CN102439404B

CN102439404B - 使用加速度计的定向轻击探测算法

Info

Publication number: CN102439404B
Application number: CN201080021228.9A
Authority: CN
Inventors: 金东润; S·米勒
Original assignee: Kionix Inc
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: CN102439404A; US8442797B2; US20100256947A1; CA2757284A1; WO2010114841A1; EP2414798A1; EP2414798B1; EP2414798A4; JP2012522324A; JP5642767B2; KR20120003908A

Abstract

采用定向轻击探测算法和单个三‑轴加速度计(10)来扩展可用于小型移动电子设备(12)独特的无按钮的输入命令的数量，所述小型移动电子设备诸如手机或MP3播放器。所述算法分析来自所述三‑轴加速度计(10)的加速度数据来探测施加到所述设备(12)的外壳(13)的六个侧(14)的任何一个上的轻击的数量和方向，得到12个独特的输入。所述算法采用被称为性能指数(PI)的参数来标识轻击引起的移动。通过计算每一个轴的每个加速度信号的时间导数、然后计算所计算出的加速度导数的绝对值之和而确定PI。如果所述和超过了阈值达预确定的时间量，确定轻击已经发生。

Description

使用加速度计的定向轻击探测算法

发明背景

1.技术领域

本发明一般涉及一种系统与方法，其中定向轻击探测算法和三轴加速度计扩展了可用于小型移动设备(如手机和MP3播放器)的独特的无按钮的输入的数量。该算法分析来自单个加速度计的加速度数据来探测轻击的方向(X+，X-，Y+，Y-，Z+，Z-)和数量(单次或两次)，获得12个独特的输入。

2.背景技术

如今移动设备变得越来越小便于携带。尺寸上的减少限制了用于输入设备(诸如按钮和键盘)的空间。很多研究者正在研发姿势识别来移除传统的输入设备。在特定环境中，简单动作可以是更有效的输入。MEMS(微机电系统)技术的出现显著地降低了可探测对象的动作的加速度计的尺寸。轻击是非常简单的动作。这是直观的也不需要学习。如果可使用轻击设备表面上的任何地方来控制设备，那么这可以是独特的输入方法。

初步的轻击探测一般容许两个不同的输入命令。这通常指轻击和双次轻击。然而，有必要在前述的小型移动设备中提供多重的轻击命令。

发明概述

本发明通过轻击探测算法和三轴加速度计的组合使用来解决前述需要，所述三轴加速度计不仅实现在单次和双次轻击之间区别，还可实现基于轻击的方向而区别。对轻击的加速度特征(signature)的仔细的分析容许确定对象的哪一面或哪一侧被轻击(轻击的方向)。含有方向信息将可能的可用输入命令扩展到12个，六倍的进展。

本发明的系统与方法对于为诸如手机和MP3播放器之类的小型移动电子设备产生无按钮的输入是特别有用的。以所探测到的轻击的数量和方向可创建多种输入命令。例如，可上下翻滚菜单或可选择菜单中的项目。由于轻击导致的加速度被传递到该移动设备内部，用于探测这个12个独特的输入所需的单个传感器在该移动设备的外部不需要表面积。

一旦轻击已经被探测到，对于轻击方向的确定通过对加速度数据的详细分析而完成。单次轻击是用人体的一部分或触笔对特定设备打击一次。双次轻击是快速连续的两个单次轻击。

加速度位于该设备内部，这样当该设备被轻击的时候，该冲击被合适地传递到加速度计。由于设备可被轻击在其任何一面上，加速度计的优选位置是该设备的中心。使用三轴的加速度计，该设备可在其每一个面上被轻击，以此来提供轻击输入事件的12个组合。

当轻击发生的时候，轻击的冲击通过该设备的本体被传递到该加速度计。

在0.005秒内峰值上升到最大值，且回弹略慢。不管从哪个方向轻击，最大加速度达到0.5g。总体加速度是指加速度的大小其中：Ax：X-轴加速度；Ay：Y-轴加速度；和Az：Z-轴加速度。

有时候回弹可大于原始峰值的一半，且可看到与其他轴的关联。如果该设备在特定方向被轻击，其他轴回应。因此，应该观察所有的轴来明确轻击是否发生。

双次轻击意味着快速连续地轻击一行中同一个点两次。第二次轻击跟随第一次轻击小于0.5秒。每一个单独的轻击并没有显示出与单次轻击任何的加速度差异。两个轻击的时序关系(timing)确定这个命令是一个双次轻击，还是两个独立的单次轻击。

这个算法的关键特征是性能指数(PI)，性能指数被用于提供轻击事件的特性特征。PI是每个轴的抖动的大小的绝对值的总和，每个轴的抖动是源于该设备的移动，诸如是通过用户轻击该设备的侧或面而引起的。抖动加速度对时间的导数(也就是，加速度的变化)。一般，抖动曲线给出有关非常快速和晃动的(shaky)移动的信息。使用绝对值来总和在所有轴上的动力。轻击的性能指数显著地大于背景噪声的水平。因此，然后应用阈值技术至性能指数，以将可能的轻击事件和噪声区分开。另外，可使用PI大于阈值的时间长度以及高PI的两次发生(或者没有第二次PI峰值)之间的时长来区分单次和双次轻击。

一旦确定了轻击或双次轻击，附加的详细审查提供了该轻击事件的方向。首先，确定哪个轴是在该轻击开始时的性能指数的最大分量(哪个轴具有最大的抖动)。具有最大抖动的轴与沿该设备的轴施加轻击的那个轴相一致。最后，在确定了这个轴之后，使用在轻击轴上的抖动的信号来提供轻击方向信息。如果峰值是负的，那么轻击是在正向方向；反之轻击是在负向方向。

在上述方式中，本发明提供了可探测12个不同的轻击命令的装置和方法。性能指数的阈值处理和时序关系考虑标识了轻击并区别提供两个不同命令的单次或双次轻击。初始性能指数的最大分量提供轻击轴，这样三倍地增加了不同命令的数量。最后，轻击轴的抖动的初始标记提供了轻击方向，又两倍地增加了可用命令。

在优选实施例中，MEMS类型的3轴加速度计芯片被优选地设置在设备中，此设备被受控地实现上述方法。该加速度计芯片优选地包括它自己专用的处理器，所述处理器执行上述轻击探测算法并产生12个输出，所述输出被用作对该设备的主处理器的输入命令。可选地，可将该主处理器自身编程为接收来自所述加速度计的3个输入并执行该轻击探测算法。

附图简述

根据结合附图所进行的对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述和其他特征和优点将会显而易见，附图简述如下。

图1是具有设置在其中的加速度计芯片的设备的示意图，所述加速度计芯片用于探测在该设备的不同面或侧上的轻击。

图2是图1的设备的示意图，示出可用本发明探测的12个可能的轻击输入。

图3是示出性能指数(PI)的大小随时间变化的图表，其中PI通过总和由轻击沿着设备的每一个轴所施加的抖动(加速度的导数)的绝对值而计算出来，随时间而变化。

图4是示出对设备上的单次轻击，PI随时间变化的图表。

图5是示出对设备上的双次轻击，PI随时间变化的图表。

图6是示出对加速度计的每一个轴，响应于沿着该设备的X轴的单次轻击，抖动(加速度导数)大小随时间变化的图表。

图7A是用本发明的方法所采用的算法执行的一般步骤的框图，用于探测在设备上的单次或双次轻击。

图7B是用图7A的算法执行的详细步骤的框图。

图8是根据本发明的优选实施例所采用的加速度计芯片的框图。

发明的详细描述

现在将要呈现本发明的优选实施例的更为详细的描述。首先，描述用于标识轻击的过程。单次轻击是用人体的一部分或触笔对特定设备打击一次。双次轻击是由快速连续的两个单次轻击形成的。

如图1中所示，3-轴(X，Y，Z)MEMS类型的加速度计10被优选地安装在设备12中，此设备12被受控为，当设备12的外壳13在设备的任意的六个侧或面14上被轻击的时候，该冲击被合适地传递到加速度计10。设备12可以是需要命令输入其中而受控的任何类型的电子设备，不过本发明特别地适合于诸如手机、MP3播放器等小型移动设备而使用，它们对命令按钮的提供固有地受限于该设备的尺寸。

由于设备12可在其六个侧14的任何一个被轻击，加速度计10的优选位置是设备12的中心，此处加速度计的3轴传感器被设置为平行于六个侧14中的相对应的一对侧。图2示出设备12如何可在每一侧14被单次或双次轻击以提供轻击输入事件的12个组合。

当轻击发生的时候，该冲击通过设备12的本体或外壳13被传递到加速度计10。在关于优选实施例的测试中，在0.005秒内上升到最大值，且回弹略慢。不管从哪个方向轻击，最大加速度达到0.5g。总体加速度是指如下式而确定的加速度的大小：

A_{total} = \sqrt{A_{x}^{2} + A_{y}^{2} + A_{z}^{2}}

式1

在式1中，Ax＝X-轴加速度；Ay＝Y-轴加速度；和Az＝Z-轴加速度。

有时候回弹可大于原始峰值的一半，且可看到与其他轴的关联。如果设备12在特定方向被轻击，其他轴回应。应该观察所有的轴来明确轻击是否发生。

两次轻击意味着快速连续地轻击一行中同一个点两次。第二次轻击跟随第一次轻击小于0.5秒。每一个单独的轻击并没有显示出与单次轻击任何的加速度差异。两个轻击的时序关系确定这个命令是双次轻击还是两次独立的单次轻击。

在优选实施例中，称为性能指数(PI)的计算被用来提供轻击事件的特性特征。PI是每一个轴的抖动的绝对值的总和。抖动是加速度对于时间的导数(也就是，加速度的变化)。一般，抖动曲线给出有关非常快速和晃动的移动的信息。性能指数可用下式表达：

P . I . = | \frac{A_{x}}{dt} | + | \frac{A_{y}}{dt} | + | \frac{A_{z}}{dt} | = \underset{i = x, y, z}{Σ} | \frac{A_{i}}{dt} |

式2

使用绝对值来全部求和在所有轴上的动力。轻击的性能指数显著地大于背景噪声的水平。因此，将阈值技术应用于PI上来将可能的轻击事件和噪声区分开。当之前描述的抖动总和超过性能指数的较低阈值一段时间，探测到轻击事件，所述的一段时间大于轻击探测低限值、但小于轻击探测高限值。图3示出满足性能指数标准的单次轻击事件的示例。在图3中，性能指数超过性能指数较低阈值(TDT_L_THRESH)数个时间间隔的样本，但是小于包含在TDT_FIRST_TIMER中的轻击探测高限值。

进一步，PI大于阈值的时间长度以及高PI的两次发生(或者没有第二次PI峰值)之间的时长来区分单次和双次轻击。在优选实施例中，延迟定时器设定轻击事件仅能被表征为单次轻击的定时器。第二次轻击必须发生在延迟定时器之外。如果第二次轻击发生在该延迟时间内，由于发生地过快而将被忽略。在窗定时器的末端将单次轻击报告。图4示出满足PI、延迟和窗要求的单次轻击事件。延迟定时器被称为TDT_LATENCY_TIMER，而窗定时器被称为TDT_WINDOW_TIMER。

仅当如果第二次轻击在被称为TDT_TIMER的另一个定时器之外越过性能指数较低阈值时，事件可被表征为双次轻击。这意味着TDT_TIMER确定了在双次轻击事件的两次轻击之间存在的最小的时间间隔。与单次轻击类似，第二次轻击事件必须超过性能指数阈值长达被包含在窗定时器中的时间限值。可在第二次延迟定时器的末端报告双次轻击。图5示出满足PI、延迟和窗要求的双次轻击事件。在图5中，第二次轻击在TDT_TIMER之外越过了性能指数低阈值(TDT_L_THRESHOLD)。另外，第二次轻击事件超过TDT_L_THRESHOLD长达包含在TDT_TAP_TIMER中的时间限值。然后，在第二次TDT_LATENCY_TIMER的末端报告双次轻击。

一旦确定了轻击或双次轻击，附加的详细审查提供了该轻击事件的方向。首先，确定哪个轴在该轻击开始时提供了性能参数的最大分量(哪个轴具有最大的抖动)。具有最大抖动的轴与沿其施加轻击的那个轴相一致。作为示例，当设备在X+和X-方向被轻击的时候，X-轴是最大响应的轴且因此与Y和Z轴的抖动大小相比，X-轴具有最大的抖动大小。

一旦探测到轻击，且确定了这个轴，使用在轻击轴上的抖动的信号来提供方向信息。如果峰值是负的，那么轻击是在正向方向；反之轻击是在负向方向。图6中的图标示出响应于单次轻击的每个轴的抖动大小的放大图。X轴清楚地为性能指数贡献了最大分量，指示轻击是在X轴上的。初始的抖动是负方向上的，指示轻击位于设备的正向X面上。

性能指数的阈值处理和时间长度的考虑标识了轻击并区别提供两个不同命令的单次或双次轻击。初始性能参数的最大分量提供轻击轴，这样三倍地增加了不同命令的数量。最后，轻击轴的抖动的初始信号提供了轻击方向，又两倍地增加了可用命令。

因此，本发明的优选实施例中执行的算法遵循图7中的流程图的步骤。示出了基于加速度数据的四个主要功能。在步骤100中从加速度计芯片获得加速度数据之后，第一个功能是在步骤102计算性能指数。第二个功能是在步骤104确定单次还是双次轻击。第三个功能是在步骤106基于性能指数的最大分量而确定轻击是沿哪个轴发生的。最后，在步骤108基于初始抖动的正负号而确定轻击的方向记号。

图7B是详细的流程图，示出如何在本发明的优选实施例中执行图7A的上述步骤。在图7B中，采用如下参数值：

Ax，Ay，Az：当前的加速度读数；

pAx，pAy，pAz：之前加速度读数；

dAx，dAy，dAz：在当前和之前加速度读数之间的差异(抖动)；

x，y，z：同dAx，dAy，dAz(用于简化符号)；

dt：性能指数；

x0，y0，z0：与在阈值(用于方向确定)之上的初始抖动有关的信息；

ax0，ay0，az0：与在阈值(用于轴确定)之上的初始抖动有关的信息；

j：对于性能指数高于阈值多长时间的时间计数；

m：对于性能指数低于阈值多长时间的时间计数；

L：从第一个轻击事件开始时的全部时间计数；和

DT：双次轻击时间窗。

具体参看图7B中的流程图，在开始时执行第一组步骤200来将从加速度计中接收到的第一加速度数据加载到之前的加速度数据中。然后执行步骤202来检查用于超限条件(over-run condition)的定时器值j。如果被探测到，时间值被重设为0。接着，在步骤204计算当前和之前加速度值之间的差异。这些差异值是沿3轴，X、Y和Z每一个所探测到的抖动(加速度求导值)的量。在步骤206，然后通过将之前的加速度读数上载到当前读数而更新该加速度读数。

抖动值在步骤208被更新之后，然后在步骤210，使用之前讨论的式2来计算PI。在步骤212，然后将PI和较低和较高的阈值进行比较。如果PI在两个阈值之间，且时间值j＝0，则其为大于阈值的第一次抖动的指示，这可能是响应于单次或双次轻击事件。如果确实探测到单次或双次轻击，执行步骤组214来存储该加速度信息用于以后的轴和方向确定。还有，在步骤216，然后更新各种时间计数，该过程返回到开始(步骤200)，检索下一个被采样的加速度数据来用于同样的分析。

在某个点，如果确实发生了轻击，PI值会落在较低阈值之下。在步骤218，如果当m和j定时器值的总和大于1的时候发生了这个情况，则在步骤220更新定时器值。接着，执行一系列定时器分析步骤222来确定是否发生了单次或双次轻击。如果m不大于40或者DT不大于m，则执行分析来确定是否探测到单次轻击。可这样确定探测到单次轻击：如果PI大于较低阈值持续的时间计数在2到20之间，且双次轻击时间窗值达到160(其确认没有发生第二次轻击)。如果PI低于阈值持续的定时器计数为至少m＞40，双次轻击时间窗DT大于m，PI大于较低阈值持续的定时器值j＞m；且从第一次轻击事件开始的总的时间计数L大于120，则发生了双次轻击。

一旦探测了单次或双次轻击，该算法接着执行一系列方向确定步骤224，其确定轻击沿着三个轴X、Y和Z的哪一个发生以及沿着该轴的方向。在步骤226中，这可通过比较沿着这三个轴的加速度值的大小以及标识带有最大加速度值的轴作为轻击的轴而简单地确定。最后，在步骤228中，通过确定所探测到的加速度是正向(＞0)还是负向(＜0)的而探测轻击的方向。然后分析完成，在步骤230重设各种定时器和其他值，然后在步骤200该过程重新开始。

图8是示出了根据本发明的优选实施例而设置的3-轴加速度计芯片的细节的框图。在加速度计处理器(在这个优选实施例中，是I²C数字引擎)302中含有实现图7B的算法的逻辑电路。处理器302的轻击探测特征识别单次和双次轻击输入并报告每一次轻击发生的加速度轴和所沿的方向。八个如上所述的性能参数，还有用户可选择的ODR，被用于设置处理器302用于理想的轻击探测响应。

加速度计处理器302分别从X，Y和Z轴重力传感器304、306和308接收输入。传感器304、306、308的每一个产生模拟输出信号，所述模拟输出信号在被输入到处理器302之前，通过被穿过电荷放大器310、A/D转换器312和数字过滤器314而予以调节(conditioned)。当处理器302接收到指示加速度事件(诸如轻击)的信号的时候，处理器302的中断引脚(INT)316上的信号变高。当主处理器(设备处理器)318识别出这个中断的时候，主处理器318然后会读取加速度计处理器302中的中断(interrupt)状态寄存器(经由I²C通信)来获得有关轻击事件的信息。

加速度计处理器302中的状态寄存器包括下述。有两个报告功能状态改变的中断源寄存器。当新的状态改变或事件发生的时候，这个数据被更新，且每一个应用结果被锁存直到中断释放寄存器被读取。第一个寄存器，被称为INT_SRC_REG1，报告哪个轴和方向探测到单次或双次轻击事件，如表格1所示。注意多个轴可感知到轻击事件，所有多于一个比特可同时被置位。

表格1.轻击双次轻击报告

第二个寄存器，称为INT_SRC_REG2，报告哪个功能导致中断。从中断释放寄存器中读取可清除这个寄存器的全部内容。

DRDY表示新的加速度数据可用。当加速度数据被读取或者中断释放寄存器被读取的时候，这个比特被清除，所以当DRDY＝0，新的加速度数据不可用，且当DRDY＝1，新的加速度数据可用。TDTS1，TDTS0反映轻击双次轻击事件是否被探测到，如表格2所示。

TDTS1	TDTS0	事件
			0	0	没有轻击
0	1	单次轻击
			1	0	双次轻击
1	1	DNE

表格2.轻击双次轻击描述

TPS反映倾斜位置功能的状态。TPS＝0表示倾斜位置状态没有改变，而当TPS＝1表示倾斜位置状态改变了。

被称为STATUS_REG的寄存器报告中断的状态。

INT报告所有启用的功能的组合中断信息。当中断源寄存器(1Ah)被读取的时候，这个比特被释放为0。INT＝0表示没有中断事件，而INT＝1表示发生了中断事件。

寄存器INT_REL被用于释放中断。具体地，当读取寄存器的时候，被锁存的中断源信息(INT_SRC_REG1和INT_SRC_REG2)、状态寄存器和物理中断引脚(7)被清除。

虽然已经根据优选实施例及其变型公开了本发明，但应当理解的是，在不背离由以下权利要求书中所定义的本发明的范围的情况下可对本发明作出多种附加修改和变化。例如，优选实施例采用含有其专用处理器的加速度计芯片用于执行轻击探测算法，然而，受控设备的主处理器可自身被编程来从加速度计接收3个输入并执行轻击探测算法。

Claims

1.用于基于来自附着在设备上的三轴加速度计的第一、第二和第三轴输出而探测所述设备上的轻击输入的方法，所述方法包括如下步骤：

探测由所述设备的移动所导致的所述加速度计的所述第一、第二和第三轴输出而产生的加速度信号；

对于每一个所述输出，计算每一个加速度信号作为时间的函数的导数；

通过计算沿所述加速度计的每个轴的、源自所述移动的所述加速度导数的绝对值之和，使用绝对值来全部求和在所有轴上的动力，并且如果所述绝对值的和超过阈值达一段预确定的时间则确定所述移动是轻击输入，从而确定所述设备的所述移动是否是由在所述设备的外壳上的轻击输入而导致的；

通过确定所述加速度计的哪个轴产生了带有最大的大小的加速度导数而确定所述轻击的轴；

通过确定带有最大的大小的加速度导数的正负号而确定所述轻击的方向；以及

采用所确定的轻击轴和方向来产生输入命令去控制所述设备的操作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括确定所述设备的移动是否由双次轻击所导致的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，产生12个不同的输入命令，其中为所述三个轴的每一个产生4个输入命令，而所述4个中的两个是基于所述轻击的被确定的方向，另两个是基于是否探测到单次轻击或双次轻击而确定的。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定所述设备的移动是否是由双次轻击所导致的步骤包括：如果沿所述加速度计的每个轴的、源自所述移动的所述加速度导数的绝对值的和超过阈值达第一预确定的时间量，落在所述阈值之下、然后超过所述阈值达第二预确定的时间量，其中所述第二预确定的时间量在所述值落在所述阈值之下后第三预确定的时间量内开始，则确定所述移动是双次轻击输入。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，产生12个不同的输入命令，其中为所述三个轴的每一个产生4个输入命令，而所述4个中的两个是基于所述轻击的被确定的方向，另两个是基于是否探测到单次轻击或双次轻击而确定的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加速度计位于所述设备中的中央处。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设备是移动设备。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述移动设备包括手机或MP3播放器。

9.用于将无按钮的输入命令提供至移动电子设备的系统，所述系统包括：

附着在所述设备上的三轴加速度计；

与所述加速度计的3个输出接合的加速度计输出处理器，以及控制所述设备的操作的设备处理器，以执行以下步骤的算法编程所述加速度计输出处理器：

探测由所述设备的移动所导致的所述加速度计的所述第一、第二和第三输出而产生的加速度信号；

通过计算沿所述加速度计的每个轴的、源自所述移动的所述加速度导数的绝对值的和，使用绝对值来全部求和在所有轴上的动力，并且如果所述绝对值的和超过阈值达一段预确定的时间则确定所述移动是轻击输入，从而确定所述设备的所述移动是否是由在所述设备的外壳上的轻击输入而导致的；

与所述设备处理器通信有关所述轻击的轴和方向的信息，从而所述设备处理器可使用所述信息作为输入命令。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述算法还包括确定所述设备的移动是否由双次轻击所导致的步骤。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，产生12个不同的输入命令，其中为所述3个轴的每一个产生4个输入命令，所述4个中的两个是基于所述轻击的被确定的方向，另两个是基于探测到单次轻击或双次轻击而确定的。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述确定所述设备的移动是否是由双次轻击所导致的步骤包括：如果沿所述加速度计的每个轴的、源自所述移动的所述加速度导数的绝对值的和超过阈值达第一预确定的时间量，落在所述阈值之下、然后超过所述阈值达第二预确定的时间量，其中所述第二预确定的时间量在所述值落在所述阈值之下后第三预确定的时间量内开始，则确定所述移动是双次轻击输入。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，产生所述12个不同的输入命令，其中为所述3个轴的每一个产生4个，所述4个中的两个是基于所述轻击的被确定的方向，另两个是基于是否探测到单次轻击或双次轻击而确定的。

14.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述加速度计位于所述设备中的中央处。

15.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述设备是移动设备。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述移动设备包括手机或MP3播放器。