握持，并且3D指点装置400会将其运动转化为输出，以与显示在 显示器408上的信息相互作用，例如在显示器408上移动光标410。例如，通过3D指点装置 400能够感应3D指点装置400关于y轴的旋转，并将其转化为系统可用的输出，以沿着显 示器408的y2轴移动光标410。同样，通过3D指点装置400能够检测3D指点装置400关 于z轴的旋转，并将其转化为系统可用的输出，以沿着显示器408的X2轴移动光标410。应 该认识到，3D指点装置400的输出可用于以不同于(或除了)光标移动之外的多种方式与 显示器408相互作用，例如，可控制光标淡入、音量或媒体传送(播放、暂停、快进或倒带)。 输入命令可包括除了光标移动之外的操作，例如在显示器的特定区域放大或缩小。光标可 以是可视或不可视的。同样，除了 y轴和/或z轴旋转之外、或作为一种替代的选择，可使 用3D指点装置400检测到的关于其X轴的旋转，向用户界面提供输入。
根据本发明的一个纯说明性的示例性实施方式，两个旋转传感器420和422以及 一个加速计424能够用作如图4中所示的3D指点装置400中的传感器。虽然这个示例性 实施方式采用了内部传感器，但是应该认识到，本发明不限于此，并且在下面提供了能够接 合其他示例性实施方式使用的其他类型传感器的实施例。例如，通过使用由AnalogDevices 制造的ADXRS150或ADXRS401传感器，能够实现旋转传感器420和422。本领域技术人员应 该认识到，其他类型的旋转传感器可用作旋转传感器420和422，而ADXRS150或ADXRS401 传感器只是用作说明性示例。不同于传统的陀螺仪(gyroscope)，这些旋转传感器使用微型 机电系统(MEMS)技术，提供附接在体系上的共振质量，以使其只能沿一个方向共振。当附 着有传感器的主体沿传感器的感应轴线旋转时，该共振质量将会移位。可以通过科里奥利 (Coriolis)加速度效应来测量出该移位，以确定与沿感应轴的旋转关联的角速度。如果旋 转传感器420和422具有单个感应轴(例如ADXRS150)，那么它们可安装在3D指点装置400 中，使得它们的感应轴与待测量的旋转对准。对于本发明的示例性实施方式，这意味着旋转 传感器422被安装成使得其感应轴平行于y轴，旋转传感器420被安装成使得其感应轴平 行于z轴，如图4所示。应该理解，在其他示例性实施方式中可利用不同的传感器组件。例 如，两个1-D旋转传感器420和422可由单个2-D旋转传感器组件替换，该2-D旋转传感器 组件提供沿例如I轴和z轴的旋转运动的输出。一个示例性3-D旋转传感器为Invensense 的MPU-3000，但是应该理解也可以使用其他传感器/传感器组件。还可使用在同一组件中 具有多种传感器类型的传感器组件，诸如具有3轴旋转传感器和3轴加速器的Invensense 的MPU-6000。旋转传感器420、422可以是1-D、2-D或者3-D传感器。例如，加速器424可 以是3轴线性加速器，但是通过假设装置测量重力并且以数学方法计算剩余的第3个值，可以使用2轴线性加速器。另外，加速器和旋转传感器可以一起封装在单个传感器组件内。磁 力计(未示出)可给添加传感器套件中，或者磁力计可替换所示传感器中的一个或多个。部 件可以是分立的物理部件，或者彼此完全或部分集成。以下参照图9提供附加的细节。其 他各种传感器和传感器组件也可以与这些示例性实施方式结合使用。
示例性实施方式不限于图3和4中所示的工业设计，而是可替换地以任意工业形 状因数部署，如图5所示的另一个实施例。在图5的示例性实施方式中，虽然其他示例性实 施方式可以包括其他物理配置，但是3D指点装置500包括环形外壳501、两个按钮502和 504以及滚轮506和手柄507。包括两个按钮502和504以及滚轮506的区域508在本文 中被称为“控制区”508，该“控制区”508布置在环形外壳501的外部。在2006年7月3日 提交的题为“3D Pointer Mapping(三维指点器映射)”的序列号为11/480，662的美国专 利申请中能够得到与这个示例性实施方式相关的更多细节，该申请的内容通过引用并入本 文。这种装置具有很多应用，包括例如在图6中所示的在典型的起居室中，在沙发和电视 机之间的所谓“10英尺”接口中的使用。在那里，当3D指点装置500在不同位置之间移动 时，该移动由3D指点装置200内的一个或多个传感器检测到，并且发射到电视机620 (或 者相关联的系统组件，例如机顶盒(未示出))。例如，3D指点装置500的移动可以转化为 显示在电视机620上的光标640的移动，用于与用户界面交互。例如，在上述并入的序列 号为10/768, 432的美国专利申请和在2006年5月19日提交的题为“Global Navigation Objects in User Interfaces (用户界面中的全球导航对象)”的序列号为11/437，215的 美国专利申请中可以得到示例性用户界面的细节，该申请的内容通过引用并入本文。
根据本发明的示例性的3D指点装置400的实施所面临的一个挑战是，使用不太贵 的组件(比如，旋转传感器502和504)，但同时又要提供3D指点装置400的移动、与用户期 望用户界面对3D指点装置的具体移动做出何种反应、以及与响应于该移动的实际用户界 面执行之间的高度相关性。例如，如果3D指点装置400没有移动，用户将会认为光标不应 该在屏幕上飘移。同样，如果用户只是使3D指点装置400关于y轴旋转，他/她将不期望 看到在显示器408上的光标移动有任何明显的X轴分量。
为实现本发明示例性的实施方式的这些和其它方面，例如通过手持式装置400来 执行各种测量和计算，这些测量和计算被用来调整传感器402、422和424中的一个或多个 的输出，和/或作为处理器的输入的一部分以根据传感器402、422和424的输出来确定用 户界面的适当的输出。这些测量和计算是用来补偿以下两种因素的(I) 3D指点装置400的 固有因素，例如，与装置400中使用的特定传感器402，422和424关联的误差，或者与传感 器在装置400中安装方式关联的误差，以及(2) 3D指点装置400的非固有因素，即与用户使 用3D指点装置400的方式关联的因素，例如，线性加速度、倾斜和抖动。在上面通过引用并 入的‘518专利中描述了用于处理上述各因素的示例性技术。虽然‘518专利描述了用于补 偿用户对装置的倾斜的示例性技术，但是本文描述的倾斜补偿机制仍假设用户通常使用预 先设计的装置“前”端来指点。然而，以下示例性实施方式提供了用于动态地确定装置的向 前指点方向的另一些技术，允许用户以任何方向(例如可在沿“向前指点方向”(例如通常 远离用户的手腕的指点方向)的球形表面上任意点的球体)握持装置。这允许更舒服地使 用装置、使用可能无暗示方向的装置或者使用具有可能适于握持的多个方向的装置。
在‘518专利中描述的倾斜补偿和以下描述的根据示例性实施方式的动态向前方向彼此补充。倾斜补偿允许装置绕向前指点方向自由地旋转而无需改变指点操作。动态向前方向确定允许用户以任何方向握持对象，并且使其以相同的方式工作。旋转具有3个自由度(即，欧拉表示(Euler representation)中的摇摆、俯仰和滚动)，因而倾斜补偿通常允许对一个维度(即，滚动)进行改变，而以下描述的动态向前方向确定允许对三个维度进行改变。
动态向前指点方向确定
现转至用于动态地确定装置(诸如遥控装置或3D指点装置)的向前指点方向的示例性实施方式，其考虑了遥控装置400、500 (或具有不同工业设计的其它遥控装置)移动通过如图7所示的空间。与遥控装置关联的固定的用户体系(user frame) 701可被任意地确定，但是本实施方式假设重力向量705与用户体系的z轴对齐。一般，用户体系的X轴与磁北对齐。该实施例中的遥控装置线性地移动通过由向量r 703表示的空间。典型地，向量r 703通常表示操作者的手腕的位置。遥控装置位于离开旋转中心的向量c 704处并处于点P 705处，点P 705也是遥控装置主体体系(body frame) 702的原点。向量c被假设为期望的向前指点方向。
图7所示的术语、轴和向量将在以下段落中用于示出各种算法和数学方法，各实施方式可采用这些算法和数学方法以动态地确定装置向前旋转方向。此外，为随后讨论的算法定义以下标记法则
小写字母表示标量变量x，y，
小写粗体字母表示向量x，y，z 大写粗体字母表示矩阵X，Y，Z 假设向量为列向量(NX I矩阵)； xy = X · y是向量X和y的点积；
权利要求
1.一种装置，包括加速计，用于感应所述装置的加速度并输出与所述装置的加速度相关的至少一个加速度输出；至少一个传感器，用于感应所述装置的旋转并输出与所述装置的旋转相关的至少一个角速度输出；以及处理单元，用于对所述加速度输出和所述至少一个角速度输出进行处理以确定所述装置的向前指点方向。
2.如权利要求1所述的装置，其中，确定所述装置的所述向前指点方向是基于使用处理后的输出和万有引力常数对所述装置的旋转中心进行的计算。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述计算使用基于所述角速度输出的角速度矩阵；基于所述角速度输出的角加速度矩阵；用于相对于地球参照系来定义所述装置的参照系的基于所述角速度矩阵和所述角加速度矩阵的方向余弦矩阵；以及基于所述加速度输出的线性加速度。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述处理包括将原始传感器数据转换为国际体系 (SI)单位数据。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述国际体系单位数据被滤波以去除不期望的传感器特性，所述不期望的传感器特性包括可变偏置偏移、横轴效应、尺度变化、非线性特性、 温度效应和老化效应中的至少一种。
6.如权利要求5所述的装置，还包括与所述处理单元可通信地连接的射频(RF)发射器。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述射频发射器被配置为将向前方向计算结果发送至主机。
8.如权利要求6所述的装置，其中，所述射频发射器被配置为将滤波后的数据发送至主机以供所述主机使用，从而基于使用所述滤波后数据和万有弓I力常数对所述装置的旋转中心的计算来确定所述装置的向前方向。
9.一种用于确定装置的向前指点方向的方法，所述方法包括收集所述装置运动时与所述装置的加速度和旋转相关的数据；以及基于所收集的数据来确定所述装置的所述向前指点方向。
10.如权利要求9所述的方法，还包括将所述数据滤波以除去不期望的传感器特性。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述不期望的传感器特性包括可变偏置偏移、横轴效应、尺度变化、非线性特性、温度效应和老化效应中的至少一种。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述确定的步骤还包括计算所述装置的旋转中心,其中所述计算能够表示为为主体参照系中与所述装置相关的角加速度矩阵，bQ2为所述主体参照系中与所述装置相关的角速度矩阵的平方，前上标b为所述主体参照系中与所述装置相关的线性加速度，Bl为相对于用户参照系定义所述主体参照系的方向余弦矩阵，ug为与所述用户参照系相关的地球万有引力常数。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述能够表示为
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述bQ2能够表示为
15.如权利要求12所述的方法，其中，对所述装置的旋转中心向量的多次计算被组合以优化所述旋转中心向量的计算。
16.如权利要求15所述的方法,其中，所述组合包括低通滤波、Kalman滤波和Bayesian 滤波中的至少一种。
17.如权利要求12所述的方法，其中，基于与所述装置关联的加速计与所述装置的中心的偏移值而偏移所述旋转中心向量的计算结果。
18.如权利要求12所述的方法，其中，所述主体参照系基于对所述向前方向的计算而调整。
19.如权利要求9所述的方法，其中，所述确定的步骤还包括计算所述装置的旋转中心,其中所述计算能够表示为
20.如权利要求19所述的方法，其中，bJi能够表示为 / Λ b -
21.如权利要求19所述的方法，其中，
22.如权利要求19所述的方法，其中，对所述装置的旋转中心向量的多次计算被组合以优化所述旋转中心向量的计算。
23.如权利要求22所述的方法,其中,所述组合包括低通滤波、Kalman滤波和Bayesian 滤波中的至少一种。
24.如权利要求19所述的方法，其中，所述主体参照系基于对所述向前方向的计算而调整。
25.如权利要求9所述的方法，其中，所述向前方向基于使所述装置的角位置平均化而确定。
26.如权利要求25所述的方法，其中，通过使用所述向前方向的值的短期历史来动态地优化所述平均化。
27.一种使用户确定手持指点装置的向前方向的系统，所述系统包括手持指点装置，包括加速计，用于感应所述装置的加速度并输出与所述装置的加速度相关的至少一个加速度输出；多个角速度传感器，用于感应所述装置的旋转并输出与所述装置的旋转相关的至少一个角速度输出；以及处理单元，用于对所述加速度输出和所述至少一个角速度输出进行处理，以及基于使用处理后的输出和万有引力常数对所述装置的旋转中心的计算来确定所述装置的向前方向；以及主计算机，包括与所述手持指点装置的通信能力；以及输出显不器。
28.如权利要求27所述的系统，其中，所述手持指点装置没有通过设计所指定的向前方向。
29.如权利要求27所述的系统，其中，所述手持指点装置将所述计算的结果发送至所述主计算机。
30.如权利要求29所述的系统，其中，所述主计算机基于所述计算调整所述显示器上对象的位置。
31.一种装置，包括加速计，配置为感应所述装置的加速度并输出与所述装置的加速度相关的至少一个加速度输出；至少一个传感器，配置为感应所述装置的旋转并输出与所述装置的旋转相关的至少一个角速度输出；以及处理单元，配置为对所述加速度输出和所述至少一个角速度输出进行处理以确定所述装置的向前指点方向，其中，基于使用处理后的输出和万有引力常数对所述装置的旋转中心进行的计算来确定所述装置的向前指点方向，其中，所述计算使用基于所述角速度输出的角速度矩阵；基于所述角速度输出的角加速度矩阵；用于相对于地球参照系定义所述装置的参照系的基于所述角速度矩阵和所述角加速度矩阵的方向余弦矩阵；以及基于所述加速度输出的线性加速度。
32.如权利要求31所述的装置，其中，所述至少一个传感器是旋转传感器或陀螺仪。
33.如权利要求31所述的装置，其中，所述至少一个传感器是磁力计。
34.如权利要求32所述的装置，还包括磁力计，所述磁力计的输出被用于改进对所述方向余弦矩阵的计算。
全文摘要
与手持装置有关的向前指点方向例如通过计算该装置的旋转中心来估算或确定。然后所得的组合后或选定后的偏置估计可用于对例如3D指点装置中的传感器的偏置输出进行补偿。
文档编号G06F3/033GK103003777SQ201180035248
公开日2013年3月27日 申请日期2011年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者马修·G·利伯蒂, 布赖恩·A·库克 申请人:希尔克瑞斯特实验室公司