使用混合跟踪的输入设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及输入设备以及操作输入设备的方法。
【背景技术】
[0002] 输入设备为用户提供与计算设备交互的能力。典型的输入设备可以包括键盘、计 算机鼠标、触笔、遥控器或其他相似的形式。计算机鼠标形式的输入设备为与计算设备交互 的用户提供进行包括导航、光标控制和选择功能的某些活动的能力。
[0003] 计算机鼠标的通常形式是光学鼠标。典型的光学鼠标通过使用发光二极管对光学 鼠标相对于表面（例如，鼠标垫、桌子或台子）的移动进行检测来起作用。光学鼠标通过使 用以下传感器或相机来进行操作：该传感器或相机拍摄光学鼠标在其上移动的表面的连续 图像。基于连续图像的交叠，光学鼠标检测连续图像之间的以下偏移：该偏移表示光学鼠标 相对于表面移动了的距离。
[0004] 当前的光学鼠标存在的一个问题是用户可以多快地移动光学鼠标存在上限。一些 用户可能需要能够对用户进行的快速移动进行检测的高性能计算机鼠标。这些用户中的一 些用户可能需要用于以下计算机游戏的高性能计算机鼠标，该计算机游戏需要用户使用计 算机鼠标进行快速移动。如果用户以快于上限的速度移动其光学鼠标，则会出现其中鼠标 的位置及关联的光标丢失的跟踪丢失。在这样的情况下，由传感器或相机产生的连续图像 可能不会具有足够的交叠来确定偏移。因此，光学传感器会丢失对光学鼠标的位置的跟踪 并且产生不可靠的位移和位置数据。由于光学传感器尝试关联它接收的导致假关联的任何 数据，所以这会使显示在监视器上或显示器上的光标停止（例如，冻结）或沿任意方向来回 跳至随机位置。
[0005] 因为用户受限于可以由光学鼠标进行的运动范围和功能，所以该跟踪丢失会导致 负面的用户体验。例如，用户可能不能在忙于计算机游戏时快速地滑动其鼠标而鼠标却不 丢失对其位移的跟踪。
[0006] 在先前的解决方案中，为了提高光学鼠标的速度上限，提高了成像传感器的帧速 率。然而，较高的帧速率是通过较短的曝光时间和较少的照明来实现的。为了补偿所减少 的照明，需要更亮的光源或LED和/或更灵敏的成像传感器。提高LED的亮度需要较高的 功耗，并且随着光学鼠标的功耗增大，这使得难于设计会以高的速度执行并且依然为无线 的光学鼠标。因为有线计算机鼠标限制计算机游戏可能需要的移动自由度，所以有线连接 至主机系统限制了光学鼠标的相对于目标用户组的可用性。
[0007] 此外，由于对无线鼠标的功耗、发热、有线鼠标的电流消耗、LED驱动器的增加了的 电路复杂度等多种顾虑，所以LED的亮度不能增大太多。另外，如果鼠标基于激光LED技术， 则由于对人眼安全的顾虑，所以激光的亮度不能超过特定标准。使用更灵敏的成像传感器 也具有其缺点，因为成本较高并且传感器的与每个像素在曝光时间期间所吸收的光子的数 量相关的灵敏度存在理论极限。
[0008] 基于以上所述，在本领域中需要以下用于输入装置的改善了的方法及系统：所述 改善了的方法及系统提供更大的功能性和较佳的用户体验。
【发明内容】
[0009] 本发明一般地涉及被配置成与电子设备或计算设备一起使用的控制设备如人机 界面设备，更特别地，本发明涉及用于利用能够在以下状况下进行操作的输入设备的方法 及系统：所述输入设备以相对于对输入设备的移动进行跟踪的光学传感器的最大速度极限 而言更高的速度被移动，而不经历跟踪丢失。
[0010] 本发明的实施方式通过进行配置以使得用户能够以较大的自由度与输入设备进 行交互来提供改善了的用户体验，包括以输入设备通常未被配置成准确地评估的较大的运 动范围和运动速度。本发明的实施方式包括嵌在输入设备内的多个传感器（例如，加速度 计和/或陀螺仪），所述多个传感器能够减小当输入设备的运动超过光学传感器的极限时 所引起的跟踪丢失的发生。
[0011] 本发明的实施方式可以提供一种输入设备，包括：光学传感器模块，其被配置成确 定与输入设备的XY位移相关的第一组数据。输入设备还包括惯性传感器模块，其被配置 成测量输入设备的加速度并且确定与输入设备的XY位移相关的第二组数据。输入设备还 包括微控制器，微控制器耦接至光学传感器模块和惯性传感器模块，其中，微控制器被配置 成：接收由惯性传感器模块测量的输入设备的加速度的加速度数据，使用加速度数据来确 定输入设备的移动速度和位置数据；以及当跟踪丢失被确定或检测到时，从使用来自光学 传感器模块的第一组数据跟踪输入设备的XY位移切换至使用来自惯性传感器模块的第二 组数据跟踪输入设备的XY位移。
[0012] 在本发明的一些实施方式中，惯性传感器模块是加速度计。
[0013] 在本发明的一些实施方式中，从使用来自光学传感器模块的第一组数据跟踪输入 设备的XY位移切换至使用来自惯性传感器模块的第二组数据跟踪输入设备的XY位移还包 括：使用由状态空间模型估计的最后已知校准点。在一些实施方式中，状态空间模型是扩展 卡尔曼滤波器。
[0014] 在本发明的一些实施方式中，从使用来自光学传感器模块的第一组数据跟踪输入 设备的XY位移切换至使用来自惯性传感器模块的第二组数据跟踪输入设备的XY位移可以 基于输入设备的移动速度。在这样的实施方式中，当输入设备的移动速度在阈值速度之下 时，扩展卡尔曼滤波器使用来自光学传感器模块的第一组数据校准惯性传感器模块。
[0015] 在输入设备的一些实施方式中，跟踪丢失当输入设备的移动速度超过阈值时被检 测到。在其他实施方式中，跟踪丢失当光学传感器模块所估计的第一移动速度与惯性传感 器模块所估计的第二移动速度之间的差超过阈值时被检测到。跟踪丢失可以实时地被检测 到。
[0016] 本发明的另外的实施方式涉及一种操作输入设备的方法。所述方法包括通过光学 传感器模块确定与输入设备的XY位移相关的第一组数据。所述方法还包括通过惯性传感 器模块确定与输入设备的XY位移相关的第二组数据。所述方法还包括确定光学传感器模 块的跟踪丢失是否已经发生。当光学传感器模块的跟踪丢失被检测为已经发生时，所述方 法还包括从使用来自光学传感器模块的第一组数据跟踪输入设备的XY位移切换至使用来 自惯性传感器模块的第二组数据跟踪输入设备的XY位移。当光学传感器模块的跟踪丢失 被检测为没有发生时，通过光学传感器模块来跟踪输入设备的XY位移。
[0017] 在一些实施方式中，所述方法还可以包括：确定光学传感器模块是否已经从跟踪 丢失恢复。在这样的实施方式中，当光学传感器模块已经从跟踪丢失恢复时，所述方法还包 括：从使用来自惯性传感器模块的第二组数据跟踪输入设备的XY位移切换至使用来自光 学传感器模块的第一组数据跟踪输入设备的XY位移。
[0018] 在输入设备的一些实施方式中，跟踪丢失当输入设备的移动速度超过阈值时被检 测到。在这样的实施方式中，确定输入设备的速度还包括：确定由惯性传感器模块所测量的 输入设备的加速度的加速度数据；以及使用加速度数据来确定输入设备的移动速度和位置 数据。
[0019] 在其他实施方式中，跟踪丢失当光学传感器模块所估计的第一移动速度与惯性传 感器模块所估计的第二移动速度之间的差超过阈值时被检测到。跟踪丢失可以实时地被检 测到。
[0020] 本发明的另外的实施方式可以提供一种输入设备，所述输入设备包括：光学传感 器模块，其被配置成确定与输入设备的XY位移相关的第一组数据。输入设备还包括惯性传 感器模块，其被配置成测量输入设备的加速度并且确定与输入设备的XY位移相关的第二 组数据。输入设备可以包括陀螺仪，陀螺仪被配置成测量输入设备的旋转速率，其中，所测 量的旋转速率用于修改输入设备的加速度数据。输入设备还包括微控制器，微控制器耦接 至光学传感器模块和惯性传感器模块，其中微控制器被配置成：接收输入设备的经修改的 加速度数据；使用经修改的加速度数据确定输入设备的移动速度和位置数据；以及当跟踪 丢失被检测时从使用来自光学传感器模块的第一组数据跟踪输入设备的XY位移切换至使 用来自惯性传感器模块的第二组数据跟踪输入设备的XY位移。
[0021] 在其他实施方式中，修改输入设备的加速度数据包括：抵消输入设备的经测量的 旋转速率。
[0022] 在其他实施方式中，微控制器可以被配置成当输入设备处于运动中时使用由陀螺 仪测量的输入设备的旋转速率来持续地更新输入设备的方向。
[0023] 本发明的另外的实施方式涉及一种操作输入设备的方法。所述方法包括通过光学 传感器模块确定与输入设备的XY位移相关的第一组数据。所述方法还包括通过惯性传感 器模块确定与输入设备的XY位移相关的第二组数据。通过陀螺仪确定输入设备的旋转速 率。所述方法还包括使用输入设备的旋转速率来修改与输入设备的XY位移相关的第二组 数据；所述方法还包括确定光学传感器模块的跟踪丢失是否已经发生。当光学传感器模块 的跟踪丢失被检测为已经发生时，所述方法还包括从使用来自光学传感器模块的第一组数 据跟踪输入设备的XY位移切换至使用来自惯性传感器模块的第二组数据跟踪输入设备的 XY位移。当光学传感器模块的跟踪丢失被检测为未发生时，通过光学传感器模块跟踪输入 设备的XY位移。
[0024] 在输入设备的一些实施方式中，跟踪丢失当输入设备的移动速度超过阈值时被检 测到。在这样的实施方式中，确定输入设备的移动速度还包括：确定由惯性传感器模块测量 的输入设备的加速度的加速度数据；以及使用加速度数据来确定输入设备的移动速度和位 置数据。
[0025] 在其他实施方式中，跟踪丢失当光学传感器模块所估计的第一移动速度与惯性传 感器模块所估计的第二移动速度之间的差超过阈值时被检测到。跟踪丢失可以实时地被检 测到。
[0026] 通过本发明实现了相比其他技术而言的许多益处。例如，由于用户不受限于输入 设备中的传感器所能够检测和处理的运动速度，所以较佳地提供了包括游戏性的用户体 验。因此，用户能够使用输入设备而不经历由于输入设备的动作的速度超过在输入设备中 的光学传感器的最大速度限制而产生的跟踪丢失。
[0027] 除了提高了输入设备的运动范围和速度以外，本发明的实施方式还具有提供关于 输入设备的位置（例如，XY位移）的更精细化的数据的益处。因为光学传感器和惯性传感 器模块两者可以同时操作，所以来自这两个设备的数据可以串联使用以提供关于输入设备 的位置的更准确的实时数据。另外，权衡（leveraging)来自光学传感器（其在较低速度提 供较佳的数据）以及惯性传感器（其在较高速度提供较佳的数据）的数据，使得输入设备 能够在多种模式和速度下进行操作而不导致对输入设备的运动的跟踪的任何丢失。
[0028] 另外的益处在于：通过使得光学传感器能够以较低帧速率操作，这增加了每个帧 的曝光时间。这可以使得传感器能够在具有较小特征的表面进行跟踪。这扩展了光学传感 器能够成功在其上进行跟踪的表面的类型和种类。因此，通过放松移动跟踪速度的上限，可 以获得较佳的表面覆盖范围。
[0029] 将结合以下描述和附图更详细地描述本发明的这些实施方式和其他实施方式及 其很多优点和特征。
【附图说明】
[0030] 图1示出了根据本发明的实施方式的计算机系统的简化图；
[0031] 图2是根据本发明的实施方式的输入设备的部件的简化框图；
[0032] 图3是根据本发明的实施方式的来自输入设备中的光学传感器的跟踪数据的图；
[0033] 图4是根据本发明的实施方式的输入设备的跟踪模块部件的简化框图；
[0034] 图5是根据本发明的实施方式的在跟踪丢失发生时使用多个传感器对输入设备 进行操作的方法的流程图；
[0035] 图6描绘了根据本发明的实施方式的输入设备；
[0036] 图7示出了根据本发明的实施方式的输入设备的移动；
[0037] 图8是根据本发明的替代实施方式的输入设备140的跟踪模块部件24