CN103218059B - 三维遥控装置及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维遥控装置及其定位方法，用于根据三维遥控装置的空间移动确定一显示屏上的光标位置。这一定位方法包括以下步骤：首先确定三维遥控装置相对于显示屏的初始绝对位置和姿态，接着在三维遥控装置移动时，实时采集三维遥控装置的三维加速度数据和主轴线角速度数据，然后根据初始绝对位置和姿态，以及三维加速度数据和主轴线角速度数据，计算出三维遥控装置当前绝对位置及姿态，并进一步计算三维遥控装置的主轴延长线与显示屏的交点。最后根据交点更新显示屏上的光标位置。

Description

三维遥控装置及其定位方法

技术领域

本发明涉及三维遥控装置，尤其是涉及基于绝对定位方法的三维遥控装置及其定位方法。

背景技术

随着遥控技术的不断演进，空中鼠标、体感遥控器等空间遥控装置被越来越多地运用于计算机、游戏机、电视机等设备的操作。这些遥控装置可捕捉自身在空间中的移动，并转换成操控指令发送给计算机、游戏机、电视机等设备。然而，目前的空中鼠标和体感遥控器在操控体验方面还存在不足，需要进一步加以完善。

具体地说，现有的空中鼠标、体感遥控器等装置的实现，均根据空中鼠标、体感遥控器在空间的相对运动量，估算电脑屏幕上光标的位移量。电脑上使用的鼠标是鼠标的两维平面运动到光标的两维平面运动的一种线性映射，所以用户有真实感很强的鼠标控制体验。而用于电视机顶盒的体感遥控器、空中鼠标等，实际上是一个遥控装置的六维空间运动到光标的两维平面运动的一种非线性映射。这种非线性映射很难让用户获得真实感很强的遥控体验，会产生诸如光标移动比遥控装置移动滞后现象，遥控装置来回移动时光标的移动量很不准确，遥控装置移出屏幕范围后返回时光标失控等现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于绝对定位的三维遥控装置及其定位方法，以克服现有遥控装置的缺陷。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种三维遥控装置的定位方法，用于根据三维遥控装置的空间移动确定一显示屏上的光标位置。这一方法包括以下步骤：首先确定三维遥控装置相对于显示屏的初始绝对位置和姿态，接着在三维遥控装置移动时，实时采集三维遥控装置的三维加速度数据和主轴线角速度数据，然后根据初始绝对位置和姿态，以及三维加速度数据和主轴线角速度数据，计算出三维遥控装置当前绝对位置及姿态，并进一步计算三维遥控装置的主轴延长线与显示屏的交点。最后根据交点更新显示屏上的光标位置。

在本发明的一实施例中，通过三维加速度传感器采集三维加速度数据。

在本发明的一实施例中，通过三轴陀螺仪采集主轴线角速度数据。

在本发明的一实施例中，计算交点的步骤可以是在三维遥控装置中执行。在此，方法还包括从三维遥控装置发送交点给用于输出视频数据给显示屏的控制处理设备。

在本发明的一实施例中，计算交点的步骤可以是在一控制处理设备中执行。在此，方法还包括从三维遥控装置发送三维遥控装置的三维加速度数据和主轴线角速度数据给用于输出视频数据给显示屏的控制处理设备。

本发明另提出一种三维遥控装置，包括至少一个按键、三维加速度传感器、三轴陀螺仪、处理器以及无线通信模块。当至少一个按键被按下时，指示三维遥控装置的相对于所述显示屏的当前绝对位置和姿态为初始绝对位置和姿态。三维加速度传感器用以在三维遥控装置移动时，实时采集三维遥控装置的三维加速度数据。三轴陀螺仪用以在三维遥控装置移动时，实时采集主轴线角速度数据。处理器根据初始绝对位置和姿态以及三维加速度数据和主轴线角速度数据，计算出三维遥控装置当前绝对位置及姿态，并进一步计算三维遥控装置的主轴延长线与显示屏的交点。无线通信模块用以发送所述交点。

在本发明的一实施例中，三维遥控装置可以是空中鼠标、体感游戏操作手柄、会议演讲与教学演示无线遥控笔之一。

与现有技术相比，本发明所提出的遥控装置及其定位方法由于是基于遥控装置相对于显示屏的绝对位置和姿态来进行定位，可以有效解决目前空中鼠标、体感遥控器等遥控产品普遍存在的诸如光标移动比空中鼠标移动滞后，鼠标移出屏幕范围后返回时光标失控等问题。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出本发明一实施例的系统环境。

图2示出本发明一实施例的遥控器结构框图。

图3示出本发明一实施例的控制处理设备的结构框图。

图4示出本发明一实施例的显示设备的结构框图。

图5示出本发明一实施例的遥控装置的三维坐标空间。

图6示出本发明一实施例的遥控装置在显示设备上的初始定位示意图。

图7示出本发明一实施例的定位方法流程图。

具体实施方式

本发明的实施例提出一种精确测量两个物体之间的空间动态位置的方法，来实现三维遥控装置的绝对定位。

图1示出本发明一实施例的系统环境。参照图1所示，系统100包括三维遥控装置10、控制处理设备20和显示设备30。遥控装置10可以向控制处理设备20发送无线数据，例如按键信号、加速度信号、角速度信号等。控制处理设备20可以接收无线数据并进行处理。控制处理设备20还输出视频信号到显示设备30，以在显示设备30显示交互界面。

在本发明的实施例中，三维遥控装置10可实施为空中鼠标、体感游戏操作手柄、会议演讲与教学演示无线遥控笔等遥控设备产品。控制处理设备20可实施为计算机主机、游戏主机、电视机的控制部分等设备。在本发明的实施例中，控制处理设备20和显示设备30可以是整合在一起设备，例如电视机，也可以是分离的设备，例如游戏主机和用于显示游戏画面的显示设备(如计算机显示器或电视机)。

图2示出本发明一实施例的遥控器结构框图。如图2所示，在本发明的一实施例，遥控装置10包括键盘11、三轴陀螺仪12、三轴加速度传感器13、无线通信模块14和处理器15。键盘11可包含一个或多个按键，这些按键电连接到处理器15。处理器15可采集按键被按下时的按键值，通过无线通信模块14无线发送到控制处理设备20。在此，无线通信模块14可以基于红外、蓝牙等已有的无线协议。三轴陀螺仪12和三轴加速度传感器13也连接到处理器15。处理器15可以采集陀螺仪12、加速度传感器13的数据，根据绝对定位的算法，计算出遥控装置的位置或移动量，再通过无线通信模块14传输给控制处理设备20。绝对定位的算法将在后文描述。

图3示出本发明一实施例的控制处理设备的结构框图。如图3所示，控制处理设备20包括无线通信模块21、微处理器22和视频输出接口23。在此，无线通信模块21可以基于红外、蓝牙等已有的无线协议，可以与遥控装置10内的无线通信模块14进行通信。微处理器22可通过无线通信模块21接收来自遥控装置10的按键信号、遥控装置位置或移动数据，响应按键事件，并将图像传输到显示设备30。

图4示出本发明一实施例的显示设备的结构框图。如图4所示，显示设备30可包括视频输入接口31和显示屏32。视频输入接口31可通过视频数据线连接到控制处理设备20的视频输出接口23。显示屏32通过视频输入接口31获得视频信号后，显示视频。

在本发明的实施例中，采用绝对定位方法来控制光标移动，概要地说，根据遥控装置在空间的绝对位置与姿态，计算出遥控装置的主轴线与显示屏的交点，该交点即为光标位置。在此，主轴线是遥控装置指向显示屏的轴线。下面描述具体的计算过程。

图5示出遥控装置10的三维空间坐标，假设遥控装置在时刻t位于P点，则其三维空间坐标为 $P\left(t\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right),$ 其主轴线姿态角度为 $S\left(t\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\end{array}\right),$ 其中α为主轴线PM在yz平面的投影与z轴的夹角，β为主轴线PM在xz平面的投影与x轴的夹角。遥控装置10内置的三轴加速度传感器13获得的是加速度数据：

$\stackrel{\·\·}{P}\left(t\right)=\frac{d^{2}P\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}$

内置的三轴陀螺仪可获得主轴线姿态角速度数据：

$\stackrel{.}{S}\left(t\right)=\frac{\mathrm{dS}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

若已知初始值P(0)、S(0)，则可以通过积分计算得到时刻t的空间位置P(t)及姿态角度S(t)：

$P\left(t\right)=\∫{\∫}_0^t\stackrel{..}{P}\left(t\right)\mathrm{dtdt}$

$S\left(t\right)={\∫}_0^t\stackrel{.}{S}\left(t\right)\mathrm{dt}$

假设显示屏所在平面为z＝0，屏幕左上角为坐标原点。假设遥控装置的主轴线与显示屏交点为 $M\left(t\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_m\\ y_m\\ z_m\end{array}\right),$ 则它必须同时满足下述条件：

z_m＝0

$\tan \mathrm{\α}=\frac{y_p-y_m}{z_p-z_m}$

$\tan \mathrm{\β}=\frac{z_p-z_m}{x_p-x_m}$

据此可计算出交点M(t)的坐标值：

$M\left(t\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_p-\frac{z_p}{\tan \mathrm{\β}}\\ y_p-z_p\tan \mathrm{\α}\\ 0\end{array}\right)$

图7示出本发明一实施例的定位方法流程图。参照图7所示描述流程如下：

首先如步骤701，确定遥控装置相对于显示屏的初始绝对位置和姿态。

显示屏或者其上显示的显示界面可以定义为一个二维坐标平面，光标在显示屏上的位置可由横坐标和纵坐标确定。如图6所示，让遥控装置10贴着显示屏32的左上角且其主轴线与屏幕垂直。此时用户可按下一个或多个按键以启动初始绝对位置的确定，通知控制处理设备20此时遥控装置10相对于显示屏32的当前绝对位置和姿态为的初始绝对位置和姿态。当前绝对位置和姿态可通过此时接收到的陀螺仪12和加速度传感器13的数据确定。

然后如步骤702，在用户操作遥控装置10在空间移动期间，遥控装置10实时采集瞬态三维加速度数据和主轴线的角速度数据。三维加速度数据可通过加速度传感器13采集，而主轴线的角速度数据可通过陀螺仪13采集。

在步骤703，根据初始绝对位置与姿态信息，以及三维加速度数据和主轴线的角速度数据，计算出遥控装置10当前绝对位置及姿态数据，并进一步计算遥控装置的主轴延长线与显示屏32的交点，这个交点就是显示设备屏幕上面的光标位置。计算的具体过程可以参照前文的公式。

当遥控装置具备足够处理能力时，步骤703可以在遥控装置10内执行，并将交点坐标值作为结果发送给控制处理设备20。作为替换实施例，也可以将陀螺仪和加速度传感器的瞬态数据发送给控制处理设备20，由后者执行步骤703自行计算出交点坐标值。

在步骤704，根据交点坐标值在显示屏上更新光标显示。

在更新光标显示时，如果交点坐标值位于显示屏32的二维坐标范围内，则按照交点坐标值如实显示光标位置。当交点坐标值超出显示屏32时，可使光标保持在屏幕边缘不动，直至光标回到屏幕范围内。

综上所述，本发明实施例所提出的遥控装置及其定位方法可以有效解决目前空中鼠标、体感遥控器等遥控产品普遍存在的诸如光标移动比空中鼠标移动滞后，鼠标移出屏幕范围后返回时光标失控等问题。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种三维遥控装置的定位方法，用于根据三维遥控装置的空间移动确定一显示屏上的光标位置，所述方法包括以下步骤：

a.确定所述三维遥控装置相对于所述显示屏的初始绝对位置和姿态；

b.在所述三维遥控装置移动时，实时采集三维遥控装置的三维加速度数据和主轴线角速度数据；

c.根据所述初始绝对位置和姿态，以及所述三维加速度数据和主轴线角速度数据，计算出所述三维遥控装置当前位置及姿态，并进一步计算所述三维遥控装置的主轴延长线与所述显示屏的交点；以及

d.根据所述交点更新所述显示屏上的光标位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过三维加速度传感器采集所述三维加速度数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过三轴陀螺仪采集所述主轴线角速度位置数据。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c是在三维遥控装置中执行。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括从所述三维遥控装置发送所述交点给用于输出视频数据给所述显示屏的控制处理设备。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c是在一控制处理设备中执行。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括从所述三维遥控装置发送所述三维遥控装置的三维加速度数据和主轴线角速度数据给用于输出视频数据给所述显示屏的控制处理设备。

8.一种三维遥控装置，包括：

至少一个按键，当所述至少一个按键被按下时，指示所述三维遥控装置的相对于显示屏的当前绝对位置和姿态为初始绝对位置和姿态；

三维加速度传感器，用以在所述三维遥控装置移动时，实时采集三维遥控装置的三维加速度数据；

三轴陀螺仪，用以在所述三维遥控装置移动时，实时采集主轴线角速度数据；

处理器，根据所述初始绝对位置和姿态，以及所述三维加速度数据和主轴线角速度数据，计算出所述三维遥控装置当前绝对位置及姿态，并进一步计算所述三维遥控装置的主轴延长线与所述显示屏的交点；以及

无线通信模块，用以发送所述交点。

9.如权利要求8所述的三维遥控装置，其特征在于，所述三维遥控装置是空中鼠标、体感游戏操作手柄、会议演讲与教学演示无线遥控笔之一。