CN102216879B - 基于移动感测的输入用户指令的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种运行在三维空间内的用户指令输入设备。该用户指令输入设备包括：第一传感器，感测设备围绕至少一个轴的角速率；第二传感器，感测设备在至少一个方向上的加速度；以及处理单元，根据第一传感器的输出计算与第一设备姿态无关的坐标系中的第一旋转角，根据第二传感器的输出值计算坐标系中的第二旋转角，并且，通过将第一旋转角和第二旋转角相结合，计算最终姿态角。

Description

基于移动感测的输入用户指令的方法和设备

技术领域

本发明描述的方法和装置涉及包含移动传感器的用户指令输入设备。更具体地来说，本发明涉及能够基于三维空间内的设备移动而自然地并且准确地输入用户指令的用户指令输入设备。

背景技术

随着计算机科学的进步，产生出了多种允许用户将信息输入到计算机设备中的设备。这些设备中的其中一种称为用户指令输入设备。当用户操作这种设备组件时，产生出与用户指令输入设备相对应的位置数据。另外，这种位置数据转换为显示在显示器上的指针图像的动作。因此，用户可以通过移动用户指令输入设备，从而将指针图像与显示器上所显示出的对象相联系。在这里，对象指的是用户界面，当选择菜单、按键或者图像时，该用户界面允许实施某些动作。在这之后，用户可以通过选择动作，比如按下用户指令输入设备的某个按键，从而实施与对应的对象相关联的某些指令。

通用个人计算机用户使用带有图形用户界面的操作系统(比如，Microsoft Windows和MAC OS X)来操作其计算机。这是为了实现便捷的鼠标功能和各种图形功能，而基于诸如DOS(磁盘操作系统)系统和一些UNIX版本的操作系统的控制台无法支持这些功能，用户通过拖动、滚转或者点击鼠标就可以输入命令，而无需利用键盘进行输入。

另一方面，一些图像显示设备无法使用那些用在个人计算机中的键盘或者鼠标，比如数字TV、机顶盒、游戏机，在这些图像显示设备中，可以使用在远程控制设备上预先准备的键盘(key pad)来输入各种指令。因为上述设备不同于个人计算机，在运行过程中并不在固定在某些位置上，所以主要利用了上述键盘输入方法，而这种运行方式对于诸如起居室的开放空间来说是必要的，从而难以使用固定在诸如键盘或者鼠标的平面上的输入方式。

发明内容

技术问题

考虑到上述问题，目前产生出了带有诸如陀螺仪和加速计的移动传感器的三维用户指令输入设备。利用移动这种三维用户指令输入设备，用户可以在期望方向上，以期望速度移动对应显示器上的指针图像，并且，用户可以通过按下用户指令输入设备上的某个按键，从而选择和执行期望动作。

然而，与通过诸如鼠标的在固定的二维平面上产生动作来输入用户命令的技术不同，通过三维空间中的任意动作，在移动指针或者某个对象(例如，游戏单元)的用户指令输入设备中传递自然而准确的移动并不容易。这是因为，根据持有设备的姿势、方向或者距离，可能会发送用户无意产生的动作。

事实上，关于利用加速计和角速率传感器测量三维移动的发明早在20世纪80年代就已经出现了。本发明并非只想实现利用了加速计和角速率传感器的输入设备，而想要实现自然地符合用户期望的带有简洁系统的输入设备(即，使用少量操作的系统)。

解决问题

本发明的目的在于为更加自然和准确地在设备中输入用户指令，该设备通过三维空间内的任意移动来输入用户指令。

本发明并不限制在上述技术目的。通过以下详细描述，本领域技术人员将更加明确地理解本文中没有描述的其他目的。

根据本发明的示例性实施例，提供了一种运行在三维空间内的用户指令输入设备，该设备包括：第一传感器，感测设备的围绕至少一个轴的角速率；第二传感器，感测设备的在至少一个方向上的加速度；以及处理单元，根据第一传感器的输出值计算与第一设备的姿态无关的坐标系中的第一旋转角，根据第二传感器的输出值计算坐标系中的第二旋转角，并且，通过将第一旋转角和第二旋转角相结合，计算最终姿态角。

根据本发明的示例性实施例，提供了一种使用运行在三维空间内的用户指令输入设备输入用户指令的方法，该方法包括：感测设备围绕至少一个轴的角速率；感测设备在至少一个方向上的加速度；使用第一传感器的输出值，计算坐标系中的第一旋转值，该坐标系与设备的姿态无关；使用第二传感器的输出值计算坐标系中的第二旋转角；通过将第一旋转角和第二旋转角相结合，计算最终姿态角；以及输出位置变化，位置变化对应于计算出的最终姿态角的变化。

附图说明

通过结合附图来描述本发明的详细的优选实施例，从而使得本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了在某个坐标系内限定的三轴旋转角。

图2是示出了根据本发明的示例性实施例的用户指令输入设备的框图。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的使用了加速计的测量滚转值的方法。

图4示出了在根据本发明的示例性实施例的测量偏航角的方法中，利用俯仰值和滚转值来计算偏航值的方法。

图5到图7示出了在等式5中，当使用了ωx时和当没有使用ωx时的情况。

图8是使用移动评估函数来评估设备移动的流程图。

图9示出了移动评估函数的钟型曲线。

图10示出了用作移动评估函数的指数函数。

图11、图12和图13示出了根据本发明的示例性实施例的映射函数。

图14至图16示出了应用关于俯仰方向旋转的映射比例尺的示例。

图17和图18示出了应用关于偏航方向旋转的映射比例尺的示例。

图19示出了主体坐标系的原点和导航坐标系的原点之间相一致。

图20示出了王体坐标系的原点和导航坐标系的原点之间不一致。

具体实施方式

将结合附图详细描述本发明的示例性实施例。

通过参照示例性实施例的以下详细描述和附图，可以更容易理解本发明和完成本发明的方法的优点和特征。然而，可以以多种不同形式来实现本发明，并且不应该将本发明直接理解为限于本文所阐述的实施例。此外，提供了这些实施例从而使得本发明详尽完整并且将本发明的概念完整传达给本领域技术人员，并且仅通过所附权利要求来限定本发明。

在本发明中，用户指令输入设备指的是界面设备，该界面设备通过接收用户移动的输入而直观地显示出各种内容。该设备产生的信息能够通过对应于信息的用户的移动而获得，该信息对于各种信息设备或者各种服务是必要的。这种设备的一些示例包括三维空间鼠标、IPTV(互联网协议TV)远程控制以及游戏输入设备。

图1示出了在某个坐标系(坐标系统)内限定的三轴旋转方向。在某个包含x轴、y轴和z轴的坐标系中，俯仰(θ)指的是围绕y轴方向的旋转，滚动(φ)指的是围绕x轴方向的旋转，偏航(ψ)指的是围绕z轴方向的旋转。通过右手坐标系确定出旋转是正(+)还是负(-)。本发明记载了两套坐标系：导航坐标系和主体坐标系。导航坐标系固定在空间上，指的是包含了三个轴X_N、Y_N和Z_N的标准坐标系。也就是说，导航坐标系与设备的姿态(attitude)无关。另外，主体坐标系指的是相对坐标系，存在于置于三维空间内的对象上，并且包含三个轴X_B、Y_B和Z_B。在图1中，x方向指的是标准方向，其中，用户指令输入设备朝向该方向。也就是说，如果基于朝向标准方向的轴进行旋转，则是滚转方向。

图2是示出了根据本发明的示例性实施例的用户指令输入设备100的结构图。用户指令输入设备100可以控制至少一个显示设备(未示出)上的对象。该对象可以是显示器上的指针，或者可以是游戏中的对象。显示设备也可以安装在独立固定的位置上，但是也可以与用户指令输入设备100(例如，便携式游戏机)集成在一起。

在更具体的示例中，用户指令输入设备100可以包括角速率传感器110、加速度传感器120、滤波单元130、处理单元190和输出单元180。而且，处理单元190可以包括第一操作单元140、第二操作单元150、姿态角测量单元160和变化映射单元170。

角速率传感器110感测到设备100在主体坐标系上旋转的角速度，并且产生出采样输出值(数字值)。可以将陀螺仪用作角速率传感器110，可以采用各种类型的陀螺仪，比如机械类型、流体类型、光学类型和压电类型。特别地，角速率传感器110可以获得夹角为直角的两个轴(主体坐标系上的轴)上的旋转角速率，例如，在主体坐标系的x轴、y轴和z轴上的旋转角速率(ω_x，ω_y，ω_z)。

加速度传感器120感测到主体坐标系上的设备100的加速度，并且产生出采样输出值(数字值)。加速度传感器120可以是压电类型的或者可动线圈类型的。特别地，角速度传感器110计算出在夹角为直角的三个轴(主体坐标系上的轴)上的直线加速度(f_x，f_y，f_z)。

根据设备100的用途，滤波单元130可以包括低通滤波器、高通滤波器、偏移滤波器(offset filter)或者尺寸滤波器(scaling filter)，在接收到角速率传感器110的输出和加速度传感器120的输出之后补偿误差。滤波单元130将误差补偿旋转角速率(ω_x，ω_y，ω_z)提供到第一操作单元140，并且将误差补偿加速度(f_x，f_y，f_z)提供给到第二操作单元150。

第二操作单元利用由滤波单元130提供的直线角速率(f_x，f_y，f_z)计算出导航坐标系的滚转、俯仰、偏航(φ_XL，θ_XL，ψ_XL)(第二旋转角)。计算的一种具体示例如下所述。

等式1

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{XL}}=\arctan 2\left(\frac{f_y}{f_z}\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{XL}}=\arctan 2\left(\frac{-f_x}{\sqrt{f_y^2+f_z^2}}\right)$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{XL}}=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{XL}}}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{XL}}\right)}$

通常，利用加速度只能够计算出滚转和俯仰(φ_XL、θ_XL)，而难以得到偏航。在本实施例中，由加速度计算出的偏航(ψ_XL)是伪偏航(pseudoyaw)，可以结合图3和图4进行解释。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的使用了加速计的测量滚转值的方法。假设方向加速度是f_y，并且已经产生了俯仰，重力加速度的纵向分量变为图3中的(b)中的g·cosθ。因此，滚转的等式如下所示。

等式2

$\mathrm{\φ=arcsin}\left(\frac{f_y}{g\·\cos \mathrm{\θ}}\right)$

可以通过各种计算方法来利用加速计测量出滚转值。

图4示出了根据本发明的示例性实施例的在测量偏航角的方法中，利用节距和滚转值来计算偏航值的方法。图4的(a)示出了基于俯仰的产生的滚转角速率和偏航角速率的矢量方向。在图4的(a)中，ω_y代表了滚转角速率矢量，ω_z代表了偏航角速率矢量。偏航角速率矢量并不是真正的偏航矢量，而是真正的偏航矢量的投影矢量。

图4的(b)示出了从一侧观察的图4的(a)。在图4的(b)中，假设时间是“t”，在滚转角速率矢量ω_y、偏航角速率矢量ω_z和俯仰(θ)之间产生下述等式3。

等式3

$\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_y\left(t\right)}{{\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)}$

根据上述等式3，偏航(ψ)可以类似于图4中所示。

等式4

$\mathrm{\ψ}=\∫{\mathrm{\ω}}_z\mathrm{dt}=\∫\frac{{\mathrm{\ω}}_y\left(t\right)}{\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)}\≅\frac{1}{\sin \mathrm{\θ}}\∫{\mathrm{\ω}}_y\left(t\right)=\frac{\mathrm{\φ}}{\sin \mathrm{\θ}}$

如果俯仰θ接近0°或者90°，则无法应用等式4，因此，应该对于上述角度进行一些限制。以下示出了在每种情况下利用等式4所得到的实际测量出的偏航值。

表1

如上表所示，当滚转变化时，偏航值变化，因此，可以利用尺寸元件(scale element)来降低上述差。因此，当存在俯仰值并且滚转值以及偏航值变化的时候，能够计算出偏航的大概值。利用由滤波单元130提供的角速率(ω_x，ω_y，ω_z)值，第一操作单元140计算出导航坐标系中三个轴的旋转角(φ_G，θ_G，ψ_G)(第一旋转角)。等式5中示出了利用了欧拉角的特定等式。等式5的形式为，导航坐标系中的旋转角(φ_G，θ_G，ψ_G)的微分方程。

等式5

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_G=({\mathrm{\ω}}_y\sin {\mathrm{\φ}}_G+{\mathrm{\ω}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_G)\tan {\mathrm{\θ}}_G+{\mathrm{\ω}}_x$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_G=({\mathrm{\ω}}_y\cos {\mathrm{\φ}}_G-{\mathrm{\ω}}_z\sin {\mathrm{\φ}}_G)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_G=\frac{{\mathrm{\ω}}_y\sin {\mathrm{\φ}}_G+{\mathrm{\ω}}_z\cos {\mathrm{\φ}}_G}{\cos {\mathrm{\θ}}_G}$

通常，可以利用三个角速率来获得导航坐标系中的姿态角。本发明的优选实施例只利用两个角速率(ω_y，ω_z)而计算出导航坐标系中的三个轴的角速率，其中，等式5中的ω_x是一个问题。

人们通常的手部和臂部动作经常基于三轴坐标系中的一个轴。一些示例为围绕Z轴旋转和Y轴方向旋转。并且，即使同时进行两个或者多个合成移动，也会出现以下趋势：当主体坐标系的X轴和Y轴旋转以及主体坐标系的X轴和Z轴旋转同时发生时，X轴方向上的移动变得相对小于Y轴和Z轴方向上的移动。

因此，在等式5中，X轴方向上的ω_x变得相对小于Y轴方向上的ω_y或Z轴方向上的ω_z，因此，将ω_x忽略不计，但是这样会使得计算不够准确。然而，如果适当地使用了通过加速计计算得出的滚转(φ_XL)信息，则性能(类似于当使用了角速度ω_x时)可能会比较稳定。

图5-图7是使用了ω_x(虚线)的情况与没有使用ω_x(实线)的情况相比较的结果。X轴指的是单位采样的数量，Y轴指的是角度。另外，每个附图右侧的曲线图是左侧曲线图中的圆圈内的某个段落的延展图。当去除了ω_x时，与没有去除ω_x时之间存在有2°～4°的差和2个到10个采样的延迟。然而，如果计算周期大于100Hz，则用户不容易区分出角度差和延迟，从而使得当使用两个轴的角速率(主体坐标系的Y轴角速率和Z轴角速率)时和当使用三个轴的角速率时之间的差不大。

基于上述实验结果，等式5可以转换为下述等式6。

等式6

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_G=({\mathrm{\ω}}_y\sin {\mathrm{\φ}}_G+{\mathrm{\ω}}_z\cos {\mathrm{\φ}}_G)\tan {\mathrm{\θ}}_G$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_G=({\mathrm{\ω}}_y\cos {\mathrm{\φ}}_G-{\mathrm{\ω}}_z\sin {\mathrm{\φ}}_G)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_G=\frac{{\mathrm{\ω}}_y\sin {\mathrm{\φ}}_G+{\mathrm{\ω}}_z\cos {\mathrm{\φ}}_G}{\cos {\mathrm{\θ}}_G}$

而且，如果预先知晓当一个人抓取输入设备并且移动时的路径并进行利用，则甚至可以去除ω_y。在这里，如等式1所示，没有使用ω_y，ω_z所产生的误差可以利用(φ_XL，θ_XL，ψ_XL)消除，其中，该(φ_XL，θ_XL，ψ_XL)利用加速计的输出计算出来。

等式5和等式6示出了根据基于欧拉角表示的角速率(ω_y，ω_z)的导航坐标系中的三个轴的旋转角(φ_G，θ_G，ψ_G)的计算，但是可以基于更多涉及四元数角表示而不是欧拉角的方式来实施计算。

参考图2，姿态角测量单元160计算出由第二操作单元150获得的导航坐标系上的三个旋转角(φ_XL，θ_XL，ψ_XL)以及由第一操作单元140获得的导航坐标系上的三个旋转角(φ_G，θ_G，ψ_G)的加权平均值，并且计算出导航坐标系中的姿态角(φ，θ，ψ)。可以根据以下的等式7计算出具体的加权平均值。

等式7

φ＝α₁·φ_XL+(1-α₁)·φ_G

θ＝α₂·θ_XL+(1-α₂)·θ_G

ψ＝α₃·ψ_XL+(1-α₃)·ψ_G

在这里，α₁、α₂和α₃的权重分别为φ，θ和ψ。上述在导航坐标系中计算姿态角的过程仅仅是一个示例，还可以利用其他各种方式来计算姿态角。例如，可以利用磁性传感器或者图像传感器来计算等式1中所使用的ψ_XL。根据磁性传感器或者图像传感器，因为可以直接计算出导航坐标系中的重入角(reentering angle)，所以用在加速度传感器中的等式1中的转换过程并非必要。

如果ψ_XL无法通过将α₃设置为1，而由等式1的第三个方程(即，θ_XL＝0)计算出，则ψ只能够由ψ_G而不使用ψ_XL来计算出。

然而，为了更加准确地计算最终姿态角(φ，θ，ψ)，则需要适当地确定而非任意确定α₁、α₂和α₃。为此，“姿态角测量”角160可以使用移动评估函数。

移动评估函数指的是，通过根据使用角速率传感器和加速度传感器的输出所得到的数据，将移动情况进行标准化到0和1之间的范围内，从而检测出详细的移动情况的函数。例如，当检测设备100的移动难以测出时，加速度传感器120的值更加可靠，因此进行映射，从而使得α_n＝1，并且，当移动处于最大状态时，角速率传感器110的值更加可靠，因此进行映射，从而使得α_n＝0。当移动处于难以测出状态和最大状态之间时，应当利用适当值进行映射。

图8是利用移动评估函数来评估设备100的移动的流程图。可以将钟形曲线或者指数函数用作移动评估函数。钟形曲线(图9中示出的曲线形状)可以表达为高斯函数、升余弦函数等等。而且，指数函数的形式如图10所示，并且可以是例如，y＝e^-|x|。在图9和图10中，x轴代表了设备100的移动距离，y轴代表了等式7中的权重，即，α_n。图9和图10的峰值通常处于中部，并且随着其向左或者向右延伸而逐渐趋近于0。

通过使用这种移动评估函数，除了检测出设备100是否已经停止之外，还可以检测出更详细的移动，比如中止移动、瞬间移动、慢速移动和快速移动。而且，通过测量上述移动，可以为去除无意移动(例如，由手部抖动所造成的光标移动)提供基础。而且，能够根据移动距离来调节映射函数的大小，这将在后面进行解释。

再次参考图2，在变化映射单元170中，在姿态角测量单元160中获得的姿态角(φ，θ，ψ)本身可以用于控制显示设备的对象。例如，在飞行模拟中的飞行物体中，每个轴方向的旋转都可以由姿态角进行控制。而且，存在于显示设备的二维屏幕上的指针需要利用这种导航坐标系的姿态角(φ，θ，ψ)的变化(位移)来映射。例如，为了表示指针控制设备的自然移动，需要将显示屏幕上的横向移动(Δx)对应于偏航的变化(Δψ)，需要将纵向移动对应于俯仰的变化(Δθ)。

上述关系可以通过下述等式8进行表达。

等式8

Δψ＝ψ_k-ψ_k-1

Δθ＝θ_k-θ_k-1

其中，“k”是表示某个采样时间点的指数。

为了确定这种对应关系，本发明提出了一种映射函数。图11和图12示出了各种映射函数的示例，并且示出了横向移动(Δx)和偏航的变化(Δψ)之间的对应关系。同样，还可以应用到纵向移动(Δy)和俯仰的变化(Δθ)之间的对应关系。

图11和图12示出了简单的映射函数的示例。在这里，图11示出了具有如下形式的下取整函数(floor function)：图12示出了具有如下形式的上取整函数(ceiling function)：这种映射函数可以通过简单的关系使得偏航或者俯仰的变化对应于显示器上的横向移动或者纵向移动。在这里，根据“K”的变化，函数的输入值可以减小或者去除，大于某值的输入值可以转换为与输出值成比例。然而，诸如图11和图12的映射函数具有如下缺陷：输出值无法限制为大于某值很多的输入值。也就是说，图11和图12的映射函数在包含在映射函数中的抑制区域(depression area)、缩放区域(scaling area)和限制区域的函数之间不具有限制区域的函数。

图13的映射函数划分为三个区域，比图11和图12的函数更加复杂。第一区域(部分1)是抑制区域、该抑制区域在降低函数的输入值之后进行映射。第二区域(部分2)是缩放区域，该缩放区域将输入值映射为大约与输出值成比例。最后，第三区域是限制区域，该限制区域限制了大于某值的输入的输出值。

图13的映射函数的示例是S型函数，比如在这里，存在正移动方向和负移动方向，因此，该S型函数关于坐标系的原点对称。也就是说，图13的映射函数由两个相同的S型函数组合而成，可以期望，将HID(人机接口设备)鼠标标准确定的值用作通过映射获得的位置变化。

将在下面详细描述对图13的三个区域的含义。在第一抑制区域中，用户的指针移动是瞬时的。在该区域中，姿态角的变化并不与位置变化1:1映射，但是通过降低位置变化来进行该映射，其提供的函数去除了诸如用户手部抖动的无意移动。然而，在需要实现瞬时移动的应用中，这种移动可以用于通过提高该抑制区域来表示。

第二缩放区域与实际的用户移动成比例，从而将信息定位在显示设备上，可以根据HID鼠标标准利用±128整数值来完成映射。

第三限制区域限制了当用户移动相对较大时的位置变化(Δx，Δy)。在图13中，映射函数相对于原点对称，因此在用户移动的正方向和负方向可以绘制出对称的输出。

而且，这种映射函数可以按照用户的移动路径，通过各种方式进行缩放，这将在下面进行描述。

如图14所示，当俯仰为5°-10°时，用户抓取设备100的方式最为舒适。然而，如果俯仰角变为30°-50°，则指针10在Y轴正方向上的控制变得比指针10在Y轴负方向上的控制更困难。同样，在实现位置信息中的由于腕部动作的限制所带来的困难称为腕部干扰(wrist jamming)。在偏航(ψ)的每个方向上都可能存在同样的腕部干扰。

图15示出了这种腕部干扰的示例。设备100提高到大约40°以上，但是显示器屏幕上的指针10的位置移动到了显示设备的下侧附近。在这种情况下，由于腕部移动的限制，用户将指针向显示设备上方移动变得比较困难。

因此，在根据本发明的示例性实施例的设备100中，如果俯仰角超过某个角度，则对于在正俯仰角方向上提高的移动，比例增加，对于在负俯仰角方向上降低的移动，比例减小，从而，用户可以在5°到10°俯仰角的定位中保持最舒适的状态。

设备100的变化映射单元170可以仅仅通过调节施加到整个映射函数的映射比例来完成运行。可以根据每组俯仰信息，用各种方式来实施映射比例的调节，甚至当俯仰角为负时，同样也可以实施上述调节。

在俯仰(θ)角中使用的技术可以应用到偏航(ψ)角。如图17所示，当用户操作设备100时，移动通常在偏航旋转方向中的±45°之间完成。然而，如果设备100的偏航角超过上述范围，则由于腕部移动的限制，用户会觉得指向困难。

因此，在根据本发明的示例性实施例的设备100中，当偏航角超过正方向上的某个角度时，对于在正偏航角方向上旋转的移动，设备增加比例，对于在负偏航角方向上旋转的移动，设备降低比例。当设备100的偏航角超过负方向中的某个角度时，可以实施同样的过程。因此，当用户感觉最舒适时，用户的指向可以继续处于±45°偏航角之间。通过调节施加到整个映射函数的映射比例，设备100的变化映射单元170可以简单实施这种操作。

而且，当设备100在俯仰方向提高到了90°时，可以对显示器屏幕上的位置变化(Δx，Δy)进行限制。例如，变化映射单元170可以制作为，通过当θ接近于90°时，将Δψ和Δθ设置为“0”，从而不产生映射的位置变化(Δx，Δy)。这是因为，作为奇点的用户无意的指针移动由当俯仰角变为90°时的等式6的第三方程(关于ψ的方程)获得。

如果利用四元数角(而不是欧拉角)表示来完成计算，则可以解决上述问题，但是增加了计算量，因此，每种方法都各有利弊。然而，当用户垂直抓取设备时，用户很少操作指针，并且即使用户操作了指针，可以通过如上所述限制位置变化来解决上述问题。

参考图2，根据应用类型，输出单元180将来自姿态角测量单元160的姿态角(φ，θ，ψ)和来自变化映射单元的位置变化(Δx，Δy)无线传送到显示设备。如果显示设备与设备100集成在一起，则可以将数据传送到主处理器。无线传送可以通过蓝牙通信、红外通信、IEEE 802.11无线LAN标准、IEEE802.15.3.无线LAN标准等等完成。

可以由实施在存储器的预定区域中的任务、等级、子程序、流程、对象、执行线程、诸如程序的软件、诸如FPGA(现场可编程门阵列)和ASIC(特定用途集成电路)的硬件或者软件和硬件的组合实现图2的每个模块。另外，每个模块都可以代表代码的部分、程序段或者模块，包括一个或者多个可执行命令来执行特定逻辑函数。另外，在一些可选实施例中，可以无顺序来实现上述功能。例如，可以几乎同时实施两个连续模块，或者可以甚至根据其功能而以相反顺序进行实施。

根据本发明的示例性实施例的用户指令输入设备具有如下所述的优点。

1.简化的系统

用户指令输入设备100仅仅在将主体信息转换到导航坐标系的过程中，使用两个坐标系(系统)之间的旋转信息的转换。也就是说，主体坐标系的原点和导航坐标系的原点保持在与图19相同的状态中。类似地，当转换坐标系时，忽略两个坐标系之间的原点(图20的O₂-O₁)的转换，从而降低了计算量。

另外，在等式7中，通过使用加权平均值、移动评估函数和映射函数的概念，不再需要对于诸如线性滤波的基于模型的滤波、卡尔曼滤波、卡尔曼平滑、延展卡尔曼滤波、状态空间评估和期望值最大化所必要的采样数据的复杂操作，以及下面的初始化时间。

而且，移动评估函数和映射函数使用1:1对应函数的采样形式，该1:1对应函数不同于占用了许多资源的矩阵运算。因此，随着使用这种简化函数，运行时间和运行资源大大降低。

2.导航坐标系中的姿态角

用户指令输入设备100测量出主体坐标系的旋转和加速度，从而计算出导航坐标系的姿态信息。通过获得的导航坐标系的姿态信息控制位置信息(例如，指针的移动)，从而使得位置信息可以脱离开主体坐标系的倾斜而实现位置信息。如上所述，能够使用偏航坐标系中的滚转、俯仰、偏航信息(姿态角信息)，诸如根据用户路径的移动实现、直观移动实现以及显示屏的状态的各种使用方式控制。另外，在产品设计中，对于主体坐标系的旋转方向上没有限制，能够进行有关于用户指令输入设备100的外观的各种设计。

3.移动检测

在现有技术中，可以确定比较简单的停止，但是在用户指令输入设备100中，可以检测诸如停止、瞬间移动、慢速移动和快速移动，并且通过各种移动形式为更先进的移动创造了条件。另外，用于检测移动的移动评估函数使得输入以1:1对应于输出，从而不会占用很多资源。

4.映射

包含抑制区域、缩放区域和限制区域的映射函数提供了更详细和更直观的移动。通过抑制区域去除诸如手部抖动的移动，可以通过缩放区域实现瞬时移动，并且可以通过限制区域来限制过度移动。在该映射函数中，可能仅仅采用期望区域的值。

另外，映射函数可以将浮点值转换为标准化的数字值，并且通过数字化，提供了诸如降低噪声和降低数据传送量的数字信号的优点。另外，这里所使用的映射函数不需要如基于模型的滤波中的单独初始化时间和数据采样，并且，这里所使用的映射函数是输入与输出以1:1进行对应的简化函数。

5.使用加权平均值来实现稳定和精确的移动

在用户指令输入设备100中，基于通过角速率传感器的输出和加速度传感器的输出实现的每组信息计算加权平均值，从而可以实现更加稳定和精确的移动。如果仅仅使用角速率，通过偏置变化积累的误差产生在通过集成角速率实施角度的过程中，因此产生了角速率的分散，本发明的技术解决了上述现有问题。上述技术的一些示例是通过卡尔曼滤波器偏置的评估方法、通过频率分析使用数字滤波器的方法以及通过分析给定时间和临界值评估偏置的方法。然而，所有上述现有技术过度消耗了系统资源，并且需要较大量的运行。

相反，在用户指令输入设备100的情况下，利用角速率传感器和加速计来应用加权平均值的概念，从而可以仅仅通过加速计限制角度的分散，由此评估角速率的偏置的模型或者滤波器得到了简化，并且可以改进姿态角测量的准确度。通过计算出的姿态角，可以实现更稳定和更准确的移动。

另外，在用户指令输入设备100中，如果通过移动评估函数检测移动，则用户有意的各种移动可以根据移动通过改变每个权重(等式7的α₁，α₂，α₃)。也就是说，可以实施与状态相协调的适当移动。

6.降低了系统初始化时间

根据用户指令输入设备100的简化系统，可以降低设备的初始化时间。一个代表性的示例是加权平均值的概念。如果仅仅通过角速率传感器实现角度，需要独立的诸如卡尔曼滤波的滤波技术来将积累的误差最小化。在使用卡尔曼滤波的情况下，主要需要初始偏置评估或者初始偏置设置的初始化步骤。

相反，用户指令输入设备100可以通过使用加速计的输出与加速计的加权平均值实现每组信息，而没有进行初始化步骤来计算精确角度。也就是说，利用经过简化的系统，可以改进姿态角测量的精确度。

另外，与基于模型的滤波不同，映射函数以1:1对应为重点，从而有助于在某种程度上降低初始化时间。

7.降低功耗

根据用户指令输入设备100的经过简化的系统，可以通过降低初始化时间和运算量而降低功耗。随着系统的初始化时间降低，可以出现经过简化的运行模式，比如运行模式、省电模式以及断电模式。

现有技术需要临时步骤，比如用于稳定进入运行模式的系统的待机模式。然而，用户指令输入设备100不需要诸如待机模式的临时步骤，提供到某个元件的电源可以选择性地关闭。因此，如果设备电源的打开和关闭变得容易，功耗就可以变得更低。

应该理解，本领域普通技术人员可以在不超出如以下权利要求所限定出的本发明的精神和范围的情况下，在形式上和细节上进行替换、修改和改变。因此，可以理解，上述实施例仅仅是为了示出的目的，并非意在限制本发明。

工业应用

根据本发明的用户指令输入系统以及利用指针设备的方法，在三维空间上输入用户指令的设备中，可以控制显示设备上的对象，从而适合于用户的直观感觉。

Claims (12)

1.一种运行在三维空间内的用户指令输入设备，所述设备包括：

第一传感器，感测所述用户指令输入设备围绕主体坐标系的至少一个轴旋转的角速率；

第二传感器，感测所述用户指令输入设备在所述主体坐标系的至少一个方向上的直线加速度；以及

处理单元，根据所述主体坐标系的原点与标准坐标系的原点相同来将所述第一传感器的输出转换为所述标准坐标系中所述用户指令输入设备的第一旋转角，根据所述主体坐标系的原点与标准坐标系的原点相同来将所述第二传感器的输出转换为所述标准坐标系中的第二旋转角，并且计算所述用户指令输入设备的作为所述第一旋转角和所述第二旋转角的结合的姿态角。

2.根据权利要求1所述的用户指令输入设备，其中，所述第一传感器是角速率传感器，所述角速率传感器感测所述用户指令输入设备围绕第一轴的旋转，以及感测所述用户指令输入设备围绕第二轴的旋转，所述第二轴垂直于所述第一轴。

3.根据权利要求1所述的用户指令输入设备，其中，计算出的所述第一旋转角和计算出的所述第二旋转角通过加权平均相结合。

4.根据权利要求3所述的用户指令输入设备，其中，通过预定移动评估函数评估所述加权平均的权重，如果所述用户指令输入设备没有移动，则所述移动评估函数将所述权重设置为只将第二旋转角反映到姿态角，如果所述用户指令输入设备的移动处于最大级别，则所述函数将所述权重设置为只反映出第一旋转角，并且，如果所述用户指令输入设备的移动处于没有移动和最大移动之间，则所述函数将所述权重设置在所述没有移动的值和所述最大移动的值之间。

5.根据权利要求1所述的用户指令输入设备，其中，根据所述第一传感器的输出和旋转角的结合的微分方程来计算所述第一旋转角。

6.根据权利要求1所述的用户指令输入设备，其中，根据所述第二旋转角的滚转和俯仰的结合来计算所述第二旋转角的偏航。

7.根据权利要求1所述的用户指令输入设备，其中，所述姿态角至少包括偏航和俯仰。

8.根据权利要求7所述的用户指令输入设备，其中，所述偏航的变化对应于显示器上的指针的横向变化，所述俯仰的变化对应于所述显示器上的指针的纵向变化。

9.根据权利要求8所述的用户指令输入设备，其中，通过预定映射函数映射所述偏航的变化和所述横向变化，以及所述俯仰的变化和所述纵向变化。

10.根据权利要求9所述的用户指令输入设备，其中，所述映射函数包括三个区域中的至少两个，所述三个区域为，通过降低或者去除所述映射函数的输入值而输出的映射抑制区域、将所述映射函数的所述输入值映射为基本上与输出值成比例的缩放区域、以及对大于某个值的输入值的输出值进行限制的限制区域。

11.一种使用在三维空间内运行的用户指令输入设备输入用户指令的方法，所述方法包括：

感测所述用户指令输入设备围绕主体坐标系的至少一个轴旋转的角速率；

感测所述用户指令输入设备在所述主体坐标系的至少一个方向上的直线加速度；

根据所述主体坐标系的原点与标准坐标系的原点相同来将所感测的用户指令输入设备旋转的角速率转换为所述标准坐标系中的所述用户指令输入设备的第一旋转角；

根据所述主体坐标系的原点与标准坐标系的原点相同来将所感测的所述用户指令输入设备的直线加速度转换为所述标准坐标系中的第二旋转角；

计算作为所述第一旋转角和所述第二旋转角的结合的所述用户指令输入设备的姿态角；以及

输出所述姿态角的变化。

12.一种运行在三维空间中的用户指令输入设备，所述设备包括：

第一传感器，感测所述用户指令输入设备围绕主体坐标系的至少一个轴旋转的角速率；

第二传感器，感测所述用户指令输入设备在所述主体坐标系的至少一个轴方向上的旋转角；以及

处理单元，根据所述主体坐标系的原点与标准坐标系的原点相同来将所述第一传感器的输出转换为所述用户指令输入设备在所述标准坐标系中的第一旋转角，并且计算作为所感测出的旋转角和所转换的旋转角的组合的姿态角。