CN101480061B

CN101480061B - 多部分设备中的定向感测

Info

Publication number: CN101480061B
Application number: CN2007800234553A
Authority: CN
Inventors: 汉斯·M·B·波依; 特尼斯·J·伊金克
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: WO2008007261A2; CN101480061A; WO2008007261A3; US20090239586A1; US7958644B2

Abstract

一种设备，包括：第一部分(1)，其具有用户输入装置(10)并包括三自由度定向感测系统(11)，该三自由度定向感测系统(11)用于确定第一部分(1)相对于由地球的重力场(Fg)和磁场(Fm)定义的参考坐标系(XYZ)的三自由度定向(O1)。第二部分(2)包括：用于显示与第二部分(2)的三自由度定向(O2)有关的定向信息(OI)的显示器(20)；以及用于对第二部分(2)的一自由度或二自由度定向加以感测的感测装置(21)。此外，还提供了：用于根据第一部分(1)的三自由度定向(O1)和第二部分(2)的一自由度或二自由度定向来计算出第二部分(2)的三自由度定向(O2)的装置(5)；以及用于产生定向信息(OI)的装置(6)，装置(6)响应于计算出的、第二部分(2)的三自由度定向(O2)，产生定向信息(OI)，以获得与第二部分(2)相对于第一部分(1)的定向无关的定向信息(OI)的正确显示。

Description

多部分设备中的定向感测

技术领域

本发明涉及一种设备，包括：第一部分，其具有用户输入装置和三自由度定向系统；以及第二部分，其具有用于显示第二部分的定向的显示器。

背景技术

US2004/0172838公开了一种在由X轴(磁北)、Y轴和Z轴定义的三维空间中测量主体方向的方法。用包括三维磁性传感器和三维倾斜传感器在内的三维定向传感器，来检测主体的方向。

这种三维定向传感器体积相对较大，且通常不能用在移动电话相对较薄的显示部分中，该移动电话还具有带按钮的分离部分以接收用户输入。当三维定向传感器位于带按钮的部分中时，在显示部分上对显示部分的定向的显示是不正确的。

发明内容

本发明的目的是提供对仅包括一维或二维传感器在内的设备部分的定向的正确显示。

本发明的第一方面提供了根据权利要求1所述的设备。在从属权利要求中限定了有利实施例。

根据本发明第一方面的设备包括：第一部分；以及可具有除第一部分之外的另一定向的第二部分。第一部分具有用户输入装置并包括三自由度定向感测系统，该三自由度定向感测系统用于确定第一部分相对于由地球的重力场和磁场定义的参考坐标系的三自由度定向。以下，术语“n自由度”也可以称作“n维”。因此，三自由度表示可以检测到三维空间中的任何定向。第二部分包括：用于显示与第二部分的三自由度定向有关的定向信息的显示器；以及用于对第二部分的一自由度或二自由度定向加以感测的传感器。

根据第一部分的三自由度和第二部分的一自由度或二自由度定向，来计算出第二部分的三自由度定向。响应于计算出的、第二部分的三自由度定向，产生定向信息，以获得与第二部分相对于第一部分的定向无关的定向信息的正确显示。

因此，通过使用第二部分相对于第一部分三自由度定向的偏移定向，确定第二部分的三自由度定向。该偏移定向是由第二部分的一自由度或二自由度定向的传感器来确定的。该一自由度或二自由度定向的传感器的位置依赖于第二部分如何相对于第一部分运动。通常，第一部分和第二部分绕着旋转轴、相对于彼此进行旋转。传感器的复杂度是由第二部分相对于第一部分的运动的自由度数来确定的。

本发明可以有利地用在两个部分的移动电话中，其中第一部分带有用户按钮，第二部分带有显示器。

在根据权利要求2所述的实施例中，第二部分中的传感器包括加速计或磁力仪传感器。这种传感器比三维定向传感器小很多。

在根据权利要求3所述的实施例中，第一部分与第二部分可旋转地连接，以便以翻转(clamshell)运动和/或回转(swivel)运动的方式相对于彼此进行旋转。例如，对于一维的翻转运动或回转运动，一自由度的传感器就足够。对于二维的回转转动，需要二自由度的传感器。

在根据权利要求4所述的实施例中，定向信息包括方向的指示或者文本的指示。对于面向显示屏的用户，如罗盘或文本的显示总是被正确地定向，而与第二部分的定向无关，这是由于第二部分的三维位置是已知的，第二部分的显示从而也是已知的。例如，在第二部分向第一部分的翻转式运动中，在没有校正的情况下，在第二部分沿与地球表面垂直的方向运动的时刻，指向北的箭头方向会翻转而指向南。

在根据权利要求5所述的实施例中，开闭检测器通过使用第一部分的、相同的三自由度定向以及第二部分的一自由度或二自由度定向，来检测设备是处于打开状态还是处于闭合状态。因此，在没有任何另外的供应的情况下，有可能检测到设备是闭合的还是打开的。因此，可以对与打开或闭合有关的所有传统动作加以控制，而无需另外的传感器。

在根据权利要求6所述的实施例中，三自由度定向感测系统包括电子罗盘。这种电子罗盘可以包括三维加速计和三维磁力仪，或在另一个实施例中，包括三维加速计和二维磁力仪。备选地，电子罗盘可以包括二维加速计和三维磁力仪，或都是二维的加速计和磁力仪。

参照以下描述的实施例，本发明的这些和其他方面变得显而易见，并将得以阐明。

附图说明

在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的两部分设备的一个实施例；

图2示意性地示出了根据本发明的两部分设备的另一个实施例；

图3示出了用于产生定向信息的电路的框图。

应当注意，不同的图中具有相同参考数字的项目具有相同的结构特征和相同的功能，或者它们是相同的信号。在已说明了这种项目的功能和/或特征的地方，没有必要在详细描述中重复这些说明。

具体实施方式

图1示出了具有第一部分1和第二部分2的两部分设备，第一部分1包括用户输入装置10和三自由度定向感测系统11，第二部分2包括显示器20和一自由度或二自由度定向传感器21。第一部分1与第二部分2可旋转地连接，以便以翻转式运动的方式绕着旋转轴3相对于彼此进行旋转。这种两部分设备可以是移动电话，或可以是带有可相对于彼此而运动的用户输入部分和显示部分的任何其他手持设备。

通过示例，将用户输入装置10示出为按钮。可以存在不是按钮10的或除按钮10之外的其他用户输入装置，如触控板、跟踪球、多方向开关、操纵杆等等。其中多方向开关表示在不同的运动方向(如上/下和/或左/右、和/或按)上起作用的开关。三自由度定向感测系统11提供与第一部分1相对于地球的定向O1有关的信息。该定向O1被称作三自由度定向，这是由于可能在三维空间中确定第一部分1的任何定向。这种三自由度定向系统11使用地球的重力场Fg和地球的磁场Fm，来在空间中确定第一部分1的任意定向O1。优选地，三自由度定向系统11包括如未提前公布的申请PCT/IB2006/051314(PH000613)和PCT/IB2006/051317(PH000319)中描述的三维加速计和二维磁力仪。磁力仪不必是三维传感器但可以是二维传感器的事实是极大的优点，这是由于如下事实：二维磁力仪传感器可以被容易地、以更低成本地生产出来，而且可以更持久耐用，以及有更小的尺寸。

仅可以在一个维度或方向上相对于第一部分来移动第二部分2。因此，实现在这一个维度上检测运动的一自由度定向传感器21就足够。通过使用三自由度定向系统11和一自由度定向传感器21的输出，来确定第二部分2的定向O2，其也是三自由度定向。实际上，传感器21提供第二部分2相对于第一部分1的偏移定向。例如，如果定向传感器21是一维加速计传感器，则确定重力向量Fg在第二部分2的平面内的分量。如图1所示，将一维加速计传感器的灵敏度轴(sensitivity axis)布置为与将部分1和部分2相连接的旋转轴成非零夹角(即，不平行)。优选地，一维加速计传感器的灵敏度轴与旋转轴垂直。如果定向传感器21是一维磁力仪传感器，则确定地球磁场Fm在第二部分2的平面内的分量。如图1所示，再次将一维磁力仪传感器的灵敏度轴布置为与将部分1和部分2相连接的旋转轴成非零夹角。优选地，一维磁力仪传感器的灵敏度轴与旋转轴垂直。

图1还示出了由地球的重力场Fg和磁场Fm定义的参考坐标系XYZ的示例。在所示的示例中，Z轴具有与重力场Fg相反的方向，Y轴指向地球的磁北。因此，地球的磁场向量Fm处于ZY平面内。

图2示意性地示出了根据本发明的两部分设备的另一个实施例。图2所示的设备大部分与图1所示的设备相同。然而，出现的是绕着回转轴或回转点4的回转运动，而不是第一部分1和第二部分2沿旋转轴的翻转运动。如果回转运动是绕与部分1和部分2垂直的轴4的一维运动，则使用一自由度定向传感器21就足够。如果回转运动是二维运动，如绕球窝接头(ball joint)，则必须使用二自由度定向传感器21，以便能够确定第二部分2的位置O2。可以通过可移动地连接第一部分1与第二部分的构架4，来获得这种二维回转运动，以便既可以以翻转方式移动第二部分2，又可以绕第二部分2的轴A旋转第二部分2。

图3示出了用于产生定向信息的电路的框图。三自由度定向感测系统11提供定义第一部分1位置O1的信息S1。一自由度或二自由度定向传感器21提供了信息S2。电路5根据信息S1和S2，计算出第二部分2的定向O2。电路6产生要在显示器20上显示的定向信息OI。定向信息OI在显示器上的显示依赖于第二部分2的定向O2，从而依赖于显示器20的定向。通常，信息OI在显示器20上的显示具有固定的定向。例如，总是以自顶向下的方向显示文本，指北的箭头从显示器底部指向顶部。必须注意，显示器20的顶部和底部的定义实际上基于如下假设：垂直于地球表面握持显示器20，因此显示器20的底部比顶部与地球表面更近；以及在相对于观察者眼睛可读的位置握持显示器。通常，基本垂直于从观察者眼睛向显示器延伸的线来握持显示器。因此，如果指北的箭头从底部指向顶部，则该箭头确实指向北。图1示出了一个示例，如果观察者通过几乎平行于地球表面地用手握持第一部分1来握持该设备，且显示器20处于所示位置，则在部分1指向北的情况下，指北的箭头确实指向北。然而，如果现在以如图1所示的翻转方式，将部分2移向部分1，从而将显示器20移向部分1，则一旦显示器20与地球表面之间的夹角变为小于90度，箭头指向观察者的后方，从而指向南。

在本发明中，通过使用第一部分1中的三维传感器11以及相对简单的一维或二维传感器21，来确定第二部分2的定向O2。仅需要一维或二维传感器21能够确定第二部分2相对于第一部分1的相对定向或位置。由于通常以已知的方式将第二部分2可移动地连接到第一部分1，因此，已知第二部分2可以相对于第一部分1作出哪个(些)运动。因此，已知需要哪种传感器21以及如何定位该种传感器。

不管怎样，由于已知第二部分2相对于地球的定向O2，从而已知显示器20相对于地球的定向O2，因此，可能校正显示器20上的显示信息OI，以使观察者看到正确的信息。例如，当检测到上述角度变为小于90度时，改变箭头的显示，以使箭头从显示器20的顶部指向底部，从而在观察者面前再次指向实际的北的位置，而不再指向观察者的后方。

备选地，如果根据定向O2检测到：自顶向下握持部分2，从而自顶向下握持显示器20，则可以自底向顶地，而不是自顶向底地显示信息OI，以使所显示的文本保持可读。

两部分设备的示例是如图1所示的翻盖电话。部分1的定向O 1表示为3×3的旋转矩阵^rP1，其中上标r指示：参考地磁坐标系用于表示定向。必须注意，用粗体字体指示矩阵或向量，而用正常字体指示标量。地磁坐标系的基向量是r_x＝东、r_y＝北、r_z＝上。旋转矩阵^rP1的列表示机体坐标系的轴(单位长度正交基向量^rP1_x、^rP1_y、^rP1_z)，其中所述机体坐标系是以地磁坐标系的基向量来表示的。

现在假设通过接合点(joint)将部分1和2相连接，其中接合点的铰链轴是旋转轴3。还由L指示旋转轴3，并假设旋转轴3与部分1的机体X轴对准。因此，可以将旋转轴表示为L＝P1_x。

将部分2的定向O2表示为在参考坐标系中表示的3×3的旋转矩阵^rP2。还可以按照部分1的机体坐标系(即3×3的旋转矩阵^P1P2)来表示部分2的定向O2。

对部分2的坐标系进行选择，以便在铰链打开超过180度时，部分2的坐标系与部分1的坐标系对准。假设部分2的机体X轴与旋转轴L对准，即L＝P2_x。因此，矩阵^P1P2仅具有一个自由度，备选地，可以通过绕着作为任一机体X轴的旋转轴L的右旋旋转角α，将该自由度表示为部分2相对于部分1的旋转：

{{P 2} =}_{P 1} [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \cos α & - \sin α \\ 0 & \sin α & \cos α \end{matrix}]

进一步有：

^rP2＝^rP1·^P1P2

上标r指示：参考地磁坐标系用于表示定向。上标P1指示部分1的机体坐标系。

这两个方程示出了如何根据部分1的定向1和一自由度旋转矩阵^P1P2确定部分2的定向O2。现在可以采用通常方式根据^rP2来确定与定向有关的量(如倾斜补偿磁向(heading))。应当注意，翻盖电话的有效内角与角β对应，角β与角α的关系为β＝π-α，其中妨碍电话的小键盘与显示器在闭合的位置是面对面的。闭合的电话与β＝0对应，而打开的角度的增加将与增加的β对应。

进一步假设由单位向量S表示的、部分2中的附加传感器轴被定向为沿着部分2的机体Y轴，从而垂直于旋转轴L延伸。因此：

S_{P 1} = {P 2}_{Y}^{P 1} = [\begin{matrix} 0 \\ \cos α \\ \sin α \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 \\ - \cos β \\ \sin β \end{matrix}]

S_{r} = {P 1}_{r} \cdot S_{P 1} = [\begin{matrix} {P 1}_{x}^{r} & {P 1}_{y}^{r} & {P 1}_{z}^{r} \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 0 \\ - \cos β \\ \sin β \end{matrix}]

= - \cos β \cdot {P 1}_{y}^{r} + \sin β \cdot {P 1}_{z}^{r}

可以将由部分2中的附加传感器轴所得的归一化量度表示为单位长度传感器轴S与相关向量场(即，地球的重力场g或磁场B)的标量积(dot product)。

g_{r} = [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ - 1 \end{matrix}]

B_{r} = [\begin{matrix} 0 \\ \cos γ \\ - \sin γ \end{matrix}]

其中γ是指磁场的倾角，即与水平面的夹角。因而可以对于理想加速计将部分2的传感器量度表示为标量<A>＝^rS·^rg，对于理想磁力仪将部分2的传感器量度表示为标量<M>＝^rS·^rB。

使用先前得到的求^rS的表达式，得到加速计信号：

< A > = (- \cos β \cdot {P 1}_{y}^{r} + \sin β \cdot {P 1}_{z}^{r}) \cdot [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ - 1 \end{matrix}]

= \cos β \cdot {P 1}_{y, z}^{r} - \sin β \cdot {P 1}_{z, z}^{r}

其中^rP1_y，z表示在参考坐标系中表示的、部分1的Y轴的z分量(即，垂直分量)，^rP1_z，z表示在参考坐标系中表示的、部分1的Z轴的z分量。

在磁力仪的情况下，类似地得到信号：

< M > = (- \cos β \cdot {P 1}_{y}^{r} + \sin β \cdot {P 1}_{z}^{r}) \cdot [\begin{matrix} 0 \\ \cos γ \\ - \sin γ \end{matrix}]

= - \cos γ (\cos β \cdot {P 1}_{y, y}^{r} - \sin β \cdot {P 1}_{z, y}^{r}) + \sin γ (\cos β \cdot {P 1}_{y, z}^{r} - \sin β \cdot {P 1}_{z, z}^{r})

该信号是传感器投影的向北(sensor-projected north-bound)场分量与传感器投影的向上场分量之和。备选的因式分解如下：

<M>＝cosβ(sinγ·^rP1_y，z-cosγ·^rP1_y，y)-sinβ(sinγ·^rP1_z，z+cosγ·^rP1_z，y)

针对图2的示例，可以推出一维加速计或磁力仪传感器的类似表达式，其中出现绕着将移动电话的部分1和部分2相连接的回转轴或回转点4的一维回转运动。

在其中移动部分2相对于部分1可以具有二自由度的电话模型的情况下，可以实现一个二维传感器(加速计或磁力仪)或两个一维传感器(即，加速计和磁力仪)。优选地，该二维传感器的每个维度的传感轴与在移动电话内将部分2与部分1相连接的自由度之一垂直。依赖于移动电话的配置，现在可以以类似的方式得到针对不同传感器的表达式作为代表自由度的两个角β和ξ的函数，如对于两个不同的传感器轴该表达式为<S_i>＝f_i(β，ξ)。

在前述两个一维示例中，加速计或磁力仪信号<S>的表达式的一般形式是：

<S>＝f(β)＝u.cosβ+v.sinβ

其中，在磁力仪的情况下，可以根据部分1的定向O1以及磁场的倾角来确定标量u和v。对于铰链角β，可以以不同方式(解析或迭代)求解该方程。然而，对于部分1的单个定向O1(即，固定的系数u、v)，该方程通常有两个解。可以使用不同策略(的组合)来得到解，所述策略包括：考虑边界条件，即，旋转角β的最大值和最小值。对于翻盖电话，假设0≤β≤180°。

1.考虑到部分1的至少两个不同的定向O1(即，至少两组u、v)。在假设旋转角β没有改变的前提下，可以对于不同组的传感器值得到唯一解。

2.考虑到用于对不同解进行加权的先验信息(priori information)，如将前一解用作下一解的最优推断。这在如下假设下是优选的：在移动电话的使用期间，角β不经常改变。

3.进一步详述最后一个选项，可以以如下方式实现该特征。不用针对每个点都计算旋转角β，在假设角β没有改变的前提下，简单地验证如下方程的有效性：

<S>＝u.cosβ+v.sinβ

该实施方式在计算时间和能力方面将会更高效。仅当方程不再有效时，才会回到先前列出的选项，以定义旋转角β的新值。

部分2的定向O2的确定还具有以下优点：已知设备是闭合的(定向O1和O2如此，以至于内角β为零)还是未闭合的(定向O1和O2如此，以至于内角β不为零)。不需要实现开关或其他装置来确定该设备是否闭合。可以以通常方式使用与该设备是否闭合有关的信息。例如，当检测到该设备闭合时，可以关闭(switch off)该设备。

部分2的定向O2的确定还具有以下优点：将不同部分相连接的内角是已知的。可以以不同的方式使用该信息。例如，当越过内角的阈值时，可以开启(switch on)或关闭该设备。可以将可听和可视的效果包括进移动电话中，由此，可感知的效果依赖于作为参数的内角β。

在实施例中，设备是包括用户输入部分1和显示部分在内的移动电话，用户输入部分1通常具有输入键10以输入数字和/或字符；显示部分2是相对于用户输入部分1可移动的。由于显示部分2应当细长，因此不可能在显示部分2中提供三维定向传感器11。因此，这个相对较大的传感器11被实现在用户输入部分1中。因此，用户输入部分1的三维定向O1是已知的。然而，因为不知道显示部分2的定向O2，所以这可能会导致在显示部分2的显示器20上不正确地显示位置信息OI。在显示部分2中提供另外的、相对较小的传感器21，以使其可以与用户输入部分1中的传感器11一起确定显示部分2的三维定向O2并对位置信息OI的显示加以校正，从而使位置信息OI被正确地显示在显示器20上。

应当注意，上述实施例示出而不是限定本发明，且本领域技术人员在不背离所附权利要求的范围的前提下，将能够设计出许多备选实施例。

例如，用于计算的电路5和用于产生定向信息的电路6可以是单个电路，如适当编程的微处理器或专用电路。这些电路可以存在于第一部分1中或第二部分中，或者可以分开存在于第一部分1和第二部分2上。可以通过已知的或专用的接口(优选地，如SPI或I2C)，来执行在第一部分1与第二部分2之间或相反方向的任何信息通信。优选地，传感器11和21通过这样的接口提供了这两个传感器的定向信息。

在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应解释为限定权利要求。对动词“包括”及其变形的使用不排除存在除了权利要求中所陈述的元件或步骤之外其它元件或步骤。元件之前的冠词“一或一个”不排除存在多个这种元件。可以通过包括多个不同元件在内的硬件以及通过适当编程的计算机，来实现本发明。在列举了多个装置的设备权利要求中，这些装置中的若干装置可以由同一项硬件来予以体现。在相互不同的从属权利要求中描述特定手段的起码事实不表示不能有利地这些手段的结合使用。

Claims

1.一种包括定向传感器的设备，包括：

-第一部分(1)，具有用户输入装置(10)并包括三自由度定向感测系统(11)，该三自由度定向感测系统(11)用于确定第一部分(1)相对于参考坐标系(XYZ)的三自由度定向(O1)，所述参考坐标系(XYZ)是由地球的重力场(Fg)和磁场(Fm)定义的，

-第二部分(2)，包括：用于显示与第二部分(2)的三自由度定向(O2)有关的定向信息(OI)的显示器(20)；以及用于对第二部分(2)的一自由度或二自由度定向加以感测的感测装置(21)，以及

-用于根据第一部分(1)的三自由度定向(O1)和第二部分(2)的一自由度或二自由度定向来计算出第二部分(2)的三自由度定向(O2)的装置(5)，以及

-用于响应于计算出的、第二部分(2)的三自由度定向(O2)来产生定向信息(OI)，以获得与第二部分(2)相对于第一部分(1)的定向无关的定向信息(OI)的正确显示的装置(6)。

2.根据权利要求1所述的设备，其中感测装置(21)包括加速计或磁力仪传感器。

3.根据权利要求2所述的设备，其中第一部分(1)与第二部分(2)可旋转地连接，以便以翻转运动和/或回转运动的方式相对于彼此进行旋转。

4.根据权利要求1所述的设备，其中用于产生定向信息(OI)的装置(6)被构造为：显示定向信息(OI)，所述定向信息(OI)包括对方向的指示或对文本的指示。

5.根据权利要求1所述的设备，还包括：开闭检测器(5)，用于根据第一部分(1)的三自由度定向(O1)以及第二部分(2)的一自由度或二自由度定向来检测设备是处于打开状态还是处于闭合状态。

6.根据权利要求1所述的设备，其中三自由度定向感测系统(11)包括电子罗盘。

7.根据权利要求1所述的设备，其中三自由度定向感测系统(11)包括三维加速计和二维磁力仪。

8.根据权利要求1所述的设备，其中用于对第二部分(2)的一自由度或二自由度定向加以感测的感测装置(21)包括：

-一维或二维传感器，产生传感器信号

<S_i>＝f_i(β，ξ)，

其中，β和ξ为代表自由度的两个角。

9.根据权利要求8所述的设备，其中用于对第二部分(2)的一自由度定向加以感测的感测装置(21)包括：

-一维加速计，产生加速计信号

<A>＝u·cosβ+v·sinβ，以及

其中用于根据第一部分(1)的三自由度定向(O1)和第二部分(2)的一自由度定向来计算出第二部分(2)的三自由度定向(O2)的装置(5)被构造为：根据第一部分(1)的定向(O1)来确定标量u和v。

10.根据权利要求8所述的设备，其中用于对第二部分(2)的一自由度定向加以感测的感测装置(21)包括：

-一维磁力仪，产生磁力仪信号

<M>＝u·cosβ+v·sinβ，以及

其中用于根据第一部分(1)的三自由度定向(O1)和第二部分(2)的一自由度定向来计算出第二部分(2)的三自由度定向(O2)的装置(5)被构造为：根据第一部分(1)的定向(O1)以及第二部分(2)相对于地球磁场的倾角来确定标量u和v。

11.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，该设备是移动电话。