CN102270054B - 姿态感知设备的定位方法、鼠标指针的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种姿态感知设备的定位方法，所述姿态感知设备至少包括两个陀螺仪，通过获取各陀螺仪的输出电压，并根据各陀螺仪的输出电压和旋转角速度呈线性关系，快速的对所述姿态感知设备进行二维或三维的定位。本发明的实施例还提供了一种鼠标指针的控制方法，所述鼠标指针由空间鼠标控制，所述空间鼠标中包括两个陀螺仪，所述各陀螺仪的输出电压和旋转角速度呈线性关系，采用本发明实施例的空间鼠标可以快速的控制鼠标指针的移动，空间鼠标的灵敏度高。

Description

姿态感知设备的定位方法、鼠标指针的控制方法

技术领域

本发明涉及姿态感知设备的定位领域，尤其涉及一种姿态感知设备的定位方法、鼠标指针的控制方法。

背景技术

目前，计算机指针鼠标指针的定位大多数都依靠光学传感器或激光传感器来实现。这些传感器都是基于物理光学原理，使得传感器需要依靠桌面等平台来实现。但是随着人们对办公环境和操作便捷性要求的日益提高，用户希望鼠标可以脱离对桌面的依赖，升级为空间鼠标，可以实现悬空3D操作，只需轻挥手腕，指针即可随意移动，轻松控制电脑等设备。因此，基于陀螺仪的空间鼠标应运而生。

要实现空中运动姿态的感知，可以采用加速度传感器感应速度的变化，或者陀螺仪感应角速度的变化。陀螺仪以其能够及时感应出空间的变化，能够检测到运动过程中每个轴上旋转的角速度的优点，而使得包括陀螺仪的空中鼠标占有优势。

陀螺仪的基本原理是运用物体高速旋转时，强大的角动量使旋转轴一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器。当运动方向与转轴指向不一致时，会产生相应的偏角，再根据偏角与运动的关系，得到目前运动件的运动轨迹和位置，从而实现定位的功能。

然而，现有技术的空间鼠标的鼠标指针的控制方法，由于空间鼠标内的陀螺仪对其运动姿态的感知较慢，从而使得采用现有技术的空间鼠标控制鼠标指针移动的速度较慢，为用户的实际操作带来不便。

更多关于空间鼠标的详细信息请参考公开号为“CN102043475A”的中国专利。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种能够快速的对姿态感知设备进行定位的姿态感知设备的定位方法、一种能快速控制鼠标指针移动的鼠标指针的控制方法。

为解决上述问题，本发明提供了一种姿态感知设备的定位方法，所述姿态感知设备至少包括第一陀螺仪和第二陀螺仪，包括：

获取所述姿态感知设备的第一位置；

当所述姿态感知设备由所述第一位置运动到第二位置后，分别获取第一陀螺仪和第二陀螺仪的输出电压，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪分别包括检测臂、两个对称位于检测臂两侧的驱动臂、及连接所述检测臂中心和驱动臂中心的连接部，且所述第一陀螺仪的检测臂垂直于所述第二陀螺仪的检测臂，各陀螺仪的输出电压为对应的检测臂上测得的电压；

分别确定所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的旋转角速度，其中，各陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系；

基于所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的旋转角速度，确定所述姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的分量，以定位所述姿态感知设备，所述第一方向垂直于所述第二方向。

可选地，获取各陀螺仪的输出电压的步骤至少包括：测量得到各陀螺仪的初始电压的信号；经过低通滤波器滤除初始电压的信号中的高频干扰；将经过低通滤波器滤波后的信号进行A/D采样。

可选地，所述第一陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₁＝a₁ω₁+b₁，其中V₁为所述第一陀螺仪的输出电压，ω₁为所述第一陀螺仪的旋转角速度，a₁、b₁为常量；所述第二陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₂＝a₂ω₂+b₂，其中V₂为所述第二陀螺仪的输出电压，ω₂为所述第二陀螺仪的旋转角速度，a₂、b₂为常量。

可选地，所述a₁、a₂为0.67，所述b₁、b₂为1350。

可选地，基于所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的旋转角速度，确定所述姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的分量的步骤包括：

对所述第一陀螺仪的旋转角速度按时间积分，获得所述第一陀螺仪的旋转角度α1；

计算所述姿态感知设备的第二位置在第一方向的分量Acosα1，其中，A为所述姿态感知设备的第一位置在第一方向的分量；

对所述第二陀螺仪的旋转角速度按时间积分，获得所述第二陀螺仪的旋转角度α2；

计算所述姿态感知设备的第二位置在第二方向的分量Bcosα2，其中，B为所述姿态感知设备的第一位置在第二方向的分量。

可选地，还包括：

计算所述姿态感知设备的第二位置在第一方向的变化分量A’＝A-Acosα1；

计算所述姿态感知设备的第二位置在第二方向的变化分量B’＝B-Bcosα2。

可选地，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪为单轴陀螺仪，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的材料为水晶。

可选地，还包括：

提供第三陀螺仪；

获取所述第三陀螺仪的输出电压，所述第三陀螺仪包括检测臂、两个对称位于检测臂两侧的驱动臂、及连接所述检测臂中心和驱动臂中心的连接部，所述第三陀螺仪的输出电压为第三陀螺仪的检测臂上测得的电压；

确定所述第三陀螺仪的旋转角速度；

基于所述第三陀螺仪的旋转角速度确定所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量，所述第三方向垂直于第一方向、且垂直于第二方向。

可选地，所述第三陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₃＝a₃ω₃+b₃，其中V₃为所述第三陀螺仪的输出电压，ω₃为所述第三陀螺仪的旋转角速度，a₃、b₃为常量。

可选地，基于所述第三陀螺仪的旋转角速度确定所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量的步骤包括：

对所述第三陀螺仪的旋转角速度按时间积分获得所述第三陀螺仪的旋转角度α3；

计算所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量Ccosα3，其中C为所述姿态感知设备的第一位置在第三方向的分量。

可选地，还包括：计算所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的变化分量C＝C-Ccosα3。

可选地，所述第三陀螺仪为单轴陀螺仪，所述第三陀螺仪的材料为水晶。

一种鼠标指针的控制方法，包括：

利用上述的定位方法确定姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的变化分量；

计算第一方向的旋转角度变化率vx，其中vx＝A’/SF₁，SF₁为第一陀螺仪的灵敏度系数；

确定所述鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX，其中ΔX＝vx/MF，MF为鼠标指针的灵敏度系数；

计算第二方向的旋转角度变化率vy，其中vy＝B’/SF₂，SF₂为第二陀螺仪的灵敏度系数；

确定所述鼠标指针在Y轴方向的位移变化量ΔY，其中ΔY＝vy/MF，所述Y轴方向垂直于X轴方向；

基于鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和在Y轴方向的位移变化量ΔY控制所述鼠标指针的移动。

可选地，所述鼠标指针通过空间鼠标控制。

可选地，所述空间鼠标还包括位于所述空间鼠标内的数据数据采集单元、数据处理单元、信息发送单元以及与电脑或电视的显示屏相连的信息接收单元。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的实施例中，姿态感知设备至少包括第一陀螺仪和第二陀螺仪，各陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系，基于所述线性关系可以更快的确定各陀螺仪的角速度，并确定所述姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的分量，更快的对姿态感知设备进行二维定位。

进一步的，本发明实施例提供了一种鼠标指针的控制方法，测量所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的输出电压，通过各陀螺仪的输出电压和旋转角速度的线性关系快速的确定空间鼠标的第二位置在第一方向和第二方向的变化分量，最终得到鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和在Y轴方向的位移变化量ΔY，能快速控制鼠标指针的移动，提高了空间鼠标的灵敏度。

更进一步的，本发明的实施例中还包括第三陀螺仪，所述第三陀螺仪的输出电压与旋转角度呈线性关系，基于所述第三陀螺仪的输出电压与旋转角度的线性关系，可以快速确定所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量，快速的对姿态感知设备进行三维定位。

附图说明

图1是本发明第一实施例的姿态感知设备的定位方法的流程示意图；

图2是本发明第一实施例的姿态感知设备的第一陀螺仪和第二陀螺仪的结构示意图；

图3～图5是本发明第一实施例的姿态感知设备的各陀螺仪的获得输出电压的电路示意图；

图6是本发明实施例的陀螺仪的输出电压与旋转角速度之间的关系示意图；

图7是本发明第一实施例的姿态感知设备的第一陀螺仪的输出电压和旋转角速度的线性关系示意图；

图8是本发明第一实施例的姿态感知设备的第二陀螺仪的输出电压和旋转角速度的线性关系示意图；

图9是本发明第二实施例的通过空间鼠标控制鼠标指针移动的流程示意图；

图10是本发明第三实施例的第三陀螺仪的结构示意图；

图11是本发明第三实施例的姿态感知设备的第一陀螺仪、第二陀螺仪和第三陀螺仪的位置关系示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术的空间鼠标的控制鼠标指针移动的速度较慢，空间鼠标的灵敏度不高。发明人经过研究后发现，空间鼠标以肘关节为轴发生旋转可以控制鼠标指针在显示屏上的移动，其主要原理是通过检测空间鼠标内的各陀螺仪的输出电压，根据所述输出电压与旋转角速度之间的关系，确定各陀螺仪的旋转角速度，再基于所述各陀螺仪的旋转角速度，确定鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和Y轴方向的位移变化量ΔY控制鼠标指针的移动。

发明人经过进一步研究后发现，现有技术中空间鼠标控制鼠标指针移动的速度较慢，空间鼠标的灵敏度不高，主要由以下原因造成：

现有技术的空间鼠标采用的陀螺仪，所述陀螺仪在X轴上的位移X(t)为：X(t)＝Acos(ω_zt-Φ_c)，其中： $A=\frac{2X_0*{\mathrm{\ω}}_z}{{\mathrm{\ω}}_c{[(1+\frac{{f_c}^2}{{f_0}^2})+{\left(\frac{f_c}{f_0{Q}_0}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}},$ ${\mathrm{\Φ}}_c={\tan }^{-1}\left[\frac{f_c{f}_0}{Q_0({f_0}^2-{f_c}^2)}\right],$

X₀为振动输入的最大振幅，f₀为检测臂的谐振频率，Q₀为机械品质因数，ω_z为振动输入的角速度，A为陀螺仪在检测臂上的振动振幅，Φ_c为陀螺仪的初始相位，f_c为驱动轴的谐振频率。根据上述公式可知，陀螺仪在X轴上的位移X(t)与振动输入的角速度ω_z成正比，且为非线性关系；又由于压电效应，陀螺仪在检测臂的方向的输出电压与陀螺仪的位移X(t)成正比，因此可以得知现有技术的陀螺仪的输出电压与旋转角速度之间为非线性关系，通过输出电压计算旋转角速度的过程较为复杂，耗时长，使得通过空间鼠标控制鼠标指针移动的速度较慢，空间鼠标的灵敏度低。

进一步的，请参考图1，本发明实施例的发明人提供了姿态感知设备的定位方法，包括：

步骤S10，提供姿态感知设备，所述姿态感知设备至少包括第一陀螺仪和第二陀螺仪，获取所述姿态感知设备的第一位置；

步骤S20，当所述姿态感知设备由所述第一位置运动到第二位置后，分别获取第一陀螺仪和第二陀螺仪的输出电压，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪分别包括检测臂、两个对称设置在检测臂两侧的驱动臂、及连接所述检测臂和驱动臂的连接部，且所述第一陀螺仪的检测臂垂直于所述第二陀螺仪的检测臂，各陀螺仪的输出电压为对应的检测臂上测得的电压；

步骤S30，确定所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的旋转角速度，其中，各陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系；

步骤S40，基于所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的旋转角速度，确定所述姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的分量，以定位所述姿态感知设备，所述第一方向垂直于所述第二方向。

上述姿态感知设备的定位方法，由于各陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系，根据所述输出电压，可以快速的确定所述旋转角速度，进一步快速的确定姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的分量，从而快速的对姿态感知设备进行二维或三维的定位。

更进一步的，本发明实施例的发明人提供了一种采用上述方法的鼠标指针的控制方法，由于控制鼠标指针移动的空间鼠标包括两个陀螺仪，且各陀螺仪的输出电压与旋转角速度之间呈线性关系，采用本发明实施例的空间鼠标控制鼠标指针移动时，由于通过各陀螺仪的输出电压确定旋转角速度的方法更加简单快速，因此空间鼠标可以快速的得到鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和在Y轴方向的位移变化量ΔY，从而快速的控制鼠标指针的移动，空间鼠标的灵敏度高。

为使本发明的实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明的实施例，但是本发明的实施例还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明的实施例不受下面公开的具体实施例的限制。

第一实施例

请参考图2，在本发明的第一实施例中，首先，提供至少包括第一陀螺仪和第二陀螺仪的姿态感知设备，其中：

所述第一陀螺仪包括：检测臂110；对称位于所述检测臂110两侧的驱动臂120和驱动臂130；连接所述检测臂110的中心、所述驱动臂120的中心和驱动臂130的中心的连接部140；

所述第二陀螺仪包括：检测臂210；对称位于所述检测臂210两侧的驱动臂220和驱动臂230；连接所述检测臂210的中心、所述驱动臂220的中心和所述驱动臂230的中心的连接部240；

且所述第一陀螺仪的检测臂110垂直于所述第二陀螺仪的检测臂210。

所述第一陀螺仪和第二陀螺仪还分别包括驱动电路，所述驱动电路用于驱动各陀螺仪的两个驱动臂产生振动，每个陀螺仪的两个驱动臂的振动频率相同，所述第一陀螺仪的两个驱动臂的振动频率和第二陀螺仪的两个驱动臂的振动频率为40KHz～60KHz。为了避免共振，在本发明的实施例中，所述第一陀螺仪的两个驱动臂的振动频率为46.5KHz，所述第二陀螺仪的两个驱动臂的振动频率为50.3KHz。

在本发明的实施例中，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪均为单轴陀螺仪，且考虑到水晶的特性随环境温度的变化不明显，为了避免温漂现象导致的姿态感知设备的定位不准确的问题，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的材料为水晶。

需要说明的是，所述姿态感知设备还包括：数据采集单元和数据处理单元。其中，所述数据采集单元用于获取各陀螺仪的输出电压以及姿态感知设备的第一位置信息；所述数据处理单元用于根据数据采集单元提供的各陀螺仪的输出电压确定姿态感知设备的第二位置。

所述第一位置为上次确定的姿态感知设备的位置，可以由数据存储单元获得。在本发明的实施例中，所述姿态感知设备在第一位置时静止，由于两个陀螺仪的驱动臂对称位于检测臂的两侧，且通过连接部连接所述检测臂和两个驱动臂的中心，所述两个对称设置在检测臂两侧的驱动臂通过相对振动，可以消除噪声，例如外部的冲击和振动。所述检测臂处于静止状态。

由于所述姿态感知设备在第一位置时静止，测量所述姿态感知设备位于第一位置时的各陀螺仪的电压作为所述基准电压。需要说明的是，实际操作过程中，可以在所述姿态感知设备的各陀螺仪组装完成后，测量各陀螺仪的基准电压，而不用在每次使用时都重新测量各陀螺仪的基准电压。

然后，使所述姿态感知设备由第一位置运动到第二位置，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪发生旋转，获取各陀螺仪的输出电压。

获取各陀螺仪的输出电压的至少可以选取以下几种方式中的任一种：

请参考图3，通过与各陀螺仪的检测轴相连的数据采集单元(未图示)测量得到各陀螺仪的某点的初始电压信号V₀，所述初始电压信号V₀经过低通滤波器(LPF)300滤除部分高频干扰，再经过端口P进行A/D采样310得到各陀螺仪的输出电压，即第一陀螺仪的输出电压V₁、以及第二陀螺仪的输出电压V₂。

采用图3所示的方法获得的输出电压滤除了部分高频干扰，得到的各陀螺仪的输出电压的值较为准确。

请参考图4，通过与各陀螺仪的检测轴相连的数据采集单元测量得到各陀螺仪的某点的初始电压信号V₀，通过第一放大单元405将所述初始电压信号V₀放大第一倍数，得到信号V₀₁，再经过第一低通滤波器(LPF1)400滤除信号V₀₁中的高频干扰得到信号V₀₁’，再经过端口P1进行A/D采样410，得到第一电压V₀₁”；通过第二放大单元420将所述初始电压信号V₀放大第二倍数，所述第二倍数大于第一倍数，得到信号V₀₂，再将所述信号V₀₂经过第二低通滤波器(LPF2)430滤除高频干扰得到V₀₂’，再经过端口P2进行A/D采样410得到第二电压V₀₂”；最后通过比较选择单元440比较所述第一电压V₀₁”和第二电压V₀₂”是否小于阈值电压，选择第一电压V₀₁”或第二电压V₀₂”作为各陀螺仪的输出电压，即第一陀螺仪的输出电压V₁和第二陀螺仪的输出电压V₂。

其中，所述第一放大单元具有第一灵敏度系数，所述第一倍数与第一灵敏度系数呈正比；所述第二放大单元具有第二灵敏度系数，所述第二倍数与第二灵敏度系数呈正比，所述第一灵敏度系数小于所述第二灵敏度系数。

在本发明的实施例中，所述第一灵敏度系数为0.8mv/dps，所述放大第一倍数后的信号V₀₁为V₀₀+0.8α，其中V₀₀为陀螺仪静止时的基准电压，α为陀螺仪的旋转角度；所述第二放大单元为反向器，所述反向器的第二灵敏度系数为3.624mv/dps，所述放大第二倍数后的信号V₀₂为V₀₀+3.624α，其中V₀₀为陀螺仪静止时的基准电压，α为陀螺仪的旋转角度。

选择第一电压或第二电压作为各陀螺仪的输出电压的依据为：当所述第一电压和第二电压均小于阈值电压时，选择第二电压作为各陀螺仪的输出电压；当所述第一电压小于阈值电压，第二电压大于阈值电压时，选择第一电压作为各陀螺仪的输出电压。

在本发明的实施例中，所述阈值电压为1380～1420mv。

采用图4所示的方法获取陀螺仪的输出电压，即使陀螺仪旋转很小的角度(例如3°及以下)，陀螺仪本身旋转产生的那部分电压较小，与外界干扰产生的电压混在一起，难以区分，在放大第二倍数(大于第一倍数)后，可以有效的将陀螺仪本身旋转产生的电压信号与外界干扰产生的高频信号过滤，得到的输出电压的值更加精确，后续也可以通过陀螺仪的输出电压精确的计算出陀螺仪的旋转角度，以利于对陀螺仪的运动姿态进行更精确的定位。

请参考图5，通过与各陀螺仪的检测轴相连的数据采集单元(未图示)测量得到各陀螺仪的某点的初始电压信号V₀，通过第一放大单元405将所述初始电压信号V₀放大第一倍数，得到信号V₀₁，将所述信号V₀₁经过第一运算放大器415进行差分放大，再经过第一低通滤波器(LPF1)400滤除差分放大后的信号中的高频干扰，得到信号V₀₁₀’，再经过端口P1进行A/D采样410，得到第一电压V₀₁₀”；通过第二放大单元420将所述初始电压信号V₀放大第二倍数，所述第二倍数大于第一倍数，得到信号V₀₂，将所述信号V₀₁经过第二运算放大器425进行差分放大，再经过第二低通滤波器(LPF2)430滤除差分放大后的信号中的高频干扰，得到信号V₀₂₀’，再经过端口P2进行A/D采样410得到第二电压V₀₂₀”；最后比较所述第一电压V₀₁₀”和第二电压V₀₂₀”是否小于阈值电压，选择第一电压V₀₁₀”或第二电压V₀₂₀”作为各陀螺仪的输出电压，即第一陀螺仪的输出电压V₁和第二陀螺仪的输出电压V₂。

其中，所述第一运算放大器415有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端输入的信号为将初始电压信号放大第一倍数后的信号V₀₁，另一个输入端输入的信号为参考电压信号V_ref，所述输出端输出的信号为差分放大后的信号V₀₁-V_ref，所述输出端输出的信号消除了共模干扰，尤其是消除了温度对陀螺仪的电压信号造成的影响。

所述第二运算放大器425有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端输入将初始电压信号放大第二倍数后的信号V₀₂，另一个输入端信号为参考电压信号V_ref，所述输出端输出的信号为差分放大后的信号V₀₂-V_ref，所述输出端输出的信号消除了共模干扰，尤其是消除了温度对陀螺仪的电压信号造成的影响。

需要说明的是，考虑到差分运算放大的特性，所述参考电压V_ref大于零，小于V₀₁。

图5采用的方法在图4所示的方法的基础上，增加了差分放大的步骤，可以有效的抑制共模干扰，尤其可以消除温度的变化给陀螺仪的输出电压造成的影响，使得陀螺仪的输出电压更加精确。

在本发明的实施例中，优选采用图5所示的方法获得第一陀螺仪的输出电压V₁和第二陀螺仪的输出电压V₂。

受到地球偏转力(科里奥利力)的影响，两个对称设置在第二检测臂两侧的驱动臂会产生纵向运动，进一步带动所述检测臂产生检测振动，后续可以通过检测所述检测臂的输出电压，确定各陀螺仪的旋转角速度。

再然后，根据测得的第一陀螺仪的输出电压确定第一陀螺仪的旋转角速度，根据测得的第二陀螺仪的输出电压确定第二陀螺仪的旋转角速度。

其中，由于各陀螺仪的驱动臂均对称位于所述检测臂的两侧，且连接部连接所述检测臂和两个驱动臂的中心，所述陀螺仪的结构使得陀螺仪驱动臂的谐振频率和陀螺仪的机械品质因数随着其他条件的不同发生的变化很小，参见图6中实线所示，陀螺仪的输出电压与旋转角速度之间近似为线性关系，再经过最小二乘法处理，得到如图6中虚线所示的直线，V＝aω+b，其中V为陀螺仪的输出电压，ω为陀螺仪的旋转角速度，a、b为常量。

所述第一陀螺仪的输出电压与旋转角速度之间呈线性关系。请参考图7，所述第一陀螺仪的输出电压与旋转角速度线性关系为V₁＝a₁ω₁+b₁，其中V₁为所述第一陀螺仪的输出电压，ω₁为所述第一陀螺仪的旋转角速度，a₁、b₁为常量，且b₁为第一陀螺仪的基准电压值；请参考图8，所述第二陀螺仪的输出电压与旋转角速度之间呈线性关系，所述第二陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₂＝a₂ω₂+b₂，其中V₂为所述第二陀螺仪的输出电压，ω₂为所述第二陀螺仪的旋转角速度，a₂、b₂为常量且b₂为第二陀螺仪的基准电压值。

在本发明的实施例中，所述a₁、a₂为0.67，所述b₁、b₂为1350。即所述第一陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₁＝0.67ω₁+1350，所述第一陀螺仪的基准电压值为1350mv；所述第二陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₂＝0.67ω₂+1350，所述第二陀螺仪的基准电压值为1350mv。

如上所述，所述姿态感知设备的各陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系，在通过所述各陀螺仪的输出电压确定各陀螺仪的旋转角速度时，需要花费的时间更短，可以更快的对姿态感知设备的第二位置进行定位，在整体上减小了对姿态感知设备的定位所需的时间。

最后，基于所述第一陀螺仪的旋转角速度，确定所述姿态感知设备的第二位置在第一方向的分量；基于所述第二陀螺仪的旋转角速度，确定所述姿态感知设备的第二位置在第二方向的分量，其中所述第一方向垂直于所述第二方向，具体地：

对所述第一陀螺仪的旋转角速度按时间积分，获得所述第一陀螺仪的旋转角度α1；

计算所述姿态感知设备的第二位置在第一方向的分量Acosα1，其中，A为所述姿态感知设备的第一位置在第一方向的分量；

对所述第二陀螺仪的旋转角速度按时间积分，获得所述第二陀螺仪的旋转角度α2；

计算所述姿态感知设备的第二位置在第二方向的分量Bcosα2，其中，B为所述姿态感知设备的第一位置在第二方向的分量。

需要说明的是，在本发明的实施例中，还可以计算所述姿态感知设备的第二位置在第一方向的变化分量A’＝A-Acosα1；计算所述姿态感知设备的第二位置在第二方向的变化分量B’＝B-Bcosα2，以实现对姿态感知设备的二维定位。

在本发明的第一实施例中，所述姿态感知设备通过两个检测臂互相垂直的陀螺仪，且各陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系，快速的通过各陀螺仪的输出电压确定出对应的旋转角速度，最终实现了快速对所述姿态感知设备进行二维的定位。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述姿态感知设备还可以包括一个数据存储单元，所述数据存储单元中包括经过反复试验得到的多个各陀螺仪的输出电压、及对应的姿态感知设备的位置。在对姿态感知设备进行定位时，在获取到各陀螺仪的输出电压后，可以通过查询数据存储单元得到与所述各陀螺仪的输出电压相对应的姿态感知设备的位置。采用此种方式可以更快速的对姿态感知设备进行定位。

第二实施例

在本发明的实施例中，提供了一种鼠标指针的控制方法。

在本发明第二实施例中，所述鼠标指针的移动通过空间鼠标进行控制。通过移动所述空间鼠标，所述空间鼠标的位置映射到显示屏上的鼠标指针处，以控制鼠标指针在显示屏上移动。所述空间鼠标包括如图2所示的第一陀螺仪和第二陀螺仪。

其中，所述第一陀螺仪包括检测臂110、对称位于所述检测臂110两侧的驱动臂120和驱动臂130连接所述检测臂110中心、所述驱动臂120中心和驱动臂130中心的连接部140；所述第二陀螺仪包括检测臂210；对称位于所述检测臂210两侧的驱动臂220和驱动臂230；连接所述检测臂210中心、所述驱动臂220中心和所述驱动臂230的连接部240。

在本发明的实施例中，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪为单轴陀螺仪，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的材料为水晶，可以避免温漂现象。

获得各陀螺仪的输出电压的方法也至少包括图3～5所示的三种中的任一种，详情请参考本发明的第一实施例。

上述各陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系，即所述第一陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系，所述第一陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₁＝a₁ω₁+b₁，其中V₁为所述第一陀螺仪的输出电压，ω₁为所述第一陀螺仪的旋转角速度，a₁、b₁为常量，且b₁为第一陀螺仪的基准电压值(如图7所示)；所述第二陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系，所述第二陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₂＝a₂ω₂+b₂，其中V₂为所述第二陀螺仪的输出电压，ω₂为所述第二陀螺仪的旋转角速度，a₂、b₂为常量，且b₂为第二陀螺仪的基准电压值(如图8所示)。

请参考图9，本发明第二实施例的空间鼠标800包括数据采集单元810、数据处理单元820、信息发送单元830和信息接收单元840。其中，所述采集单元810、数据处理单元820、信息发送单元830位于空间鼠标800内，而所述信息接收单元840与电脑或者电视的显示屏相连。

所述数据采集单元810用于采集空间鼠标中第一陀螺仪的输出电压和第二陀螺仪的输出电压。

所述数据处理单元820用于获取数据采集单元810采集到的第一陀螺仪的输出电压和第二陀螺仪的输出电压，并基于所述第一陀螺仪的输出电压确定鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX，基于所述第二陀螺仪的输出电压确定鼠标指针在Y轴方向的位移变化量ΔY。其中，所述X轴和Y轴构成的坐标系位于显示屏上。

所述信息发送单元830用于将从数据处理单元820获得的鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和在Y轴方向的位移变化量ΔY发送至信息接收单元840。

所述信息接收单元840用于接收所述信息发送单元830发送的鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和在Y轴方向的位移变化量ΔY的信息，并控制鼠标指针850在与信息接收单元840相连的显示屏上移动。

本发明实施例的空间鼠标800的工作过程具体为：以肘关节为轴旋转，所述空间鼠标800的运动可以分解为沿第一方向和与所述第一方向垂直的第二方向运动，所述空间鼠标的数据采集单元810将采集到的第一陀螺仪的输出电压和第二陀螺仪的输出电压传递给数据处理单元820，所述数据处理单元820经过运算后确定空间鼠标800的第二位置在所述第一方向和第二方向的分量，然后根据空间鼠标800与鼠标指针850之间的映射关系，得到鼠标指针850需要移动的数据信息即鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和在Y轴方向的位移变化量ΔY，并由空间鼠标800的信息发送单元830将所述鼠标指针850需要移动的数据信息发送给信息接收单元840，以控制鼠标指针850在与所述信息接收单元840相连的显示屏上移动。

在本发明的实施例中，为了便于用户操作方便，所述空间鼠标的第一方向与鼠标指针的X轴方向相同，所述空间鼠标的第二方向与鼠标指针的Y轴方向相同。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述空间鼠标的第一方向也可以与鼠标指针的X轴方向不同，所述空间鼠标的第二方向与鼠标指针的Y轴方向也可以不同。只要空间鼠标的第一方向经映射后与鼠标指针的X轴方向相对应、空间鼠标的第二方向经映射后与鼠标指针的Y轴方向相对应即可。

本发明的第二实施例中的鼠标指针的控制方法，主要在空间鼠标的数据处理单元820内完成，包括：

利用第一实施例的定位方法确定姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的变化分量；

计算第一方向的旋转角度变化率vx，其中vx＝A’/SF₁，SF₁为第一陀螺仪的灵敏度系数，A’所述姿态感知设备的第二位置在第一方向的变化分量；

确定所述鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX，其中ΔX＝vx/MF，MF为鼠标指针的灵敏度系数；

计算第二方向的旋转角度变化率vy，其中vy＝B’/SF₂，SF₂为第二陀螺仪的灵敏度系数，B’为所述姿态感知设备的第二位置在第二方向的变化分量；

确定所述鼠标指针在Y轴方向的位移变化量ΔY，其中ΔY＝vy/MF，所述Y轴方向垂直于X轴方向；

基于鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和在Y轴方向的位移变化量ΔY控制所述鼠标指针的移动。

其中，所述陀螺仪的灵敏度系数与第一灵敏度系数、第二灵敏度系数、第三灵敏度系数、第四灵敏度系数有关。具体地，当采用图4所示的方法获取输出电压时，若输出电压选择的是经第一电路得到的电压，则所述陀螺仪的灵敏度系数为第一灵敏度系数；若输出电压选择的是经第二电路得到的电压，则所述陀螺仪的灵敏度系数为第二灵敏度系数。同理，当采用图5所示的方法获取输出电压时，若输出电压选择的是经第三电路得到的电压，则所述陀螺仪的灵敏度系数为第三灵敏度系数；若输出电压选择的是经第四电路得到的电压，则所述陀螺仪的灵敏度系数为第四灵敏度系数。

由于各陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系(如图7、8所示)，所述空间鼠标的数据处理单元通过各陀螺仪的输出电压确定旋转角速度的速度加快，基于所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的旋转角速度可以更快地确定鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和在Y轴方向的位移变化量ΔY，控制鼠标指针快速的移动到达第二位置，空间鼠标的灵敏度高。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，用于控制鼠标指针的空间鼠标中也可以包括数据存储单元，所述数据存储单元至少包括空间鼠标的各陀螺仪的输出电压与鼠标指针的位置。因此，在获知各陀螺仪的输出电压的情况下，可以快速直接地通过查询数据存储单元得到鼠标指针的位置，从而控制鼠标指针更快速的移动。

第三实施例

与第一实施例不同，为实现姿态感知设备的三维定位，请参考图10，本发明第三实施例的姿态感知设备还包括第三陀螺仪。所述第三陀螺仪包括检测臂910；对称位于所述检测臂910两侧的驱动臂920和驱动臂930；连接所述检测臂910中心、所述驱动臂920中心和所述驱动臂930中心的连接部940。

在本发明的实施例中，所述第三陀螺仪为单轴陀螺仪，所述第三陀螺仪的材料为水晶。

请参考图11，图11示出了姿态感知设备中，所述第一陀螺仪、第二陀螺仪和第三陀螺仪的位置关系，所述第一陀螺仪的检测臂110、所述第二陀螺仪的检测臂210和所述第三陀螺仪的检测臂910分别位于x，y，z轴上，所述各陀螺仪的检测臂两两垂直。

需要说明的是，所述x，y，z轴分别表示第一方向、第二方向和第三方向，上述3个方向两两垂直。

所述姿态感知设备的三维定位方法，还包括：

当所述姿态感知设备由所述第一位置运动到第二位置后，获取第三陀螺仪的输出电压V₃，所述输出电压V₃为第三陀螺仪的检测臂910上测得的电压；

确定所述第三陀螺仪的旋转角速度ω₃，其中第三陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₃＝a₃ω₃+b₃，其中a₃、b₃为常量；

基于所述第三陀螺仪的旋转角速度ω₃确定所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量，所述第三方向垂直于第一方向、且垂直于第二方向。

所述第三陀螺仪的输出电压V₃的获得方法也至少包括如图3～5所示的三种，详情请参考本发明的第一实施例。

在本发明的第三实施例中，所述第三陀螺仪的输出电压V₃优选采用图5所示的方法获得，由于采用反向器、运算方法器后再经过低通滤波器滤除了高频干扰，得到的第三陀螺仪的输出电压V₃更加准确。

在本发明的第三实施例中，所述第三陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系与第一陀螺仪、第二陀螺仪相同，即a₃＝0.67、b₃＝1350。从所述第三陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系可以看出，所述第三陀螺仪的基准电压为1350mv。

其中，基于所述第三陀螺仪的旋转角速度ω₃确定所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量的步骤包括：

对所述第三陀螺仪的旋转角速度按时间积分获得所述第三陀螺仪的旋转角度α3；

计算所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量Ccosα3，其中C为所述姿态感知设备的第一位置在第三方向的分量。

需要说明的是，还可以计算所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的变化分量C＝C-Ccosα3。

基于所述姿态感知设备的第二位置在第一方向、第二方向和第三方向的分量，完成了姿态感知设备的三维定位。

需要说明的是，所述姿态感知设备还包括数据存储单元，所述数据存储单元包括经过反复试验得到的各陀螺仪的输出电压、及与所述输出电压对应的姿态感知设备的位置，从而通过各陀螺仪的输出电压实现快速的对姿态感知设备进行三维定位。

综上，本发明的实施例中，姿态感知设备至少包括第一陀螺仪和第二陀螺仪，各陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系，基于所述线性关系可以更快的确定各陀螺仪的角速度，并确定所述姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的分量，更快的对姿态感知设备进行二维定位。

进一步的，本发明实施例提供了一种鼠标指针的控制方法，测量所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的输出电压，通过各陀螺仪的输出电压和旋转角速度的线性关系快速的确定空间鼠标的第二位置在第一方向和第二方向的变化分量，最终得到鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和在Y轴方向的位移变化量ΔY，能快速控制鼠标指针的移动，提高了空间鼠标的灵敏度。

更进一步的，本发明的实施例中还包括第三陀螺仪，所述第三陀螺仪的输出电压与旋转角度呈线性关系，基于所述第三陀螺仪的输出电压与旋转角度的线性关系，可以快速确定所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量，快速的对姿态感知设备进行三维定位。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (14)

1.一种姿态感知设备的定位方法，所述姿态感知设备至少包括第一陀螺仪和第二陀螺仪，其特征在于，包括：

获取所述姿态感知设备的第一位置；

当所述姿态感知设备由所述第一位置运动到第二位置后，分别获取第一陀螺仪和第二陀螺仪的输出电压，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪分别包括检测臂、两个对称位于检测臂两侧的驱动臂、及连接所述检测臂的中心和驱动臂的中心的连接部，且所述第一陀螺仪的检测臂垂直于所述第二陀螺仪的检测臂，各陀螺仪的输出电压为对应的检测臂上测得的电压，获取各陀螺仪的输出电压的步骤至少包括：测量得到各陀螺仪的初始电压信号；通过第一放大单元将所述初始电压信号放大第一倍数，得到第一信号，经过第一低通滤波器滤除第一信号中的高频干扰，并经过A/D采样得到第一电压；通过第二放大单元将所述初始电压信号放大第二倍数，所述第二倍数大于第一倍数，得到第二信号，将所述第二信号经过第二低通滤波器滤除高频干扰，并经过A/D采样得到第二电压；最后比较所述第一电压和第二电压是否小于阈值电压，当所述第一电压和第二电压均小于阈值电压时，选择第二电压作为各陀螺仪的输出电压；当所述第一电压小于阈值电压，第二电压大于阈值电压时，选择第一电压作为各陀螺仪的输出电压；

确定所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的旋转角速度，其中，各陀螺仪的输出电压与旋转角速度呈线性关系；

基于所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的旋转角速度，确定所述姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的分量，以定位所述姿态感知设备，所述第一方向垂直于所述第二方向。

2.如权利要求1所述的姿态感知设备的定位方法，其特征在于，所述第一陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₁=a₁ω₁+b₁，其中V₁为所述第一陀螺仪的输出电压，ω₁为所述第一陀螺仪的旋转角速度，a₁、b₁为常量；所述第二陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₂=a₂ω₂+b₂，其中V₂为所述第二陀螺仪的输出电压，ω₂为所述第二陀螺仪的旋转角速度，a₂、b₂为常量。

3.如权利要求2所述的姿态感知设备的定位方法，其特征在于，所述a₁、a₂为0.67，所述b₁、b₂为1350。

4.如权利要求1所述的姿态感知设备的定位方法，其特征在于，基于所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的旋转角速度，确定所述姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的分量的步骤包括：

对所述第一陀螺仪的旋转角速度按时间积分，获得所述第一陀螺仪的旋转角度α1；

计算所述姿态感知设备的第二位置在第一方向的分量Acosα1，其中，A为所述姿态感知设备的第一位置在第一方向的分量；

对所述第二陀螺仪的旋转角速度按时间积分，获得所述第二陀螺仪的旋转角度α2；

计算所述姿态感知设备的第二位置在第二方向的分量Bcosα2，其中，B为所述姿态感知设备的第一位置在第二方向的分量。

5.如权利要求4所述的姿态感知设备的定位方法，其特征在于，还包括：

计算所述姿态感知设备的第二位置在第一方向的变化分量A’=A-Acosα1;

计算所述姿态感知设备的第二位置在第二方向的变化分量B’=B-Bcosα2。

6.如权利要求1所述的姿态感知设备的定位方法，其特征在于，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪为单轴陀螺仪，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪的材料为水晶。

7.如权利要求1所述的姿态感知设备的定位方法，其特征在于，还包括：

提供第三陀螺仪；

获取所述第三陀螺仪的输出电压，所述第三陀螺仪包括检测臂、两个对称位于检测臂两侧的驱动臂、及连接所述检测臂中心和驱动臂中心的连接部，所述第三陀螺仪的输出电压为第三陀螺仪的检测臂上测得的电压，获取第三陀螺仪的输出电压的步骤至少包括：测量得到第三陀螺仪的初始电压信号；通过第一放大单元将所述初始电压信号放大第一倍数，得到第一信号，经过第一低通滤波器滤除第一信号中的高频干扰，并经过A/D采样得到第一电压；通过第二放大单元将所述初始电压信号放大第二倍数，所述第二倍数大于第一倍数，得到第二信号，将所述第二信号经过第二低通滤波器滤除高频干扰，并经过A/D采样得到第二电压；最后比较所述第一电压和第二电压是否小于阈值电压，当所述第一电压和第二电压均小于阈值电压时，选择第二电压作为第三陀螺仪的输出电压；当所述第一电压小于阈值电压，第二电压大于阈值电压时，选择第一电压作为第三陀螺仪的输出电压；

确定所述第三陀螺仪的旋转角速度；

基于所述第三陀螺仪的旋转角速度确定所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量，所述第三方向垂直于第一方向、且垂直于第二方向。

8.如权利要求7所述的姿态感知设备的定位方法，其特征在于，所述第三陀螺仪的输出电压与旋转角速度的线性关系为V₃=a₃ω₃+b₃，其中V₃为所述第三陀螺仪的输出电压，ω₃为所述第三陀螺仪的旋转角速度，a₃、b₃为常量。

9.如权利要求7所述的姿态感知设备的定位方法，其特征在于，基于所述第三陀螺仪的旋转角速度确定所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量的步骤包括：

对所述第三陀螺仪的旋转角速度按时间积分获得所述第三陀螺仪的旋转角度α3；

计算所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的分量Ccosα3，其中C为所述姿态感知设备的第一位置在第三方向的分量。

10.如权利要求7所述的姿态感知设备的定位方法，其特征在于，还包括：计算所述姿态感知设备的第二位置在第三方向的变化分量C’=C-Ccosα3。

11.如权利要求7所述的姿态感知设备的定位方法，其特征在于，所述第三陀螺仪为单轴陀螺仪，所述第三陀螺仪的材料为水晶。

12.一种鼠标指针的控制方法，其特征在于，包括：

利用权利要求5所述的定位方法确定姿态感知设备的第二位置在第一方向和第二方向的变化分量；

计算第一方向的旋转角度变化率vx，其中vx=A’/SF₁，SF₁为第一陀螺仪的灵敏度系数；

确定所述鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX，其中ΔX=vx/MF，MF为鼠标指针的灵敏度系数；

计算第二方向的旋转角度变化率vy，其中vy=B’/SF₂，SF₂为第二陀螺仪的灵敏度系数；

确定所述鼠标指针在Y轴方向的位移变化量ΔY，其中ΔY=vy/MF，所述Y轴方向垂直于X轴方向；

基于鼠标指针在X轴方向的位移变化量ΔX和在Y轴方向的位移变化量ΔY控制所述鼠标指针的移动。

13.如权利要求12所述的鼠标指针的控制方法，其特征在于，所述鼠标指针通过空间鼠标控制。

14.如权利要求13所述的鼠标指针的控制方法，其特征在于，所述空间鼠标还包括位于所述空间鼠标内的数据数据采集单元、数据处理单元、信息发送单元以及与电脑或电视的显示屏相连的信息接收单元。

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