KR100480792B1 - Method and appratus for inputting information spatially - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공간형 입력 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명의 공간형 입력 장치는 공간상에서 물체가 이동할 때, 물체의 소정 방향에 직교하는 방향의 가속도를 측정하는 센서부; 물체의 가속도를 이용하여 물체의 움직임을 감지하고 움직임 정보를 생성하는 움직임 감지부; 물체의 가속도 및 움직임 정보를 이용하여 소정 방향으로의 물체의 가속도 및 물체의 자세 측정에 이용되는 오일러 각 정보를 추정하는 신호 추정부; 및 물체의 가속도 및 오일러 각 정보에 따라서 물체의 위치를 측정하는 위치 계산부를 포함한다.The present invention discloses a spatial input method and apparatus. The spatial input device of the present invention includes a sensor unit for measuring an acceleration in a direction orthogonal to a predetermined direction of the object when the object moves in space; A motion detector configured to detect a motion of the object using the acceleration of the object and generate motion information; A signal estimator for estimating Euler angle information used for measuring the acceleration of the object in a predetermined direction and the attitude of the object by using the acceleration and the motion information of the object; And a position calculator which measures the position of the object according to the acceleration of the object and Euler angle information.
Description
본 발명은 공간형 정보 입력 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 2축 가속도 센서를 이용하여 물체의 3차원 공간상의 위치 정보를 구하고, 위치 정보에 따라서 사용자가 의도한 정보를 입력하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a spatial information input device and method. Specifically, the present invention relates to a method and apparatus for obtaining position information on a three-dimensional space of an object using a two-axis acceleration sensor and inputting information intended by a user according to the position information.
현재, 개인 휴대용 단말기 또는 컴퓨터 응용기기에 펜의 필기 내용을 입력하기 위하여 LCD 테블릿(tablet)이나 디지타이저 테블릿(digitizer tablet) 등과 같은 2차원 센서 배열을 포함하는 입력 장치가 널리 사용되고 있다. 이러한 입력 장치는 비교적 대면적의 2차원 센서 배열을 필요로 하기 때문에 별도의 감지 평면이 필요하다. 따라서, 휴대하기가 불편하고 소정의 공간을 차지하게 되며, 또한 가격면에서도 고가인 단점이 있다. 기술적인 추세로 볼 때, 개인 휴대용 단말기는 점차 소형화되어 손목시계 형태나 지갑 형태의 휴대용 단말기로 변화하는 추세이다. 이러한 소형화 추세에 따라 그 표시화면도 줄어들기 때문에 종래의 테블릿을 이용한 필기 방식은 입력 공간이 줄어들어 자연스러운 필기 동작에 의한 데이타 입력이 더욱 어렵게 된다.Currently, an input device including a two-dimensional sensor array such as an LCD tablet or a digitizer tablet is widely used to input writing contents of a pen into a personal portable terminal or a computer application. These input devices require a relatively large area two-dimensional sensor array and therefore require a separate sensing plane. Therefore, it is inconvenient to carry, occupies a predetermined space, and has a disadvantage of being expensive in terms of price. In view of the technical trend, personal portable terminals are gradually miniaturized and are changing to a portable terminal in the form of a watch or a wallet. Since the display screen is also reduced according to the miniaturization trend, the writing method using a conventional tablet reduces the input space, making data input by a natural writing operation more difficult.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 물리적인 테블릿이 없이 일반 평면 상에서 단일 전자펜 만을 이용하여 문서 입력이 가능하다면 종래의 펜 입력 장치(pen input device)에 비해 넓은 입력 공간을 제공하기 때문에 자연스러운 필기 입력이 가능하므로 매우 효과적이다. 이러한 자기 운동 감지 방식의 전자펜을 이용한 문서 또는 그림의 입력을 위해서는 어떤 기준 좌표계에 대한 전자펜의 팁의 위치 좌표를 연속적으로 구할 수 있어야 한다. 그러나, 대부분의 필기 동작은 펜을 지면과 접촉한 다운(down) 상태에서 필기를 하고, 이동할 경우에는 펜을 지면과 비접촉한 업(up) 상태가 된다. 펜의 연속적인 좌표값을 구하기 위해서는 접촉 또는 비접촉 상태에서도 그 위치 값을 정밀하게 측정할 수 있는 수단을 필요로 한다.In order to solve the above problems, if a document can be input using only a single electronic pen on a general plane without a physical tablet, a natural handwriting input is provided because it provides a wider input space than a conventional pen input device. It is very effective as possible. In order to input a document or a picture using the magnetic motion sensing type electronic pen, the position coordinates of the tip of the electronic pen with respect to a reference coordinate system must be continuously obtained. However, in most writing operations, the pen is written in a down state in contact with the ground, and when moved, the pen is in an up state in which the pen is not in contact with the ground. In order to obtain a continuous coordinate value of the pen, a means for precisely measuring the position value even in the contact or non-contact state is required.
상술한 문제를 해결하기 위한 종래의 전자펜 형태의 입력장치로서, 리코사(Richo)(미국 특허 제 5,902,968호, 미국 특허 제 5,981,884호)에서는 펜 내부에 3축 가속도 센서와 3축 Gyro센서를 내장하여 일반적인 3차원 필기 운동을 하는 펜팁의 위치를 구하는 방법과 이를 이용한 전자펜을 제시하고 있다. 이 방법은 일반적인 INS(Inertial Navigation System)을 전자펜에 적용한 것으로, 전자펜에 장착된 3축 가속도 센서는 x, y, 및 z 축상의 동체 가속도를 구하고, 3축 각속도 센서는 롤각(φ), 피치각(θ), 및 요각(Ψ)으로 표현되는 오일러 각을 각각 측정하여, 전자펜의 자세 및 절대 좌표상의 가속도를 측정하여 사용자의 필기 입력을 복원하게 된다.As a conventional electronic pen-type input device for solving the above-described problems, Richo (US Patent No. 5,902,968, US Patent No. 5,981,884) incorporates a 3-axis acceleration sensor and 3-axis Gyro sensor inside the pen. This paper suggests a method of obtaining the position of a pen tip for a general three-dimensional writing motion and an electronic pen using the same. This method applies a general Inertial Navigation System (INS) to the electronic pen. The 3-axis acceleration sensor mounted on the electronic pen obtains fuselage acceleration on the x, y, and z axes, and the 3-axis angular velocity sensor uses the roll angle (φ), The Euler angles represented by the pitch angle θ and the yaw angle Ψ are respectively measured, and the posture of the electronic pen and the acceleration on the absolute coordinate are measured to restore the user's handwriting input.
그러나, 상술한 전자펜의 경우에는 3축 가속도 센서(3개의 1축 가속도 센서) 및 3축 각속도 센서(3개의 1축 각속도 센서)를 이용하여야 하므로 전체 시스템의 부피가 커지고 소비되는 전력이 많을뿐 아니라, 시스템의 가격이 증가하여, 실질적으로 상용화할 수 있는 소형펜에 적용하는데 어려움이 있다.However, in the case of the above-described electronic pen, three-axis acceleration sensors (three one-axis acceleration sensors) and three-axis angular velocity sensors (three one-axis angular velocity sensors) must be used, so that the overall system becomes large in volume and consumes a lot of power. Rather, the price of the system is increased, which makes it difficult to apply to a small pen that can be commercialized.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 2축 가속도 센서를 이용하여 외부의 기준신호 또는 물체 없이, 물체의 3차원 공간상의 위치 정보를 입력하는 방법 및 장치를 제공하고, 이를 이용하여 사용자의 필기 내용을 복원하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method and apparatus for inputting position information on a three-dimensional space of an object without using an external reference signal or an object by using a two-axis acceleration sensor, and using the same to write a user's handwriting content. It is to provide an apparatus and method for restoring.
전술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 공간형 입력 장치는, 공간상에서 물체가 이동할 때, 물체의 소정 방향에 직교하는 방향의 가속도를 측정하는 센서부; 물체의 가속도를 이용하여 물체의 움직임을 감지하고 움직임 정보를 생성하는 움직임 감지부; 물체의 가속도 및 움직임 정보를 이용하여 소정 방향으로의 물체의 가속도 및 물체의 자세 측정에 이용되는 오일러 각 정보를 추정하는 신호 추정부; 및 물체의 가속도 및 오일러 각 정보에 따라서 물체의 위치를 측정하는 위치 계산부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a spatial input device including: a sensor unit configured to measure acceleration in a direction orthogonal to a predetermined direction of an object when an object moves in a space; A motion detector configured to detect a motion of the object using the acceleration of the object and generate motion information; A signal estimator for estimating Euler angle information used for measuring the acceleration of the object in a predetermined direction and the attitude of the object by using the acceleration and the motion information of the object; And a position calculator which measures the position of the object according to the acceleration of the object and Euler angle information.
또한, 전술한 공간형 입력장치의 위치 계산부는, 물체의 가속도 및 오일러 각 정보에 따라서 절대 좌표계상의 물체의 가속도를 계산하는 가속도 계산부; 및 절대 좌표계상의 물체의 가속도를 적분하여 물체의 위치를 계산하는 적분기를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the position calculation unit of the above-described spatial input device, the acceleration calculation unit for calculating the acceleration of the object on the absolute coordinate system according to the acceleration of the object and Euler angle information; And an integrator that calculates the position of the object by integrating the acceleration of the object on the absolute coordinate system.
또한, 전술한 공간 입력 장치는, 물체의 움직임이 시작된 제 1 시점 및 움직임이 종료된 제 2 시점에서의 물체의 속도를 이용하여 가속도 오차를 계산하고, 위치 계산부에서 계산된 물체의 위치값에서 상기 가속도 오차를 이중적분한 값을 감산하여 물체의 위치 오차를 보상하는 위치오차 보상부를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the above-described spatial input device calculates an acceleration error using the velocity of the object at the first time point at which the movement of the object starts and the second time point at which the movement ends, and calculates the acceleration error from the position value of the object calculated by the position calculator. It is preferable to further include a position error compensator for compensating the position error of the object by subtracting the double integration of the acceleration error.
또한, 전술한 공간 입력 장치의 신호 추정부는, 물체의 움직임이 시작된 제 1 시점 및 움직임이 종료된 제 2 시점에서 측정된 가속도들을 선형 근사화하여, 물체가 움직이는 동안의 상기 소정 방향으로의 물체 가속도를 추정하는 것이 바람직하다.In addition, the signal estimator of the above-described spatial input device linearly approximates the accelerations measured at the first time point at which the movement of the object starts and the second time point at which the movement ends, thereby determining the object acceleration in the predetermined direction while the object is moving. It is desirable to estimate.
또한, 전술한 공간 입력 장치의 신호 추정부는, 측정된 가속도를 이용하여 상기 제 1 시점 및 제 2 시점에서의 오일러 각을 계산하고, 상기 계산된 오일러 각을 선형 근사화하여 물체가 움직이는 동안의 오일러 각을 추정하는 것이 더 바람직하다.In addition, the signal estimator of the above-described spatial input device calculates Euler angles at the first and second viewpoints by using the measured acceleration, and linearly approximates the calculated Euler angles so that the Euler angles while the object is moving. It is more preferable to estimate.
한편, 전술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 공간형 입력 방법은, (a) 공간상에서 물체가 이동할 때, 물체의 소정 방향에 직교하는 방향의 가속도를 측정하는 단계; (b) 물체의 가속도를 이용하여 물체의 움직임을 감지하고 움직임 정보를 생성하는 단계; (c) 물체의 가속도 및 움직임 정보를 이용하여 소정 방향으로의 물체의 가속도 및 물체의 자세 측정에 이용되는 오일러 각 정보를 추정하는 단계; 및 (d) 물체의 가속도 및 오일러 각 정보에 따라서 물체의 위치를 측정하는 단계를 포함한다.On the other hand, the spatial input method of the present invention for achieving the above technical problem, (a) when the object moves in space, measuring the acceleration in a direction orthogonal to the predetermined direction of the object; (b) detecting movement of the object using the acceleration of the object and generating motion information; (c) estimating Euler angle information used for measuring the acceleration of the object in a predetermined direction and the attitude of the object by using the acceleration and the motion information of the object; And (d) measuring the position of the object in accordance with the acceleration and Euler angle information of the object.
또한, 전술한 공간형 입력 방법의 (d) 단계는, (d1) 물체의 가속도 및 오일러 각 정보에 따라서 절대 좌표계상의 물체의 가속도를 계산하는 단계; 및 (d2) 절대 좌표계상의 물체의 가속도를 적분하여 물체의 위치를 계산하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.Further, step (d) of the above-described spatial input method may include: (d1) calculating the acceleration of the object on the absolute coordinate system according to the acceleration of the object and Euler angle information; And (d2) calculating the position of the object by integrating the acceleration of the object on the absolute coordinate system.
또한, 전술한 공간형 입력 방법은, (e) 물체의 움직임이 시작된 제 1 시점 및 움직임이 종료된 제 2 시점에서의 물체의 속도를 이용하여 가속도 오차를 계산하고, (d) 단계에서 계산된 물체의 위치값에서 상기 가속도 오차를 이중적분한 값을 감산하여 물체의 위치 오차를 보상하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. In addition, the above-described spatial input method, (e) calculates the acceleration error using the speed of the object at the first time the movement of the object and the second time the movement is terminated, calculated in step (d) The method may further include compensating for the position error of the object by subtracting a double integral value of the acceleration error from the position value of the object.
또한, 전술한 공간형 입력 방법의 (c) 단계는, 물체의 움직임이 시작된 제 1 시점 및 움직임이 종료된 제 2 시점에서 측정된 가속도들을 선형 근사화하여, 물체가 움직이는 동안의 상기 소정 방향으로의 물체 가속도를 추정하는 것이 바람직하다.In addition, the step (c) of the spatial input method described above may linearly approximate the accelerations measured at the first time point at which the movement of the object starts and the second time point at which the movement ends, so as to move in the predetermined direction while the object is moving. It is desirable to estimate the object acceleration.
또한, 전술한 공간형 입력 방법의 (c) 단계는, 측정된 가속도를 이용하여 제 1 시점 및 제 2 시점에서의 오일러 각을 계산하고, 계산된 오일러 각을 선형 근사화하여 물체가 움직이는 동안의 오일러 각을 추정하는 것이 바람직하다.In addition, in step (c) of the spatial input method, the Euler angles at the first time point and the second time point are calculated using the measured acceleration, and the Euler angles are linearly approximated to calculate the Euler angles while the object is moving. It is desirable to estimate the angle.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 는 3차원 공간인 절대 좌표계상에 위치한 본 발명이 구현된 전자펜(100)을 도시한 도면이고, 도 1b는 2축 가속도 센서(110)가 포함된 전자펜을 도시한 도면이다.FIG. 1A illustrates an electronic pen 100 in which an embodiment of the present invention is located on an absolute coordinate system in three-dimensional space, and FIG. 1B illustrates an electronic pen including a biaxial acceleration sensor 110.
본 발명에서 적용되는 절대 좌표계는 Z축 방향이 중력방향이고, X 축 및 Y 축이 서로 직교하는 좌표계이다. 한편, 전자펜의 동체 좌표계는 Z축이 전자펜의 길이 방향이고, X축 및 Y축이 서로 직교하며 2축 가속도 센서의 두 축과 각각 일치하도록 배열된 좌표계이다. 이하에서, 아래첨자 n 은 절대 좌표계를 나타내고, 아래첨자 b 는 동체 좌표계를 나타낸다.The absolute coordinate system applied in the present invention is a coordinate system in which the Z axis direction is the gravity direction and the X axis and the Y axis are orthogonal to each other. Meanwhile, the fuselage coordinate system of the electronic pen is a coordinate system in which the Z axis is the longitudinal direction of the electronic pen, the X axis and the Y axis are orthogonal to each other, and are arranged to coincide with the two axes of the 2-axis acceleration sensor. In the following, subscript n denotes an absolute coordinate system and subscript b denotes a fuselage coordinate system.
일반적인 INS 시스템에서 객체의 위치는 다음의 수학식 1 에 의해서 절대 좌표계에서의 물체의 가속도(An)를 구하고, 물체의 가속도를 적분하여 수학식 2 에 기재된 바와 같은 절대 좌표계에서의 물체의 속도를 구한 후, 물체의 속도를 적분하여 절대 좌표계에서 물체의 위치를 계산하게 된다.In the general INS system, the position of an object is obtained by calculating the acceleration (A n ) of the object in the absolute coordinate system by Equation 1 below, and integrating the acceleration of the object to obtain the velocity of the object in the absolute coordinate system as described in Equation 2 below. After the calculation, the velocity of the object is integrated to calculate the position of the object in the absolute coordinate system.
상기 수학식 1 및 수학식 2 에서 벡터 는 절대 좌표계에서의 물체의 위치를 나타내고, 벡터 는 절대 좌표계에서의 물체의 속도를 나타내며, 벡터 는 동체 좌표계에서의 물체의 가속도를 각각 나타낸다. 한편,는 방향 코사인 행렬로서 다음의 수학식 3과 같이 주어진다.Vectors in Equations 1 and 2 Represents the position of the object in the absolute coordinate system, and the vector Represents the velocity of the object in the absolute coordinate system, and the vector Denotes the acceleration of the object in the fuselage coordinate system, respectively. Meanwhile, Is a direction cosine matrix, and is given by Equation 3 below.
수학식 3에서 φ는 오일러 각의 롤각(roll)을 나타내며, φc 는 cos(φ)를, φs 는 sin(φ)를 각각 나타낸다. 마찬가지로, θ 는 오일러 각의 피치각(ptich)을 나타내고, θc 는 cos(θ)를, θs 는 sin(θ)를 각각 나타내며, Ψ는 오일러 각의 요각(yaw)을 각각 나타내고, Ψc 는 cos(Ψ)를, Ψs 는 sin(Ψ)를 각각 나타낸다.In Equation 3, φ represents a roll angle of Euler angle, φ c represents cos (φ), and φ s represents sin (φ), respectively. Similarly, θ represents the pitch angle (ptich) of the Euler angle, θ c represents the cos (θ), θ s represents the sin (θ), Ψ represents the yaw of the Euler angle, respectively, Ψ c Denotes cos (Ψ) and Ψ s denotes sin (Ψ), respectively.
상술한 바와 같이, 일반적인 INS 시스템에서 물체의 위치를 결정하기 위해서는 3축 가속도 센서에 의해서 얻어지는 동체 좌표계에서 물체의 가속도및 3축 각속도 센서에 의해서 얻어지는 오일러 각(롤각(φ), 피치각(θ), 및 요각(Ψ))이 필요하다. 본 발명은 상술한 바와 같이 2축 가속도 센서만을 이용하여 물체의 x축 가속도() 및 y축 가속도()를 측정하고, 측정된 x축 가속도() 및 y축 가속도()를 이용하여 나머지 측정값을 추정함으로써, 물체의 위치 정보에 따른 사용자의 입력을 얻는 방법 및 장치를 개시한다.As described above, in order to determine the position of an object in a general INS system, the acceleration of the object in the fuselage coordinate system obtained by the three-axis acceleration sensor And Euler angles (roll angle φ, pitch angle θ, and yaw angle Ψ) obtained by the triaxial angular velocity sensor. As described above, the present invention provides an x-axis acceleration ( ) And y-axis acceleration ( ) And measure the measured x-axis acceleration ( ) And y-axis acceleration ( Disclosed is a method and apparatus for obtaining a user's input according to position information of an object by estimating the remaining measured values using the "
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공간형 입력 장치의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 공간형 입력 장치는 동체 좌표계상의 물체의 x 축 및 y 축 가속도를 측정하는 센서부(210), 측정된 가속도를 이용하여 물체의 움직임 여부를 감지하는 움직임 감지부(220), 측정된 가속도를 이용하여 동체 좌표계의 z 축상의 가속도 및 오일러 각을 추정하는 신호 추정부(230), 측정된 가속도 및 추정된 가속도 및 오일러 각을 이용하여 물체의 절대 좌표계상의 가속도를 계산하는 가속도 계산부(240), 계산된 가속도를 적분하여 물체의 속도를 계산하는 제 1 적분기(250), 물제의 속도를 적분하여 물체의 위치를 계산하는 제 2 적분기(260), 및 영속도 보정(ZVC)을 수행하여 계산된 물체의 위치의 오차를 보상하는 위치오차 보상부(270)를 포함한다.2 is a block diagram showing the configuration of a spatial input device according to a preferred embodiment of the present invention. 2, the spatial input device of the present invention is a sensor unit 210 for measuring the x-axis and y-axis acceleration of the object on the body coordinate system, the motion detection unit for detecting the movement of the object using the measured acceleration 220, a signal estimator 230 estimating the acceleration and Euler angle on the z-axis of the fuselage coordinate system using the measured acceleration, and the acceleration on the absolute coordinate system of the object using the measured acceleration and the estimated acceleration and Euler angle Acceleration calculation unit 240 to calculate, the first integrator 250 to calculate the velocity of the object by integrating the calculated acceleration, the second integrator 260 to calculate the position of the object by integrating the velocity of the object, and zero velocity And a position error compensator 270 that compensates for the error of the position of the object calculated by performing the correction (ZVC).
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물체의 위치를 측정하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 3을 더 참조하면, 센서부(210)는 2축 가속도 센서를 포함하며, 물체의 움직임에 따른 동체 좌표계의 x 축 및 y 축 가속도값을 출력한다. 움직임 감지부(220)는 센서부(210)로부터 입력된 가속도 값을 이용하여 물체의 움직임을 감지한다(S310). 이를 위해서, 움직임 감지부(220)는 움직임이 시작되고 움직임이 종료되는 시점을 파악하기 위하여 소정의 임계값(δs,max 및δe,max)을 설정한다.3 is a flowchart illustrating a method of measuring the position of an object according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3 further, the sensor unit 210 includes a two-axis acceleration sensor, and outputs the x-axis and y-axis acceleration values of the fuselage coordinate system according to the movement of the object. The motion detector 220 detects the movement of the object by using the acceleration value input from the sensor 210 (S310). To this end, the motion detector 220 sets predetermined threshold values δ s, max and δ e, max to determine when the motion starts and the motion ends.
움직임 감지부(220)는 소정의 시간(T)마다 센서부(210)로부터 입력되는 가속도 값을 다음의 수학식 4 에 대입하고 움직임 시작 척도값(ms(t))을 구하여 움직임이 시작된 시간(ts=ksT)를 구한다.The motion detection unit 220 substitutes the acceleration value input from the sensor unit 210 at a predetermined time T into the following Equation 4, and obtains a motion start scale value m s (t) to start the motion. Find (t s = k s T).
움직임 감지부(220)는 ms(t)가 움직임 시작에 대응되는 임계값(δs,max)보다 크면, 움직임이 시작되었다고 판단하고, 그때의 시간 kT를 ts 로 설정하며, 그때의 가속도값 및 를 소정의 기억장소에 저장한다.If m s (t) is greater than the threshold value δ s, max corresponding to the start of motion, the motion detector 220 determines that the motion has started, and sets the time kT at that time to t s , and the acceleration at that time value And Is stored in a predetermined storage location.
움직임 감지부(220)는 동체 좌표계의 x 축 및 y 축 각각에 대해서, 움직임이 시작된 후부터 소정의 시간 간격(T)으로 측정된 D개의 측정 가속도 값들에 대한 분산값의 합을, 다음의 수학식 5에 따라서 움직임 종료 척도값(me(t))으로서 계산하고, me(t)가 움직임 종료 임계값(δe,max)보다 작으면 물체가 정지한 것으로 판단하여, 그때의 시간을 움직임이 종료된 시점으로 설정한 후(te=kT), 그때의 가속도 값들을 소정의 기억장소에 저장한다.The motion detector 220 adds the sum of the variance values of the D measured acceleration values measured at predetermined time intervals T from the start of the motion on each of the x and y axes of the fuselage coordinate system to the following equation. It is calculated as the movement end scale value (m e (t)) according to 5, and when m e (t) is smaller than the movement end threshold (δ e, max ), it is determined that the object is stationary, and the time at that time After the setting is completed (t e = kT), the acceleration values at that time are stored in a predetermined storage location.
수학식 4에서 이고, 이다.In equation (4) ego, to be.
한편, 신호 추정부(230)는 센서부(210)로부터 입력되는 가속도 값과 움직임 감지부(220)로부터 입력되는 ts 및 te를 이용하여, 물체가 움직이는 동안의 위치 계산에 필요한 신호값들을 추정한다(S320). 상술한 바와 같이, 본 발명이 기반한 INS 시스템에서 물체의 위치를 측정하기 위해서는 상술한 수학식 1 및 2를 이용해야 하는데, 본 발명의 경우에 물체가 움직이는 동안(ts < t < te), 센서부(210)에서 입력된 측정값은 x축 가속도() 및 y축 가속도() 뿐이므로, 수학식 1 및 2를 계산하기 위해서 필요한 z 축방향의 가속도() 및 오일러각들을 추정해야 한다.On the other hand, the signal estimator 230 uses the acceleration value input from the sensor unit 210 and the t s and t e input from the motion detection unit 220 to obtain signal values necessary for calculating a position while the object is moving. It is estimated (S320). As described above, in order to measure the position of an object in the INS system based on the present invention, Equations 1 and 2 described above should be used. In the case of the present invention, while the object moves (t s <t <t e ), The measured value input from the sensor unit 210 is the x-axis acceleration ( ) And y-axis acceleration ( ), The acceleration in the z-axis ( ) And Euler angles should be estimated.
신호 추정부(230)는 움직임이 시작되는 시점(ts) 및 움직임이 종료되는 시점(te)에서의 측정된 가속도 값들( 및 )을 이용하여 나머지 값들을 추정하는데, 먼저 다음의 수학식 6을 이용하여 z 축방향의 가속도()를 계산한다.The signal estimator 230 measures acceleration values measured at a time point t s at which the movement starts and a time point t e at which the movement ends. And ) To estimate the remaining values. First, the acceleration in the z-axis direction (Equation 6) Calculate
물체가 정지한 상태에서 측정되는 가속도는 중력가속도 g=9.8m/s2 이므로, 정지 상태인 ts 및 te 에서 가 성립하고, 이를 풀면 상술한 수학식 6이 유도된다. 일반적으로 본 발명이 구현될 전자펜은 정지상태에서 지면을 향하는 것이 일반적이므로, 상술한 수학식 6 은 적용가능하다.The acceleration measured with the object at rest is gravitational acceleration g = 9.8 m / s 2, so at the stationary states t s and t e Is true, and the above equation is derived. In general, since the electronic pen to which the present invention is implemented is generally directed toward the ground in a stationary state, Equation 6 described above is applicable.
신호 추정부(230)는 물체가 움직이는 동안(ts < t < te)의 z 축 방향의 가속도를 다음의 수학식 7을 이용하여 선형으로 근사화한다.The signal estimator 230 linearly approximates the acceleration in the z-axis direction while the object moves (t s <t <t e ) using Equation 7 below.
한편, 신호 추정부(230)는 INS의 일반식으로부터 다음의 수학식 8을 이용하여 물체가 정지한 상태인 ts 및 te 에서 피치각을 추정하고, 추정된 피치각을 이용하여 다음의 수학식 9 에 따라서 물체가 정지한 상태인 ts 및 te 에서 롤각을 계산한다.On the other hand, the signal estimator 230 estimates the pitch angle at t s and t e in which the object is stationary using Equation 8 from the general formula of INS, and uses the estimated pitch angle to calculate the following equation. According to equation 9, the roll angle is calculated from t s and t e where the object is at rest.
한편, 종래기술에 따른 실험 결과에 따르면, 사용자의 필기 내용 복원에 있어서, 요각(Ψ)은 다른 오일러 각에 비하여 영향이 적으므로, 신호 추정부(230)는 요각(Ψ)을 0으로 설정한다. 따라서, 신호 추정부(230)는 상술한 z축 가속도와 마찬가지로 물체가 움직이는 동안(ts < t < te)의 롤각 및 피치각을 다음의 수학식 10을 이용하여 선형으로 근사화한다.On the other hand, according to the experimental results according to the prior art, in the restoration of the user's writing content, since the yaw angle Ψ has less effect than other Euler angles, the signal estimator 230 sets the yaw angle Ψ to zero. . Therefore, the signal estimator 230 linearly approximates the roll angle and pitch angle during the moving of the object (t s <t <t e ) similarly to the z-axis acceleration described above by using Equation 10 below.
수학식 10에서 Φ는 [φ,θ]T 를 나타낸다.In Equation 10, Φ represents [φ, θ] T.
한편, 가속도 계산부(240)는 센서부(210) 및 신호 추정부(230)로부터 입력된 신호값들을 이용하여 움직임 구간동안의 위치를 계산한다(S330). 구체적으로, 가속도 계산부(240)는 센서부(210)로부터 측정된 동체 좌표계의 x 축방향 가속도 및 y 축 방향 가속도를 입력받고, 신호 추정부(230)로부터 z 축방향 가속도 및 오일러 각들을 입력받아, 상술한 수학식 3에 따라서 방향 코사인 매트릭스를 계산한다. 그 후, 방향 코사인 매트릭스 및 동체 좌표계상의 가속도 값들을 이용하여 상술한 수학식 1 에 따라서 절대 좌표계상의 가속도를 계산하여 제 1 적분기(250)로 출력한다(S332).Meanwhile, the acceleration calculator 240 calculates a position during the movement section using the signal values input from the sensor 210 and the signal estimator 230 (S330). In detail, the acceleration calculator 240 receives the x-axis acceleration and the y-axis acceleration of the fuselage coordinate system measured by the sensor unit 210, and inputs the z-axis acceleration and the Euler angles from the signal estimator 230. The direction cosine matrix is calculated according to the above equation (3). Thereafter, the acceleration on the absolute coordinate system is calculated and output to the first integrator 250 using the direction cosine matrix and the acceleration values on the body coordinate system (S332).
제 1 적분기(250)는 가속도 계산부(240)로부터 입력된 가속도에 대해서 단적분을 수행하여 이동중인 물체의 속도를 계산하여 출력한다. 또한 제 2 적분기(260)는 제 1 적분기(250)로부터 입력된 물체의 속도에 대해서 적분을 수행하여 이동중인 물체의 위치()를 출력한다(S334).The first integrator 250 calculates and outputs a velocity of a moving object by performing a step integral on the acceleration input from the acceleration calculator 240. In addition, the second integrator 260 performs an integration on the velocity of the object input from the first integrator 250 so that the position of the moving object ( ) Is output (S334).
그러나, 상술한 바와 같이 본 발명의 절대 좌표계상의 가속도 계산에 이용된 z 축 방향의 가속도 및 오일러 각들은 추정된 값들이므로, 계산된 물체의 위치에는 상당한 오차가 포함되어 있다. 따라서, 위치오차 보상부(270)는 움직임 감지부(220)로부터 물체가 움직이기 시작한 시간(ts) 및 물체의 움직임이 종료된 시간(te)을 입력받고, 제 1 적분기(250)로부터 물체의 속도를 입력받아 계산된 물체의 위치 오차를 보상한다(S340). 직관적으로, ts 및 te 에서 물체의 속도는 0 이 된다는 것을 알 수 있다. 한편, 측정되는 가속도의 오차가 모든 시간에 대해서 동일하다고 가정하면, ts 과 te 간의 시간에서 속도의 증가율, 즉 일정한 가속도 오차()는 다음의 수학식 11과 같이 구할 수 있다.However, as described above, since the acceleration and Euler angles in the z-axis direction used in the acceleration calculation on the absolute coordinate system of the present invention are estimated values, the calculated position of the object includes a significant error. Accordingly, the position error compensator 270 receives a time t s at which the object starts to move and a time t e at which the movement of the object ends from the motion detector 220, and receives the input signal from the first integrator 250. Compensating the position error of the calculated object by receiving the speed of the object (S340). Intuitively, it can be seen that the velocity of the object becomes zero at t s and t e . On the other hand, assuming that the error of acceleration measured is the same for all times, the rate of increase of velocity in the time between t s and t e , that is, a constant acceleration error ( ) Can be obtained as in Equation 11 below.
수학식 11에서 이며, 은 제 1 적분기(250)에서 계산된 물체의 속도이다. 위치오차 보상부(270)는 다음의 수학식 12와 같이 제 2 적분기(260)에서 출력된 물체의 위치에서 가속도 오차의 누적으로 인한 위치값을 감산하여 위치 오차를 보정한 물체의 위치()를 출력한다.In equation (11) Is, Is the velocity of the object calculated in the first integrator 250. The position error compensator 270 subtracts the position value due to the accumulation of the acceleration error from the position of the object output from the second integrator 260 as shown in Equation 12 below to correct the position error ( )
도 4 는 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 입력 복원 장치의 성능을 종래의 다른 입력 복원 장치와 비교한 도면이다. 성능 비교를 위해서, 0부터 9까지의 숫자와 A부터 Z 까지의 알파벳을 기록하였다. Wacom tablet에 의해서 측정된 결과(파란색으로 도시됨)를 기준으로 삼아, 3개의 가속도 센서 및 3개의 자이로 센서를 이용한 경우(녹색으로 도시됨), 3개의 가속도 센서를 이용한 경우(빨간색으로 도시됨), 및 본 발명에 따른 경우(cyan 색으로 도시됨)를 각각 도시하였고, 정성적 성능 비교를 위해서 비교 척도(J)를 다음의 수학식 13과 같이 정의하였다.4 is a view comparing the performance of the input restoration apparatus according to the present invention as described above with other conventional input restoration apparatus. For performance comparison, the numbers 0 through 9 and the letters A through Z were recorded. Based on the results measured by the Wacom tablet (shown in blue), using three acceleration sensors and three gyro sensors (shown in green), and using three acceleration sensors (shown in red) , And the case according to the present invention (shown in cyan color) are respectively shown, and for the purpose of qualitative performance comparison, the comparison scale J is defined as in Equation 13 below.
상기 수학식 13에서 Ltablet 은 Wacom tablet에 의해서 측정된 사용자의 필기 길이를 의미하고, L 은 본 발명 및 종래 기술에 의해서 측정된 사용자의 필기 길이를 의미한다. 상기 수학식 13에 의해서 계산한 결과, 3개의 가속도 센서 및 3개의 자이로 센서를 이용한 방법의 평균 성능은 9.119를, 3개의 가속도 센서를 이용한 방법의 평균 성은은 12.3459를, 본 발명에 따른 평균 성능은 12.416을 각각 기록하였다. 따라서, 3개의 가속도 센서를 이용한 방법과 2개의 가속도 센서만을 이용한 본 발명은 거의 동일한 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.In Equation 13, L tablet means a user's handwriting length measured by Wacom tablet, and L means a user's handwriting length measured by the present invention and the prior art. As calculated by Equation 13, the average performance of the method using three acceleration sensors and three gyro sensors is 9.119, the average performance of the method using three acceleration sensors is 12.3459, and the average performance according to the present invention is 12.416 were recorded respectively. Therefore, it can be seen that the method using three acceleration sensors and the present invention using only two acceleration sensors exhibit almost the same performance.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플라피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The invention can also be embodied as computer readable code on a computer readable recording medium. The computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like, which are also implemented in the form of a carrier wave (for example, transmission over the Internet). It also includes. The computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.
본 발명에 따르면, 2개의 가속도 센서만을 이용하여 물체의 3차원 위치를 측정하여 사용자가 의도한 정보를 입력하는 것이 가능하다. 특히, 2개의 가속도 센서만을 이용하므로, 시스템의 소형화 및 시스템 가격의 저렴화를 달성할 수 있다.According to the present invention, it is possible to input the information intended by the user by measuring the three-dimensional position of the object using only two acceleration sensors. In particular, since only two acceleration sensors are used, it is possible to achieve miniaturization of the system and reduction in system cost.
도 1a 는 3차원 공간인 절대 좌표계상에 위치한 본 발명이 구현된 전자펜을 도시한 도면이고, 도 1b는 2축 가속도 센서가 포함된 전자펜을 도시한 도면이다.FIG. 1A illustrates an electronic pen in which an embodiment of the present invention is implemented on an absolute coordinate system in three-dimensional space, and FIG. 1B illustrates an electronic pen including a two-axis acceleration sensor.
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공간형 입력 장치의 구성을 도시한 블록도이다.2 is a block diagram showing the configuration of a spatial input device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공간형 입력 방법을 설명하는 흐름도이다. 3 is a flowchart illustrating a spatial input method according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4 는 본 발명에 따른 공간형 입력 장치의 성능을 종래 기술과 비교한 도면이다.4 is a view comparing the performance of the spatial input device according to the present invention with the prior art.
Claims (17)
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