CN103576915A - 方向感测触笔 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于依据触笔(100)的方向，控制在电子设备(104)上执行的应用的方法和装置。触笔(100)包括诸如陀螺仪之类的转动率传感器(202)。从触笔发送与转动率(204)有关的信号(208)，电子设备(104)接收该信号作为信号(208’)。可以使用积分电路(402)从转动率(204)确定触笔方向(220’)，以确定向初始方向向量(426)应用的转动矩阵(412)。电子设备(104)可以使用触笔方向(220’)来确定用户使用右手或左手的习惯，以控制绘画应用的属性或用于其他目的。

Description

方向感测触笔

背景技术

触笔指向设备能使诸位置信息之类的信息向主电子设备输入。此外，可以使用施加到触笔笔尖的力，或压力的纵向或轴向分量，来控制在计算机或其他处理设备上执行的绘画应用的方案。虽然其他绘画工具对诸如绘画工具相对于绘画表面的角度之类的附加特征做出响应，这有利于改善对一些绘画工具的模拟。测量角度的一个方案是使用倾斜或重力传感器。这能提供与触笔相对于垂直方向的角度有关的信息，但并不指示触笔相对于绘画表面的角度(除了当表面是水平时之外)。然而，加速计不指示触笔在绘画表面所在平面中的转动。因此，因此，需要提供一种用于确定触笔相对于主设备的绘画表面的方向的方式。

附图说明

在下文中，将参考所包括的附图来描述本公开的示例性实施例，在附图中类似的附图标记指代类似的单元，在附图中：

图1是根据本公开的示例性实施例的绘画系统的示意图。

图2是根据本公开的示例性实施例的计算机绘画系统的方框图。

图3是根据本公开的示例性实施例，用于使用触笔方向信息来控制应用的方法的流程图；

图4是根据本公开的示例性实施例，用于处理触笔转动率以产生触笔方向向量的处理电路的方框图；

图5是根据本公开的示例性实施例的计算机绘画系统的方框图；以及

图6是根据本公开的其它示例性实施例的计算机绘画系统的方框图。

具体实施方式

为使描述简单清楚起见，可以在附图中重复附图标记以指示对应或类似的单元。展示了大量细节以提供对本文所描述的示例实施例的理解。可以不需要这些细节来实现示例实施例。在其他实例中，没有详细描述周知的方法、过程和组件，以免使所描述的示例实施例难以理解。说明书不限于自此所描述的示例性实施例的范围。

本公开的一个方面涉及用于控制在电子设备上执行的应用的方法，其中，电子设备包括从触笔接收信号，该信号取决于触笔的转动率。从触笔信号确定触笔方向，并且提供该触笔方向作为到应用的输入。在一个实施例中，所接收的信号包括触笔转动率，在这种情况下，通过设置初始触笔方向，依据该初始触笔方向对触笔转动率的指数求积分，以产生转动矩阵，以及向所述初始触笔方向应用该转动矩阵来确定触笔方向。

在进一步的实施例中，在所接收的信号中嵌入了该触笔方向，在这种情况下，可以从所接收的信号中恢复该触笔方向。

当应用是电子绘画应用时，可以依据触笔方向调整电子设备显示器上所描绘的线条的特性。

在进一步的实施例中，可以从触笔方向确定触笔用户使用右手或左手的习惯，并且可以使用该习惯来控制应用。

本公开进一步的方面涉及包括积分电路和转动电路的触笔方向传感器。积分电路可操作用于：依据初始触笔方向对所感测的触笔转动率的指数求积分，以产生转动矩阵。转动电路可操作用于：将转动矩阵应用于初始触笔方向，以产生触笔方向。触笔方向传感器还可以包括装配有陀螺仪的触笔。陀螺仪能够感应触笔转动率。

触笔方向传感器还可以包括装配有接收机、显示屏、和处理器的电子设备，所述接收机用于从具有转动率传感器的触笔接收与触笔转动率有关的信号，处理器可操作用于依据触笔方向，在显示屏上描绘图像。

本公开的另一方面涉及触笔，该触笔具有：陀螺仪，可操作用于感测触笔转动率；处理器，可操作用于产生与触笔转动率有关的信号；以及，发射机，可操作用于发送与触笔转动率有关的信号。其中所述信号与触笔转动率有关，处理器可以包括：积分电路，可操作用于响应所感测的触笔转动率来产生转动矩阵；以及，转动电路，可操作用于将转动矩阵应用于初始触笔方向转动，以产生触笔方向。

触笔可以包括诸如按钮、移动传感器、力传感器等之类的用户控制，可操作用于指示何时触笔的方向与初始触笔方向大致相同。

本公开的再一个方面涉及电子设备，该电子设备包括：接收机，可操作用于从触笔接收信号，所述信号与所述触笔的转动率有关；以及，处理器，可操作用于依据来自所述触笔的信号来执行应用。所述处理器还可以用于：响应来自所述触笔的信号，确定触笔方向，以及，依据所述触笔方向，在显示屏上描绘图像。

所述触笔和/或所述电子设备的操作可由能够执行非瞬时性计算机可读介质上存储的指令的处理器来控制。

图1是包括触笔100的绘画系统的示意图，该触笔100可以在主电子设备104的绘画表面102移动。触笔100用于向主电子设备104提供输入。主电子设备104可以是：例如，膝上型计算机、平板计算机(平板)、移动电话、个人数字助理(PDA)、显示屏、绘画板或其他便携式或非便携式电子设备。触笔100可以提供输入，以控制在主电子设备的处理器中执行的绘画应用。输入包括可以被处理以在显示器102上描绘线条的位置输入。根据本公开的一个方面，触笔100还提供与触笔100的方向有关的输入。可以通过无线通信链路从触笔100向主电子设备104传送能够用来确定方向的方向输入，或其它输入。在触笔的电子模块106中包括诸如RF发射机之类的发射机，以及方向传感器和其他单元，而主电子设备104的电子模块108中包括对应的接收机。

在图1中，由向量110指示触笔100的方向。在以下的说明书中，由在x和y方向(在绘画表面102的平面上)以及z方向(与绘画表面102垂直)上具有分量的单位向量u＝{u_x，u_y，u_z}^T表示方向向量100。还可以按照方位角θ和仰角φ将方向向量110写作为u＝u(θ，φ)＝{cosθcosφ，sinθcosφ，sinφ}^T

触笔100可以包括用户控制，用于指示触笔何时处于初始方向。用户控制可以是触笔顶部或侧面上的按钮112，或在触笔内部的传感器114。传感器114可以是运动传感器，例如，加速计，或力传感器，如笔尖压力传感器。

触笔100提供的方向输入可以用于控制在主电子设备104上执行的应用的各个方面。例如，可以用方向输入作为到计算机模拟的诸如笔或刷子之类的绘图工具。可以用方向来控制由绘图工具产生的线条的多个方面，例如，线条的宽度、颜色饱和度、线条样式或不透明度。

在进一步的实施例中，可以用触笔100的方向控制应用的其他方面，例如，在显示器102上描绘的对象的方向。

在进一步的实施例中，用触笔100的方向确定用户使用右手或左手的习惯。进而用该习惯提供例如改进的触笔位置预测。

图2是根据本公开的示例性实施例的计算机绘画系统200的方框图。绘画系统200包括触笔的电子模块106和主电子设备的电子模块108。触笔电子模块106包括三轴陀螺仪202，三轴陀螺仪202测量触笔与三个独立轴的有关的转动率，以提供转动率204(可以表示为转动率向量ω(t)，或等同地表示为转动率矩阵Ω(t))。将转动率204传送到触笔处理器206，触笔处理器206产生与转动率204有关的触笔信号208。触笔电子模块106还包括发射机210，发射机210对触笔信号208进行编码和调制，并从天线212将其发送。主电子设备的电子模块108包括具有天线214的接收机216，接收机216接收从触笔的发射机210经由通信路径226发送的信号。在接收机216中解调所接收的信号，以恢复触笔信号208’。将所恢复的触笔信号208’输入到主处理器218，在主处理器218中处理所恢复的触笔信号208’，以确定方向向量220’(表示为u(t))。可以用方向向量220’控制主电子设备的应用处理器222中执行的应用的各个方面。应用处理器222可以提供用于控制主电子设备的显示屏的输出224。

对转动率(表示为ω(t)或Ω(t))进行处理，以确定方向向量u(t)。可以在触笔电路106的处理器206中或在主电路108的处理器218中执行此处理，或在这两个处理器中分开该处理。如果在触笔电路106的处理器206中执行此处理，可以提供来自触笔的用户控制(例如，按钮、运动传感器或力传感器)的输入228，以指示该触笔何时处于初始方向。如果在主电路108的处理器218中执行此处理，可以提供来自主电子设备或来自触笔的用户控制的输入230，以指示该触笔何时处于初始方向。

根据本公开的一个方面，可以从由触笔的陀螺仪所感测的转动率向量来确定触笔的方向。如图1中元素110所示，将方向表示为在触笔纵轴方向上的向量。在时间t的向量由u(t)表示。从下面的表达式可以看到，在时间t的方向与在初始时间t＝0时的方向有关

u(t)＝R(t)u(0)，(1)

其中，R(t)是转动矩阵。在惯性参考系中，转动率是

。因此，在触笔系中，转动率矩阵是

$\mathrm{\Ω}\left(t\right)\≡\left[\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{\ω}}_z& {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z& 0& -{\mathrm{\ω}}_x\\ -{\mathrm{\ω}}_y& {\mathrm{\ω}}_x& 0\end{array}\right]\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{R}^T\left(t\right)\stackrel{\·}{R}\left(t\right),---\left(2\right)$

其中，ω＝{ω_x，ω_y，ω_z}^T是转动率向量。在一个实施例中，使用三轴陀螺仪测量转动率向量。如定义(2)所指示的，转动矩阵Ω(t)和转动率向量ω＝{ω_x，ω_y，ω_z}^T是相同信息的替代表示。

等式(2)可以重新整理为

，因此可以从转动率矩阵Ω(t)将转动矩阵R(t)确定为

$R\left(t\right)=R\left(0\right)\exp \left\{\underset{t^{\′}=0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\Ω}\left(t^{\′}\right){\mathrm{dt}}^{\′}\right\},---\left(3\right)$

其中，R(0)是3×3单位矩阵。

当以采样间隔T对转动率信号进行采样时，可以利用数字处理器实现等式(3)中的计算。例如，在一个实施例中，可以根据下式更新转动矩阵

R(t)＝R(t-T)W(t)，当t＝T，2T，3T，...，(4)

其中σ＝|ω|T是转动率向量的幅度和采样间隔T的乘积，并且

$W\left(t\right)=I+\frac{\sin \mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}}\mathrm{\Ω}\left(t\right)T+\frac{1-\cos }{{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{\Ω}}^2\left(t\right)T^2---\left(5\right)$

是转动率的指数在采样间隔上的积分的近似。因此，在一个实施例中，根据下式更新与在时间t测量的转动率矩阵Q(t)有关的触笔方向向量u(t)

R(0)＝I，

$W\left(t\right)=1+\frac{\sin \mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}}\mathrm{\Ω}\left(t\right)T+\frac{1-\cos }{{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{\Ω}}^2\left(t\right)T^2,---\left(6\right)$

R(t)＝R(t-T)W(t)，当t＝T，2T，3T，...

u(t)＝R(t)u(0).

应该注意，等式(6)取决于初始触笔方向向量u(0)。

图3是根据本公开的示例性实施例，用于使用触笔方向信息来控制应用的方法的流程图300。在开始步骤302之后，在步骤304，在主电子设备上激活应用。在步骤306，设置初始触笔方向。这可以由用户通过指示触笔处于所选择的方向上来进行。例如，用户可以垂直于显示器或绘图表面来握持触笔，并轻敲表面若干次以指示初始方向向量是u(t＝0)＝{0，0，1}^T，即，在z方向上。备选地，用户可以按下触笔上的按钮。备选地，可以沿着显示器或绘图表面的所选边缘放置触笔。如果边缘是垂直的，则初始方向向量是u(t=0)={0，1，0}^T，而如果边缘是水平的，则初始方向向量是u(t=0)={1，0，0}^T。在进一步的实施例中，在显示器上以已知的方向描绘触笔的图像，然后用户将触笔放在该图像上。在上面的等式(6)中，设置初始方向向量的时间被取为时间t=0。在步骤308，从触笔接收转动率向量，并且在步骤310，对对应的转动率矩阵求积分，以产生转动矩阵R(t)。转动矩阵描述从设置初始方向起，触笔的方向已经如何变化。在步骤312，通过将转动矩阵R(t)应用到初始方向向量u(0)来确定方向向量。在步骤314，用方向向量控制应用。可以向远程设备发送该方向，并被用于控制此设备。如果终止了应用，如决定步骤316的肯定分支所示，在步骤318，方法结束。否则，如决定步骤316的否定分支所示，流程返回到步骤308。

可以由主电子设备执行步骤306-312。备选地，在触笔已知初始触笔方向的前提下，可以由触笔自身上的处理器执行该方法。可以由触笔自身上的处理器确定触笔方向向量。例如，可以用‘双击’、按下按钮或其他手势来指示触笔是处于已知的初始位置。然后，可以向主电子设备发送方向向量和/或转动率向量。

在一个实施例中，触笔用作操纵杆。操纵杆可用于控制计算机游戏、绘图应用、远程控制玩具、机器人设备等。

图4是触笔方向传感器的示例性处理电路400的方框图。根据本公开的示例性实施例，处理电路400处理触笔转动率204，以产生触笔方向向量220。可以在触笔或在主电子设备或其组合中实现处理电路400。电路400包括积分电路402和转动电路404。积分电路402接收转动率矩阵Ω(t)(204)作为输入。在时间t＝0初始化积分电路402，当逻辑单元406控制复用器408以选择初始转动矩阵410作为转动矩阵412。可以通过来自用户控制(例如，触笔上的按钮或主电子设备的用户界面)的输入228或230设置该时间。计算模块414接收转动率矩阵Ω(t)(204)并根据其计算加权矩阵W(t)，如上面的等式(5)所定义。在乘法电路418中将延迟转动矩阵R(t-T)(420)乘以加权矩阵416，以产生更新的转动矩阵422。在延迟单元424中通过延迟转动矩阵412产生延迟的转动矩阵420。对于时间t＞0，复用器408选择更新的转动矩阵422作为转动矩阵412。从积分电路402输出转动矩阵R(t)(412)，并且在转动电路404中，乘以乘法器428中的初始方向向量426，以确定当前方向向量220，如等式(1)所描述的。积分电路402产生转动率矩阵的指数的时间积分的近似。其他积分电路可以用于近似此时间积分。

可以在已编程处理器、现场可编程门阵列、订制逻辑电路、专用电路等上实现处理电路400。

图5是根据本公开的示例性实施例的计算机绘画系统500的方框图。绘图系统500包括触笔100和主电子设备104。触笔100包括三轴陀螺仪202，三轴陀螺仪202测量触笔与三个独立轴有关的转动率，以提供转动率204(转动率向量ω(t)，或等同的转动率矩阵Ω(t))。向发射机210传递转动率204，发射机210对该转动率进行编码和调制，并通过通信路径226将其发送到主电子设备104的接收机216。在接收机216中对所接收的信号进行解调，以恢复转动率204’，进而在积分电路402中处理所恢复的转动率204’以确定转动矩阵412。积分电路对来自用户控制502的信号230进行响应，信号230指示何时触笔处于初始方向。乘法器428将转动矩阵412应用到初始方向向量426，以产生当前方向向量u(t)(220’)。可以用方向向量220’控制在主电子设备的应用处理器222上执行的应用的各个方面。应用处理器222可以提供用于控制主电子设备104的显示屏102的输出224。

图6是根据本公开的进一步示例性实施例的计算机绘画系统600的方框图。绘图系统600包括触笔100和主电子设备104。触笔100包括三轴陀螺仪202，三轴陀螺仪202测量触笔与三个独立轴有关的转动率，以提供转动率204(转动率向量ω(t)，或等同的转动率矩阵Ω(t)。在积分电路402中处理转动率204，以确定转动矩阵412。积分电路402对来自用户控制602的信号228进行响应，信号228指示何时触笔处于初始方向。乘法器428将转动矩阵412应用到初始方向向量426，以产生当前方向向量u(t)(220)。将方向向量220传送到发射机210，发射机210对方向向量220进行编码和调制，并经由通信路径226将其发送到主电子设备104的接收机216。在接收机216中解调所接收的信号，以恢复方向向量220’。所恢复的方向向量220’可以用于控制在主电子设备的应用处理器222上执行的应用的各个方面。应用处理器222可以提供用于控制主电子设备104的显示屏102的输出224。

上文所描述的本公开的实施方式仅作为示例。本领域技术人员可以在不脱离本公开范围的前提下，对本文具体示例性实施例进行改变、修改和变形。此外，可以合并从一个或更多个上文所描述的示例性实施例中选择的特征，以创建在本文中未明确描述的备选示例性实施例。

可以理解，本文所描述的执行指令的任意模块或组件可以包括或能够访问非瞬时和有形的计算机可读介质，例如，存储介质、计算机存储介质，或数据存储设备(可移除或不可移除)，例如，磁盘、光盘或磁带数据存储器。计算机存储介质可以包括以任意方法或技术实现的用于存储信息(例如，计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的易失性和非易失性、可移除和非可移除介质。计算机存储介质的示例包括：RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储技术、CD-ROM、数字通用盘(DVD)或其他光存储器、盒式磁带、磁带、磁盘存储器或其他磁存储设备或可用于存储需要信息并可以由应用、模块或两者访问的任意其他介质。任意这种计算机存储介质可以是服务器的部分，网络、后端等的或与网络、后端等有关的任意组件，或可访问网络或可连接到网络的任意组件。可以使用由这种计算机可读介质存储的或保存的计算机可读/可执行指令，实现本文所描述的任意应用或模块。

上文所描述的本公开的实施方式仅是示例性的。本领域技术人员将理解，可以在不脱离本公开的前提下，可以对本文公开的示意性实施例进行改变、修改和变形。此外，可以合并从一个或更多个上文所描述的实施例中选择的特征，以创建在本文中未显式示出和描述的备选实施例。

在不脱离本公开的精神或实质特征的前提下，可以以其他特定形式实现本公开。所描述的示例性实施例无论从哪一方面来看都仅被认为是示意性的，而不是限制性的。因此，本公开的范围是由所附权利要求而不是由上面的描述所指示。在权利要求等同的意义和范围中的所有改变都在被包括在它们的范围之中。

Claims (25)

1.一种用于控制在电子设备上执行的应用的方法，所述方法包括：

设置相对于所述显示器的初始触笔方向；

从触笔接收信号，所述信号与所述触笔的转动率有关；

依据所接收的信号和所述初始触笔方向，确定触笔方向；以及

提供所述触笔方向作为到所述应用的输入。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所接收的信号包括触笔转动率，并且，依据所接收的信号确定所述触笔方向包括：

依据所述初始触笔方向，对所述触笔转动率的指数求积分，以产生转动矩阵；以及

向所述初始触笔方向应用所述转动矩阵。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述触笔方向嵌入所接收的信号中，并且，依据所接收的信号确定所述触笔方向包括：

从所接收的信号中恢复所述触笔方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述应用包括电子绘画应用，所述方法还包括：

依据所述触笔方向，在所述电子设备的显示器上描绘线条。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

依据所述触笔方向，确定所述触笔的用户使用右手或左手的习惯；以及

依据所确定的用户使用右手或左手的习惯，控制所述应用。

6.一种触笔方向传感器，包括：

积分电路，用于依据初始触笔方向，对所感测的触笔转动率的指数求积分，以产生转动矩阵；以及

转动电路，用于将所述转动矩阵应用于所述初始触笔方向，以产生触笔方向。

7.根据权利要求6所述的触笔方向传感器，还包括：

触笔；以及

陀螺仪，位于所述触笔上并用于感测所述触笔转动率。

8.根据权利要求6所述的触笔方向传感器，还包括：

电子设备；以及

接收机，用于从具有转动率传感器的触笔接收与所述触笔转动率有关的信号。

9.根据权利要求8所述的触笔方向传感器，还包括：

显示屏；以及

处理器，用于依据所述触笔方向，在所述显示屏上描绘图像。

10.一种触笔，包括：

陀螺仪，用于感测触笔转动率以及初始触笔方向；

处理器，用于产生与所述触笔的转动率有关的信号；以及

发射机，用于发送与所述触笔的转动率有关的信号。

11.根据权利要求10所述的触笔，其中，所述处理器包括：

积分电路，用于响应所感测的触笔转动率，产生转动矩阵；以及

转动电路，用于将所述转动矩阵应用于初始触笔方向，以产生触笔方向，

其中，与所述触笔的转动率有关的信号包括所述触笔方向。

12.根据权利要求11所述的触笔，还包括：

用户控制，用于指示何时所述触笔的方向大致与所述初始触笔方向相同。

13.根据权利要求12所述的触笔，其中，所述用户控制包括所述触笔上的按钮。

14.根据权利要求12所述的触笔，其中，所述用户控制包括运动传感器。

15.根据权利要求12所述的触笔，其中，所述用户控制包括力传感器，所述力传感器感测施加到所述触笔笔尖上的力。

16.一种电子设备，包括：

接收机，用于从触笔接收信号，所述信号与所述触笔的转动率有关；以及

处理器，用于依据从所述触笔接收的信号，执行应用。

17.根据权利要求16所述的电子设备，还包括：

主处理器，用于响应来自所述触笔的信号，确定触笔方向。

18.根据权利要求17所述的电子设备，还包括：

显示屏，

其中，所述应用处理器还用于依据所述触笔方向，在所述显示屏上描绘图像。

19.根据权利要求17所述的电子设备，还包括：

显示屏，

其中，所述应用处理器还用于在所述显示屏上描绘图像，以指示初始触笔方向。

20.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述应用处理器还用于依据所述触笔方向，确定用户使用右手或左手的习惯。

21.根据权利要求16所述的电子设备，其中，来自所述触笔的信号包括触笔转动率，所述电子设备还包括：

积分电路，用于根据所述触笔转动率产生转动矩阵；以及

转动电路，用于将所述转动矩阵应用于初始触笔方向，以产生触笔方向，

其中，所述应用处理器用于依据所述触笔方向，执行所述应用。

22.一种具有处理器可执行指令的非瞬时性计算机可读介质，当在电子设备的处理器上执行所述处理器可执行指令时，使所述电子设备：

设置相对于显示器的初始触笔方向；

从触笔接收信号，所述信号与所述触笔的转动率有关；以及

依据来自所述触笔的信号执行应用。

23.根据权利要求22所述的具有处理器可执行指令的非瞬时性计算机可读介质，当在电子设备的处理器上执行所述处理器可执行指令时，使所述电子设备：

响应来自所述触笔的所述信号来确定触笔方向，所述触笔方向取决于所接收的信号和所述初始触笔方向。

24.根据权利要求23所述的具有处理器可执行指令的非瞬时性计算机可读介质，当在电子设备的处理器上执行所述处理器可执行指令时，使所述电子设备：

依据所述触笔方向在所述显示屏上描绘图像。

25.根据权利要求22所述的具有处理器可执行指令的非瞬时性计算机可读介质，当在电子设备的处理器上执行所述处理器可执行指令时，使所述电子设备：

依据所述触笔方向，确定用户使用右手或左手的习惯。

Images