CN102216880A - 用于基于移动感测输入作用力强度和旋转强度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输入设备，用于在三维空间中运行并且输入用户指令。该输入设备包括：第一操作单元，基于第一传感器的输出值计算与设备的姿态无关的坐标系统中的第一旋转角；第二操作单元，基于第二传感器的输出值计算坐标系统中的第二旋转角；姿态角测量单元，通过结合第一旋转单元和第二旋转单元计算输入设备的姿态角；以及强度计算单元，使用输入设备的加速度和在姿态测量单元中所获得的输入设备的姿态角来计算坐标系统中的作用力强度。

Description

用于基于移动感测输入作用力强度和旋转强度的方法和设备

技术领域

本发明中所描述的方法和设备涉及包括移动传感器的用户指令输入设备。更具体地，本发明涉及能够基于三维空间中的设备移动自然精确地输入作用力强度和旋转强度的用户指令输入设备。

背景技术

随着计算机科学的发展，已经开发出了多种允许用户将信息输入计算机设备的设备。这种设备之一称为用户指令输入设备。当用户操作这种设备元件时，将生成与用户指令输入设备的运动相对应的位置数据。此外，将这种位置数据转换为显示在显示器上的指针图像的运动。因此，通过移动用户指令输入设备，用户可以将指针图像与显示在显示器上的对象联系在一起。这里，对象指的是当选择菜单、按钮、或者图像时，允许执行某一动作的用户界面。此后，用户可以通过诸如按下用户指令输入设备的某一按钮的选择动作来执行与对应的对象相关联的某一命令。

通用个人计算机用户通过诸如Microsoft Windows和MAC OS X的图形化用户界面来使用操作系统来操作其计算机。这是由于在基于诸如DOS(磁盘操作系统)系统和某些UNIX版本的操作系统的控制台中不支持便捷的鼠标功能和各种的图形功能，通过上述功能，用户可以仅仅通过拖拽、滚动、或者点击鼠标来输入命令，而不需要利用键盘来输入。

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。因为上述设备与个人计算机不同，没有将这种设备固定在用于操作该设备的某一位置上，所以主要使用这种小型键盘输入方法，并且必须在诸如起居室的开放空间中进行操作，所以难以使用固定在诸如键盘或者鼠标的平面上的输入设备。

发明内容

技术问题

考虑到这种问题，目前开发出了具有诸如陀螺仪和加速计的运动传感器的三维用户指令输入设备。通过移动三维用户指令输入设备，用户可以在期望方向上并且以期望速度在对应显示器上移动指针图像，并且通过按下位于用户指令输入设备上的某一按钮来选择并且执行期望动作。

近来，出现了多种使用诸如游戏控制台、航空模拟设备、运动模拟设备的三维用户指令输入设备的系统。在上述新式系统中，除了简单通过用户输入设备控制位于屏幕上的对象的线性移动(例如，控制位于屏幕上的指针)，还可以使用多种利用输入设备输入用户指令(诸如将作用力传送至存在于三维空间中的物体或者进行旋转)的方法的形式来达到上述目的。

同样，在将注入作用力或者旋转的动量传送至物体中，最重要的一点就是如何将屏幕响应(或者操作)上的对象自然地响应于移动现有的输入设备的用户动作。位于屏幕上的物体自然地响应的用户感觉根据用户而不同，但是从模拟的观点来看，对于某一输入的物理响应是唯一的。因此，有必要调整输入和响应之间的关系，以使输入接近唯一响应。

解决问题

本发明的目的是为了提供用户通过在三维空间中的任意移动而自然地输入作用力强度和旋转强度的方法和设备。

本发明将不仅限于上述技术目的。从以下详细描述中，本领域中的技术人员将更确切地理解文中没有描述的其他目的。

根据本发明的示例性实施例，提供了用于在三维空间中运行并且输入用户指令的输入设备，包括：第一操作单元，基于第一传感器的输出值计算与该设备的姿态无关的坐标系统中的第一旋转角；第二操作单元，基于第二传感器的输出值计算在坐标系统中的第二旋转角；姿态角测量单元，通过结合第一旋转角和第二旋转角来计算该输入设备的姿态角；以及强度计算单元，使用输入设备的加速度和在姿态测量单元中所获得的输入设备的姿态角来计算坐标系统中的作用力强度。

根据本发明的示例性实施例，提供了用于在三维空间中运行并且输入用户指令的输入设备，包括：传感器，检测出至少一个方向上的输入设备的加速度；强度计算单元，基于所检测出的加速度来计算主体坐标系(body frame)的作用力强度；以及强度映射单元，根据映射函数将计算出的作用力强度映射为最终输出的作用力强度。

根据本发明的示例性实施例，提供了用于在三维空间中运行并且输入用户指令的输入设备，包括：第一操作单元，基于第一传感器的输出值计算与该设备姿态无关的坐标系统中的第一旋转角；第二操作单元，基于第二传感器的输出值计算在坐标系统中的第二旋转角；姿态角测量单元，通过结合第一旋转角和第二旋转角来计算该输入设备的姿态角；以及强度计算单元，基于输入设备的角速率和从姿态角测量单元所获得的输入设备的姿态角来计算坐标系统中的旋转强度。

根据本发明的示例性实施例，提供了用于在三维空间中运行并且输入用户指令的输入设备，包括：传感器，检测出至少一个方向上的输入设备的角速率；强度计算单元，基于所检测出的角速率计算主体坐标系的旋转强度；以及强度映射单元，通过映射函数将所计算的旋转强度最终映射至所输出的旋转强度。

附图说明

通过参照附图详细描述其优选实施例，本发明的以上和其他特征及优点将更加显而易见，其中：

图1示出了限定在某一坐标系中的三轴旋转角。

图2为示出根据本发明的示例性实施例的输入设备的框图。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的使用加速计来测量滚转(roll)值的方法。

图4示出了根据本发明的示例性实施例的在测量偏航(yaw)角的方法中，使用俯仰(pitch)和滚转值计算偏航值的方法。

图5至图7示出了在等式5中使用的ω_x情况和不使用ω_x的情况。

图8为使用移动评估函数估计设备移动的流程图。

图9示出了移动评估函数的钟形曲线。

图10示出了用作移动评估函数的指数函数。

图11为将主体坐标系的作用力强度矢量投影在导航坐标系的每个平面上的视图。

图12为使用姿态角分解在图11中所投影的作用力分量(element)作为导航坐标系元素的视图。

图13和图14示出了在主体坐标系和导航坐标系之间的作用力强度的差。

图15示出了在与图13相同的条件下的作用力强度的结果。

图16和图17示出了在与图14相同的条件下的力强度的结果。

图18、图19、以及图20示出了根据本发明的示例性实施例的映射函数。

图21示出了在用户将作用力施加输入设备的条件下，根据应用如在图20中的映射函数所得到的输出的作用力强度。

图22为图21的抑制区域(depression area)的放大图。

图23为图21的缩放区域(scaling area)的放大图。

图24为图21的限制区域(limitation area)的放大图。

具体实施方式

将参照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的详尽完整并且将本发明的概念完成传达给本领域中的技术人员，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的移动的输入可直观使用各种各样的内容。该设备使通过用户的移动所获得的信息与对于各种各样的信息设备或者各种各样的服务必要的信息相对应。这种设备的某些实例为三维空间鼠标、IPTV(网络协议TV)远程控制器和游戏输入设备。此外，例如，对象表示在通过二维显示器屏幕所表示的虚拟三维空间中存在的对象。在棒球游戏应用方式下，对象可以为在虚拟三维棒球运动场中的棒球。然而，本发明的目的不仅表示虚拟空间中的对象，还表示在可以传输实际物理作用力并且响应于该作用力的系统中的对象。

图1示出了限定在某一坐标系(坐标系统)中的三轴旋转方向。在由x轴、y轴、以及z轴所构成的某一坐标系中，俯仰(θ)指的是在围绕y轴方向的旋转，滚转

指的是围绕x轴方向的旋转，并且偏航(ψ)指的是围绕z轴方向的旋转。通过右手坐标系来确定旋转为正(+)还是负(-)。本发明描述了导航坐标系和主体坐标系这两种坐标系。导航坐标系固定在空间中并且指的是由X_N、Y_N、以及Z_N的三个轴所构成的标准坐标系统。在图1中，x方向指的是用户指令输入设备朝向的标准方向。即，如果基于朝向标准方向的轴进行旋转，则该旋转为滚转方向。

图2为示出根据本发明的示例性实施例的输入设备100的框图。输入设备100可以控制在至少一个显示设备上(未示出)的对象。此外，可以将显示设备安装在独立的固定位置上，而该显示设备还可以与输入设备100(例如，便携式游戏机)集成在一起。

作为更详细的示例，输入设备100可以包括：角速度传感器110、加速度传感器120、滤波单元130、处理单元190、以及传输单元195。此外，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、强度计算单元和强度映射单元170。

角速率传感器110感测出设备100在主体坐标系中旋转的角速率，并且提供采样输出值(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，比如机械型、流体型、光学型、以及压电型。具体地，角速率传感器110可以获得夹角为直角的两轴(主体坐标系上的轴)的旋转角度率，例如，位于主体坐标系的x轴、y轴、以及z轴上的旋转角速率(ω_x，ω_y，ω_z)。

加速度传感器120感测出位于主体坐标系中的输入设备100的加速度并且提供采样输出值(数字值)。加速度传感器120可以为压电类型或者移动线圈类型。具体地，角速率传感器110计算夹角为直角的三轴(主体坐标系中的轴)的直线加速度(f_x，f_y，f_z)。

滤波单元130根据设备100的使用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的输出以后，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)提供给第一操作单元140并且将补偿误差加速度(f_x，f_y，f_z)提供给第二操作单元150。

第二操作单元使用从滤波单元130所提供的加速度(f_x，f_y，f_z)来计算导航坐标系的滚转、俯仰、以及偏航(

θ_XL，ψ_XL)(第二旋转角)。在以下等式中示出了计算的具体示例。

等式1

φ_XL＝arctan2(f_y，f_z)

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{XL}}=\arctan 2(-f_x,(f_y^2+f_z^2))$

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

通常，利用加速度只能够计算出滚转

和俯仰(θ_XL)，但是不容易获得偏航。等式1所计算的偏航(ψ_XL)为伪偏航，并且可以参照图3和图4对此进行说明。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的使用加速计测量滚转值的方法。假设加速度方向为f_y，并且已经生成俯仰，则重力加速度的垂直分量变成图3中的(b)上的g·cosθ。因此，滚转的等式如下。

等式2

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

可以通过多种方法来计算使用加速计测量滚转值。

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，使用俯仰和滚转值计算偏航值的方法。图4中的(a)示出了在产生了俯仰的情况下的滚转和偏航角速率的矢量方向。在图4的(a)中，ω_y表示滚转角速率矢量，并且ω_z表示偏航角速度矢量。偏航角速率矢量不是实际偏航矢量，而是实际偏航矢量的投影矢量。

图4的(b)从一侧观察的图4的(a)。在图4的(b)中，假设时间为“t”，则在滚转角速率矢量ω_y、偏航角速率矢量ω_z、以及俯仰(θ)之间建立以下等式3。

等式3

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

从以上等式3中，偏航(Ψ)可能与在等式4中所示的近似。

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°，则不可能应用的等式4，所以应该以该角给出某种限制。在以下表格中示出了使用等式4在每种条件下实际测量的偏航值。

表1

如上表所示，随着滚转改变，偏航值改变，所以可以将尺寸元件(scale element)用于降低这种差。因此，在当存在俯仰值以及滚转值和偏航值变化这两者的情况下，可能计算偏航的近似值。

第一操作单元140使用来自滤波单元130的角速率值(ω_x，ω_y，ω_z)计算在导航坐标系中的三轴的旋转角(θ_G，ψ_G)(第一旋转角)。在等式5中示出了使用欧拉(Euler)角的具体等式。等式5具有用于在导航坐标系中的旋转角(

θ_G，ψ_G)的微分方程式的形式。

等式5

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

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

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

通常，可以使用三个角速率来获得在导航坐标系中的姿态角。本发明的期望实施例仅使用两个角速率(ω_y，ω_z)来计算位于导航坐标系中的三轴的角速度，这里，等式5的ω_x是一个问题。

通常，人的手部和臂部的移动常常基于在三轴坐标系统中的单轴运动。某些这种示例为围绕Z轴的旋转和Y轴方向上的旋转。此外，即使同时存在两个或者多个合成移动，也会具有如下趋势：当主体坐标系的X轴和Y轴旋转和主体坐标系统的X轴和Z轴旋转同时发生时，在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。

这里，在等式5中，在X轴方向上的ω_x变得相对小于Y轴方向或者Z轴方向上速率，所以可以忽略ω_x，但是这样会使得计算不够准确。然而，如果适当使用通过加速计所计算的滚转

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为将使用ω_x(虚线)的情况和不使用ω_x(实线)的情况相比较的结果。X轴表示单位采样的数量，并且Y轴表示角度。此外，每幅附图的右侧曲线图为通过位于左侧曲线图中的圆所表示的某一部分的放大图。当去除ω_x时，与没有去除ω_x时相比较，存在2°～4°的差和2至10个样本的延迟。然而，如果计算周期大于100MHz，则用户不容易识别出角度差和延迟，所以在当使用两轴的角速率(主体坐标系的Y轴角速率和Z轴角速率)时和当使用三轴的角速率时之间的结果中不存在明显偏差。

基于这种实验结果，可以将等式5变换为以下等式6。

等式6

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

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

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

此外，如果预先识别并且利用人抓住输入设备并且移动时的图案，则甚至可以去除ω_y。这里，与在等式1中一样，可以通过使用利用加速计的输出所计算的(

θ_G，ψ_G)来克服没有使用ω_y、ω_z所产生的误差。

等式5和等式6示出了基于欧拉(Euler)角表示通过角速率(ω_y，ω_z)计算导航坐标系中的三轴的旋转角(

θ_G，ψ_G)，但是，可以基于更复杂的四元数角而不是欧拉角表示法来实施该计算。

参照图2，姿态角测量单元160计算在从第二操作单元150所获得的导航坐标系上的三个旋转角(θ_XL，ψ_XL)和在从第一操作单元140所获得的导航坐标系上的三个旋转角(

θ_G，ψ_G)的加权平均值，并且计算导航坐标系中的姿态角(

θ，ψ)。可以根据以下等式7计算具体加权平均值。

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

这里，α₁、α₂、以及α₃分别为用于

θ、ψ的权重。计算导航中的姿态角的以上处理仅为示例，还可以使用各种其他方法计算姿态角。例如，可以使用磁性传感器或者图像传感器来计算用在等式1中的ψ_XL。根据磁性传感器和图像传感器，因为可以直接计算导航坐标系中的入射角(reentering angle)，所以用在加速度传感器中的与等于1中一样的变换处理可能没有必要。

如果通过将α₃设置为1利用等式1的第三公式，即，θ_XL＝0不能计算出ψ_XL，则仅通过ψ_G来计算ψ而没有使用ψ_XL。

然而，为了更精确地计算最终姿态角(

θ，ψ)，需要自适应确定α₁、α₂、以及α₃，而不是任意确定。为这，“姿态角测量”单元160可以使用移动评估函数。

移动评估函数指的是基于使用角速率传感器和加速度传感器的输出的数据将移动标准化为在0和1之间的范围来检测出具体移动的函数。作为示例，在所检测到的输入设备100的移动难以测出的情况下，加速度传感器120的值更可靠，所以进行该映射，从而使得α_n＝1，并且在移动为最大值状态的情况下，角速率传感器110的值更可靠，所以进行映射，从而使得α_n＝0。在移动在难以测出和最大值状态之间的情况下，可以利用适当值进行该映射。

图8为用于使用移动评估函数评估输入设备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。作为在图9中所示的形式的曲线，可以通过高斯函数(Gaussian function)、上升余弦函数等来表示钟形曲线。此外，指数函数具有图10中所示的形式，并且为例如：

y＝e^-|x|

在图9和图10中，x轴表示设备100的移动距离，并且y轴表示等式7中的权重，即，α_n。图9和图10的函数通常具有中心峰值，并且该函数向右或者向左伸展时，逐渐趋近于0。

通过使用这种移动评估函数，除了检测到输入设备100已经停止以外，可以检测出诸如中止、微小移动、缓慢移动、快速移动的具体移动。此外，通过测量这种移动，可以提供去除无意移动(例如，通过手部的抖动而产生的光标移动)的基础。此外，可能根据移动距离来调整映射函数的尺寸(scale)，这将在后面进行解释。

再次参考图2，强度计算单元170基于在姿态测量单元160中所获得的姿态角(

θ，ψ)，即，通过固定在空间中的导航坐标系中的输入设备100所形成角，和在滤波单元130中所提供的补偿误差直线加速度(f_x，f_y，f_z)来计算作用力强度(F^x，F^y，F^z)。此外，强度计算单元170基于从姿态测量单元160所获得的姿态角(

θ，ψ)和从滤波单元130所提供的补偿误差的旋转角速率(ω_x，ω_y，ω_z)来计算旋转强度(R_x，R_y，R_z)。当然，强度计算单元170可以一起计算作用力强度和旋转强度。

下文中，将详细说明第一示例性实施例。

作用力强度指的是可以在输入设备100中施加的多个作用力分量。如果在三维空间中评估姿态角，则可以使用加速计的输出，计算出施加到三维空间的作用力强度。然而，可以根据坐标系(坐标系统)的选择将作用力强度划分为以下三种类型，这三种类型为限定在主体坐标系中的作用力强度(F_B)、限定在导航坐标系中的作用力强度(F_N)、以及限定在偏航坐标系中的作用力强度的(F_Y)。可以将F_B划分为每个轴的分量，每个轴的分量为F_B ^x、F_B ^y、F_B ^z，可以将F_N划分为每个轴的分量，每个轴的元素为F_N ^x、F_N ^y、F_N ^z，以及可以将F_Y划分为每个轴的元素，每个轴的元素为F_Y ^x、F_Y ^y、F_Y ^z。偏航坐标系基本上与导航坐标系类似，但是该偏航坐标系为不考虑在导航坐标系中的偏航方向旋转(基于主体坐标系)的坐标系。即，在偏航坐标系中的作用力强度可以根据输入设备100的航向表示导航坐标系中的作用力强度。应该理解，偏航坐标系可以属于与输入设备100的姿态无关的坐标系和导航坐标系。

这里，从滤波单元130输出的直线加速度分量(f_x，f_y，f_z)为主体坐标系中限定的值，所以，强度计算单元170可以只通过在加速度分量上的适当缩放来计算主体坐标系上的力强度(F_B ^x、F_B ^y、F_B ^z)。此外，强度计算单元170可以基于从姿态测量单元160所获得的姿态角(

θ，ψ)和直线加速度分量(f_x，f_y，f_z)来计算与输入设备100的姿态无关的坐标系统(坐标系)中的作用力强度(F^x、F^y、F^z)。

在独立坐标系统中，例如，作用力强度(F^x，F^y，F^z)可以为导航坐标中的作用力强度(F_N ^x，F_N ^y，F_N ^z)或者偏航坐标系中的作用力强度(F_Y ^x，F_Y ^y，F_Y ^z)。根据实施应用方式，通过强度计算单元170计算的作用力强度可以包括或者不包括重力补偿。

图11示出了在姿态角(

θ，ψ)和作用力分量(F₁，F₂，F₃)之间的关系，其中，将由三轴(X_B，Y_B，Z_B)构成的主体坐标系的作用力强度向量(F)投影在由三轴(X_N，Y_N，Z_N)所构成的导航坐标系的每个平面上。图12示出了使用姿态角(

θ，ψ)将所投影的作用力分量(F₁，F₂，F₃)分别分解为导航坐标系的三轴(X_N，Y_N，Z_N)分量的情况。如果添加每个轴(X_N，Y_N，Z_N)分量，则最后可以计算出在导航坐标系中的作用力强度(F_N ^x，F_N ^y，F_N ^z)。

基于在图11和图12中所示的几何关系，可以获得换算公式，将主体坐标系中的作用力强度(F_B ^x，F_B ^y，F_B ^z)转换为导航坐标系的作用力强度(F_N ^x，F_N ^y，F_N ^z)，并且在等式8中示出了该换算公式。

等式8

$F_N=C_B^N{F}_B$

其中， $C_B^N=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \left(\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right)& \left(\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\\ +\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\\ +\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right)& \left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\\ -\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right]$

这里，F_N为由在导航坐标系中的作用力强度分量(F_N ^x，F_N ^y，F_N ^z)所构成的三维向量，并且F_B为在主体坐标系中的作用力强度分量(F_B ^x，F_B ^y，F_B ^z)所构成的三维向量。

图13和图14示出了在主体坐标系和导航坐标系之间的作用力强度差。

图13为主体坐标系的方向与导航坐标系的方向一致的情况，并且提供了在x轴方向上的作用力(f₁)，并且图14为使输入设备100以90°竖立的情况，并且提供了在主体坐标系的z轴方向上(导航坐标系的x轴方向)的作用力(f₂)。

图15示出了在与图13相同的条件下的作用力强度的结果。如所预期的，在主体坐标系中的x轴方向上的作用力强度(F_B ^x)和在导航坐标系中的x轴方向上的作用力强度(F_N ^x)几乎相同。

此外，图16和图17示出了在与图14相同的条件下的作用力强度的结果。尤其，图16将在主体坐标系和导航坐标系中的x轴方向上的作用作用力强度进行比较。在图16中，在导航坐标系中的作用力强度(F_N ^x)指的是根据给定作用力的分布图，并且不管时间怎样(采样数据的计数)，在主体坐标系中的作用力强度(F_B ^x)都保持为接近0的值。在理论上，主体坐标系的作用力强度(F_B ^x)确切保持为0，但是由于有手部的抖动或者加速计的误差，所以没有保持为0。

图17比较并且示出了在主体坐标系和导航坐标系中的z轴方向上的作用力强度(F_B ^z，F_N ^z)。在图17中，主体坐标系的作用力强度F_B ^z根据给定作用力示出了曲线图。另一方面，导航坐标系的作用力强度(F_N ^z)在某些部分具有某些误差，但是保持接近0的值。同样地，根据等式8所变换的结果与理论估计稍微不同。

此外，在以下等式9中示出了将在主体坐标系(F_B ^x，F_B ^y，F_B ^z)的作用力强度变换为偏航坐标系中的作用力强度(F_Y ^x，F_Y ^y，F_Y ^z)的等式。

等式9

$F_Y=C_B^Y{F}_B$

其中， $C_B^Y=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\\ 0& \cos \left(\mathrm{\φ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right]$

即使在偏航坐标系不考虑偏航旋转的导航坐标系中存在偏航旋转，因为偏航坐标系将该偏航旋转视为0，所以对于在等式8中的ψ可以通过使用0容易获得该等式9。

将主体坐标系的作用力强度变换为导航坐标系的作用力强度的变换矩阵(C_B ^N)或者将主体坐标系的作用力强度变换为偏航坐标系的作用力强度的变换矩阵(C_B ^Y)包括

θ、以及ψ的组合。因此，在确定输入设备100的姿态的独立坐标系的作用力强度期间，获得输入设备100的精确姿态角，即，

θ、以及ψ非常重要。即使在主体坐标系中获得非常精确的作用力强度，如果姿态角不精确，则也降低了所变换的作用力强度的精度。因此，根据等式1至7获得更精确的姿态角非常重要。

作用力强度当然包括重力加速度分量。然而，取决于使用输入设备100的应用方式，可能需要包括重力加速度分量，或者可能需要去除重力加速度分量。通过在导航坐标系的姿态角中的滚转和俯仰来确定重力加速度。因此，在没有误差地去除重力加速度分量的过程中，精确的姿态角的计算是必要。

再次参照图2，强度映射单元180通过映射函数将从强度计算单元170获得的作用力强度(F)映射至最终输出的作用力强度(F′)。该作用力强度(F)可以包括F_N或F_Y。

图18和图19示出了简单映射函数的示例。这里，图18示出了具有形式的下取整函数，并且图19示出了具有形式的上取整函数。这种映射函数可以通过简单关系使输入作用力强度(F)与输出作用力强度(F′)相对应。这里，可以取决于“K”的改变来减小或者去除函数的输入值，并且可以将大于某值的输入值转换为成比例的输出值。然而，诸如图18和图19的映射函数具有如下缺陷：无法对大于某值的过大的输入值限制输出值。即，图18和图19的映射函数没有在包括的映射函数中的抑制区域、缩放区域、以及限制区域的函数中的限制区域的功能。

将图20的映射函数划分为比图18和图19的函数更复杂的三个区域。第一区域(部分1)为在减小函数的输入值以后进行映射的抑制区域。第二区域(部分2)为将输入值映射为大致成比例的输出值的缩放区域。最后，第三区域为对于大于某值的输入限制输出值的限制区域。

图20的映射函数的实例为诸如

$f\left(t\right)=\frac{1}{1+e^{-t}}$

的S形函数(Sigmoid function)。这里，存在正作用力方向和负作用力方向，所以S形函数关于坐标起始点对称。即，图20的映射函数由相同的两种S型函数的组合而形成。

下文中，更详细说明了图20的三个区域的意义。在第一抑制区域中，用户的作用力施加是瞬时的。在该区域中，没有按照1:1的输出作用力强度(F′)映射输入作用力的强度(F)，而是通过减小输出作用力的强度(F′)来进行映射，这提供了去除诸如用户的手的抖动的无意移动的功能。然而，在需要实施瞬时移动的应用方式中，可以通过提升抑制区域来表达这种移动。

第二缩放区域为将实际用户作用力强度成比例地映射至显示设备上的位置信息，并且例如，可以通过±128整数值来进行该映射。

同样地，例如，本发明中的映射函数可以包括在图18和图19中所述的函数，但是不限于该函数。例如，本发明的映射函数可以包括三个区域中的至少两个，这三个区域为：抑制区域，减小或者去除函数的输入值并且输出函数输入值；以及缩放区域，将函数的输入值映射为大体上成比例的输出值；以及限制区域，限制用于大于某值的输入值的输出值。在这种角度上来说，图18和图19的函数可以认为由抑制区域和缩放区域形成，图20的函数可以认为由抑制区域、缩放区域以及限制区域形成。

图21示出了在用户将作用力(或者加速度)提供给如图13所示的输入设备100的条件下根据图20的映射函数的输出的作用力强度。这里，第一区域(部分1)为用户保持抓住输入设备100的状态，第二区域(部分2)为提供适当作用力的状态，并且第三区域(部分2)为提供较强作用力的状态。参照图21，将抑制函数设置在第一区域中，将缩放函数设置在第二区域中，并且将限制函数设置在第三区域中。

图22、图23、以及图24示出了这三个区域的放大图。首先，图22示出了在抑制区域中输入作用力强度(F)和输出作用力强度(F′)之间的关系。抑制区域为用户保持抓住输入设备100的状态，但是如图22所示，示出了在正方向和负方向上的不规则波形。然而，通过如在图20的第一区域(部分1)中的映射函数来截止这种不规则波形以不超过某一范围。

图23示出了在缩放区域中的输入作用力强度(F)和输出作用力强度(F′)。缩放区域为用户在某一范围内将适当作用力施加到输入设备100的情况。因此，输入作用力强度(F)和输出作用力强度(F′)所示出的形状大致成比例。图23示出了将缩放分量(scaling element)设置为1的情况，但是可以根据应用方式将缩放分量设置为任何其他值。

图24示出了在限制区域中的输入作用力强度(F)和输出作用力强度(F′)之间的关系。限制区域为用户将较强作用力施加到输入设备100的情况。限制超过某一数值的输入作用力强度(F)，从而使得所输出的作用力强度(F′)不会超过最大极限(在图22的实例中的±128)。

可以通过上述映射函数将作用力强度变换为诸如在±128或者±256范围内的整数的标准数字值(当然，可能变换为浮点数字值)。如果通过映射函数将模拟值变换为数字值，则可以达到噪声降低效果。此外，通常使用加速计所计算的值为浮点型数据。

例如，根据IEEE754的限定，将4个字节(byte)位用于单精度浮点数，并且将8个字节用于双精度浮点数。如果这种浮点型数据数字化并且然后变换为整数型数据(通常1-2个字节)，则可以减小数据量，从而减小要在通信中传输的数据量。

例如，如果使用浮点值本身，则根据每个轴的浮点型数据需要4个字节，并且如果传输三轴的所有值，则需要总数为12个字节。然而，如果按照±1024映射作用力强度，则对于包括符号的每个轴需要11个字节，并且对于所有三轴需要总数为33个字节。当使用模拟值本身时，需要约4个字节，该字节约为总数据量的1/3。

此外，可以通过调节用于作用力强度的映射函数的限制范围来调节数字值的分辨率。例如，如果使用加速计计算的输入作用力强度(F)限于0g至1g的范围，则所提供的映射函数将输入作用力强度数字化为±1024的范围，约1mg(1g//1024≒1mg)分辨率。如果将输入作用力强度(F)限于0g至2g，则所提供映射函数将该输入作用力强度数字化为±1024的范围，约2mg分辨率。同样地，为作用力强度提供数字化信息的映射函数根据设计者的意图进行必要的分辨率调节，并且进行降噪并且可能容易进行数据通信。

在第一实施例中，通过强度计算单元170和强度映射单元180计算和映射的对象为作用力强度。然而，根据第二实施例，强度计算单元170和强度映射单元180可以计算和映射旋转强度。

旋转强度指的是可以通过输入设备100来表示的多种旋转元素。如在作用力强度中，如果在三维空间中评估姿态角，则可以利用角速率传感器110的输出来计算在与设备姿态无关的坐标系统中的旋转分量，例如，在导航系统中的旋转强度(R_N)。角速率传感器110或者滤波单元130的输出为在主体坐标系中的旋转角速率(ω_x，ω_y，ω_z)。强度计算单元170可以通过这种旋转角速率对时间求积分来计算在主体坐标系中的旋转角向量(R_B)，即，在主体坐标系中的旋转强度(R_B ^x，R_B ^y，R_B ^z)。

在以下等式10中示出了变换公式的实例，该变换公式将在主体坐标系中的旋转强度矢量(R_B)变换为在导航坐标系中的旋转强度实例(R_N)。这里，旋转强度矢量(R_N)由旋转强度(R_N ^x，R_N ^y，R_N ^z)组成，并且变换矩阵(T_B ^N)由从姿态测量单元160所获得T_B ^N的姿态角，即，

θ、以及ψ组成。

等式10

$R_N=T_B^N{R}_B$

其中， $T_B^N=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\\ 0& \cos \left(\mathrm{\φ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right]$

在本发明的第二实施例中，强度计算单元170可以以上述方式计算在与设备的姿态无关的导航坐标系中的旋转强度。

强度映射单元180通过映射函数将从强度计算单元170所获得的旋转强度(R_N)映射至实际输出的旋转强度(R_N′)。所形成的该映射过程可以与在第一实施例中的相同，所以这里省略了该说明。

最后，参照图2，传输单元195根据应用的类型将从强度映射单元180所输出的作用力强度和/或旋转强度无线传输至显示设备。如果与输入设备100一体化实现显示设备，则可以将数据传输至主处理器。可以通过蓝牙通信、红外线通信、IEEE 802.11无线局域网(LAN)标准、IEEE 802.15.3.无线局域网标准等进行该无线传输。

可以通过任务、组、子程序、进程、项目、执行线程、诸如程序的软件、诸如FPGA(现场可编程门阵列)和ASIC(专用集成电路)的硬件或者在存储器的预定区域中所实施的软件和硬件的组合来实施图2的每个模块。此外，每个模块可以表示代码、程序段、或者模块的一部分，该代码、程序端、或者模块的一部分包括：执行指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。此外，在某些可选实例中，不管顺序怎样，上述功能可以实现。例如，实际上同时实施两个连续模块，或者根据其功能，可能以相反顺序实施这两个连续模块。

根据本发明的示例性实施例的输入设备具有如下实践优势。

1.简化系统

根据本发明的输入设备100可以使用加权平均、移动评估函数、以及映射函数的概念。因此，不需要用于采样数据的复杂操作和以下初始化时间，对于诸如线性滤波、卡尔曼(Kalman)滤波、卡尔曼平滑、扩展卡尔曼滤波、状态空间估计、以及期望最大化的基于模型的滤波该复杂操作是必要的。

此外，与占用多资源的矩阵操作不同，移动评估函数和映射函数使用1:1对应函数的简化形式。因此，当使用这种简单函数时，明显减少了操作时间和资源。

2.导航坐标系中的姿态角

输入设备100测量主体坐标系的旋转和角速度以计算导航坐标系的姿态信息。通过所获得的导航坐标系的姿态信息来控制位置信息(例如，指针的移动)，所以不管主体坐标系倾斜多少，可以实施位置信息。如以上使用在导航坐标系中的滚转、俯仰、偏航信息(姿态角信息)所述的，诸如根据用户图案实施移动、实施直观移动、以及控制显示设备的状态的多种应用是可能的。此外，在产品设计中，不存在对主体坐标系的旋转方向的限制，关于输入设备100的外观可以采用多种设计。

3.移动检测

在现有技术中，只确定简单中止，但是在输入设备100中，可以检测诸如中止、极小移动、缓慢移动、以及快速移动的多种移动，通过这样多种形式的移动检测为进一步改进移动提供了基础。此外，用在检测移动中的移动评估函数使输入与输出按1:1相对应，从而没有占用多个资源。

4.映射

由抑制区域、缩放区域、以及限制区域所组成的映射函数提供了更具体直观的移动。通过抑制区域去除诸如手部的抖动的移动，并且可以通过缩放区域来实施瞬时移动，并且可能通过限制区域限制过多移动。在这种映射函数中，可能仅获得期望区域的值。

此外，映射函数可以将浮点值变化为标准数字值，并且通过数字化，提供了诸如减少噪声和减少所传输的数据量的数字信号的优点。此外，与在基于模型的滤波中一样，这里所使用的映射函数不需要单独的初始化时间和数据采样，并且该映射函数为输入与输出按1:1相对应的简化函数。

5.使用加权平均实施稳定精确移动

在输入设备100中，基于通过角速率传感器的输出和加速计的输出所实施的每个信息集来计算加权平均值，所以可以实施更稳定精确的移动。如果仅使用角速率传感器，则可能通过求角速率的积分实现角的过程中产生由于偏差改变所积累的误差，从而生成角速度发散(divergence)，并且解决这种问题的技术是已知的。这种技术的某些实例为通过卡尔曼滤波器估计偏差的方法、使用通过频率分析的数字滤波器的方法、以及通过分析给定时间和关键值估计偏差的方法。然而，所有这种现有技术过多消耗系统资源并且需要大量操作。

相反，在输入设备100的情况下，使用角速率和加速计应用加权平均的概念，所以可以通过加速计简单限制角的分散度，可以简单构成用在估计角速率的偏差中的模型或者滤波器，并且可以改善姿态角测量精度。通过所计算的姿态角，可以实施更稳定精确的移动。

此外，在输入设备100中，如果通过移动评估函数来检测移动，则可以通过根据所检测到的移动改变每个权重(等式7的α₁，α₂，α₃)来表示用户想要的多种移动。可以实施与位置协调的适当移动。

6.减少系统初始化时间

根据输入设备100的简化系统，可以减少设备的初始化时间。典型实例为加权平均的概念。如果仅通过角速率来实现该角，则需要诸如卡尔曼滤波的独立滤波技术来最小化所积累的误差。在卡尔曼滤波的情况下，基本上需要用于初始偏移估计或者偏移设置的初始化步骤。

反之，用户指令命令设备100可以通过利用加速计输出和加速计通过使用加权平均实现每个信息集来计算精确角而不是这种初始化步骤。即，可以通过简化系统来改进姿态角测量的精度。

此外，与基于模型的滤波不同，映射函数以1:1对应为中心，所以这有助于将初始化时间减小至某种程度。

7.减少功率消耗

根据输入设备100的简化系统，可以基于初始化时间和操作量的减少来降低功耗。当减少系统的初始化时间的时候，可以存在诸如操作模式、省电模式、以及断电模式的简单操作模式。

现有技术需要稳定用于进入操作模式的系统的诸如预备模式的临时步骤。然而，输入设备100不需要诸如预定模式的临时步骤，所以可以选择性地断开提供给某一元素的电源。因此，如果设备电源打开-关闭变得较容易，则可以更多地降低功耗。

8.提供作用力强度

输入设备100提供作用力强度作为与加速度和姿态角的相关的信息。如果将加速计本身的输出值用作与加速度相关的信息，则由于包括重力元素的事实，难以根据移动实现精确信息。此外，如果使用用于加速计的输出的简单缩放，则增大了噪声。

在本发明的输入设备100中，强度计算单元170可以基于加速度传感器120的输出值来计算从姿态角测量单元160所提供的姿态角和导航坐标系或者偏航坐标系的作用力强度。此外，强度映射单元180将在强度计算单元170中所计算的作用力强度变换为映射信息。通过这种映射，输入设备100的用户可以感知直观自然作用力。

此外，输入设备100可以使用从姿态角测量单元160所获得的姿态角信息计算没有去除重力分量的作用力强度或者去除重力分量的作用力强度。

9.提供旋转强度

输入设备100不仅可以提供姿态信息和作用力强度信息，而且可以提供旋转强度信息。如果作用力强度表示线性移动的信息，则旋转强度表示旋转移动的信息。

在本发明的输入设备100中，强度计算单元170可以基于从姿态测量单元160所提供的姿态角和角速率传感器110的输出值来计算在导航坐标系中的旋转强度。此外，强度映射单元180将通过强度计算单元170所计算的旋转强度变换为映射信息。通过这种映射，输入设备100的用户可以感知直观自然旋转。

人的实际移动包括线性移动和旋转移动，所以如果整体施加作用力强度和旋转强度，则移动的更多改进的多种表达式是可能的。因此，输入设备100可以不同地应用于诸如游戏输入设备的几种应用。

本领域中的技术人员应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，在形式和细节上做各种不同的替换、修改、以及改变。因此，应该理解，上述实施例仅是为了说明并且没有将上述实施例直接理解为限制本发明。

工业适用性

根据本发明的输入设备，在通过在三维空间上的任意操作将作用力强度或者旋转强度传输给物体的情况下，可能产生对物体的更直观自然的响应。

Claims (20)

1.一种输入设备，用于在三维空间中进行运行并且输入用户指令，所述设备包括：

第一操作单元，基于第一传感器的输出值计算在与所述设备的姿态无关的坐标系统中的第一旋转角；

第二操作单元，基于第二传感器的输出值计算在所述坐标系统中的第二旋转角；

姿态角测量单元，通过结合所述第一旋转角和所述第二旋转角计算所述输入设备的所述姿态角；以及

强度计算单元，使用所述输入设备的加速度和在所述姿态测量单元中获得的所述输入设备的所述姿态角来计算在所述坐标系统中的作用力强度。

2.根据权利要求1所述的输入设备，进一步包括：强度映射单元，根据映射函数将计算出的作用力强度映射为最终输出的作用力强度。

3.根据权利要求2所述的输入设备，其中，所述映射函数包括三个区域中的至少两个区域，所述三个区域为：抑制区域，减小或者去除所述函数的输入值并且输出所述函数的所述输入值；缩放区域，将所述函数的输入值映射为大致成比例的输出值；以及限制区域，限制超过某值的输入值的输出值。

4.根据权利要求1所述的输入设备，其中，所述强度计算单元基于加速度计算主体坐标系的作用力强度，并且将所述计算出的作用力强度转换为在所述坐标系统中的作用力强度。

5.根据权利要求4所述的输入设备，其中，所述坐标系统为导航坐标系或者偏航坐标系。

6.根据权利要求1所述的输入设备，其中，通过加权平均将所述计算出的所述第一旋转角和所述第二旋转角相结合。

7.根据权利要求6所述的输入设备，其中，通过预定的移动评估函数来评估用于加权平均的权重，如果所述设备没有移动，则所述移动评估函数将所述权重设置为仅反映关于所述姿态角的第二旋转角，如果设备移动为所述最大级别，则所述移动评估函数将所述权重设置为仅反映关于所述姿态角的第一旋转角，并且如果所述设备移动位于没有移动和最大移动之间，则所述移动评估函数将所述权重设置为在没有移动情况下的值和在最大移动情况的值之间的值。

8.根据权利要求1所述的输入设备，其中，通过微分方程来计算所述第一旋转角，所述微分方程使用所述第一传感器的输出值和所述第一旋转角作为变量。

9.根据权利要求1所述的输入设备，其中，通过结合所述第二旋转角的滚转和俯仰来计算所述第二旋转角的所述偏航。

10.一种输入设备，用于在三维空间中运行并且输入用户指令，所述设备包括：

传感器，感测出所述输入设备在至少一个方向上的加速度；

强度计算单元，基于所述感测出的加速度计算主体坐标系的作用力强度；以及

强度映射单元，根据映射函数将所述计算出的作用力强度映射成最终输出的作用力强度。

11.根据权利要求10所述的输入设备，其中，所述映射函数包括三个区域中的至少两个区域，所述三个区域为：抑制区域，减小或者去除所述函数的输入值，并且输出所述函数的输入值；缩放区域，将所述函数的输入值映射为大致成比例的输出值；以及限制区域，限制超过某值的输入值的输出值。

12.一种输入设备，用于在三维空间中运行并且输入用户指令，所述设备包括：

第一操作单元，基于第一传感器的输出值计算在与所述设备的姿态无关的坐标系统中的第一旋转角；

第二操作单元，基于第二传感器的输出计算在所述坐标系统中的第二旋转角；

姿态测量单元，通过结合所述第一旋转角和所述第二旋转角来计算所述输入设备的所述姿态角；以及

强度计算单元，基于所述输入设备的所述角速率和从所述姿态角测量单元获得的所述输入设备的所述姿态角计算在所述坐标系统中的旋转强度。

13.根据权利要求12所述的输入设备，进一步包括：强度映射单元，通过映射函数将所述计算出的旋转强度映射成最终输出的旋转强度。

14.根据权利要求13所述的输入设备，其中，所述映射单元包括三个区域的至少两个区域，所述三个区域为：抑制区域，减小或者去除所述函数的输入值，并且输出所述函数的输入值；缩放区域，将所述函数的输入值映射为大致成比例的输出值；以及限制区域，限制超过某值的输入值的输出值。

15.根据权利要求12所述的输入设备，其中，所述强度计算单元基于所述加速度计算主体坐标系的旋转强度，并且将所述计算出的旋转角变换为所述坐标系统中的旋转强度。

16.根据权利要求15所述的输入设备，其中，所述坐标系统为导航坐标系或者偏航坐标系。

17.一种输入设备，用于在三维空间中运行并且输入用户指令，所述设备包括：

传感器，感测出在至少一个方向上的所述输入设备的角速率；

强度计算单元，基于所述感测出的角速率计算主体坐标系中的旋转强度；以及

强度映射单元，通过映射函数将所述计算出的旋转强度映射成最终输出的旋转强度。

18.根据权利要求17所述的输入设备，其中，所述映射函数包括三个区域中的至少两个区域，所述三个区域为：抑制区域，减小或者去除所述函数的输入值，并且输出所述函数的输入值；缩放区域，将所述函数的输入值映射为大致成比例的输出值；以及限制区域，限制超过某值的输入值的输出值。

19.一种使用运行在三维空间中的输入设备输入用户指令的方法，所述方法包括：

基于第一传感器的输出值计算与所述设备的姿态无关的坐标系统中的第一旋转角；

基于第二传感器的输出值计算所述坐标系统中的第二旋转角；

通过结合所述第一旋转角和所述第二旋转角来计算所述输入设备的所述姿态角；以及

使用所述输入设备的加速度和从姿态角测量单元获得的所述输入设备的所述姿态角来计算所述坐标系统中的作用力强度。

20.一种使用运行在三维空间中的输入设备输入用户指令的方法，所述方法包括：

基于第一传感器的输出值计算与所述设备的姿态无关的坐标系统中的第一旋转角；

基于第二传感器的输出值计算所述坐标系统中的第二旋转角；

通过结合所述第一旋转角和所述第二旋转角来计算所述输入设备的所述姿态角；以及

使用所述输入设备的角速度和所述输入设备的所述姿态角来计算所述坐标系统中的旋转强度。

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