CN104111732A - 基于姿态解算的便携式终端的输入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于姿态解算的便携式终端的输入方法，通过解算所述便携式终端的姿态而实现相应的输入，所述输入方法包括：初始信息获取步骤，获取用于所述便携式终端的姿态解算的初始信息；姿态定位步骤，利用所获取的初始信息和预定的姿态解算模型，获取姿态数据；解算姿态数据步骤，利用所述姿态数据计算姿态矩阵，以得到姿态角信息；轨迹还原步骤，利用所述姿态角信息，还原出所述便携式终端的轨迹；输入步骤，根据还原出的所述轨迹，基于该轨迹与预定输入之间的对应关系，执行相应的输入。

Description

基于姿态解算的便携式终端的输入方法

技术领域

本发明涉及便携式终端，尤其涉及通过解算便携式终端的姿态来完成相应的输入的基于姿态解算的便携式终端的输入方法。

背景技术

最近的移动通信终端(例如，智能手机、平板电脑)等便携式终端由于功能的多样化和便携性而迅速得到普及。为了满足不同用户的各种要求，制造商将越来越多的功能集成到了便携式终端中。

以智能手机为例，除了一般的通话功能和短消息收发功能之外，还集成有数码相机、导航仪、多媒体广播、多媒体播放、电子邮件的收发、游戏机等功能。

因此，伴随着便携式终端的功能的多样化，最近的便携式终端仅仅依靠现有的物理键盘/按键或虚拟键盘，无法满足多样的输入需求。

发明内容

本发明是基于上述需求而提出的，其目的在于提供一种通过解算便携式终端的姿态，精确还原出运动轨迹而实现相应的输入的基于姿态解算的便携式终端的输入方法。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于姿态解算的便携式终端的输入方法，通过解算所述便携式终端的姿态而实现相应的输入，所述输入方法包括：初始信息获取步骤，获取用于所述便携式终端的姿态解算的初始信息；姿态定位步骤，利用所获取的初始信息和预定的姿态解算模型，获取姿态数据；解算姿态数据步骤，利用所述姿态数据计算姿态矩阵，以得到姿态角信息；轨迹还原步骤，利用所述姿态角信息，还原出所述便携式终端的轨迹；输入步骤，根据还原出的所述轨迹，基于该轨迹与预定输入之间的对应关系，执行相应的输入。

优选地，还包括验证步骤，根据所述姿态角信息，判断所述便携式终端的姿态是否连续。

优选地，所述验证步骤的判断结果，当判断为所述便携式终端的姿态不连续时，还包括反馈更新步骤，计算系统误差并返回到所述姿态定位步骤，以重新获取姿态数据。

优选地，所述输入包括文字输入或操作信号输入。

优选地，所述初始信息获取步骤还包括：初值设置步骤，设置对应于当前姿态解算环境的初值；数据获取步骤，从各个传感器获取传感器的原始数据及采集数据；数据补偿步骤，利用预定补偿模型对于在所述数据获取步骤中获取的数据进行补偿计算，以能够将所述数据应用到所述姿态解算模型中。

优选地，所述姿态定位步骤中，根据加速度传感器的输出，确定初始俯仰角和初始横滚角，并结合磁力传感器的输出，确定初始航向角。

优选地，在所述解算姿态数据步骤中，基于所述初始俯仰角、初始横滚角、初始航向角确定，确定初始四元数，并对四元数修正，得到实际四元数，由该实际四元数转换得到实际姿态角信息。

根据如上构成的本发明，通过解算出便携式终端的姿态，精确还原出终端的运动轨迹，不仅能够实现文字输入，还可以输入多种操作指令。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于姿态解算的便携式终端的输入方法的流程图。

图2为图1的初始信息获取步骤的具体流程图。

图3为图1的姿态定位步骤的具体流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对于本发明的基于姿态解算的便携式终端的输入方法的优选实施例进行详细的说明。在以下说明中，尽量省略对于公知的功能或结构的说明，以避免对本发明的主旨造成混淆。

此时，所述便携式终端可包括智能手机、平板电脑、个人数字助理、智能相机、多媒体播放器、掌上游戏机、导航仪等。

图1为根据本发明实施例的基于姿态解算的便携式终端的输入方法的流程图。图2为图1的初始信息获取步骤的具体流程图。

如图1所示，根据本发明的便携式终端的输入方法可包括：初始信息获取步骤(S110)、姿态定位步骤(S120)、解算姿态数据步骤(S130)、验证步骤(S140)、反馈更新步骤(S150)、轨迹还原步骤(S160)、输入步骤(S170)。

初始信息获取步骤(S110)中，获取用于所述便携式终端的姿态解算的初始信息。

此时，优选地，该初始信息获取步骤(S110)可包括：初值设置步骤(S112)、数据获取步骤(S114)、数据补偿步骤(S116)。

在初值设置步骤(S112)中，设置对应于当前姿态解算环境的初值。例如，设置地区地磁数据、世界坐标系、相对坐标系、动坐标系、磁干扰零漂、陀螺仪零漂等。

在数据获取步骤(S114)中，从各个传感器实时获取传感器的原始数据和采集数据。此时，传感器例如可包括加速度传感器、陀螺仪传感器、磁力传感器、方向传感器。其中，磁力传感器可被集成于电子罗盘之中。而且，此时可按照每250ms采集一组原始数据的速率进行采集和发送处理。

在执行步骤S114之前，还可以对各个传感器进行校正。例如，对磁力传感器(或磁传感器)进行水平校正和倾斜角补偿校正，水平较正的方法包括平面较正、8字较正、十面较正等多种方法，而对于磁力传感器的倾斜补偿，经过水平较正后，在水平放置时已经可以使用了，但终端与水平面有一定的倾斜角时，这个倾斜角会对磁力传感器的精度造成影响。因此，还需要进行倾斜角进行补偿校正。此时，可通过校正过的加速度传感器得出倾斜角，然后使用倾斜角(俯仰角、横滚角)进行补偿较正计算。

对于陀螺仪传感器的零漂，可通过多次检测后取平均值的方法，得到在载体的三轴上的漂移，由此对零漂进行补偿，并且对陀螺仪输出的角速度值在载体三轴上的分量进行补偿。

在便携式终端中，加速度传感器、磁力传感器、陀螺仪传感器可以相互配合使用，相互补偿校正。

对于随机白噪声，可通过卡尔曼滤波方法，对于随机噪声建立模型而进行去除。

此时，可通过软件的方式驱动各个传感器而自动进行校正。

然后，在数据补偿步骤(S116)中，利用预定的补偿模型对于在数据获取步骤中获取的数据进行补偿计算，以能够将所述数据应用到姿态解算模型中。此时，针对终端的各个传感器所采集的数据呈现较强不稳定性及易受热噪声干扰的特性，对于数据的误差进行建模，以对数据进行补偿计算。

实施例中，针对各个传感器以及采集数据，可建立预定的补偿模型通过软件的方式进行补偿处理。

接着，在姿态定位步骤(S120)中，利用所获取的初始信息和预定的姿态解算模型，获取姿态数据。即，在通过上述步骤得到载体(例如，便携式终端)的真实的磁场信息之后，利用该磁场信息和加速度传感器求出静止状态下的姿态角。

图3为图1的姿态定位步骤的具体流程图。

由图可知，该姿态定位步骤(S120)中的姿态解算模型可进行如下的处理。

通过磁力传感器实时读取地球磁场强度在载体的三轴上的分量，并对其进行补偿。此时，例如可以采用自标定方法对磁场干扰进行补偿。

通过加速度传感器实时读取载体加速度值在载体三轴上的分量，结合重力加速度求出载体的初始横滚角和初始俯仰角(S122)。

即，加速度传感器(或者G-sensor)用于检测三轴的加速度数值，该数值包含地心引力的影响。在一实施例中，可以设置多个加速度传感器，且各个加速度传感器与便携式终端的旋转中心的距离彼此不同。

在不存在自身加速度的情况下，加速度传感器可以单独确定载体的横滚角和俯仰角。忽略重力垂线的倾斜，当地重力加速度在地理坐标系t上的投影为[0 0 g]^T，在载体坐标系b上的投影为 ${\left[\begin{array}{ccc}{f}_b^x& f_b^y& f_b^z\end{array}\right]}^T,$ 二者存在转换关系如下：

由此计算得到俯仰角θ和横滚角的公式为：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}(f_b^y/g)---\left(1\right)$

基于载体的俯仰角θ和横滚角以及经补偿的磁场强度，求得水平面内的x轴和z轴上输出的磁场分量(S124)。

由于磁力传感器是沿终端的坐标系安装的，俯仰角和横滚角的存在使x轴和z轴上输出的磁场分量并不是地球磁场在水平面内的分量。此时，可利用上述得到的俯仰角和横滚角投影到水平面内。

展开求解得到：

此时，利用地球磁场在水平面内的x轴和z轴方向上的磁场分量和就可以通过如下公式确定航向角ψ(S126)：

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{H_z^t}{H_x^t}\right)$

将上述水平面内的x轴和z轴方向上的磁场分量代入到上述公式则得到如下的航向角计算公式。

但这样得到的仅仅是磁航向角，要得到终端与真北的航向角则还应该加上当地(用户所在地)的磁偏角(S128)。磁偏角是指地磁北向与地理北向之间的夹角。

然后，进入解算姿态数据步骤(S130)，利用所获取的姿态数据计算姿态矩阵，以得到姿态角信息。

具体而言，在解算姿态数据的步骤中，可进行如下处理。例如，基于在步骤S120中获得的初始俯仰角θ、初始横滚角φ以及初始航向角ψ，进行四元数转换而得到初始四元数[q₀ q₁ q₂ q₃]^t。并且，针对由陀螺仪传感器检测到的三轴上的分量进行补偿，并对四元数进行修正，即根据上述初始四元数，利用四阶龙格库方法求解四元数微分方程，得到更新后的实际的四元数，转换为实际的俯仰角θ₁、横滚角φ₁以及航向角ψ₁，由此获得姿态角信息。

此时，可以建立数学模型而通过软件的方法解算姿态数据。

根据本发明的实施例，在解算姿态数据的步骤之后，还可以包括验证步骤(S140)，根据所述获得的姿态角信息，判断便携式终端的姿态是否连续。

上述验证步骤(S140)的判断结果，当判断为便携式终端的姿态不连续时，进入反馈步骤(S150)，计算系统误差并返回所述姿态定位步骤(S120)，以重新获取姿态数据。即，在验证步骤(S140)中，基于计算出的姿态角信息，判断出便携式终端的姿态不连续时，废弃所计算出的姿态角信息，返回到姿态定位步骤(S120)中重新获取姿态数据。

此时，反馈步骤(S150)中，计算系统误差的方法如下。

即，对于随机信号，需要进行趋势项去除的处理。消除趋势项的方法有很多种，本实施例中采用最小二乘法。最小二乘法既可以消除线性状态的基线偏移，同时也可以消除具有高级多项式的趋势项。通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。由于采集的数据信号，尤其是陀螺仪传感器数据容易随着时间的推移，偏移呈现变大趋势，所以应先进行去除趋势项的处理。首先对采集得到的原始数据进行三次多项式拟合，在得到此拟合结果后，再用原始数据信号与拟合的曲线进行减操作，完成去除趋势项的计算。

上述验证步骤(S140)的判断结果，当判断为便携式终端的姿态连续时，执行轨迹还原步骤(S160)，利用所获取的姿态角信息，还原出便携式终端的轨迹。此时，既可以利用离散点的姿态角信息的趋势而将离散点连接起来，还原出终端的轨迹，也可以结合时间信息而还原出终端的轨迹。

接着，进入到输入步骤(S170)，根据在轨迹还原步骤(S160)中还原出的终端的轨迹，基于该轨迹与预定输入之间的对应关系，实现相应的输入

优选地，此时，该输入可包括文字输入或操作信号输入。例如，当便携式终端处于字符内容输入状态而需要输入文字时，根据还原出的轨迹，识别出与该轨迹对应的字符，据此将该字符输入到便携式终端之中。由此，用户可以在空间产生预定的轨迹就可以输入相应的字符内容。

此外，当便携式终端处于需要输入操作指令的状态，例如，需要处理来电时，用户可通过沿一个方向摇动(例如，上下或左右方向)来接听或拒接来电。或者，用户可通过使便携式终端在空间绘制出预定的图案而完成相应的操作指令的输入，由此可以满足具有多种功能的便携式终端的输入需求。

终端轨迹与预定输入之间的对应关系，可事先设定而保存于终端的内部，当轨迹识别模式启动时，终端可以调用该对应关系而实现相应的输入。而且，也可以用户自行定义该对应关系，以便在特定环境下，完成预定的输入。

以上的说明是以本发明的优选实施例进行的，但应当注意，在不背离本发明的权利要求所限定的保护范围的前提下，本领域技术人员可以进行各种改变和修改。而且，本发明实施例的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。

Claims (7)

1.一种便携式终端的输入方法，通过解算所述便携式终端的姿态而实现相应的输入，其特征在于，所述输入方法包括：

初始信息获取步骤，获取用于所述便携式终端的姿态解算的初始信息；

姿态定位步骤，利用所获取的初始信息和预定的姿态解算模型，获取姿态数据；

解算姿态数据步骤，利用所述姿态数据计算姿态矩阵，以得到姿态角信息；

轨迹还原步骤，利用所述姿态角信息，还原出所述便携式终端的轨迹；

输入步骤，根据还原出的所述轨迹，基于该轨迹与预定输入之间的对应关系，执行相应的输入。

2.根据权利要求1所述的输入方法，其特征在于，还包括验证步骤，根据所述姿态角信息，判断所述便携式终端的姿态是否连续。

3.根据权利要求2所述的输入方法，其特征在于，所述验证步骤的判断结果，当判断为所述便携式终端的姿态不连续时，还包括反馈更新步骤，计算系统误差并返回到所述姿态定位步骤，以重新获取姿态数据。

4.根据权利要求1所述的输入方法，其特征在于，所述输入包括文字输入或操作信号输入。

5.根据权利要求1所述的输入方法，其特征在于，所述初始信息获取步骤还包括：

初值设置步骤，设置对应于当前姿态解算环境的初值；

数据获取步骤，从各个传感器获取传感器的原始数据及采集数据；

数据补偿步骤，利用预定补偿模型对于在所述数据获取步骤中获取的数据进行补偿计算，以能够将所述数据应用到所述姿态解算模型中。

6.根据权利要求1所述的输入方法，其特征在于，所述姿态定位步骤中，根据加速度传感器的输出，确定初始俯仰角和初始横滚角，并结合磁力传感器的输出，确定初始航向角。

7.根据权利要求6所述的输入方法，其特征在于，在所述解算姿态数据步骤中，基于所述初始俯仰角、初始横滚角、初始航向角确定，确定初始四元数，并对四元数修正，得到实际四元数，由该实际四元数转换得到实际姿态角信息。