CN101178615A - 姿态及运动感应系统及使用该系统的便携式电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种运用于手机、游戏设备等便携式设备的姿态及运动感应系统。该系统包括二轴或三轴加速度计和诸如磁罗盘的三轴磁传感器，可以集成到便携式电子设备中。从加速度计和磁传感器得到的姿态数据经过数据处理单元计算出姿态角和转动角后，再转换为输入信号用于便携式电子设备的特定应用程序。

Description

姿态及运动感应系统及使用该系统的便携式电子设备

技术领域

本发明涉及电子元件的输入技术，尤其是能产生和其姿态相匹配的输入信号，或者通过其自带的应用程序实现输入信号随姿态变化的电子元件或设备。

背景技术

便携式设备包括便携式无线设备，例如移动电话、手机、无绳电话、文本信息设备、寻呼机、对讲机、便携式导航系统、袖珍音乐播放器、便携式影碟机、便携式多媒体设备、掌上电脑、小型游戏的使用在人们的日常生活中越来越普遍。随着科技的发展，便携式电子设备的应用范围越来越广，集成化程度也越来越高，而体积和重量却越来越小。一般情况下，用户的指令输入和电源往往占据了便携式设备的大部分体积和重量。

用户和电子设备的人机交互部分，特别是用户指令输入界面，对便携式设备的操作及可操作性非常重要。通常情况下，将用户指令及数据输入到便携式设备中会使用到这些输入设备：键盘或小型键盘、鼠标、操纵杆、控制笔、数字笔。滚动或导航菜单，方向键、滚轮、游戏手柄和其他设备也可以包括在内。

随着便携式设备技术的成熟，其体积也越来越小，但传统的键区、箭头按钮、滚轮或数字笔/铁笔等输入设备如果其组成部分过小，显得极不方便和不易制备，有的则丧失了其娱乐性。在更为复杂的菜单、三维地图和高端游戏上，尤其需要成熟导航技术。

像加速度计、重力加速度计、陀螺之类运动感应设备的发展，并将它们集成到便携式设备中来产生输入信号数据在其他专利中已有提出。例如，美国专利7,138,979提出了基于便携式设备的指向角度产生输入信号的方法和系统。通过使用照相机、陀螺、加速度计来感应设备在空间的指向变化，进一步产生反映此变化的位置信号。输入信号可以移动鼠标并控制游戏等等。

美国专利2006/0046848提出了一种装有振动陀螺仪的游戏机。当转动设备时，由于Coriolis力作用引起振动变化，振动陀螺仪由振动变化得到角速率。该陀螺仪可以测出垂直于游戏屏幕的轴所产生的转动角速度。通过角速度，二维的转动角度就可以通过计算求出。但这种陀螺仪价格昂贵，体积和重量也相对偏大。而且只能测出便携设备二维的旋转角而不是三维的姿态。

发明内容

本发明的目的在于设计一种价格低廉、能够产生输入信号数据的姿态及运动感应系统及使用该系统的便携式电子设备，它们相对传统的陀螺仪设备要求体积更小，重量更轻。

按照本发明提供的技术方案，所述姿态及运动感应系统包括有可执行的应用程序，其特征在于，

该系统还包括：

提供第一组关于便携式电子设备姿态变化信号的三轴加速度计；

提供第二组关于便携式电子设备姿态变化信号的三轴磁传感器；

其中所述三轴磁传感器指磁罗盘。

还包括一个信号处理单元，经过对第一组信号和第二组信号的处理后，提供姿态角和转动角速度的信号数据。

该信号处理单元包括：

用于计算横滚角、俯仰角和航向角以及上述第一组和第二组信号中X轴、Y轴和Z轴角度变换的数据处理单元。

其中的信号单元包括模数转换部分。

还包括一个转换器，用于将航向角、横滚角、俯仰角以及X轴、Y轴和Z轴的转动角度转换成输入信号数据，这些数据可以被上述应用程序执行。

其中的应用程序包括三维导航地图、三维游戏程序、导航菜单程序、用户触摸程序。设备包括便携式无线设备、移动电话、手机、无绳电话、文本信息设备、寻呼机、对讲机、便携式导航系统、袖珍音乐播放器、便携式影碟机、便携式多媒体设备、掌上电脑、小型游戏机。

一种姿态及运动感应系统所用的便携式电子设备，包括在该设备上可执行的应用程序，其特征在于，

一种姿态及运动感应系统包括：

提供第一组关于便携式电子设备姿态变化信号的三轴加速度计，

提供第二组关于便携式电子设备姿态变化信号的三轴磁传感器。

所述应用程序包括三维导航地图、三维游戏程序、导航菜单程序、用户触摸程序。设备包括便携式无线设备、移动电话、手机、无绳电话、文本信息设备、寻呼机、对讲机、便携式导航系统、袖珍音乐播放器、便携式影碟机、便携式多媒体设备、掌上电脑、小型游戏机。

还包括一种为该应用程序产生输入信号的输入系统，该输入系统包括：

存储器，用于存储应用程序、输入信号的计算程序及校正程序；

集成到该设备上的加速度计，可以连续产生设备的俯仰角和横滚角；

集成到该设备上的磁传感器，可以连续产生设备的航向角；

与存储器、加速度计和磁传感器配套运行的处理器，用来执行应用程序，输入信号的计算程序，以及对来自加速度计和磁传感器的信号进行校正的程序；

其中所述磁传感器指磁罗盘。

所述应用程序包括便携式电子设备的三维导航地图程序、三维游戏程序、导航菜单程序、用户触摸程序。

该设备还包括无线通信模块、多媒体模块、全球定位导航系统模块中的一种或两种以上组合。

一种将与惯性姿态及惯性姿态变化相对应的输入信号提供给在设备上执行的应用程序的方法，其特征是，该方法包括：

将二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器集成到执行应用程序的设备上；

使用二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器感应到设备的加速度或磁场应力中的一个或全部；

产生上述输入信号，与上述加速度和磁场应力相对应；

提供上述输入信号给应用程序，使应用程序做出相应的处理；

其中集成在该设备上的磁传感器指磁罗盘。

所述应用程序包括导航地图、游戏程序、用户触摸程序；所述设备包括便携式无线设备、移动电话、手机、无绳电话、文本信息设备、寻呼机、对讲机、便携式导航系统、袖珍音乐播放器、便携式影碟机、便携式多媒体设备、掌上电脑、小型游戏机。

一种用来确定空间物体惯性姿态及惯性姿态变化，并改变空间物体上执行的应用程序操作的方法，其特征是，该方法包括：

将二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器集成到该物体上；

利用二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器感测物体的惯性姿态及角速度；

产生与上述惯性姿态及角速度相应的输入信号；

提供上述输入信号给应用程序，使应用程序做出相应的处理；

其中集成在该设备上的磁传感器指磁罗盘。

其中的应用程序包括导航地图、游戏程序、用户触摸程序；设备包括便携式无线设备、移动电话、手机、无绳电话、文本信息设备、寻呼机、对讲机、便携式导航系统、袖珍音乐播放器、便携式影碟机、便携式多媒体设备、掌上电脑、小型游戏机。

一种将惯性姿态及惯性姿态变化相对应的输入信号提供给在设备上执行的应用程序的方法，其特征是，该方法包括：

将二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器集成到该物体上；

感应该设备的惯性姿态；

当该设备转动时产生一个角速度信号；

产生一个和角速度信号相对应的输入信号；

将输入信号提供给应用程序，上述应用程序做出相应的改变操作；

其中集成在该设备上的磁传感器指磁罗盘。

一种产生输入信号并传递给在便携式电子设备上执行的应用程序的方法，其特征是，该方法包括：

将二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器集成到该设备上；

使得二轴或三轴加速度计产生第一组信号，该信号与便携式设备的姿态变化相对应；

使得三轴磁传感器产生第二组信号，该信号与便携式设备的姿态变化相对应；

处理第一组和第二组信号；

利用第一组和第二组信号，计算横滚角、俯仰角和航向角，以及X轴、Y轴和Z轴的转动角度；

将上述横滚角、俯仰角和航向角，以及X轴、Y轴和Z轴的转动角度转换成应用程序的输入信号；

其中集成在该设备上的磁传感器指磁罗盘。

本发明的优点是：二轴或三轴加速度计及三轴陀螺这些传统的姿态感应设备可以提供完整的运动状态，如俯仰角、横滚角和偏航角。加速度计的价格越来越低，而陀螺由于其复杂的技术和制造工艺，价格远远高于加速度计。

另外，在理想的自由空间，也就是说，在无重力无磁场的情况下，可以使用二轴或三轴加速度计和三轴陀螺来收集六自由度的运动信息。但事实上，不同于无重力无磁场的理想自由空间，地球上始终存在重力和磁场，因此可以使用磁场感应设备来代替陀螺从而降低成本。

在消费领域的应用上，成本是最根本的重要影响因素，低成本的解决方案是成功实现商业化的关键。提供一种姿态和运动感应设备来测量三个互相垂直轴向的磁场强度及加速度，从而确定空间物体的姿态及姿态变化。

附图说明

图1是空间刚体姿态角图。

图2是输入信号产生过程图。

图3是使用本技术的三维地图导航。

图4是使用本技术的飞行模拟游戏。

图5是根据本发明为应用程序提供姿态和姿态变化信号的流程图。

具体实施方式

本发明涉及一种用来感应物体姿态的姿态感应设备和感应物体姿态变化的运动感应设备。姿态及运动的感应设备包括三轴的磁传感器及二轴或三轴加速度计。更准确地说，输入信号由姿态及运动的感应设备(三轴的磁传感器及二轴或三轴加速度计)产生。

磁场感应设备

刚体10的空间姿态可以被描述成三个角度：航向角、横滚角和俯仰角(见图1)，一般情况下，这些角度以当地水平面为参考平面，例如，垂直于地球重力的平面或是地球的黄道平面。航向角(α)指在当地水平面上从真北方向顺时针转到刚体10机头方向间的夹角。俯仰角(Φ)指物体纵轴和当地水平面形成的一个角度。在航天应用领域，正俯仰角通常指机头向上，负俯仰角指机头向下。横滚角(θ)指横轴与当地水平面之间的转动角度。习惯上，航天应用中的正横滚角指“右翼向下”，负横滚角指“右翼向上”。

根据现有的技术，三轴磁传感器，如陀螺仪，可以用来测量X轴、Y轴和Z轴所分别对应的磁场应力M_x、M_y、M_z。三轴加速度计则可以用来测X轴、Y轴和Z轴所分别对应的加速度A_x、A_y、A_z.。这样，空间物体10的俯仰角可以用下列公式进行计算：

                    φ＝sin^-1(-A_x/g)            (1)

空间物体10的横滚角可以用下列公式进行计算：

                    θ＝sin^-1[A_y/(g·cosφ)]    (2)

其中g指重力加速度。

因此，无需磁传感器，利用二轴或三轴加速度计提供的A_x、A_y计就可以得到俯仰角和横滚角。

计算航向角稍显复杂，加速度计和磁传感器的数据都要用到。更准确地，航向角可以利用下式计算得到：

              M_xh＝M_x·cosφ+M_y·sinθ·sinφ+M_z·cosθ·sinφ

                   M_yh＝M_y·cosθ-M_z·sinθ     (3)

                        α＝tan^-1(M_yh/M_xh)

其中，M_xh指换算到水平面内的X轴分量，M_yh指换算到水平面内地Y轴分量。与航向角、俯仰角和横滚角相关的角速度可以由角度变化的时间分别计算得到：

${\mathrm{\ω}}_x=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}};{\mathrm{\ω}}_y=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}};{\mathrm{\ω}}_z=\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

这里，ω_x、ω_y、ω_z分别指物体X轴、Y轴和Z轴的转动角速度。

在传统使用过程中，陀螺仪是惯性姿态感应系统提供航向角的重要组成部分。本发明指出了一种方法，该方法可以使用磁罗盘得到航向角和航向角转动角速度。

与陀螺仪相比，磁罗盘可以像测量惯性姿态位置一样感应航向角、横滚角和俯仰角的转动角速度。事实上，陀螺仪并不提供绝对角度位置信息，只是提供角度位置相对变化的信息。

和磁罗盘相比，陀螺仪相对来说体积太大。例如，一个三轴磁罗盘可以制造成小到0.2英寸×0.2英寸×0.04英寸(大约为5mm×5mm×1.2mm)。而具备相同性能的陀螺仪的体积则明显大很多。

图2是典型的输入信号发生系统20。当感应设备22、24的姿态发生变化，也就是说，感应设备的X轴、Y轴和Z轴至少有一轴转动，感应设备22、24产生一个和所测到的磁场应力M_x、M_y、M_z及加速度A_x、A_y、A_z.相对应的输出信号。磁传感器22测得M_x、M_y、M_z，加速度计24测得A_x、A_y、A_z.。

磁场应力和加速度的六个参数传输到处理单元25。该处理单元可以集成到一个或多个的感应设备22和24中，也可以是独立、本地或远程设备。处理单元25包括信号处理单元和数据处理单元，用于处理测得的参数。例如，处理单元25可以包括类似用于A/D转换的模数转换器26和用于数据处理的数据处理单元28。

数据处理单元28可以使用上述的1-4等式计算出姿态角α、Φ、θ和角速度ω_x、ω_y、ω_z。这些数据输入到转换单元29后转换成输入信号27。输入信号27传递给电子处理设备21，该设备包括将姿态角和角速度变为运动状态的应用或驱动程序。

在重力不为零时，横滚角、俯仰角和航向角的转动也可以利用加速度计X、Y方向的倾斜角及上述式(1)、式(2)求出。

本发明的典型用法如下：

磁罗盘在手机30中的应用如图3所示。本公开说明的目的是，手机30可以进一步地运行三维地图程序，也可以让用户全方位地旋转手机(从而产生虚拟地图)。传统手机，不管是否带有陀螺仪或磁场感应，都需要至少六个输入设备，例如，完成输入信号产生的按钮：两个X轴旋转的按钮，两个Y轴旋转的按钮，两个Z轴旋转的按钮。

如果带上一个作为磁场感应设备的磁罗盘，那么，方向键就不再需要。更明确地说，当手机30旋转时，通过磁罗盘，就可以得到横滚角、俯仰角和航向角(α，Φ和θ)。对传感器输出信号进行计算后，经过处理可以得到姿态角(α、Φ和θ)和角速度(ω_x、ω_y、ω_z)。姿态角和角速度输入转换单元29中，从而将它们转换成适合应用程序21的输入信号27。

总而言之，产生输入信号27并不需要方向键。只要对手机30做简单的姿态变化就可以产生传感信号，即M_x、M_y、M_z、A_x、A_y和A_z。当应用程序是三维地图的应用时，地图可以进行三维转动，面板上传统的导航按钮不再需要。因此，原先用来导航的面板区域可以作其他用途，或者可以把手机30做的更小。

图4为在便携式游戏机上执行飞行模拟游戏的应用。尽管游戏机40是一款飞行模拟器，但对于传统功能，本发明的这种涉及三维和姿态控制的游戏机40和游戏程序都是适用的。

用来控制飞机姿态角的传统游戏机需要无数的输入设备，例如：安装在游戏设备表面的按钮或者也可以是和游戏设备配套的手柄。与之相对的，本发明运用了一个磁罗盘和一个加速度计，沿着X轴、Y轴和Z轴中的一个或两个以上方向进行旋转，游戏机就可以产生飞机的姿态输入信号，该信号可以用来控制飞机的姿态。

上述的姿态及运动感应系统和带有此系统的电子设备，向应用程序提供姿态和姿态变化输入信号的方法，确定物体的惯性姿态及惯性姿态变化的方法，该物体上执行的应用程序对操作进行改变的方法，产生便携式电子设备上的应用程序输入信号的方法都将作进一步描述。参考流程图5和图2，该方法包括将一个二轴或三轴加速度计和一个三轴磁传感器集成到电子设备中(第一步)，再使得该二轴或三轴加速度计产生第一组信号(第二步A)，使得该三轴磁传感器，如磁罗盘产生第二组信号(第二步B)。

由二轴或三轴加速度计产生的第一组信号与加速度及其在X，Y，Z方向变化相对应，A_x、A_y、A_z与便携式电子设备上的惯性姿态变化成正比。同样的，由三轴磁传感器产生的第二组信号和磁感应强度在X轴、Y轴和Z轴上的变化相对应，M_x、M_y、M_z与便携式电子设备的惯性姿态变化也成正比。

接下来处理这两组信号(第三步)，包括使用A/D转换器将模拟信号转变为数字信号。数字信号可以进一步地处理，如通过处理单元，对航向角、横滚角和俯仰角进行计算，也就是对设备惯性姿态及其变化，X轴、Y轴和Z轴的转动(第四步)及其变化的计算。

经过计算的航向角、横滚角和俯仰角及各角度的转动均转换成与便携式电子设备上执行的应用程序相兼容的输入信号(第五步)。更精确地说，经过计算得到的航向角、横滚角和俯仰角各角度的转动被转化成用来改变应用程序操作的输入信号。

例如，在三维图象操作的使用过程中，加速度和磁场应力计算后能够用来描述三维图象的运动及X轴、Y轴和Z轴的转动。这样，当便携式电子设备转动其惯性轴时，部分或全部的加速度和磁场应力将会改变，被转换为关于角度转动的航向角、横滚角和俯仰角。当这些变化转为输入信号传递给便携式电子设备上的应用程序时，三维图象就移动到与便携式电子设备转动输入信号对应的位置。

Claims (16)

1.一种姿态及运动感应系统，包括有可执行的应用程序，其特征在于，

该系统还包括：

提供第一组关于便携式电子设备姿态变化信号的三轴加速度计；

提供第二组关于便携式电子设备姿态变化信号的三轴磁传感器；

其中所述三轴磁传感器指磁罗盘。

2.如权利要求1所述的姿态及运动感应系统，其特征是，还包括一个信号处理单元，经过对第一组信号和第二组信号的处理后，提供姿态角和转动角速度的信号数据。

该信号处理单元包括：

用于计算横滚角、俯仰角和航向角以及上述第一组和第二组信号中X轴、Y轴和Z轴角度变换的数据处理单元。

3.如权利要求2所述姿态及运动感应系统，其特征是：其中的信号单元包括模数转换部分。

4.如权利要求2所述姿态及运动感应系统，其特征是：还包括一个转换器，用于将航向角、横滚角、俯仰角以及X轴、Y轴和Z轴的转动角度转换成输入信号数据，这些数据可以被上述应用程序执行。

5.如权利要求1所述姿态及运动感应系统，其特征是：其中的应用程序包括三维导航地图、三维游戏程序、导航菜单程序、用户触摸程序。设备包括便携式无线设备、移动电话、手机、无绳电话、文本信息设备、寻呼机、对讲机、便携式导航系统、袖珍音乐播放器、便携式影碟机、便携式多媒体设备、掌上电脑、小型游戏机。

6.一种姿态及运动感应系统所用的便携式电子设备，包括在该设备上可执行的应用程序，其特征在于，

一种姿态及运动感应系统包括：

提供第一组关于便携式电子设备姿态变化信号的三轴加速度计，

提供第二组关于便携式电子设备姿态变化信号的三轴磁传感器。

7.如权利要求6所述姿态及运动感应系统所用的便携式电子设备，其特征是，所述应用程序包括三维导航地图、三维游戏程序、导航菜单程序、用户触摸程序。设备包括便携式无线设备、移动电话、手机、无绳电话、文本信息设备、寻呼机、对讲机、便携式导航系统、袖珍音乐播放器、便携式影碟机、便携式多媒体设备、掌上电脑、小型游戏机。

8.如权利要求6所述姿态及运动感应系统所用的便携式电子设备，其特征是，还包括一种为该应用程序产生输入信号的输入系统，该输入系统包括：

存储器，用于存储应用程序、输入信号的计算程序及校正程序；

集成到该设备上的加速度计，可以连续产生设备的俯仰角和横滚角；

集成到该设备上的磁传感器，可以连续产生设备的航向角；

与存储器、加速度计和磁传感器配套运行的处理器，用来执行应用程序，输入信号的计算程序，以及对来自加速度计和磁传感器的信号进行校正的程序；

其中所述磁传感器指磁罗盘。

9.如权利要求6或8所述姿态及运动感应系统所用的便携式电子设备，其特征是，所述应用程序包括便携式电子设备的三维导航地图程序、三维游戏程序、导航菜单程序、用户触摸程序。

10.如权利要求6或8所述姿态及运动感应系统所用的便携式电子设备，其特征是，该设备还包括无线通信模块、多媒体模块、全球定位导航系统模块中的一种或两种以上组合。

11.一种将与惯性姿态及惯性姿态变化相对应的输入信号提供给在设备上执行的应用程序的方法，其特征是，该方法包括：

将二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器集成到执行应用程序的设备上；

使用二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器感应到设备的加速度或磁场应力中的一个或全部；

产生上述输入信号，与上述加速度和磁场应力相对应；

提供上述输入信号给应用程序，使应用程序做出相应的处理；

其中集成在该设备上的磁传感器指磁罗盘。

12.如权利要求11所述的方法，其特征是，所述应用程序包括导航地图、游戏程序、用户触摸程序；所述设备包括便携式无线设备、移动电话、手机、无绳电话、文本信息设备、寻呼机、对讲机、便携式导航系统、袖珍音乐播放器、便携式影碟机、便携式多媒体设备、掌上电脑、小型游戏机。

13.一种用来确定空间物体惯性姿态及惯性姿态变化，并改变空间物体上执行的应用程序操作的方法，其特征是，该方法包括：

将二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器集成到该物体上；

利用二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器感测物体的惯性姿态及角速度；

产生与上述惯性姿态及角速度相应的输入信号；

提供上述输入信号给应用程序，使应用程序做出相应的处理；

其中集成在该设备上的磁传感器指磁罗盘。

14.如权利要求13所述的方法，其中的应用程序包括导航地图、游戏程序、用户触摸程序；设备包括便携式无线设备、移动电话、手机、无绳电话、文本信息设备、寻呼机、对讲机、便携式导航系统、袖珍音乐播放器、便携式影碟机、便携式多媒体设备、掌上电脑、小型游戏机。

15.一种将惯性姿态及惯性姿态变化相对应的输入信号提供给在设备上执行的应用程序的方法，其特征是，该方法包括：

将二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器集成到该物体上；

感应该设备的惯性姿态；

当该设备转动时产生一个角速度信号；

产生一个和角速度信号相对应的输入信号；

将输入信号提供给应用程序，上述应用程序做出相应的改变操作；

其中集成在该设备上的磁传感器指磁罗盘。

16.一种产生输入信号并传递给在便携式电子设备上执行的应用程序的方法，其特征是，该方法包括：

将二轴或三轴加速度计和三轴磁传感器集成到该设备上；

使得二轴或三轴加速度计产生第一组信号，该信号与便携式设备的姿态变化相对应；

使得三轴磁传感器产生第二组信号，该信号与便携式设备的姿态变化相对应；

处理第一组和第二组信号；

利用第一组和第二组信号，计算横滚角、俯仰角和航向角，以及X轴、Y轴和Z轴的转动角度；

将上述横滚角、俯仰角和航向角，以及X轴、Y轴和Z轴的转动角度转换成应用程序的输入信号；

其中集成在该设备上的磁传感器指磁罗盘。

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