改进的指向设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种改进的空中指向设备，能够补偿由所述设备的用户实施到所述设备的滚动角度。本发明的设备包括至少两个陀螺测试仪和两个加速度计，后者中的每一个用于不同的滚动角度。通过使用第一加速度计的测量值，将第二加速度计的输出模拟为第一加速度计的测量值的近似函数，使用两个加速度计的输出之间的关系的多项式近似，来实现所述滚动角度的校正，其中根据可用的计算功率和需要的精确度来选择多项式的阶数。在本发明的实施例中，在滚动角度的值大致等于45度处有利地交换第一和第二加速度计。
【专利说明】改进的指向设备
[0001]本发明涉及能够向电子设备发送命令的人机接口。更具体地说，本发明改进空中指向器的能力以便控制光标在显示器上的移动。显示器可以是计算机显示器，连接到机顶盒的电视屏幕，游戏控制台，等等。空中指向器可以是3D鼠标，装配有运动传感器的智能电话或者甚至是装配有传感器/处理组件的用户的手指或肢体。
[0002]空中指向器可以具有不同的功能，尤其是:视听装置(电视，盘读取器/记录器，高保真系统)的遥控，其中点是要从菜单选择的程序或功能；家用装置的遥控，其中指向器指定该装置并且使其执行功能；计算机遥控，其中指向器被编程为由计算机执行的应用的功能；电子游戏接口，其中取决于游戏，指向器可以是由用户操控的对象(高尔夫球杆，网球拍，保龄球，手枪，流行枪支或者步枪，等等)；对于意在用于具有降低的移动性的人群的人机接口或者遥控的辅助(例如，将指向器安装到头部，眼镜，耳机，或与头部的移动关联(tied to)的任何其它部件，以便辅助具有运动缺陷或者不能够使用传统手持鼠标的人群在屏幕处指引指向器)。通常，指向器装配有允许对命令进行选择的按钮，指向器可以被编程以便执行功能(或服务)或者在指向姿势期间将不同的指向器状态相关联(associate)(按钮下压的轨迹对按钮释放的轨迹，从而使得能够例如不是将点在屏幕上的状态而是将本身与动作相关联的光标轨迹作为信息)。
[0003]指向器在空间中的移动包括旋转和平移。这可以通过各种类型的传感器进行测量:图像传感器能够通过对连续图像和几何变换进行比较来一次且同时地测量旋转和平移；磁力计、加速度计或单轴线陀螺测试仪能够测量关于所述轴线的旋转；磁力计、加速度计和/或陀螺测试仪的组合能够测量关于几个轴线的平移和旋转；前述几种类型的传感器的组合改进了测量精确度和冗余度，这允许确定置信区间；该组合能够包括一个或多个照相机以及几个磁力的、加速度的和/或陀螺测试的传感器。
[0004]对加速度不敏感的另一旋转传感器，可以是亮度传感器。如果该传感器是光电单元，则可以知道由所述单元接收的光的量与它的光接收面积以及光线关于该单元的法线的倾斜角度的余弦成比例。光源可以是太阳或者一些其它准点状的球状源，位于对于其发射光线足够远的位置以使得可以认为这些发射光线在整个姿势体验的体上彼此平行。为了避免可改变的环境亮度的问题，可以有利地使用“蝇眼”多面型传感器，接收的角度方向是测量最高光通量的面。
[0005]运动感测指向器的这些应用必须解决的一般问题是考虑用户握持指向器的方式，特别是其在空间上的取向。实际上，如果例如在45°处握持而不是水平握持指向器，则将在屏幕上传达指向器的水平或垂直运动，在该屏幕处，指向器通过对角运动进行指向。这一现象通过名称“倾斜”或扭转而被公知。因此，为了使指向器可使用，应该对其进行校正。
[0006]用于解决这一问题的第一步骤是提供机械手段，以使得当用户向该指向器实施扭转运动时，该传感器在屏幕的参照系中维持在基本上固定的位置中。因而能够规定一个或多个传感器在指向器内以钟摆的方式可移动，该钟摆的基座具有足够的惯性以便尽管对指向器实施扭转移动也维持基本上固定。这样的设备由美国专利5，453，758公开。也能够将所述传感器封装在由通过旋转轴线关联到指向器的一对球体构成的稳定设备中，这在船上或飞机上的罗盘中是这种情况。这样的设备由美国专利5，440，326公开。用于补偿指向器的扭转的这些机械设备的第一缺陷是它们被局限在扭转角度和位移速度的限制的跨度内。第二缺陷是这些设备是笨重的。第三缺陷在于这些设备的机械惯性和诱发的水平对准中的延迟，因而阻碍了他们进行实时指向应用。
[0007]用于补偿指向器的这一扭转的第二步骤在于通过使用嵌入在指向器上的一些传感器，尤其是加速度计，的测量值来计算扭转的角度，并且之后通过向所述测量值应用一个或多个旋转矩阵，来对其它传感器的测量值执行从指向器参照系到屏幕参照系的变换，其中，旋转矩阵的系数取决于一个或多个扭转角度。这样的步骤尤其由专利US5，902，968，专利申请US2004/0075650，专利申请US2002/0140745，和专利US7, 158，118公开，其中，在专利US5，902，968中，主传感器是陀螺测试仪，并且用于计算扭转的角度的传感器是加速度计，在专利申请US2004/0075650中，主传感器是耦接到加速度计的照相机，该组合允许倾斜校正，在专利申请US2002/0140745中，主传感器是GPS接收机，并且倾斜校正传感器是一组加速度计，并且在专利US7，158，118中，主传感器由一个或多个陀螺测试仪构成，并且倾斜校正传感器由一个或多个加速度计构成。这一步骤具有在通过使用三角函数运算来计算扭转角度的限度内提供含噪声结果的缺陷，该三角函数运算不适用于优选地在低成本空中指向设备中使用的定点/小内存处理器。
[0008]公开为US2009/0326857并且转让给本申请的受让人的美国专利申请公开了校正倾斜的一种新的方式。根据这一发明，代替使用正则三角函数公式来计算倾斜角度，直接使用加速度计的测量值来校正陀螺传感器的测量值。
[0009]然而，已经发现，每次仅适时地使用一个加速度计测量值来完成倾斜校正可能是有利的，以便简化校正的计算并且使用较少的计算功率，然后释放该计算功率用于其它任务。并且，当加速度计轴线接近垂线时，它的测量值含噪声，接近于I的值缺乏精确度，并且沿着这一轴线的滚动校正对于高于大致70°的角度不精确，这导致整体偏差，影响显示器上的光标移动。
[0010]本发明通过提供一种每次仅适时地使用一个加速度计的测量值来校正倾斜的方法来解决这一问题。
[0011]为此，本发明提供一种空中指向设备，包括能够向第一处理器传输运动信号的至少两个角速率传感器和两个线性传感器，所述处理器能够将被处理的信号传输到与显示器相连接的第二处理器，其中，所述信号利用所述角速率传感器的测量值来控制虚拟光标在所述显示器上的移动，对于所述空中指向设备的倾斜，通过所述第一处理器来校正所述角速率传感器测量值，对于位于第一半空间内的倾斜值的范围，通过仅使用来自所述至少两个线性传感器中的一个的测量值来计算所述倾斜校正的值。
[0012]在另一实施例中，本发明提供一种空中指向设备,包括能够向第一处理器传输运动信号的至少两个角速率传感器和两个线性传感器，所述处理器能够将被处理的信号传输到与显示器相连接的第二处理器，其中，所述信号利用所述角速率传感器的测量值来控制虚拟光标在所述显示器上的移动，对于所述空中指向设备的倾斜，通过所述第一处理器来校正所述角速率传感器的测量值，在半空间内，对于倾斜值的第一范围，所述倾斜校正仅使用来自第一线性传感器的测量值，并且对于倾斜值的第二范围，所述倾斜校正仅使用来自第二线性传感器的测量值。[0013]本发明还提供一种使用根据本发明各种实施例中的空中指向设备的方法以及实现根据本发明的算法的计算机程序。
[0014]本发明提供较好信噪比的其它优点，尤其是当在倾斜值的不同范围中从一个加速度计切换到另一个加速度计时。
[0015]并且，本发明为应用开发人员提供不同算法的选择以便近似加速度计测量值的变换，需要该变换来补充测量值本身。因此，开发人员能够决定对于可用的计算功率的等级适当的近似的精确度的等级。
[0016]通过对各种实施例的描述以及下面的附图，将更好地理解本发明并且本发明的各种特征和优点将变得显而易见:
[0017]图1代表根据本发明实施例控制显示器的设备以及其中能够参照姿态和位置的不冋的系；
[0018]图2代表在本发明的实施例中在控制取向坐标和感测参照系之间限定的滚动/倾斜角度；
[0019]图3代表当在现有技术的设备中同时应用两个校正时，通过第一加速度计对滚动校正系数的第一确定和通过第二加速度计对滚动校正系数的第二确定之间的函数关系；
[0020]图4说明了当使用反正切函数首先计算滚动角度时，两个校正系数之间的关系的
失真;
[0021]图5说明了在具有应用在图3和图4上说明的校正的类型的现有技术设备中体现的滚动校正算法的操作模式；
[0022]图6使用在现有技术的另一设备中的含噪声加速度计的输出来向图3的曲线添加反正切函数的使用和滚动校正的使用的实际效果；
[0023]图7向图6添加了关于两个滚动校正系数之间的函数关系与本发明第一实施例的理论效果的比较；
[0024]图8显示了根据本发明两个其它实施例的两个滚动校正系数的近似；
[0025]图9显示了当滚动角度大于70°时两个滚动校正系数之间的函数关系的失真；
[0026]图10说明了根据本发明实施例当滚动角度大于70°时，当对于滚动角度的不同范围交换来自两个加速度计的测量值时，两个滚动校正系数之间的函数关系的失真；
[0027]图1la到Ilg说明了在没有考虑加速度计的噪声的情况下，在不同的滚动角度(分别为0° ,20° ,30° ,45° ,60° ,70°和90° )处，沿着由根据现有技术和本发明各种实施例的设备控制的光标的两个轴线的位移之间的比较；
[0028]图12a和12b说明了在滚动角度为80°时，在分别考虑加速度计的5%和10%的噪声的情况下，沿着由根据现有技术和本发明各种实施例的设备控制的光标的两个轴线的位移之间的比较；
[0029]图13以简化的方式代表根据本发明实施例的指向器的硬件架构。
[0030]除非在有限的上下文中给出另外的具体含义，否则缩略词和首字母缩写词具有如下表指示的含义:
[0031]
【权利要求】
1.一种空中指向设备，包括能够向第一处理器传输运动信号的至少两个角速率传感器和两个线性传感器，所述处理器能够将被处理的信号传输到与显示器相连接的第二处理器，其中，所述信号利用所述角速率传感器的测量值来控制虚拟光标在所述显示器上的移动，对于所述空中指向设备的倾斜，通过所述第一处理器来校正所述角速率传感器测量值，对于位于第一半空间内的倾斜值的范围，通过仅使用来自所述至少两个线性传感器中的一个的测量值来计算所述倾斜校正的值。
2.如权利要求1所述的空中指向设备，其中，在第二半空间内，通过所述至少两个线性传感器中的另一个的测量值的符号来修改所述倾斜校正的值。
3.如权利要求1所述的空中指向设备，其中，对于倾斜值的范围，所述倾斜校正使用来自一个线性传感器的原始测量值Ay以及具有形式
4.如权利要求1所述的空中指向设备，其中，对于倾斜值的范围，所述倾斜校正使用来自一个线性传感器的原始测量值Ay以及具有形式
5.如权利要求4所述的空中指向设备，其中，所述近似是所述代数变换的多项式近似。
6.如权利要求5所述的空中指向设备，其中，所述多项式近似具有形式1-Ay。
7.如权利要求5所述的空中指向设备，其中，所述多项式近似是最佳拟合多项式，计算所述多项式的系数以便最小化在选择的点处的代数变换的值和在相同的点处的所述多项式的值之间的距离的加权和。
8.如权利要求5所述的空中指向设备，其中，所述多项式近似是所述代数变换在多个选择的点中的一系列有限展开。
9.如权利要求4所述的空中指向设备，其中，在给定点处，将所述近似计算为对于所述代数变换和其一阶有限展开之间的差值的零值的有限精确度的极限。
10.一种包括能够向第一处理器传输运动信号的至少两个角速率传感器和两个线性传感器的空中指向设备，所述处理器能够将被处理的信号传输到与显示器相连接的第二处理器，其中，所述信号利用所述角速率传感器的测量值来控制虚拟光标在所述显示器上的移动，对于所述空中指向设备的倾斜，通过所述第一处理器来校正所述角速率传感器测量值，在半空间内，对于倾斜值的第一范围，所述倾斜校正仅使用来自第一线性传感器的测量值，并且对于倾斜值的第二范围，所述倾斜校正仅使用来自第二线性传感器的测量值。
11.如权利要求10所述的空中指向设备，其中，对于所述倾斜值的第一和第二范围，所述第一和第二倾斜校正分别使用来自所述第一和第二线性传感器的原始测量值Ay和Az以及具有形式
12.如权利要求10所述的空中指向设备，其中，对于所述倾斜值的第一和第二范围，所述第一和第二倾斜校正分别使用来自所述第一和第二线性传感器的原始测量值Ay和Az以及具有形式
13.如权利要求12所述的空中指向设备，其中，所述近似是所述代数变换的多项式近似。
14.如权利要求13所述的空中指向设备，其中，对于所述第一线性传感器，所述多项式近似具有形式1-Ay，并且对于所述第二线性传感器，所述多项式近似具有形式1_AZ。
15.如权利要求13所述的空中指向设备，其中，所述多项式近似是最佳拟合多项式，计算所述多项式的系数以便最小化在选择的点处所述代数变换的值和在相同的点处所述多项式的值之间的距离的加权和。
16.如权利要求13所述的空中指向设备，其中，所述多项式近似是所述代数变换在多个选择的点中的一系列有限展开。
17.如权利要求13所述的空中指向设备，其中，在给定点处，将所述近似计算为对于所述代数变换和其一阶有限展开之间的差值的零值的有限精确度的极限。
18.一种空中指向方法，包括在第一处理器中处理来自至少两个角速率传感器和一个线性传感器的运动信号的步骤，将来自所述第一处理器的输出传输到与显示器相连接的第二处理器的步骤，利用所述角速率传感器的测量值来控制虚拟光标在所述显示器上的移动的步骤，对于所述空中指向设备的倾斜，通过所述第一处理器来校正所述角速率传感器测量值，对于位于第一半空间内的倾斜值的范围，通过仅使用来自所述至少两个线性传感器中的一个的测量值来计算所述倾斜校正的值。
19.一种空中指向方法，包括在第一处理器中处理来自至少两个角速率传感器和一个线性传感器的运动信号的步骤，将来自所述第一处理器的输出传输到与显示器相连接的第二处理器的步骤，利用所述角速率传感器的测量值来控制虚拟光标在所述显示器上的移动的步骤，对于所述空中指向设备的倾斜，通过所述第一处理器来校正所述角速率传感器测量值，对于倾斜值的第一范围，所述倾斜校正仅使用来自第一线性传感器的测量值，并且对于倾斜值的第二范围，所述倾斜校正仅使用来自第二线性传感器的测量值，所述倾斜值的第一和第二范围位于第一半空间内。
20.如权利要求19所述的空中指向方法，其中，在所述第一半空间内，所述倾斜值的第一范围覆盖第一半象限，并且所述倾斜值的第二范围覆盖第二半象限。
21.一种计算机程序，包括存储在包括能够向第一处理器传输运动信号的至少两个角速率传感器和一个线性传感器的空中指向设备中的模块，所述处理器能够将被处理的信号传输到与显示器相连接的第二处理器，其中，第二模块使用所述信号以便利用所述角速率传感器的测量值来控制虚拟光标在所述显示器上的移动，对于所述空中指向设备的倾斜，通过所述第一处理器来校正所述角速率传感器测量值，对于位于第一半空间内的倾斜值的范围，所述倾斜校正仅使用来自一个线性传感器的测量值。
22.—种计算机程序，包括存储在包括能够向第一处理器传输运动信号的至少两个角速率传感器和一个线性传感器的空中指向设备中的模块，所述处理器能够将被处理的信号传输到与显示器相连接的第二处理器，其中，第二模块使用所述信号以便利用所述角速率传感器的测量值来控制虚拟光标在所述显示器上的移动，对于所述空中指向设备的倾斜，通过所述第一处理器来校正所述角速率传感器测量值，对于倾斜值的第一范围，所述倾斜校正仅使用来自第一线性传感器的测量值，并且对于倾斜值的第二范围，所述倾斜校正仅使用来自第二线性传感器的测量值，所述倾斜值的第一和第二范围位于第一半空间内。
【文档编号】G06F3/0346GK103597426SQ201180071581
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2011年5月2日 优先权日:2011年4月29日
【发明者】Y·卡里图, S·里卡尔迪, O·奈伊托恩 申请人:莫韦公司