CN101606119B - 输入装置、控制装置、控制系统、控制方法及手持装置 - Google Patents

输入装置、控制装置、控制系统、控制方法及手持装置 Download PDF

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Abstract

提供了三维操作输入装置、控制装置、控制系统、控制方法和手持装置，用它们能够在不增加部件数的情况下进行平面操作。输入装置(1)包括角速度传感器单元(15)和加速度传感器(16)。阈值(Th3)被设定给由角速度传感器单元(15)检测的角速度值(ωx，ωy)。根据角速度值(ωx，ωy)是否小于阈值(Th3)(ST1505)以及加速度值(ax，az)中的至少一个是否大于阈值(Th4)(ST1506)，可以在平面操作模式与三维操作模式之间进行切换。因此，可以在平面操作模式与三维操作模式之间进行切换，而无需使用除加速度传感器(16)与角速度传感器(15)之外的传感器(无需增加部件数)。

Description

输入装置、控制装置、控制系统、控制方法及手持装置
技术领域
本发明涉及用于操作GUI(图形用户界面)的输入装置、用于根据其操作信息来控制GUI的控制装置、包括这些装置的控制系统、控制方法及手持装置。
背景技术
指向装置(尤其是鼠标和触垫)被用作广泛用在PC(个人计算机)中的GUI的控制器。并不仅仅作为相关技术中的PC的HI(人机界面)，GUI现在正开始被用作起居室等中所用的AV设备和游戏设备(例如，具有电视机作为图像介质)的界面。提出了用户能够进行三维操作的各种指向装置作为用于这种类型的GUI的控制器(例如，参见专利文献1)。
专利文献1披露了包括两个轴的角速度陀螺仪(即，两个角速度传感器)的输入装置。每个角速度传感器都是振动型角速度传感器。例如，当对以共振频率压电振动的振动体施加角速度时，在与该振动体的振动方向正交的方向上产生科里奥利力。因为科里奥利力与角速度成比例，所以通过检测科里奥利力就可检测角速度。专利文献1的输入装置通过角速度传感器检测绕两个正交轴的角速度，根据角速度产生作为由显示装置显示的光标等的位置信息的信号，并将其传送至控制装置。
专利文献2披露了一种笔形输入装置，包括三个(三轴)加速度传感器和三个(三轴)角速度传感器(陀螺仪)。该笔型输入装置基于由三个加速度传感器以及三个角速度传感器获得的信号来执行各种操作，因而计算该笔型输入装置的位置角度。
加速度传感器不仅检测用户操作输入装置时的加速度，而且还检测重力加速度。因为作用于输入装置的重力以及输入装置移动时产生的输入装置的惯性力具有相同的物理量，所以对于输入装置来说不能在其间进行区分。例如，当用户沿水平方向快速移动输入装置时，惯性力与重力的合力被错误识别为重力方向(向下的方向)。以上的专利文献2的笔型输入装置检测在三轴方向上的三轴角速度和加速度，即，检测总共6个自由度的量，因而，解决了如上所述的惯性力和重力的问题。
应注意，存在当前普遍使用的平面操作型鼠标包括加速度传感器的情况(例如，参见专利文献3)。使用这个鼠标的装置基于由加速度传感器检测到的鼠标的加速度来将显示数据输出至显示部。
专利文献1：日本专利申请公开第2001-56743号([0030]和[0031]段，图3)
专利文献2：日本专利第3,748,483号([0033]和[0041]段，图1)
专利文献3：日本实用新型申请公开第Sho61-89940号(图1)
发明内容
本发明所要解决的问题
顺便提及，为了像常用的鼠标一样来使用上述为平面操作型的三维操作输入装置，输入装置需要设置有用于检测输入装置已被放置在平面上的光学传感器等。
然而，在设置光学传感器的情况下，部件数增加，因而需要额外的成本。此外，在除用于检测输入装置的三维移动的角速度传感器等之外设置光学传感器的情况下，用于排列光学传感器的空间成为问题，结果是输入装置的设计受到制约。
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种三维操作输入装置、控制装置、控制系统、控制方法及手持装置，用它们无需增加部件数就能够进行平面操作。
解决问题的手段
根据本发明的实施例，提供了一种控制指针在画面上的移动的输入装置，包括外壳、惯性传感器、平面对应值计算装置以及空间对应值计算装置。
惯性传感器检测外壳的移动。平面对应值计算装置基于惯性传感器的检测值，计算与外壳在平面上的移动相对应的平面对应值，平面对应值对应于指针在画面上的位移量。空间对应值计算装置基于惯性传感器的检测值，计算与外壳在空间中的移动相对应的空间对应值，空间对应值对应于指针在画面上的位移量。
在平面上和空间中操作输入装置的两种情况下，输入装置使用惯性传感器的检测值来控制指针在画面上的移动。因此，与根据平面操作模式或三维操作模式来选择性地使用传感器的结构相比，能够在不用增加部件数的情况下提供能够进行平面操作的三维操作输入装置。
平面对应值和空间对应值包括平面速度、空间速度、平面加速度、空间加速度等，并且任何对应值都能够从惯性传感器的检测值或通过其操作而直接获得。
输入装置还包括判断装置和切换装置。
判断装置基于惯性传感器的检测值判断外壳的移动是在平面上还是在空间中。切换装置基于判断装置的判断，在由平面对应值计算装置进行的平面对应值的计算与由空间对应值计算装置进行的空间对应值的计算之间进行切换。
判断装置可以基于惯性传感器的手移动检测值来判断外壳的移动是在平面上还是在空间中。因为当外壳在平面上操作时与手移动对应的检测值不被输出，所以完全能够基于手移动检测值的存在/不存在来判断外壳的移动是在平面上还是在空间中。
判断装置可以基于由惯性传感器检测到的、外壳在与平面正交的方向上的移动检测值是否等于或小于预定值来判断外壳的移动是在平面上还是在空间中。当外壳在平面上操作时，外壳很难在与平面正交的方向上大范围地移动。在这点上，当检测到外壳在与平面正交的方向上的移动时，能够判断出外壳在空间中操作。
当判断装置在预定时期连续做出相同判断时，切换装置可以在由平面对应值计算装置进行的平面对应值的计算与由空间对应值计算装置进行的空间对应值的计算之间进行切换。因此，变得能够提高由判断装置进行的判断的结果的可靠性。
输入装置可以还包括第一惯性传感器、第二惯性传感器和第三惯性传感器。第一惯性传感器检测外壳在沿第一轴的方向上的移动。第二惯性传感器检测外壳在沿与第一轴正交的第二轴的方向上的移动。第三惯性传感器检测外壳在沿与第一轴和第二轴正交的第三轴的方向上的移动。在这种情况下，空间对应值计算装置基于第一惯性传感器的检测值来计算与指针在画面上沿第一方向的位移量相对应的对应值，并基于第二惯性传感器的检测值计算与指针在画面上沿第二方向的位移量相对应的对应值。另一方面，平面对应值计算装置基于第一惯性传感器的检测值计算与指针在画面上沿第一方向的位移量相对应的对应值，并基于第三惯性传感器的检测值计算与指针在画面上沿第二方向上的位移量相对应的对应值。
输入装置可以还包括：滤波器，用以从惯性传感器的检测值中去除由外壳在平面上的移动产生的振动频率分量。因此，当输入装置在平面上移动时，例如，能够去除当输入装置通过平面上的不平处或台阶时结合到惯性传感器的检测值中的噪声的频率分量。
惯性传感器可以包括用于检测外壳的加速度的加速度传感器以及用于检测外壳的角速度的角速度传感器。判断装置可以判断由角速度传感器检测的角速度的值是否小于第一阈值，并且切换装置基于角速度的值是否小于第一阈值，在由平面对应值计算装置进行的平面对应值的计算与由空间对应值计算装置进行的空间对应值的计算之间进行切换。
当用户三维地移动输入装置时获得的角速度充分大于当输入装置在平面上移动时获得的角速度。这是因为，当人自地移动输入装置时，使用手腕、肘以及肩中的至少一个作为旋转轴来旋转地移动了输入装置。本发明利用这个事实并为角速度值设置第一阈值，以根据使用第一阈值的判断来在平面对应值的计算与空间对应值的计算之间进行切换。因此，例如，能够切换在输入装置的平面操作与三维操作中的对应值的计算模式，而无需使用除加速度传感器与角速度传感器之外的传感器。
判断装置可以另外判断由加速度传感器检测的加速度的值是否大于第二阈值。当角速度值小于第一阈值时，切换装置基于加速度值是否大于第二阈值，在由平面对应值计算装置进行的平面对应值的计算与由空间对应值计算装置进行的空间对应值的计算之间进行切换。因此，当输入装置的角速度值小于第一阈值并且加速度值大于第二阈值时，能够肯定地判断出输入装置在平面上操作。
根据本发明的实施例，提供了一种控制装置，基于从包括外壳和惯性传感器的输入装置输出的、惯性传感器的检测值来控制在显示在画面上的指针的显示。
该控制装置包括：
接收装置，用于接收从输入装置输出的惯性传感器的检测值；
平面对应值计算装置，用于基于由接收装置接收的惯性传感器的检测值，计算与外壳在平面上的移动相对应的平面对应值，平面对应值对应于指针在画面上的位移量；
空间对应值计算装置，用于基于由接收装置接收的惯性传感器的检测值，计算与外壳在空间中的移动相对应的空间对应值，空间对应值对应于指针在所述画面上的位移量；以及
坐标信息产生装置，用于产生与关于平面对应值或空间对应值相对应的、指针在画面上的坐标信息。
在本发明中，提出前序部分“控制......外壳......的控制装置”用于阐明本发明的内容，并且本发明的发明人并不打算提出前序部分作为公知技术。同样适用于以下描述。
在本发明中，因为包括平面对应值的计算、空间对应值的计算等的操作在控制装置侧上执行，所以可以减少输入装置侧的负荷。
根据本发明的实施例，提供了一种包括输入装置和控制装置的控制系统，其中，输入装置输出关于检测值的信息，以及控制装置基于从输入装置输出的关于检测值的信息来控制在画面上显示的指针的移动。
输入装置包括外壳、惯性传感器、平面对应值计算装置和空间对应值计算装置。惯性传感器检测外壳的移动。平面对应值计算装置基于惯性传感器的检测值，计算与外壳在平面上的移动相对应的平面对应值，平面对应值对应于指针在画面上的位移量。空间对应值计算装置基于惯性传感器的检测值，计算与外壳在空间中的移动相对应的空间对应值，空间对应值对应于指针在画面上的位移量。
控制装置包括接收装置和坐标信息产生装置。接收装置接收关于平面对应值或空间对应值的信息。坐标信息产生装置产生与关于平面对应值或空间对应值的信息相对应的、指针在画面上的坐标信息。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种控制系统，其包括用于输出关于检测值的信息的输入装置以及基于从输入装置输出的关于检测值的信息来控制在画面上显示的指针的移动的控制装置。
输入装置包括外壳、惯性传感器和输出装置。惯性传感器检测外壳的移动。输出装置输出惯性传感器的检测值。
控制装置包括接收装置、平面对应值计算装置、空间对应值计算装置以及坐标信息产生装置。接收装置接收由输出装置输出的关于惯性传感器的检测值的信息。平面对应值计算装置基于由接收装置接收的惯性传感器的检测值来计算与外壳在平面上的移动相对应的平面对应值，平面对应值对应于指针在画面上的位移量。空间对应值计算装置基于由接收装置接收的惯性传感器的检测值计算与外壳在空间中的移动相对应的空间对应值，空间对应值对应于指针在画面上的位移量。坐标信息产生装置产生与关于平面对应值或空间对应值的信息相对应的、指针在画面上的坐标信息。
根据本发明的实施例，提供了一种控制方法，基于包括外壳的输入装置的移动来控制在画面上显示的指针的移动，该控制方法包括通过惯性传感器来检测外壳的移动。基于惯性传感器的检测值来判断外壳的移动是在平面上还是在空间中。基于惯性传感器的检测值，在与外壳在平面上的移动相对应的平面对应值的计算和与外壳在空间中的移动相对应的空间对应值的计算之间进行切换，其中，平面对应值对应于指针在画面上的位移量，以及空间对应值对应于指针在画面上的位移量。
根据本发明的实施例，提供了一种控制指针在画面上的移动的手持装置，其包括外壳、显示部、惯性传感器、平面对应值计算装置和空间对应值计算装置。
显示部显示画面。惯性传感器检测外壳的移动。平面对应值计算装置基于惯性传感器的检测值计算与外壳在平面上的移动相对应的平面对应值，平面对应值对应于指针在画面上的位移量。空间对应值计算装置基于惯性传感器的检测值计算与外壳在空间中的移动相对应的空间对应值，空间对应值对应于指针在画面上的位移量。
本发明的效果
如上所述，根据本发明，能够提供一种三维操作输入装置、控制装置、控制系统、控制方法以及手持装置，用它们无需增加部件数就能够进行平面操作。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述本发明的实施例。
图1是示出了根据本发明实施例的控制系统的示图。控制系统100包括显示装置5、控制装置40和输入装置1。
如图1所示，控制装置40包括MPU35(或CPU)、RAM36、ROM37、收发器38、天线39、视频RAM41和显示控制部42。
收发器38经由天线39接收从输入装置1传送的控制信号。收发器38还能够将各种预定信号传送至输入装置1。
基于控制信号，MPU35执行用于控制在显示装置5的画面3上显示的指针(光标)2的移动的操作或用于控制图标4的运行的操作。因此，产生了用于控制在显示装置5的画面3上显示的UI的显示控制信号。
显示控制部42在MPU35的控制下主要产生将在显示装置5的画面3上显示的画面数据。作为显示控制部42的工作区的视频RAM41临时存储所产生的画面数据。
控制装置40可以是专用于输入装置1的装置或者可以是PC等。控制装置40不限于专用于输入装置1的装置，而是可以是与显示装置5、视听设备、投影仪、游戏设备、电视机、汽车导航系统等整体形成的计算机。
图2是示出了输入装置1的透视图。
输入装置1是用于将信息输入至显示装置5的三维指向设备。输入装置1具有用户能够握住的大小。如图2所示，输入装置1包括外壳10以及包括例如设置在外壳10的上部的三个按钮11、12和13的操作部。
例如，接近壳体10的上部中心设置的按钮11具有作为用于PC的输入装置的鼠标左键的功能。当双击按钮11时运行文件。此外，可通过在按压按钮12的同时移动输入装置1来执行“拖放”操作。
邻近按钮11的按钮12具有鼠标右键的功能。例如，能够执行各种选项操作。
按钮13是用于切换用于识别输入装置1的倾斜的功能有效/无效的按钮。此外，按钮13是可旋转按钮，并且可以用其旋转来滚读画面。可以任意改变按钮11、12和13的位置、所发指令的内容等。
图3是示意性示出输入装置1的内部结构的示图。在图2和图3的描述中，为了方便，将外壳10的纵向称为Z′方向、将外壳10的厚度方向称为X′方向，以及将外壳10的宽度方向称为Y′方向。
如图3所示，输入装置1包括控制单元30、传感器单元17和电池14。
控制单元30包括主基板18、安装在主基板18上的MPU19(微处理器)(或CPU)、晶体振荡器20、收发器21以及印制在主基板18上的天线22。
图4是示出输入装置1的电结构的框图。
传感器单元17(惯性传感器)包括用于检测绕两条正交轴的角速度的角速度传感器单元(陀螺传感器单元)15。传感器单元17还包括用于检测在诸如沿三个正交轴(X′轴、Y′轴和Z′轴)的不同角度的加速度的加速度传感器单元16。
如图4所示，MPU19包括其必须的嵌入式易失性或非易失性存储器。MPU19输入有来自传感器单元17的检测信号、来自操作部的操作信号等，并执行各种计算以响应于这些输入信号产生控制信号。具体地，如后所述，MPU19包括计算与外壳10在平面上的移动相对应的平面速度值(平面对应值)的功能(平面对应值计算装置)以及计算与外壳10的三维移动相对应的空间速度值(空间对应值)的功能(空间对应值计算装置)，平面速度值和对应于指针2在画面3上的位移量的空间速度值。
晶体振荡器20产生时钟并且将它们提供给MPU19。作为电池14，使用干电池、可充电电池等。
收发器21将在MPU19中产生的控制信号(输入信息)作为射频无线电信号经由天线22传送至控制装置40。
电力通过DC/DC转换器26以使电源电压稳定，然后电力被提供给传感器单元17和MPU19。
图5是示出了传感器单元17的透视图。
传感器单元17的加速度传感器单元16包括三个传感器，即，第一加速度传感器161、第二加速度传感器162和第三加速度传感器163。此外，传感器单元17的角速度传感器单元15包括两个传感器，即，第一角速度传感器151和第二角速度传感器152。加速度传感器单元16和角速度传感器单元15被封装并安装在电路板25上。
作为第一和第二角速度传感器151和152中的每一个，使用用于检测与角速度成比例的科里奥利力的振动陀螺传感器。作为第一、第二和第三加速度传感器161、162和163中的每一个，可使用诸如压阻传感器、压电传感器或电容传感器的任何传感器。
传感器单元17结合到外壳10中，以使其上安装有加速度传感器单元16和角速度传感器单元15的电路板25的表面(加速度检测表面)变得基本上平行于X′-Y′面。如上所述，加速度传感器单元16检测相对于三个轴(即，X′轴、Y′轴和Z′轴)的物理量以及角速度传感器15检测相对于两个轴(即，X′轴和Y′轴)的物理量。在本说明书中，随输入装置1移动的坐标系统，即，固定于输入装置1的坐标系统用X′轴、Y′轴和Z′轴来表示，而地面上固定的坐标系统，即，惯性坐标系统用X轴、Y轴和Z轴来表示。此外，在下面的描述中，关于输入装置1的移动，有时将绕X′轴方向的旋转方向称为俯仰方向，有时将绕Y′轴方向的旋转方向称为偏航方向，以及有时将绕Z′轴方向的旋转方向称为滚转方向。
图6是示出了在显示装置5上显示的画面3的实例的示图。显示装置5的实例包括液晶显示器和EL(电致发光)显示器，但不限于此。可选地，显示装置5可以是与显示器整体形成并且能够接收电视广播等的装置或结合有这种显示器和控制装置40的装置。
在画面3上显示诸如图标4和指针2的UI。这些图标是画面3上表示计算机的程序功能、运行指令、文件内容等的图像。应注意，在画面3上水平方向被称为X轴方向而垂直方向被称为Y轴方向。
图7是示出用户握住输入装置1的状态的示图。如图7所示，除按钮11、12和13之外，输入装置1可以包括操作部，例如，这些操作部包括各种操作按钮29，例如为用于操作电视机等的遥控器设置的那些按钮和电源开关。如图所示，当用户在手持输入装置1的同时在空气中移动输入装置1、在桌子上移动其或操作操作部时，其输入信息被输出到控制装置40，然后控制装置40控制UI。
接下来，将给出关于移动输入装置1的方式以及相应地指针2在画面3上移动的方式的典型实例的描述。图8是其说明图。
如图8A和8B所示，用户握住输入装置1以使输入装置1的按钮11和12侧指向显示装置5侧。用户握住输入装置1以便如握手一样拇指位于上侧而小手指位于下侧。在此状态下，传感器单元17的电路板25(参见图5)接近于平行显示装置5的画面3，并且作为传感器单元17的检测轴的两个轴分别对应于画面3上的水平轴(X轴)和垂直轴(Y轴)。下文中，如图8A和8B中所示的输入装置1的位置被称为参考位置。
如图8A所示，在参考位置中，用户沿垂直方向移动手腕或手臂，即，沿俯仰方向摆动。这时，第二加速度传感器162检测Y′轴方向上的加速度(ay)而第一角速度传感器151检测绕X′轴的角速度(ωx)(见图5)。基于这些检测值，控制装置40控制指针2的显示以使指针2沿Y轴方向移动。
同时，如图8B所示，在参考位置中，用户横向移动手腕或手臂，即，沿偏航方向摆动。这时，第一加速度传感器161检测X′轴方向上的加速度(ax)而第二角速度传感器152检测绕Y′轴的角速度(ωy)(见图5)。基于这些检测值，控制装置40控制指针2的显示以使指针2沿X轴方向移动。
尽管将在后面给出描述，但是在一个实施例中，根据存储在嵌入式非易失性存储器中的程序，基于由传感器单元17检测的检测值，输入装置1的MPU19计算沿X′轴和Y′轴方向的速度值。在这种情况下，主要是输入装置1的MPU19速度信息。这里，为了控制指针2的移动，使用由加速度传感器单元16所检测的三轴加速度值的积分值(速度)的维数。然后，速度维数的输入信息被传送至控制装置40。
在另一个实施例中，输入装置1将由角速度传感器单元15等检测的物理量作为输入信息传送至控制装置40。在这种情况下，根据存储在ROM37中的程序，控制装置40的MPU35基于所接收的输入信息来计算沿X′轴和Y′轴方向的速度值，并且控制显示以使指针2根据速度值而移动(见图14)。
在稍后所述的三维操作模式中，控制装置40将每单位时间在偏航方向上的位移转换为指针2在画面3上在X轴上的位移量，并将每单位时间在俯仰方向上的位移转换为指针2在画面3上在Y轴上的位移量。在稍后所述的平面操作模式中，控制装置40将每单位时间在偏航方向上的位移转换为指针2在画面3上在X轴上的位移量，并将每单位时间在滚转方向上的位移转换为指针2在画面3上在Y轴上的位移量。因此，指针2被移动。通常，关于每预定数量的时钟提供的速度值，控制装置40的MPU35使已提供的第n个速度值与已提供的第(n-1)个速度值相加。因此，已提供的第n个速度值对应于指针2的位移量，并产生了指针2在画面3上的坐标信息。在这种情况下，主要是控制装置40的MPU35计算坐标信息。
计算位移量的方法可以类似地被应用于在计算速度值中对加速度值的积分。
接下来，将给出关于加速度传感器单元16的重力影响的描述。图9和图10是针对其的说明图。图9是示出从Z方向看的输入装置1的示图，以及图10是从X方向看的输入装置1的示图。
在图9A中，输入装置1处于参考位置并保持不动。此时，第一加速度传感器161的输出基本上是0，而第二加速度传感器162的输出是对应于重力加速度G的输出。然而，如图9B所示，例如，在输入装置1沿滚转方向倾斜的情况下，第一和第二加速度传感器161和162分别检测重力加速度G的倾斜分量的加速度值。
在这种情况下，即使输入装置1实际上并不特别沿X轴方向移动，但是第一加速度传感器161仍检测沿X′轴方向的加速度。图9B中示出的状态等同于以下状态：当输入装置1处于如图9C所示的参考位置时，加速度传感器单元16接收分别由虚线的箭头所表示的惯性力Ix和Iy，从而加速度传感器单元16很难区分。结果，加速度传感器单元16判断在由箭头F表示的向下左手方向上的加速度被施加给输入装置1，然后输出不同于输入装置1的实际移动的检测信号。另外，因为重力加速度G不断作用于加速度传感器单元16，所以积分值增大并且指针2在向下的倾斜方向的偏移量以加速的速率增加。当状态从如图9A所示转移到图9B所示时，认为禁止指针2在屏幕3上的移动是本质上匹配用户的直观操作的操作。
例如，当输入装置1从如图10A所示的输入装置1的参考位置开始沿俯仰方向旋转以如图10B所示倾斜时也如此。在这种情况下，因为在输入装置1位于参考位置时由第二加速度传感器162检测到的重力加速度G减小，所以输入装置1难以从如图10C所示的俯仰方向的惯性力I区分出来。
为了尽可能减少关于加速度传感器单元16的这种重力影响，本实施例的输入装置1使用由角速度传感器单元16检测的角速度值来计算输入装置1的速度值。下文中，将给出关于其操作的描述。图11是示出操作的流程图。
接通输入装置1的电源。例如，用户打开为输入装置1或控制装置40设置的电源开关等，以接通输入装置1的电源。一旦接通电源，加速度信号(第一和第二加速度值ax和ay)被从加速度传感器单元16输出(步骤101a)以被提供给MPU19。加速度信号是与输入装置1在接通电源时的位置(下文称为初始位置)相对应的信号。
存在初始位置是参考位置的情况。然而，沿X轴方向检测到重力加速度的总量的位置，即，第一加速度传感器161的输出是对应于重力加速度的加速度值而第二加速度传感器162的输出是0的位置也是可能的。当然，作为初始位置，如图9B所示倾斜的位置也是可能的。
每预定数量的时钟，输出装置1的MPU19就从加速度传感器单元16获取加速度信号(ax，ay)。一旦获取了第二加速度信号(ax，ay)和后续的加速度信号，MPU19就执行以下运算以消除重力影响。具体地，如下面的等式(1)和(2)，MPU19从当前获得的加速度值ax和ay中分别减去在X和Y轴方向上先前检测到的重力加速度分量(第一ax(＝arefx)和ay(＝arefy))，从而产生第一校正加速度值acorx和第二校正加速度值acory(步骤102a)。
acorx＝ax-arefx...(1)
acory＝ay-arefy...(2)
在下文中，arefx和arefy分别被称为关于X轴的参考加速度值和关于Y轴的参考加速度值(第一参考加速度值和第二参考加速度值)。在电源接通之后在步骤102a的第一计算中所使用的arefx和arefy是在电源被接通之后立刻检测到的加速度信号ax和ay。
如等式(3)和(4)所示，MPU19通过使第一和第二校正加速度值acorx和acory分别相加(即，通过积分运算)来计算第一速度值Vx和第二速度值Vy(步骤115)。
Vx(t)＝Vx(t-1)+acorx...(3)
Vy(t)＝Vy(t-1)+acory...(4)
Vx(t)和Vy(t)表示当前获得的速度值，以及Vx(t-1)和Vy(t-1)表示先前的速度值。
同时，如上所述，一旦接通输入装置1的电源，双轴角速度信号(第一和第二角速度值ωx、ωy)就被从角速度传感器单元15输出(步骤101b)以被提供给MPU19。一旦获取到信号，MPU19就通过微分运算来计算角加速度值(第一角加速度值Δωx和第二角加速度值Δωy)(步骤102b)。
MPU19判断上述的Δωx和Δωy的绝对值|Δωx|和|Δωy|是否小于阈值Th1(步骤103和106)。当|Δωy|≥Th1时，MPU19按原样使用第一参考加速度值arefx而不更新它(步骤104)。类似地，当|Δωx|≥Th1时，MPU19按原样使用第二参考加速度值arefy而不更新它(步骤107)。
接近0的值被设为阈值Th1。阈值Th1考虑到即使用户自觉保持输入装置1不动时而由于用户的手移动、DC偏移等检测到的角速度值。因此，在用户自觉保持输入装置1不动的情况下，防止指针2在显示期间由于手移动或DC偏移而移动。
用于执行如上所述的处理的原因如下。
图12是用户操作输入装置1的顶视图。当用户自然操作输入装置1时，通过从手臂底部旋转、肘的弯曲和手腕的转动中的至少一个进行操作。因此，加速度的产生导致角加速度的产生。具体地，假定加速度有助于在与加速度相同方向上产生的角加速度。因此，通过监控第二角加速度值|Δωy|的MPU19，能够判断是否更新在同一方向的第一参考加速度值arefx，并且判断是否根据等式(1)最终校正第一校正加速度值acorx。对于第一角加速度值|Δωx|同样如此。
更具体地，当第二角加速度值|Δωy|等于或大于阈值Th1时，MPU19判断输入装置1正沿偏航方向移动。在这种情况下，MPU19不更新第一参考加速度值arefx，因此不校正第一校正加速度值acorx，并基于acorx继续等式(3)的积分运算。
此外，当第一角加速度值|Δωx|等于或大于阈值Th1时，MPU19判断输入装置1正在沿俯仰方向移动。在这种情况下，MPU19不更新第二参考加速度值arefy，因此不校正第二校正加速度值acory，并基于acory继续等式(4)的积分运算。
同时，当在步骤103中第二角加速度值|Δωy|小于阈值Th1时，MPU19判断输入装置1不沿偏航方向移动。在这种情况下，MPU19将第一参考加速度值arefx更新为当前获得(最新)的检测值ax，从而使用等式(1)校正第一校正加速度值acorx(步骤105)。最新的检测值ax是当输入装置1保持几乎不动时获得的检测值，从而是重力加速度的分量值。
类似地，当在步骤106中第一角加速度值|Δωx|小于阈值Th1时，MPU19判断输入装置1不沿俯仰方向移动。在这种情况下，MPU19将第二参考加速度值arefy更新为当前获得(最新)的检测值ay，从而使用等式(2)校正第二校正加速度值acory(步骤108)。
应注意，在本实施例中，沿偏航方向和俯仰方向的阈值都已被设为同一阈值Th1。然而，对于那些方向可以使用不同的阈值。
在以上描述中，已监控角加速度值Δωx和Δωy，但是MPU19也可以监控角速度值ωx和ωy以校正在等式(3)和(4)中计算的速度值。基于与图12相同的思想，假定速度的生成导致角速度的生成，可以假定速度有助于在与速度相同方向上的角速度。
具体地，当第二角速度值的绝对值|ωy|等于或大于阈值Th2时(步骤109中为否)，MPU19判断输入装置1正在沿偏航方向移动。在这种情况下，MPU19不校正第一速度值Vx(步骤110)。对于第一角速度值的绝对值|ωx|同样如此(步骤112中为否，以及步骤113)。
阈值Th2也仅需要以与阈值Th1相同的方法来设置。
另一方面，当第二角速度值的绝对值|ωy|小于阈值Th2时(步骤109中为是)，MPU19判断输入装置1不沿偏航方向移动。在这种情况下，例如，MPU19校正第一速度值Vx以将其重置为0(步骤111)。对于第一角速度值的绝对值|ωx|同样如此(步骤112中为是，以及步骤114)。
因而，MPU19输出沿两个方向的速度值Vx和Vy(空间速度值)，并且收发器21将关于速度值的输入信息输出至控制装置40(步骤116)。
作为输入信息，控制装置40的MPU35接收速度值Vx和Vy的输入(步骤117)。MPU35如下等式(5)和(6)所示产生与速度值Vx和Vy相对应的指针2的坐标值X和Y(步骤118)并控制显示以使指针2在画面3上移动(步骤119)。
X(t)＝X(t-1)+Vx...(5)
Y(t)＝Y(t-1)+Vy...(6)
如上所述，当输入装置1保持几乎不动时，参考加速度值arefx和arefy被更新并且校正加速度值acorx和acory被校正，结果可以抑制相对于加速度传感器单元16的重力影响。另外，因为在更新参考加速度值arefx和arefy时通过等式(1)和(2)来校正校正加速度值acorx和acory，所以也校正了DC电平，从而解决了关于DC偏移的问题。此外，因为当输入装置1保持几乎不动时，速度值被校正以被重置为0，所以也可以抑制积分误差。当出现积分误差时，出现无论用户是否已停止移动输入装置1指针2都在画面3上移动的现象。
此外，在该实施例中，因为第一参考加速度值arefx和第二参考加速度值arefy被分别更新，所以即使沿偏航方向和俯仰方向的角加速度值之一变得小于阈值，都要对其执行校正。因此，能够以比实际使用短得多的时间间隔来更新第一参考加速度值arefx或第二参考加速度值arefy。对于第一速度值Vx和第二速度值Vy的分别校正同样如此。图13是帮助理解上面描述的说明图。
图13示出从由X′轴和Y′轴形成的平面看输入装置1的轨迹。如果沿偏航方向的角速度值ωy基本上为0(小于阈值Th2)，那么Vx被重置为0。如果沿俯仰方向的角速度值ωx基本上为0(小于阈值Th2)，那么Vy被重置为0。
在相关技术中，为了减少重力影响，除包括六个传感器的输入装置1之外，还存在使用三轴加速度传感器检测每单位时间重力矢量的改变以识别滚转和俯仰角速度来作为XY位移量的装置。尽管不存在关于Y轴方向的任何问题，但是由于这种装置是仅基于用户的手腕沿滚转方向的扭曲和转动而使指针2沿X轴方向移动的类型，所以该操作并不匹配用户的直观。
图14是示出上述另一个实施例的流程图。在该流程图中，输入装置1将从传感器单元17输出的加速度信号和角速度信号作为输入信息输出至控制装置40。在步骤204～218中，控制装置40的MPU35执行图11中所示的步骤102a和102b～115。因为其细节与图11相同，所以将省略对其的描述(下文同样如此)。
例如，输入装置1可以是用于远程操纵电视机的遥控器或者用于游戏设备的输入装置。
接下来，将描述输入装置1的模式(三维操作模式和平面操作模式)的切换操作。
图15是示出输入装置1的输入操作模式(三维操作模式和平面操作模式)的切换操作的流程图，以及图16是示出输入装置1被放置在平面上的状态的示图。如图16所示，例如，输入装置1在其底部10A、10B和10C与X′Z′面接触时在平面上操作。底部10C是在图16中未示出的输入装置1的一部分的底部。
如图15所示，首先接通开关(电源)(未示出)(ST1501)，并读取记录在MPU19的嵌入式非易失性存储器中的参考0电压作为参考值(ST1502)。由于在加速度或角速度为0时加速度传感器和角速度传感器的输出电压值的个别差异，所以在工厂的生产调整过程中经历校准标定的参考0电压用作为参考。
接下来，如图11的步骤101a所示从加速度传感器单元16获得加速度信号，并计算加速度值(ax，ay，az)(ST1503)。
接下来，如图11的步骤101b所示从角速度传感器单元15获得角速度信号，并计算角速度值(ωx，ωy)(ST1504)。
然后，为了判断输入装置1是否在如图16所示被放置在平面上的同时被操作，MPU19判断在步骤1504中获得的两个角速度值(ωx，ωy)是否都小于阈值Th3(ST1505)(判断装置)。接近于0的值被设定为阈值Th3，这是因为即使在平面之内仍产生相对小的角速度。
当在步骤1505中角速度值(ωx，ωy)中的至少一个等于或大于阈值Th3时(ST1505中为否定判断)，判断输入装置1被三维操作，并执行图11所示的三维操作模式(ST103～ST115)。
另一方面，当在步骤1505中角速度值(ωx，ωy)都小于阈值Th3时(ST1505中为肯定判断)，判断输入装置1没有绕X′轴和Y′轴旋转。
在ST1505中为肯定判断的情况下，MPU19在步骤1506中判断加速度值(ax，az)中的至少一个是否大于阈值Th4(判断装置)。
当步骤1506中加速度值(ax，az)中的至少一个大于阈值Th4时(ST1506中为肯定判断)，能够判断加速运动是沿图16所示的X′Z′面上的X′和Z′轴中的至少一条进行的。因此，MPU19判断输入装置1在图16所示的X′Z′面上操作，并且执行步骤1507和后续步骤的平面操作模式(切换装置)。
当步骤1506中加速度值(ax，az)都等于或小于阈值Th4时，MPU19判断输入装置1不在图16所示的X′Z′面上移动，并且执行三维的操作模式(ST103～ST115)而无需变换到平面操作模式(切换装置)。
当通过步骤1505(的肯定判断)和步骤1506(的肯定判断)判断输入装置1处于平面操作模式时，执行由图15的虚线所指示的下列处理。
首先，MPU19获得输入装置1在平面操作时的加速度值(ax，ay，az)，并且如上所述(图11中的ST101a～ST114)计算加速度值(ax，ay，az)。
接下来，MPU19通过如图11所示对加速度值进行积分来计算速度值(Vx，Vz)(平面速度值)(ST1508)。
MPU19基于输入装置1在图16所示的X′Z′面上沿X′方向的速度值Vx来获得(关联)指针2在图6所示画面3上沿X轴方向的速度值Vx，并且基于输入装置1在图16中所示的X′Z′面上沿Z′方向的速度值Vz来获得(关联)指针2在图6所示画面3上沿Y轴方向中的速度值Vy(ST1509)。
因此，输入装置1在图16所示的X′Z′面上沿X′方向的移动对应于指针2在画面3上沿X方向的移动，并且输入装置1在图16中所示的X′Z′面上沿Z′方向的移动对应于指针2在画面3上沿Y方向的移动。
MPU19将所转换的速度值Vx和Vy输出至控制装置40(ST1510)。
本实施例已示出了以下实例：基于输入装置1在图16的X′Z′面上的速度值Vx来获得指针2在画面3上沿X轴方向的速度值Vx，并基于输入装置1在图16的X′Z′面上的速度值Vz来获得指针2在画面3上沿Y轴方向的速度值Vy(ST1509)。然而，还能够基于输入装置1在图16的X′Z′面上的加速度值ax来获得指针2在画面3上沿X轴方向的加速度值以及基于输入装置1在平面上的加速度值az来获得指针2在画面3上沿Y轴方向的加速度值。
当用户三维地移动输入装置1时所获得的角速度充分地大于当输入装置1在平面上移动时所获得的角速度。这是因为，当人自然地移动输入装置1时，如图12所示，通过使用手腕、肘及肩中的至少一个作为旋转轴来使输入装置旋转地移动。
如上所述，根据本实施例，输入装置1包括角速度传感器单元15和加速度传感器单元16，并且通过为由角速度传感器单元15所检测的角速度值(ωx，ωy)设定阈值Th3(ST1505的阈值Th3)，能够基于角速度值(ωx，ωy)是否小于阈值Th3(ST1505)(以及加速度值(ax，az)中的至少一个是否大于阈值Th4(ST1506))来在平面操作模式与三维操作模式之间进行切换。因此，能够在平面操作模式与三维操作模式之间进行切换，而无需使用除加速度传感器单元16与角速度传感器单元15之外的传感器(无需增加部件数)。
因为除加速度传感器单元16和角速度传感器单元15之外无需使用用于光学鼠标、球型机械编码器等的光学器件用以在平面操作模式与三维操作模式之间进行切换，所以能够降低成本并增大了输入装置1设计的自由度。此外，因为能够抑制部件数的增加，所以能够降低输入装置1的平均故障率。
基于输入装置1在图16的X′Z′面上沿X′方向的速度值Vx来获得指针2在画面3上沿X轴方向的速度值Vx，并且基于输入装置1在图16的X′Z′面上的速度值Vz来获得指针2在画面3上沿Y轴方向的速度值Vy(ST1509)。因此，通过使输入装置1在图16的X′Z′面上沿X′轴方向移动，能够使指针2在图6所示的画面3上横向移动。通过使输入装置1在图16的X′Z′面上沿Z′轴方向(深度方向)移动，能够使指针2在图6所示的画面3上垂直移动。
输入装置1的第一加速度传感器161、第二加速度传感器162和第三加速度传感器163分别检测相互正交的X′、Y′和Z′轴方向上的加速度。因此，能够在三维操作模式期间精确检测在X′、Y′和Z′轴方向的加速度。因此，能够精确地执行步骤1506中的判断并精确地执行平面操作模式与三维操作模式之间的切换。
关于输入装置1是否三维地操作的判断，还能够以预定次数重复步骤1502～1506的处理，并且当在预定时期连续获得相同的判断结果时，将模式切换到与判断结果相对应的操作模式。例如，存在以下情况：当输入装置在平面操作期间到达操作平面的端部时，抬起输入装置1并将其移动到操作平面中心的附近。在这种情况下，会担心基于图15的流程图将输入装置1误判为三维地操作。在这点上，通过如上所述仅当在预定时期连续获得相同的判断结果时才切换操作模式，能够避免所述误判。因此，能够实现高可靠的操作模式切换。
例如，MPU19还能够在步骤1505中肯定判断的情况下判断输入装置1被放置在平面上，并且因此切换到平面的操作模式。
接下来，将描述输入装置的另一个实施例。
图17是用于去除当输入装置1处于平面操作模式时引起的噪声的流程图。
如图17所示，除了在用于去除平面操作模式中引起的噪声的步骤1507和1508之间加入步骤1701和1702外，本实施例与图15中所示的实施例相同。因此，将主要对不同点进行描述。
如上述实施例，在平面操作模式中，获得输入装置1的加速度(ax，ay，az)，并且如上所述在步骤1507中计算加速度值(ax，ay，az)。
接下来，判断加速度值ay是否大于阈值Th5(ST1701)。当输入装置1在平坦平面上移动时，加速度值ay是接近0的值，而当输入装置1通过不规则处或台阶时，加速度值是超过阈值Th5的值。例如，阈值Th5是可以随表面粗糙度而适当变化的、接近于0的值。
图18是示出了由加速度传感器单元16检测的加速度信号的频率与输出值之间的关系的示图。图18示出了在对由加速度传感器单元16检测的加速度信号执行诸如傅立叶变换的频率分析的情况下的测量实例，并且实线表示在X′或Z′轴方向上加速度的输出而虚线表示在Y′轴方向上加速度的输出。如图18所示，当输入装置1在平面上移动时通过台阶时，在Y′方向上加速度的输出的波动大于关于输入装置1的移动方向(平行于X′Z′面的方向)的加速度的输出。
在这点上，在本实施例中，当加速度值ay大于阈值Th5时(ST1701中为肯定判断)过滤在步骤1507中计算的加速度值(ax，az)，因而去除当通过台阶时引起的加速度值的波动分量(噪声)。例如，可以使用低通滤波器作为该滤波器。
另一方面，当加速度值ay等于或小于阈值Th5时(ST1701中为否定判断)，判断不产生噪声，并且处理前进到步骤1508而无需去除噪声。
根据本实施例，设置滤波器(ST1702)，用于去除当输入装置1在图16所示的X′Z′面上的不平的不规则处或台阶上移动时由加速度传感器单元16检测到的频率分量。因此，能够去除当输入装置1通过例如图16所示的X′Z′面上的不规则处或台阶时由加速度传感器单元16检测到的频率分量。因此，能够对不包含噪声分量的加速度值进行积分以能够计算出更精确的速度值。结果，能够使指针2的移动平滑。
应注意，以上描述已描述了当作为参考的加速度值ay等于或小于阈值Th5时过滤加速度值ax和az的情况的实例。然而，本发明并不限于此，并且不管加速度值ay的值都可以对所计算的加速度值ax和az不断地进行过滤。
另外，上面的处理实例已描述了输入装置1在平面上其表面特性由于不规则、台阶等而局部改变的操作表面上移动的情况。然而，本发明并不限于此，并且为了去除由于当输入装置1在表面特性均匀的平面上移动时引起的防滑性带来的噪声，可以执行上述的处理。因为这种情况下的滑动噪声的频率高于多数情况下的振动频率(例如，15Hz以上)，所以可以采用具有与作为截止频带有关的频带的低通滤波器。此外，用如上所述作为参考的滑动噪声的检测的存在/不存在，可以对输入装置1在三维操作和平面操作进行判断。
接下来，将描述输入装置的另一个实施例。
图19是示出了另一个实施例的输入装置被放置在平面上的状态的截面图。
本实施例的输入装置1′与图16中所示的输入装置1的不同点在于，代替加速度传感器单元16，包括安装在电路板25′上的加速度传感器单元16′。因此，将主要对不同点进行描述。
如图19所示，加速度传感器单元16′包括用于检测X′轴方向上的加速度的第一加速度传感器161和用于检测Y2轴方向上的加速度的第二加速度传感器162。Y2轴相对于Z′轴倾斜了角α(例如，约45度(45度±1度或45度±2度))。包括X′轴和Y2轴的加速度检测表面H在相对于X′Z′面被倾斜了角α(例如，45度)的同时被设置。换言之，在外壳10内设置加速度传感器单元16′，使得当输入装置1′如图19所示被放置在X′Z′面上的同时被移动时，加速度检测表面H相对于X′Z′面倾斜了角α。应注意，加速度传感器单元16′的倾斜角不限于45度而是可以适当改变。无论倾斜角的角度α多大，都能够通过使用如后所述的三角函数的计算来获得在平面操作中在深度方向上的加速度值ay2。
如上所述，基于输入装置1′在平面操作模式中沿Z′轴方向(深度方向)的速度值获得指针2在画面3上沿Y轴方向(纵向)的速度值。基于输入装置1′在平面操作模式中沿X′轴方向的速度值来获得指针2在画面3上沿X轴方向(横向)的速度值。
图20是示出输入装置1′的输入操作模式(三维操作模式和平面操作模式)的切换操作的流程图，以及图21是用于说明加速度值ay2在Y′轴和Z′轴方向上的分量的示图。应注意，在本实施例中，与图15相比，步骤2003、2006～2009等不同。因此，将主要对不同点进行描述。
在步骤2003中，从加速度传感器单元16′获得加速度信号，并且如图21A所示计算加速度值(ax，az(＝ay2*cosα))(ST2003)。如图21A所示，加速度值ax是X′轴方向上的加速度值，加速度值ay2是Y2轴方向上的加速度值，以及加速度值az(＝ay2*cosα)是Z′轴方向上的加速度值。
在步骤2006中，判断加速度值(ax，az(＝ay2*cosα))中的至少一个是否大于阈值Th4。
当步骤2006中加速度值(ax，az(＝ay2*cosα))中的至少一个大于阈值Th4时(ST2006中为肯定判断)，可以判断加速运行是在平面上的X′和Z′轴方向中的至少一个上进行的。因此，判断输入装置1′在图19所示的X′Z′面上操作，并且执行步骤2007和后续步骤的平面操作模式。
当步骤2006中加速度值(ax，az(＝ay2*cosα))都等于或小于阈值Th4时，判断输入装置1′不在平面上移动，并且执行三维操作模式而不变换到平面操作模式(ST103～ST115)。
(平面操作模式)
当通过步骤2005(的肯定判断)和步骤2006(的肯定判断)判断输入装置1′处于平面操作模式时，获得输入装置1′在平面操作中的加速度值(ax，ay2)，并且在步骤2007中如上所述(图11中的ST101a～ST114)计算加速度值(ax，az(＝ay2*cosα))。
通过如上述实施例对加速度值(ax，az(＝ay2*cosα))进行积分来计算速度值(Vx，Vz)(ST2008)。
接下来，基于输入装置1′在图19中所示的X′Z′面上沿X′方向的速度值Vx，获得指针2在图6中所示的画面3上沿X轴方向的速度值Vx，并且基于输入装置1′在图19中所示的X′Z′面上沿Z′方向的速度值Vz，获得指针2在画面3上沿Y轴方向的速度值(ST2009)。
因此，输入装置1′在图19的X′Z′面上沿X′方向的移动对应于指针2在画面3上沿X方向的移动，并且输入装置1′在图19的X′Z′面上沿Z′方向的移动对应于指针2在画面3上沿Y方向的移动。
在三维操作模式中，例如，在图11所示的步骤101a中，通过如图21B所示的ay2*sinα来计算在Y′方向上的加速度值ay。如图21B所示，加速度值ax是X′轴方向上的加速度值，加速度值ay2是Y2轴方向上的加速度值，以及加速度值ay(＝ay2*sinα)是Y′轴方向上的加速度值。通过对加速度值ay(＝ay2*sinα)进行积分能够获得在空间中沿Y′方向的速度值Vy。基于在空间中沿Y′方向的速度值Vy获得指针2在画面3上沿Y方向的速度值Vy。
根据本实施例，在外壳10内设置加速度传感器单元16′，使得当输入装置1′在图19所示的X′Z′面上移动时，加速度检测表面H相对于图19所示的X′Z′面倾斜了角α(例如，45度)。因此，例如，当输入装置1′在X′Z′面上移动时，如图21A所示在Y2轴方向上所检测的加速度值ay2能够用以根据ay2*cosα来计算在Z′方向上的加速度值az。通过对Z′方向上的加速度值az进行积分能够计算在Z′方向的速度值Vz。基于在平面操作模式中沿Z′轴方向(深度方向)的速度值Vz，获得指针2在画面3上沿Y轴方向(纵向)的速度值Vy(ST2009)。因此，通过使输入装置1′在图19所示的X′Z′面上沿Z′轴方向(深度方向)移动，能够使指针2在画面3上垂直移动。
在三维操作模式中，如图21B所示在Y2轴方向上所检测的加速度值ay2能够用于根据ay2*sinα来计算Y′方向上的加速度值ay。通过对Y′方向上的加速度值ay进行积分能够计算沿Y′方向上的速度值Vy。基于在空间中沿Y′方向的速度值Vy获得指针2在画面3上沿Y方向的速度值Vy。因此，通过使输入装置1′在图19所示的空间中沿Y′轴方向移动，能够使指针2在画面3上垂直移动。
还能够基于从图19中Y2轴方向上的加速度值ay2中所计算的、沿Y2轴方向的速度值在Z′轴方向上的速度分量来获得指针2在画面3上沿Y轴方向的速度值。在这种情况下，因为在Z′轴方向上的速度分量变得小于在Y2轴方向上的速度值，所以仅需使增益增大，以使(例如)Z′轴方向上的速度分量也增加。因此，能够平滑地执行在画面3上沿Y轴方向的操作。
接下来，将描述输入装置的另一个实施例。
图22是用于去除当输入装置1′处于平面操作模式时所引起的噪声的流程图，以及图23是示出了由加速度传感器单元16′检测的加速度信号的频率与输出值之间的关系的示图。图23示出了对由加速度传感器单元16′检测的加速度信号执行诸如傅立叶变换的频率分析的结果。
除了如图22所示代替步骤2007设置步骤2207以及在ST2207和ST2008之间添加了用于去除在平面操作模式期间引起的噪声的ST2201和ST2202外，本实施例与图20中所示的实施例相同。因此，将主要对不同点进行描述。
如上述的实施例，在平面操作模式中，在预定时期内以预定次数获得输入装置1′的加速度(ax(i)，ay2(i))(i表示获取次数)，并且如上(图11中的ST101a～ST114)所述在步骤2207中计算加速度值(ax(i)，ay2(i))。
接下来，例如，判断在预定时期的间隔Δt上加速度值的变化率Δ|ay2(i)-ay2(i+1)|/Δt是否大于阈值Th6(ST2201)。当输入装置1′在平坦面上移动时，变化率Δ|ay2(i)-ay2(i+1)|/Δt等于或小于阈值Th6，而当输入装置1′在平面上通过(例如)不规则处、台阶等时，变化率超过阈值Th6。当输入装置1在平面上通过(例如)不规则处、台阶等时，在如图23所示的X′方向和Y2方向上噪声分量被类似地相加。
当变化率Δ|ay2(i)-ay2(i+1)|/Δt大于阈值Th6时(ST2201中为肯定判断)，通过滤波器去除噪声(ST2202)。例如，从X′方向的加速度值ax中去除噪声分量。例如，用加速度值ax作为ax(i)，防止在步骤2008中基于包含噪声分量的大加速度值ax(i+1)来计算速度值，因而，基于不包含噪声分量的小加速度值ax(i)来计算速度值。
当变化率Δ|ay2(i)-ay2(i+1)|/Δt等于或小于阈值Th6时(ST2201中为否定判断)，判断没有引起噪声，并且处理前进到步骤2008。
根据本实施例，判断在预定时期内加速度值的变化率Δ|ay2(i)-ay2(i+1)|/Δt是否超过阈值Th6(ST2201)。通过当变化率超过阈值Th6时将加速度值ax设为ax(i)，在步骤2008中基于不包含噪声分量的ax(i)计算速度值。因此，能够防止基于包含噪声分量(速度值的衰减)的大加速度值ax(i+1)来计算速度值。因此，在预定时期内加速度值的变化率Δ|ay2(i)-ay2(i+1)|/Δt出现剧变的同时(例如)对变化率采样10次的情况下，能够减少MPU19的负荷并且实时地将速度值校正为适当值。
代替判断在预定时期内加速度值的变化率Δ|ay2(i)-ay2(i+1)|/Δt是否超过阈值Th6(ST2201)，能够判断|ay2(i)-ay2(i+1)|是否超过阈值。
图24是示出了根据本发明的另一个实施例的输入装置1的输入操作模式(三维操作模式和平面操作模式)的切换操作的流程图。在图24中，用相同参考数字表示与图15中所示的流程图相同的步骤，并且将省略对其详细的描述。
本实施例与图15所示的实施例的不同在于，角速度值ωx的大小和加速度值ay的大小被用作在判断输入装置1是在平面上还是在空间中操作的参考(步骤1505′和1506′)。角速度值ωx是在步骤1504中计算的外壳10绕X′轴的角速度值，以及加速度值ay是在步骤1503中计算的外壳10在Y′轴方向上的加速度值。
当在步骤1505′中角速度值ωx的绝对值等于或大于阈值Th3′时，判断输入装置1被三维地操作，并且执行图11中所示的三维操作模式(ST103～ST115)。相反，当角速度值ωx的绝对值小于阈值Th3′时，处理变换到步骤1506′。
另一方面，当在步骤1506′中加速度值ay的绝对值等于或大于阈值Th4′时，判断输入装置1被三维地操作，并且执行图11中所示的三维操作模式(ST103～ST115)。相反，当加速度值ay的绝对值小于阈值Th4′时，判断输入装置1在平面上操作，并且执行步骤1507′和后续步骤中的平面操作模式。
当输入装置1在平面上操作时，角速度值ωx基本为0。只要输入装置1在平面上的操作伴随有绕Y′轴的旋转移动，那么角速度值ωy就不会变成0。同样，因为当输入装置1在平面上操作时，加速度值ay基本为0，所以当判断输入装置1是在平面上还是在空间中操作时，仅需要参考加速度值ay的大小。因此，根据本实施例，能够更容易并更精确地判断输入装置1是在平面上还是在空间中操作的操作模式。
应注意，阈值Th3′和Th4′的值并没有具体限制并且可以被设定为适当值。此外，同样在本实例中，当在判断输入装置1是否被三维操作的过程中在预定时期连续获得相同的判断结果时，可以切换到对应于判断结果的操作模式。
在本实施例中，在执行平面操作模式中参考的加速度值是在X′轴方向上的加速度值ax和在Z′轴方向上的加速度值az(步骤1507′)。这是因为当输入装置1在平面上操作时，即使不参考在Y′轴方向上的加速度值ay，仍能够控制指针2的移动。
此外，在本实施例中，通过执行在输入装置1的平面操作中图25所示的流程，能够去除可能当输入装置1在平面上移动时引起的噪声分量。具体地，虽然输入装置1在Y′方向上的加速度ay的值在图17所示的处理实例中已被用作参考，但本实施例与其不同在于，在X′方向上的加速度和在Z′方向上的加速度的大小(绝对值)被用作了参考(步骤1701′)。通过执行这样的处理也能够实现指针2的平滑移动。
图26是示出根据本发明的另一个实施例的输入装置1的输入操作模式(三维操作模式和平面操作模式)的切换操作的流程图。在图26中，用相同的参考数字表示与图15和图24的流程图相对应的步骤，并且将省略对其详细的描述。
本实施例与图15和24中所示的实施例的不同在于，在判断输入装置1是在平面上还是在空间中被操作的过程中参考的是输入装置1的手移动检测值(步骤1505″)。
当输入装置1被三维地操作时，传感器单元17检测作用于外壳10的手移动分量以及外壳10的三维操作。另一方面，当输入装置1在平面上操作时，手移动通常并不作用于外壳10，结果是没有检测到对应于手移动分量的移动。在这点上，在本实施例中，通过基于传感器单元17的检测值判断手移动分量的存在/不存在，或者通过判断手移动分量是否是预定级别以下，对输入装置1的平面操作和三维操作进行判断。
通过参考由角速度传感器单元15检测的角速度值(ωx，ωy)的变化或加速度值(ax，ay)的变化，能够检测手移动的级别。当三维操作时外壳10的操作频率是例如0.03Hz～10Hz，并且振动频率等于或大于这个频率(例如，10Hz～20Hz)。因此，通过对传感器单元17的检测信号进行频率分析，能够检测手移动分量的存在/不存在。可以使用除上所述之外的方法来检测手移动。
当在步骤1505″中手移动检测值等于或大于阈值Th7时，判断输入装置1被三维地操作，并执行图11中所示的三维操作模式(ST103～ST115)。相反，当手移动检测值小于阈值Th7时，判断输入装置1在平面上操作，并执行步骤1507′和后续步骤中的平面操作模式。
如上所述，同样在本实施例中，能够更容易并更精确地判断输入装置1是在平面上还是在空间中被操作的操作模式。应注意，作为用于对输入装置1的操作模式的判断的参考，除了上述的手移动检测值外，还可以使用可能在输入装置1的平面操作期间检测到的滑动噪声的大小。此外，同样在本实例中，当在对输入装置1是否被三维地操作的判断中在预定时期连续获得相同的判断结果时，能够切换到与判断结果相对应的操作模式。
图27是示出根据本发明的另一个实施例的输入装置1的输入操作模式(三维操作模式和平面操作模式)的切换操作的流程图。在图27中，用相同的参考数字表示与图20中所示流程图相同的步骤，并且将省略对其详细的描述。
本实施例与图20所示的实施例的不同在于，在判断输入装置1是在平面上还是在空间中被操作的过程中使用了角速度值ωx的大小和加速度值ay2*sinα的大小作为参考(步骤2005′和2006′)。角速度值ωx是在步骤2004中计算的外壳10绕X′轴的角速度值，以及加速度值ay2是在步骤2003中计算的外壳10在Y′轴方向上的加速度值。
当在步骤2005′中角速度值ωx的绝对值等于或大于阈值Th3″时，判断输入装置1被三维地操作，并执行图11中所示的三维操作模式(ST103～ST115)。相反，当角速度值ωx的绝对值小于阈值Th3″时，处理变换至步骤2006′。
另一方面，当在步骤2006′中加速度值ay2*sinα的绝对值等于或大于阈值Th4″时，判断输入装置1被三维地操作，并执行图11中所示的三维操作模式(ST103～ST115)。相反，当加速度值ay2*sinα的绝对值小于阈值Th4″时，判断输入装置1在平面上操作，并执行步骤2007和后续步骤中的平面操作模式。
当输入装置在平面上操作1时，角速度值ωx基本为0。只要输入装置1在平面上的操作伴随有绕Y′轴的旋转移动，那么角速度值ωy就不会变成0。类似地，因为当输入装置1在平面上操作时加速度值ay2*sinα基本为0，所以当判断输入装置1是在平面上还是在空间中操作时仅需要参考加速度值ay2*sinα的大小。因此，根据本实施例，能够更容易并更精确地判断输入装置1是在平面上还是在空间中操作的操作模式。
本发明并不局限于上述的实施例，并且能够进行各种变型。
在上述的实施例中，如图15所示，输入装置1侧在步骤1507和1508中计算输入装置1的加速度值和速度值，并在步骤1509中基于输入装置1在图16的X′Z′面上沿Z′方向的速度值Vz计算指针2在图6所示的画面3上沿Y轴方向的速度值Vy。然而，这些处理可以在控制装置40侧执行。因此，能够减少输入装置1的运算负荷。
以上实施例已示出了以下实例，其中，速度值(Vx，Vy)在经历如图15的步骤1509所示的坐标变换之后被输出至控制装置40。然而，速度值(Vx，Vz)还能够在图15的步骤1508之后不执行步骤1509而被输出至控制装置40，并且控制装置40侧执行步骤1509所示的坐标变换。
以上实施例已示出了以下实例，其中，如图15所示，根据角速度值(ωx，ωy)是否小于阈值(Th3)(ST1505)以及加速度值(ax，az)中的至少一个是否大于阈值(Th4)(ST1506)，在平面操作模式与三维操作模式之间进行切换。然而，例如，当在垂直于图16中所示的X′Z′面的Y′方向上的加速度值ay等于或小于阈值并且在X′方向上的加速度值ax和在Z′方向上的加速度值az中的至少一个等于或大于阈值Th4时，模式还能够被变换成平面操作模式。
以上实施例已示出了以下实例，其中，如图15所示，当在步骤1505中角速度值(ωx，ωy)小于阈值Th3(ST1505中为肯定判断)并且加速度值(ax，az)中的至少一个大于阈值Th4时，判断出输入装置1在平面上操作。然而，当在步骤1505中角速度值(ωx，ωy)中的任一个小于阈值Th3并且加速度值(ax，az)中的至少一个大于阈值Th4时，也能够判断输入装置1在平面上操作。
以上实施例已示出了以下实例，其中，输入装置1包括如图16所示的角速度传感器151和152。然而，在这种情况下，不能检测绕Z′轴的角速度。此时，第一加速度传感器161和第二加速度传感器162的变化量可以被计算并且经历预定的运算处理，以使所获得的值可以被用作绕Z′轴的角速度值。例如，绕Z′轴的角速度值是否小于阈值的判断条件可以被添加到用于执行到平面操作模式的切换的判断条件中。
以上实施例已示出了以下实例，其中，如图16所示，输入装置1的外壳10的底部10A、10B和10C与X′Z′面相接触。然而，为了增大输入装置1的设计自由度，可以改变输入装置1的外壳10形状，以使(例如)输入装置1的两个点接触X′Z′面。上述的模式切换也能够被应用于这种情况。
此时，例如，虽然围绕Z′轴的旋转变得容易，但是因为通过如图11中的步骤101a～114所示将X′轴方向上的加速度值和X′轴方向上的重力分量(参看图9B)分离开而抑制了加速度传感器单元16上的重力影响，所以能够精确地执行平面操作模式与三维操作模式之间的切换。
在以上实施例中，在变换到如图15的步骤1507中所示的平面操作方式之后，已基于由加速度传感器单元16检测的加速度值计算出速度值。然而，在变换到平面操作方式之后，还能够基于由角速度传感器单元15检测的角速度值使加速度值经历校正操作。
根据上述实施例的输入装置已将输入信息无线传送至控制装置。然而，也可以有线传送输入信息。
本发明可被应用于例如包括显示部的手持信息处理装置(手持装置)。在这种情况下，通过用户移动手持装置的主体，使在显示部上显示的指针移动。手持装置的实例包括PDA(个人数字助理)、蜂窝式电话、便携式音乐播放器以及数码相机。
在上述实施例中，根据输入装置1的移动而在画面上移动的指针2已被表示为箭头的图像。然而，指针2的图像并不限于箭头并且可以是简单的圆圈、方形等、或者字符图像或任何其他图像。
传感器单元17的角速度传感器单元15和加速度传感器单元16中的每一个的检测轴并不必须像上述的X′轴和Y′轴一样相互正交。在这种情况下，通过使用三角函数的计算能够获得分别投影在相互正交的轴方向上的加速度。类似地，通过使用三角函数的计算能够获得绕相互正交的轴的角速度。
已给出了关于以下情况的描述，其中，在上面的实施例中所述的传感器单元17的角速度传感器单元15的X′和Y′检测轴以及加速度传感器单元16的X′和Y′检测轴相匹配。然而，这些检测轴并不必须匹配。例如，在角速度传感器单元15和加速度传感器单元16被安装在基板上的情况下，角速度传感器单元15和加速度传感器单元16可以在基板的主表面内被偏离预定旋转角的同时被安装，以使角速度传感器单元15和加速度传感器单元16的检测轴不匹配。在这种情况下，通过使用三角函数的计算能够获得相对于各个轴的加速度和角速度。
作为计算速度值(Vx，Vy)(平面速度值和空间速度值)的方法，上述实施例已采用了MPU19通过在对加速度值(ax，ay)进行积分的同时使用角速度值(ωx，ωy)作为用于积分运算的辅助项来计算速度值的方法，但并不限于这种方法。例如，可使加速度值(ax，ay)除以角加速度值(Δωx，Δωy)来获得输入装置1的移动的回转半径(Rx，Ry)。在这种情况下，能够通过使回转半径(Rx，Ry)乘以角速度值(ωx，ωy)来计算速度值(Vx，Vy)。还可以使加速度变化率(Δax，Δay)除以角加速度变化率(Δ(Δωx)，Δ(Δωy))来获得回转半径(Rx，Ry)。通过由上述的计算方法来计算速度值，能够获得与用户的直观相匹配的输入装置1的操作感受，此外，指针2在画面3上的移动与输入装置1的移动精确地匹配。此外，作为计算速度值(Vx，Vy)的方法，所检测的角速度值(ωx，ωy)可被用作外壳的速度值(Vx，Vy)。能够通过对所检测的角速度值(ωx，ωy)进行时间微分来获得角加速度值(Δωx，Δωy)并使用它们作为外壳的加速度值。
附图说明
[图1]示出根据本发明实施例的控制系统的示图。
[图2]示出输入装置的透视图。
[图3]示意性示出输入装置的内部结构的示图。
[图4]示出输入装置的电结构的框图。
[图5]示出传感器单元的透视图。
[图6]示出在显示装置上显示的画面实例的示图。
[图7]示出用户握住输入装置的状态的示图。
[图8]用于说明移动输入装置的方式和相应地指针在画面上移动的方式的典型实例的说明图。
[图9]用于说明相对于加速度传感器单元的重力影响的示图。
[图10]用于说明相对于加速度传感器单元的重力影响的其他示图。
[图11]示出使用由角速度传感器单元检测的角速度值来计算输入装置的速度值的操作的流程图。
[图12]操作输入装置的用户的顶视图。
[图13]示出从由X轴和Y轴形成的平面看时输入装置的轨迹的示图。
[图14]示出另一个实施例的流程图。
[图15]示出输入装置的输入操作模式(三维操作模式和平面操作模式)的切换操作的流程图。
[图16]示出输入装置被放置在平面上的状态的示图。
[图17]用于去除当输入装置处于平面操作模式时引起的噪声的流程图。
[图18]示出由加速度传感器单元检测的加速度信号的频率与输出值之间的关系的示图。
[图19]示出根据另一个实施例的输入装置被放置在平面上的状态的示图。
[图20]示出图19中所示的输入装置的输入操作模式(三维操作模式和平面操作模式)的切换操作的流程图。
[图21]用于说明加速度值ay2在Y′轴和Z′轴方向上的分量的示图。
[图22]用于去除当输入装置处于平面操作模式时引起的噪声的流程图。
[图23]示出由加速度传感器单元检测的加速度信号的频率与输出值之间的关系的示图。
[图24]用于说明根据本发明另一个实施例的输入装置的输入操作模式的切换操作的流程图。
[图25]用于说明图24中所示的流程图的主要部分的细节的流程图。
[图26]用于说明根据本发明另一个实施例的输入装置的输入操作模式的切换操作的流程图。
[图27]用于说明根据本发明另一个实施例的输入装置的输入操作模式的切换操作的流程图。
符号描述
1、1′输入装置
2指针
3画面
10外壳
5显示装置
11、12、13按钮
15角速度传感器单元
16、16′加速度传感器单元
19MPU
25、25′电路板
40控制装置
100控制系统
151第一角速度传感器
152第二角速度传感器
161第一加速度传感器
162第二加速度传感器
163第三加速度传感器、
H加速度检测表面

Claims (13)

1.一种输入装置，控制指针在画面上的移动，包括：
外壳；
惯性传感器，检测所述外壳的移动；
平面对应值计算装置，用于基于所述惯性传感器的检测值，计算与所述外壳在放置所述输入装置的平面上的移动相对应的平面对应值，所述平面对应值对应于所述指针在所述画面上的位移量；
空间对应值计算装置，用于基于所述惯性传感器的所述检测值，计算与所述外壳在空间中的移动相对应的空间对应值，所述空间对应值对应于所述指针在所述画面上的位移量；
判断装置，用于基于所述惯性传感器的所述检测值，判断对所述外壳的移动是在平面上还是在空间中；以及
切换装置，用于基于所述判断装置的判断，在由所述平面对应值计算装置进行的所述平面对应值的计算与由所述空间对应值计算装置进行的所述空间对应值的计算之间进行切换。
2.根据权利要求1所述的输入装置，
其中，所述判断装置基于所述惯性传感器的手移动检测值，判断所述外壳的移动是在平面上还是在空间中。
3.根据权利要求1所述的输入装置，
其中，所述判断装置基于由所述惯性传感器检测到的、所述外壳在与所述平面正交的方向上的移动检测值是否等于或小于预定值来判断所述外壳的移动是在平面上还是在空间中。
4.根据权利要求2所述的输入装置，
其中，当所述判断装置在预定时期连续做出相同判断时，所述切换装置在由所述平面对应值计算装置进行的所述平面对应值的计算与由所述空间对应值计算装置进行的所述空间对应值的计算之间进行切换。
5.根据权利要求3所述的输入装置，
其中，当所述判断装置在预定时期连续做出相同判断时，所述切换装置在由所述平面对应值计算装置进行的所述平面对应值的计算与由所述空间对应值计算装置进行的所述空间对应值的计算之间进行切换。
6.根据权利要求1所述的输入装置，其中，所述惯性传感器包括：
第一惯性传感器，检测所述外壳在沿第一轴的方向上的移动；
第二惯性传感器，检测所述外壳在沿与所述第一轴正交的第二轴的方向上的移动；以及
第三惯性传感器，检测所述外壳在沿与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的方向上的移动，
其中，所述空间对应值计算装置基于所述第一惯性传感器的检测值来计算与所述指针在所述画面上沿第一方向的位移量相对应的对应值，并基于所述第二惯性传感器的检测值来计算与所述指针在所述画面上沿第二方向的位移量相对应的对应值，以及
其中，所述平面对应值计算装置基于所述第一惯性传感器的所述检测值来计算与所述指针在所述画面上沿所述第一方向的位移量相对应的对应值，并基于所述第三惯性传感器的检测值来计算与所述指针在所述画面上沿所述第二方向的位移量相对应的对应值。
7.根据权利要求1所述的输入装置，
其中，所述惯性传感器包括加速度传感器和角速度传感器。
8.根据权利要求1所述的输入装置，还包括：
滤波器，用于从所述惯性传感器的所述检测值中去除由所述外壳在所述平面上的移动产生的振动频率分量。
9.根据权利要求1所述的输入装置，
其中，所述惯性传感器包括用于检测所述外壳的加速度的加速度传感器以及用于检测所述外壳的角速度的角速度传感器，
其中，所述判断装置判断由所述角速度传感器检测的角速度值是否小于第一阈值，并且
其中，所述切换装置基于所述角速度值是否小于所述第一阈值，在由所述平面对应值计算装置进行的所述平面对应值的计算与由所述空间对应值计算装置进行的所述空间对应值的计算之间进行切换。
10.根据权利要求9所述的输入装置，
其中，所述判断装置另外判断由所述加速度传感器检测的加速度值是否大于第二阈值，以及
其中，当所述角速度值小于所述第一阈值时，所述切换装置基于所述加速度值是否大于所述第二阈值，在由所述平面对应值计算装置进行的所述平面对应值的计算与由所述空间对应值计算装置进行的所述空间对应值的计算之间进行切换。
11.一种控制系统，包括：
输入装置，用于输出关于检测值的信息；以及
控制装置，用于基于从所述输入装置输出的所述关于检测值的信息来控制在画面上显示的指针的移动，
所述输入装置包括：
外壳，
惯性传感器，用于检测所述外壳的移动，
平面对应值计算装置，用于基于所述惯性传感器的检测值，计算对应于所述外壳在放置所述输入装置的平面上的移动的平面对应值，所述平面对应值对应于所述指针在所述画面上的位移量，
空间对应值计算装置，用于基于所述惯性传感器的所述检测值，计算对应于所述外壳在空间中的移动的空间对应值，所述空间对应值对应于所述指针在所述画面上的位移量，
判断装置，用于基于所述惯性传感器的所述检测值，判断对所述外壳的移动是在平面上还是在空间中，以及
切换装置，用于基于所述判断装置的判断，在由所述平面对应值计算装置进行的所述平面对应值的计算与由所述空间对应值计算装置进行的所述空间对应值的计算之间进行切换，
所述控制装置包括：
接收装置，用于接收关于所述平面对应值或所述空间对应值的信息，以及
坐标信息产生装置，用于产生与所述关于所述平面对应值或所述空间对应值的信息相对应的、所述指针在所述画面上的坐标信息。
12.一种控制方法，基于包括外壳的输入装置的移动来控制在画面上显示的指针的移动，所述控制方法包括：
通过惯性传感器来检测所述外壳的移动；
基于所述惯性传感器的检测值来判断所述外壳的移动是在放置所述输入装置的平面上还是在空间中；以及
基于所述惯性传感器的所述检测值，在与所述外壳在平面上的移动相对应的平面对应值的计算和与所述外壳在空间中的移动相对应的空间对应值的计算之间进行切换，其中，所述平面对应值对应于所述指针在所述画面上的位移量，以及所述空间对应值对应于所述指针在所述画面上的位移量。
13.一种手持装置，控制指针在画面上的移动，包括：
外壳；
显示部，用于显示所述画面；
惯性传感器，用于检测所述外壳的移动；
平面对应值计算装置，用于基于所述惯性传感器的检测值，计算与所述外壳在放置所述手持装置的平面上的移动相对应的平面对应值，所述平面对应值对应于所述指针在所述画面上的位移量；
空间对应值计算装置，用于基于所述惯性传感器的所述检测值，计算与所述外壳在空间中的移动相对应的空间对应值，所述空间对应值对应于所述指针在所述画面上的位移量；
判断装置，用于基于所述惯性传感器的所述检测值，判断对所述外壳的移动是在平面上还是在空间中；以及
切换装置，用于基于所述判断装置的判断，在由所述平面对应值计算装置进行的所述平面对应值的计算与由所述空间对应值计算装置进行的所述空间对应值的计算之间进行切换。
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