CN103389808B - 一种空间鼠标及获取空间鼠标位移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取空间鼠标位移的方法，包括以下步骤：设定空间鼠标在显示屏的第一参考坐标系，记录其在第一参考坐标系的坐标；设定空间鼠标在立体空间的第二参考坐标系；检测空间鼠标相对第二参考坐标系的航向角、俯仰角和滚动角；映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量；实时发送空间鼠标在第一参考坐标系的状态量至主机。本发明通过将空间鼠标与航姿理论结合，将空间鼠标的位移检测并映射至显示屏中，令空间鼠标不依靠反射平台也能实现现有鼠标的功能。

Description

一种空间鼠标及获取空间鼠标位移的方法

技术领域

本发明涉及一种鼠标，尤其是不需要桌面平台作为光线反射物的空间鼠标及获取该空间鼠标位移的方法。

背景技术

鼠标，作为一种非常重要的输入设备，为我们的工作与生活带来了非常大的便利。鼠标的发展，由机械鼠标到光学鼠标，由有线到无线，由单一功能到多功能，使得用户操作越来越便捷，人机交互性越来越高。传统“桌面”鼠标的原理，包括机械鼠标与光电鼠标，都是利用微小位移测量技术，测量得出鼠标相对其底下的平台（通常指桌面、鼠标垫）在X轴与Y轴上面的位移量。通过不断快速地得到每一段微小时间间隔内鼠标在XY两个方向上的位移量，所以PC指针能“跟踪”人手操控鼠标运动的轨迹。传统的“桌面”鼠标利用的这些微小位移测量技术都需要与参考物体保持近距离，所以这种鼠标不能脱离“桌面”而使用，使得用户的操控自由受到限制。

发明内容

本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种不需要桌面平台，且与航天航姿理论结合实现鼠标正常功能的空间鼠标，及获取该空间鼠标位移的方法。

为了达到上述目的，采用如下技术方案：

一种获取空间鼠标位移的方法，包括以下步骤：

设定空间鼠标在显示屏的第一参考坐标系，记录其在第一参考坐标系的坐标；

设定空间鼠标在立体空间的第二参考坐标系；

检测空间鼠标相对第二参考坐标系的航向角、俯仰角和滚动角；

映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量；

实时发送空间鼠标在第一参考坐标系的状态量至主机。

进一步地，所述设定空间鼠标在显示屏的第一参考坐标系，记录其在第一参考坐标系的坐标包括设定显示屏的中心点为第一参考坐标系的原点，显示屏的长度方向为横轴，宽度方向为竖轴。

进一步地，所述设定空间鼠标在立体空间的第二参考坐标系包括设定地理坐标系为空间鼠标的第二参考坐标系。

进一步地，所述检测空间鼠标相对第二参考坐标系的航向角、俯仰角和滚动角包括以下步骤：

利用空间鼠标的相互正交的三轴MEMS陀螺仪测量其三轴的角速度；

将四元数姿态更新微分方程

$q(n+1)=\{\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}I+\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}[\mathrm{\Δ\θ}\left]\right\}q\left(n\right)$

转换成四元数姿态矩阵

$q(n+1)=\left[\begin{array}{cccc}C& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_x& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_z\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_y\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_z& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_x\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C\end{array}\right]*q\left(n\right),$

其中 $C=\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2},$ $S=\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0},$

获取空间鼠标从n到n+1时刻的各个轴向的角速度；

通过欧拉姿态矩阵与四元数姿态矩阵的对应关系提取空间鼠标的航向角、俯仰角和滚动角。

进一步地，所述映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量包括：将空间鼠标相对地理坐标系的俯仰角映射至显示屏的竖轴，航向角映射至显示屏的横轴，获得显示屏竖轴和横轴的坐标。

进一步地，所述映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量包括：

利用空间鼠标的相互正交的三轴加速计测量其三轴的加速度；

将空间鼠标三轴的加速度转换至第二参考坐标系中三轴的加速度；

对第二参考坐标系中三轴的加速度进行两次积分，获得空间鼠标在第二参考坐标系的第二位移量；

将空间鼠标在第二参考坐标系的位移量映射至第一参考坐标系，获得空间鼠标在第一参考坐标系的第一位移量。

进一步地，所述将空间鼠标在第二参考坐标系中的位移映射至第一参考坐标系，获得空间鼠标在第一参考坐标系的第一位移量包括：将第二参考坐标系中的第二位移量按预设比例缩放形成第一参考坐标系的第一位移量。

一种空间鼠标，包括第一坐标系设定模块、第二坐标系设定模块、检测模块、获取模块和发送模块；

所述第一坐标系设定模块用于设定空间鼠标在显示屏的第一参考坐标系，记录其在第一参考坐标系的坐标；

所述第二坐标系设定模块用于设定空间鼠标在立体空间的第二参考坐标系；

所述检测模块用于检测空间鼠标相对第二参考坐标系的航向角、俯仰角和滚动角；

所述获取模块用于映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量；

所述发送模块用于实时发送空间鼠标在第一参考坐标系的状态量至主机。

进一步地，所述第一参考坐标系包括以显示屏的中心点作为原点，显示屏的长度方向为横轴，宽度方向为竖轴的坐标轴；

所述第二参考坐标系为地理坐标系；

所述检测模块包括三轴MEMS陀螺仪、转换单元和提取单元，

所述三轴MEMS陀螺仪利用空间鼠标的相互正交的三轴MEMS陀螺仪测量其三轴的角速度，

所述转换单元通过将四元数姿态更新微分方程

$q(n+1)=\{\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}I+\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}[\mathrm{\Δ\θ}\left]\right\}q\left(n\right)$ 转换成四元数姿态矩阵

$q(n+1)=\left[\begin{array}{cccc}C& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_x& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_z\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_y\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_z& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_x\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C\end{array}\right]*q\left(n\right),$ 其中 $C=\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2},$ $S=\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0},$

获取空间鼠标从n到n+1时刻的各个轴向的角速度，

所述提取单元用于通过欧拉姿态矩阵与四元数姿态矩阵的对应关系提取空间鼠标的航向角、俯仰角和滚动角；

所述获取模块用于将空间鼠标相对地理坐标系的俯仰角映射至显示屏的竖轴，航向角映射至显示屏的横轴，获得显示屏竖轴和横轴的坐标。

进一步地，所述第一参考坐标系包括以显示屏的中心点作为原点，显示屏的长度方向为横轴，宽度方向为竖轴的坐标轴；

所述第二参考坐标系为地理坐标系；

所述检测模块包括三轴MEMS陀螺仪、转换单元和提取单元，

所述三轴MEMS陀螺仪利用空间鼠标的相互正交的三轴MEMS陀螺仪测量其三轴的角速度，

所述转换单元通过将四元数姿态更新微分方程

$q(n+1)=\{\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}I+\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}[\mathrm{\Δ\θ}\left]\right\}q\left(n\right)$ 转换成四元数姿态矩阵

$q(n+1)=\left[\begin{array}{cccc}C& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_x& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_z\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_y\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_z& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_x\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C\end{array}\right]*q\left(n\right),$ 其中 $C=\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2},$ $S=\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0},$

获取空间鼠标从n到n+1时刻的各个轴向的角速度，

所述提取单元用于通过欧拉姿态矩阵与四元数姿态矩阵的对应关系提取空间鼠标的航向角、俯仰角和滚动角；

所述获取模块包括三轴加速计、第二转换单元、积分单元和映射单元，

所述三轴加速计测量空间鼠标三轴的加速度，

所述第二转换单元将三轴的加速度转换至第二参考坐标系对应三轴的加速度；

所述积分单元对第二参考坐标系三轴的加速度进行两次积分，获得空间鼠标在第二参考坐标系的第二位移量；

所述映射单元将空间鼠标在第二参考坐标系中的第二位移量按预设比例缩放形成第一参考坐标系的第一位移量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.对于利用航姿映射的二维鼠标，利用航姿解算而不用直接积分，有更高的精度，也可以减小积分带来的漂移误差。

2.对于三维空间鼠标，结合航姿，真正实现三维输入，能适用于三维显示、全息投影、空间运动控制等场合。

附图说明

图1是本发明第一实施例所述空间鼠标的结构框图；

图2是本发明第一实施例所述获取空间鼠标的位移的方法的步骤流程图；

图3是本发明第一实施例中步骤S30的具体步骤流程图；

图4是本发明第二实施例中所述空间鼠标的结构框图；

图5是本发明第二实施例中所述空间鼠标的步骤S40的具体步骤流程图。

图示：1—第一坐标系设定模块；2—第二坐标系设定模块；3—检测模块；

31—三轴MEMS陀螺仪；32—转换单元；33—提取单元；4—获取模块；5—发送模块。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1所示，其为本实施所述的空间鼠标的结构框图。其包括第一坐标系设定模块1、第二坐标系设定模块2、检测模块3、获取模块4和发送模块5。所述检测模块3分别连接第一坐标系设定模块1、第二坐标系设定模块2、获取模块4和发送模块5。所述第一坐标系设定模块1设定空间鼠标在显示屏的第一参考坐标系，记录其在第一参考坐标系的坐标。第一参考坐标系包括以显示屏的中心点作为原点，显示屏的长度方向为横轴，宽度方向为竖轴的坐标轴。所述第二坐标系设定模块2设定空间鼠标在立体空间的第二参考坐标系。所述第二参考坐标系优选为地理坐标系。

所述检测模块3检测空间鼠标相对第二参考坐标系的航向角、俯仰角和滚动角。其包括三轴MEMS陀螺仪31、转换单元32和提取单元33。所述三轴MEMS陀螺仪31测量空间鼠标的三轴的角速度。

所述转换单元32通过将四元数姿态更新微分方程

$q(n+1)=\{\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}I+\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}[\mathrm{\Δ\θ}\left]\right\}q\left(n\right)$ 转换成四元数姿态矩阵

$q(n+1)=\left[\begin{array}{cccc}C& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_x& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_z\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_y\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_z& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_x\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C\end{array}\right]*q\left(n\right),$

其中 $C=\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2},$ $S=\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0},$

获取空间鼠标从n到n+1时刻的各个轴向的角速度Δθ_x、Δθ_y、Δθ_z，

所述提取单元33通过欧拉姿态矩阵与四元数姿态矩阵的对应关系提取空间鼠标的航向角、俯仰角和滚动角。

所述获取模块4映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量。所述获取模块4将空间鼠标相对地理坐标系的俯仰角映射至显示屏的竖轴，航向角映射至显示屏的横轴，获得显示屏竖轴和横轴的坐标。

所述发送模块5实时发送空间鼠标在第一参考坐标系的状态量至主机。由主机根据状态量实时显示空间鼠标在显示屏的光标显示位置。例如，发送模块将获取模块获取的航向角映射至显示屏横轴的值，俯仰角映射至显示屏竖轴的值发送至主机。连续的过程形成了光标的移动轨迹。在二维鼠标的实际应用中，发送模块5直接将航姿、位置信息发送至主机，然后主机实时根据航向角、俯仰角设定光标的横轴及竖轴位置。

如图2所示，其为本实施例所述获取空间鼠标位移的方法，包括以下步骤：

S10：设定空间鼠标在显示屏的第一参考坐标系，记录其在第一参考坐标系的坐标。

通过设定空间鼠标在显示屏的第一参考坐标系，记录其在第一参考坐标系的坐标可以将空间鼠标的运动轨迹映射至显示屏中。通过记录起始坐标，为后续对空间鼠标对应的显示屏中的光标在第一参考坐标系中的坐标更新提供了更新基础。设定显示屏的中心点为第一参考坐标系的原点，显示屏的长度方向为横轴，宽度方向为竖轴。

S20：设定空间鼠标在立体空间的第二参考坐标系。

第二参考坐标系根据需求可以设定为地理坐标系、地球坐标系、地心惯性坐标系等。本实施例优选为地理坐标系。

S30：检测空间鼠标相对第二参考坐标系的航向角、俯仰角和滚动角。

在航空航天技术中，航姿包括航向角、俯仰角和滚动角。航向角（Yaw）指的是沿着机体方向的铅锤面与参考方向之间的夹角俯仰角（Pitch）指的是沿着机体方向所在直线与水平面之间的夹角θ。滚动角（Roll）指的是飞行器纵向对称平面与纵向铅锤平面之间的夹角γ。当飞行器的俯仰角为±90°时，滚动角及航向角为一个未知值。航天器在三维自由空间的航姿是唯一确定的。将航姿推广到空间鼠标，空间鼠标体坐标相对于某一确定的惯性坐标系之间的方位关系由唯一的航姿确定。

如图3所示，测量航姿主要通过以下步骤实现：

S301：利用空间鼠标的相互正交的三轴MEMS陀螺仪测量其三轴的角速度。

空间鼠标中包括了相互正交的三轴MEMS陀螺仪。通过陀螺仪可以准确测出空间鼠标在三轴的角速度。

S302：将四元数姿态更新微分方程转换成四元数姿态矩阵，再利用欧拉姿态矩阵与四元数姿态矩阵的关系获取空间鼠标的航向角、俯仰角和滚动角。

首先通过四元数姿态更新微分方程：

$q(n+1)=\{\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}I+\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}[\mathrm{\Δ\θ}\left]\right\}q\left(n\right)$

令 $C=\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2},$ $S=\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}$ 获得

$q(n+1)=\left[\begin{array}{cccc}C& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_x& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_z\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_y\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_z& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_x\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& {-\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C\end{array}\right]*q\left(n\right)$ 其中Δθ_x、Δθ_y、Δθ_z分别为n到n+1时刻机体坐标x、y、z轴向上的转角。从而获取空间鼠标从n到n+1时刻的各个轴向的角速度。

S303：通过欧拉姿态矩阵与四元数姿态矩阵的对应关系提取空间鼠标的航向角、俯仰角和滚动角。

由于欧拉姿态矩阵与四元数姿态矩阵的关系有：

$\left[\begin{array}{ccc}{T}_{11}& T_{12}& T_{13}\\ T_{21}& T_{22}& T_{23}\\ T_{31}& T_{32}& T_{33}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{q}_1^2+q_0^2-q_3^2-q_2^2& 2(q_1{q}_2+q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)\\ 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& q_2^2-q_3^2+q_0^2-q_1^2& 2(q_2{q}_3+q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)& q_3^2-q_2^2-q_1^2+q_0^2\end{array}\right].$

从而可以从姿态矩阵中提取姿态和航向：

θ=-arcsin(T₁₃)

$\mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{T_{23}}{T_{33}}\right)$

S40：映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量。

从步骤S303中获得空间鼠标的航向角、俯仰角和滚动角后，就可以将航向角、俯仰角映射至第一参考坐标系。具体的映射方法是通过预设的映射规则，将航向角映射至第一参考坐标系的水平轴，将俯仰角映射至第一参考坐标系的竖轴。映射关系可以根据需要而设定。举例，当航向角与俯仰角都为0时，与屏幕正中央对应。航向角为+60°时对应横轴最右边，当航向角为-60°时对应横轴最左边；俯仰角为+60°时对应显示屏竖轴最上，俯仰角为-60°时对应显示屏竖轴最下边。通过映射，可以将航向角和俯仰角与显示屏的第一参考坐标系直接对应，从而将空间鼠标的运动轨迹通过显示屏的光标显示，实现空间鼠标控制光标的运动。

S50：实时发送空间鼠标在第一参考坐标系的状态量至主机。

空间鼠标计算出航向角和俯仰角在第一参考坐标系的横轴和竖轴的状态量时，将所述态量发送至主机，由主机执行光标的移动。

持续测量空间鼠标的航姿就可以持续获得空间鼠标在第一参考坐标系的状态量，从而示屏中的光标就可以实现持续运动，形成运动轨迹，实现空间鼠标控制光标的功能。

实施例二

如图4所示，其为本实施例所述的空间鼠标的结构框图。其包括第一坐标系设定模块第二坐标系设定模块、检测模块、获取模块和发送模块。本实施例第一坐标系设定模块、二坐标系设定模块、检测模块和发送模块与实施例一相同。

本实施例与实施例一的区别在于：所述获取模块包括三轴加速计、第二转换单元、积单元和映射单元。所述三轴加速计测量空间鼠标三轴的加速度。所述第二转换单元将三轴加速度转换至第二参考坐标系对应三轴的加速度。所述积分单元对第二参考坐标系三轴的速度进行两次积分，获得空间鼠标在第二参考坐标系的第二位移量。所述映射单元将空间标在第二参考坐标系中的第二位移量按预设比例缩放形成第一参考坐标系的第一位移量。

如图5所示，其为本实施例获取空间鼠标位移的方法，其与实施例一的方法的区别在

步骤S40中，所述映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量包括：

S401：利用空间鼠标的相互正交的三轴加速计测量其三轴的加速度。

空间鼠标中的三轴加速计可以测量到空间鼠标三个轴的加速度。

S402：将空间鼠标三轴的加速度转换至第二参考坐标系中三轴的加速度。

通过坐标变换公式

可以推断出机体坐标与地理坐标之间的关系

$\left[\begin{array}{c}{X}_b\\ Y_b\\ Z_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{T}_{11}& T_{12}& T_{13}\\ T_{21}& T_{22}& T_{23}\\ T_{31}& T_{32}& T_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_n\\ Y_n\\ Z_n\end{array}\right].$

坐标交换位置得到：

$\left[\begin{array}{c}{X}_n\\ Y_n\\ Z_n\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}{T}_{11}& T_{12}& T_{13}\\ T_{21}& T_{22}& T_{23}\\ T_{31}& T_{32}& T_{33}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{X}_b\\ Y_b\\ Z_b\end{array}\right]$

上些式子当中，b系为机体坐标系，n系为第二参考坐标系，即地理坐标系。θ、γ即为航姿。通过上述公式，可以将空间鼠标三轴的加速度转换至第二参考坐标系中的三轴加速度。

S403：对第二参考坐标系中三轴的加速度进行两次积分，获得空间鼠标在第二参考坐标系的第二位移量。

在步骤S402中已经获得了第二参考坐标系中的三轴的加速度，在本步骤中对第二参考坐标系的三轴加速度积分，获得三轴的速度，再对三轴的速度进行积分，获得第二参考坐标系三轴的位移量。

S404：将空间鼠标在第二参考坐标系的位移量映射至第一参考坐标系，获得空间鼠标在第一参考坐标系的第一位移量。

具体地，将第二参考坐标系中的第二位移量按预设比例缩放形成第一参考坐标系的第一位移量。例如在第二参考坐标系中，X轴的位移量为1cm，Y轴的位移量为1cm，Z轴的位移量为2cm。当预设的缩放比例为0.5:1时，若显示屏中只应用了二维，则显示屏的光标在X轴的移动量为2cm，在Y轴的移动量为2cm。若显示屏中应用了三维显示技术，则显示屏中的光标相对于三维空间的三个轴位移量分别为2cm、2cm、4cm。

为了获得更精确的数据，通过电子罗盘和三轴加速计对航姿进行修正。由于电子罗盘能测量地表平面的方向，所以在航姿修正当中，其能修正航向角。通过电子罗盘可以测量空间的磁场强度。在单轴电子罗盘的情况下，电子罗盘方向与三轴陀螺仪的X轴方向一致。假设刚开始的时候，X轴指向正北方向时的航向角为0°，此时电子罗盘能测量到的磁场为反向最大值，即当电子罗盘指向正南方时，可测得磁场大小为正最大值。则此时可以根据电子罗盘的值以及俯仰角来计算航向角。利用计算公式：

Yaw=arccos[-GS*cos(Pitch)]

GS为罗盘获取到的磁场强度。Yaw为航向角，Pitch是俯仰角。

通过该计算公式计算得出的航向角是地磁场（以及周围环境的磁场）给出的，它不一定完全准确，但将该航向角融入航姿的计算当中，利用三轴陀螺仪航姿解算当中的航向角逐渐地向由电子罗盘计算的这个航向角靠拢，则可以消除长期使用所带来的漂移现象。例如，定义利用陀螺仪航姿更新所得的航向角为θ，利用电子罗盘计算得到的航向角为θe，设定一系数a，则在航姿不断运算过程中，令θ=θ+a（θe-θ）。a为小于1大于0的一个跟鼠标体稳定状态有关的系数，从而可以推断，鼠标体运动得越厉害，a会越接近0，而鼠标体越平稳，a越接近1。在无比力的情况下，即当装置处于静止或者匀速直线运动时，三轴加速计三个轴的值的合成就是重力加速度（竖直向下大小为g）。由于重力加速度的大小及方向已知，可以用以对俯仰角和滚动角进行修正。

只有在重力加速度作用下的俯仰角及滚动角的获取方法：

Pitch=arcsin(ax/g);

Roll=-arctan(ay/-az);

其中：ax为x轴加速度值，g为重力加速度大小，ay为y轴加速度值，az为z轴加速度值。

当得到上述的俯仰角和滚动角后，就可以在利用三轴陀螺仪航姿解算的过程中让俯仰角和滚动角缓慢地趋向由重力加速度计算得到的俯仰角和滚动角，如此就能消除长期使用所带来的漂移。应当注意的是，只有在无比力的情况下，才能正确利用重力加速度计算得出正确的俯仰角和滚动角。所以在实际使用当中，需要一定的算法进行判断无比力的情况。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种获取空间鼠标位移的方法，其特征在于，包括以下步骤：

设定空间鼠标在显示屏的第一参考坐标系，记录其在第一参考坐标系的坐标；

设定空间鼠标在立体空间的第二参考坐标系；

检测空间鼠标相对第二参考坐标系的航向角、俯仰角和滚动角；

映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量；

实时发送空间鼠标在第一参考坐标系的状态量至主机；

所述检测空间鼠标相对第二参考坐标系的航向角、俯仰角和滚动角包括以下步骤：

利用空间鼠标的相互正交的三轴MEMS陀螺仪测量其三轴的角速度；

将四元数姿态更新微分方程

$q(n+1)=\{cos\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}1+\frac{sin\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}\[\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\]\}q\left(n\right)$

转换成四元数姿态矩阵

$q(n+1)=\left[\begin{array}{cccc}C& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_x& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_y& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_z\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_y\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_z& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_x\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C\end{array}\right]*q\left(n\right),$ 其中 $C=\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2},S=\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0};$

获取空间鼠标从n到n+1时刻的各个轴向的角速度；

通过欧拉姿态矩阵与四元数姿态矩阵的对应关系提取空间鼠标的航向角、俯仰角和滚动角。

2.根据权利要求1所述的获取空间鼠标位移的方法，其特征在于，所述设定空间鼠标在显示屏的第一参考坐标系，记录其在第一参考坐标系的坐标包括：设定显示屏的中心点为第一参考坐标系的原点，显示屏的长度方向为横轴，宽度方向为竖轴。

3.根据权利要求1所述的获取空间鼠标位移的方法，其特征在于，所述设定空间鼠标在立体空间的第二参考坐标系包括：设定地理坐标系为空间鼠标的第二参考坐标系。

4.根据权利要求1所述的获取空间鼠标位移的方法，其特征在于，所述映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量包括：将空间鼠标相对地理坐标系的俯仰角映射至显示屏的竖轴，航向角映射至显示屏的横轴，获得显示屏竖轴和横轴的坐标。

5.根据权利要求1所述的获取空间鼠标位移的方法，其特征在于，所述映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量包括：

利用空间鼠标的相互正交的三轴加速计测量其三轴的加速度；

将空间鼠标三轴的加速度转换至第二参考坐标系中三轴的加速度；

对第二参考坐标系中三轴的加速度进行两次积分，获得空间鼠标在第二参考坐标系的第二位移量；

将空间鼠标在第二参考坐标系的位移量映射至第一参考坐标系，获得空间鼠标在第一参考坐标系的第一位移量。

6.根据权利要求5所述的获取空间鼠标位移的方法，其特征在于，所述将空间鼠标在第二参考坐标系中的位移映射至第一参考坐标系，获得空间鼠标在第一参考坐标系的第一位移量包括：将第二参考坐标系中的第二位移量按预设比例缩放形成第一参考坐标系的第一位移量。

7.一种空间鼠标，其特征在于：包括第一坐标系设定模块、第二坐标系设定模块、检测模块、获取模块和发送模块；

所述第一坐标系设定模块用于设定空间鼠标在显示屏的第一参考坐标系，记录其在第一参考坐标系的坐标；

所述第二坐标系设定模块用于设定空间鼠标在立体空间的第二参考坐标系；

所述检测模块用于检测空间鼠标相对第二参考坐标系的航向角、俯仰角和滚动角；

所述获取模块用于映射空间鼠标的航向角、俯仰角及滚动角至第一参考坐标系，获取空间鼠标在第一参考坐标系对应的状态量；

所述发送模块用于实时发送空间鼠标在第一参考坐标系的状态量至主机；

所述检测模块包括三轴MEMS陀螺仪、转换单元和提取单元，

所述三轴MEMS陀螺仪测量空间鼠标三轴的角速度，

所述转换单元通过将四元数姿态更新微分方程

$q(n+1)=\{cos\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}1+\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}\[\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\]\}q\left(n\right).$

转换成四元数姿态矩阵

$q(n+1)=\left[\begin{array}{cccc}C& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_x& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_y& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_z\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_y\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_z& C& {\mathrm{S\Δ\θ}}_x\\ {\mathrm{S\Δ\θ}}_z& {\mathrm{S\Δ\θ}}_y& -{\mathrm{S\Δ\θ}}_x& C\end{array}\right]*q\left(n\right),$ 其中 $C=\cos \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2},S=\frac{\sin \frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0}{2}}{{\mathrm{\Δ\θ}}_0};$

获取空间鼠标从n到n+1时刻的各个轴向的角速度；

所述提取单元用于通过欧拉姿态矩阵与四元数姿态矩阵的对应关系提取空间鼠标的航向角、俯仰角和滚动角。

8.根据权利要求7所述的空间鼠标，其特征在于：

所述第一参考坐标系包括以显示屏的中心点作为原点，显示屏的长度方向为横轴，宽度方向为竖轴的坐标轴；

所述第二参考坐标系为地理坐标系；

所述获取模块用于将空间鼠标相对地理坐标系的俯仰角映射至显示屏的竖轴，航向角映射至显示屏的横轴，获得显示屏竖轴和横轴的坐标。

9.根据权利要求7所述的空间鼠标，其特征在于：

所述第一参考坐标系包括以显示屏的中心点作为原点，显示屏的长度方向为横轴，宽度方向为竖轴的坐标轴；

所述第二参考坐标系为地理坐标系；

所述获取模块包括三轴加速计、第二转换单元、积分单元和映射单元，

所述三轴加速计测量空间鼠标的三轴的加速度，

所述第二转换单元将三轴的加速度转换至第二参考坐标系对应三轴的加速度；

所述积分单元对第二参考坐标系三轴的加速度进行两次积分，获得空间鼠标在第二参考坐标系的第二位移量；

所述映射单元将空间鼠标在第二参考坐标系中的第二位移量按预设比例缩放形成第一参考坐标系的第一位移量。