CN104385808A - 基于惯性测量的原笔迹记录智能笔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种笔，特别涉及一种基于惯性测量的原笔迹记录智能笔，主要解决现有智能笔存在的需要使用特定专利纸张、成本高、携带不便的技术问题。技术方案是：一种基于惯性测量的原笔迹记录智能笔，笔杆顶部设有USB接口，笔杆内至上而下依次安置有麦克风、无线通讯模块、电源管理单元、处理器、压力传感器、电池、加速度传感器、红外灯和摄像头，与压力传感器相连的笔芯。处理器分别接摄像头、红外灯、加速度传感器、压力传感器、无线通讯模块、麦克风和USB接口，电源管理单元与电池连接，电源管理单元还分别连接处理器、摄像头、红外灯、加速度传感器、压力传感器、无线通讯模块、USB接口；本发明可在纸面上书写，并可以进行原笔迹记录。

Description

基于惯性测量的原笔迹记录智能笔

技术领域

本发明涉及一种笔，特别涉及一种基于惯性测量的原笔迹记录智能笔，本发明可在纸面上书写，并可以进行原笔迹记录。

背景技术

目前市场上能在纸面上书写，并可以进行原笔迹记录的智能笔主要有“图像识别型”和“射频定位型”。“图像识别型”是通过放在笔头部分的微型高速摄像头，由图像识别算法扫描出书写笔迹；“射频定位型”是在书写的纸面附近放置超声波接收器，借助超声波来完成笔触的三维定位。“图像识别型”需要高速摄像头和强大的处理器来进行图像处理（livescribe的智能笔需要70帧/秒的摄像头，ARM9的处理器），并且使用具有专利技术的特殊纸张；“射频定位型”需要额外的超声波接收器，携带不方便。而且这两种笔都价格昂贵，很难进行市场普及。

随着MEMS（微机电系统）技术的进步，目前的MEMS惯性测量器件（加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器等）在体积，价格，精度上都达到了民用的水平，使得采用MEMS惯性器件测量笔迹成为可能。此种测量方法是基于惯性导航的原理，常规的做法是利用加速度传感器与陀螺仪，地磁传感器组合来获取物体的运动轨迹，但由于MEMS陀螺仪，地磁传感器在测量精度上的原因，很难用于原笔迹测量。因此市场上还没有基于惯性测量的原笔迹记录笔出现。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于惯性测量的原笔迹记录智能笔，主要解决现有智能笔存在的需要使用特定专利纸张、成本高、携带不便的技术问题。

本发明的技术方案是：一种基于惯性测量的原笔迹记录智能笔，笔杆顶部设有USB接口，笔杆内至上而下依次安置有麦克风、无线通讯模块、电源管理单元、处理器、压力传感器、电池、加速度传感器、红外灯和摄像头，与压力传感器相连的笔芯。处理器分别接摄像头、红外灯、加速度传感器、压力传感器、无线通讯模块、麦克风和USB接口，电源管理单元与电池连接，电源管理单元还分别连接处理器、摄像头、红外灯、加速度传感器、压力传感器、无线通讯模块、USB接口；笔芯的笔尖接触纸面后产生的压力被传递到压力传感器，压力传感器产生中断信号和压力大小数据给处理器，该中断信号会启动处理器控制加速度传感器和摄像头进行数据采集；起笔时，笔尖离开纸面，由笔尖压力产生的中断信号消失，处理器控制加速度传感器和摄像头停止数据采集。

本发明的有益效果是：本发明是利用摄像头与特殊标记的纸张配合来获取高精度的惯性器件相对书写平面的航向角，滚转角，俯仰角等数据；每次落笔时笔尖在纸面上的精确定位。而单纯利用MEMS惯性器件是无法完成笔尖的精确定位的。通过通用处理器对测量数据进行处理、融合，最终将笔迹解算出来。从而实现原笔迹输入和大大降低成本的目标，达到市场普及的目的。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明的电路框图。

图3为本发明工作流程图。

图中：1-笔芯，2-摄像头，3-红外灯，4-加速度传感器，5-压力传感器，6-电池，7-处理器，8-电源管理单元，9-无线通讯模块，10-USB接口，11-麦克风，12-笔杆。

具体实施方式

如图1所示，一种基于惯性测量的原笔迹记录智能笔，笔杆12顶部设有USB接口10，笔杆内至上而下依次安置有麦克风11、无线通讯模块9、电源管理单元8、处理器7（型号：MT6260A，厂商：MediaTek）、压力传感器5（型号MPL3115A2，厂商：Freescale）、电池6、加速度传感器4（2个3轴加速度传感器，型号：KXTJ2-1009，厂商：Kionix）、红外灯3和摄像头2（型号：GC0328，厂商：格科微电子），压力传感器5连接有笔芯1。摄像头2用于获取在纸面上书写数据，用来确定每次落笔时，笔尖在纸面上的位置以及加速度传感器的参数（加速度传感器相对纸面的偏航角、俯仰角，滚转角等）。书写所用的纸张上有标记，使得摄像头可以完成上述所需数据的获取；红外灯3是为了在低照度条件下，摄像头可以清晰的拍摄纸张上的特殊标记。加速度传感器4。用于测量笔尖的运动参数（加速度，角速度等）。采用两个加速度传感器是为了对原始加速度数据中的干扰进行滤波、修正。压力传感器5感知每次落笔和起笔的时间，以及笔触压力的大小。处理器7是智能笔的大脑，用来综合加速度传感器4，摄像头2的测量数据进行处理，还原出原笔迹数据，存放在存储器中，处理器7还要处理、记录录音数据。并可将这些数据通过USB接口10或无线通信模块9传输到其它计算设备（平板电脑、计算机、服务器）上。电源管理单元8（MT6260A，厂商：MediaTek）用于给各功能电路供电，并且进行充电管理。无线通信模块9（MT5931，厂商：MediaTek）通过无线的方式将笔迹数据、录音数据传输到其它计算设备。USB接口10将笔迹数据、录音数据传输出去，并且外部可通过这个接口给电池充电。麦克风11用于完成录音功能。

如图2所示，处理器7分别接摄像头2、红外灯3、加速度传感器4、压力传感器5、由压力传感器、无线通讯模块9、麦克风11和USB接口10，电源管理单元8与电池6连接，电源管理单元8还分别连接处理器7、摄像头2、红外灯3、加速度传感器4、压力传感器5、无线通讯模块9、USB接口10。

如图3所示，智能笔的大致工作流程如下：开始写字时，笔芯1的笔尖接触纸面后产生的压力被传递到压力传感器5，压力传感器5产生中断信号和压力大小数据给处理器7，该中断信号会启动处理器7控制加速度传感器4和摄像头2进行数据采集，如果压力传感器5的中断信号一直存在，数据采集会连续进行下去。起笔时，笔尖离开纸面，由笔尖压力产生的中断信号消失，处理器7控制加速度传感器4和摄像头2停止数据采集。从落笔到起笔这一段时间采集的数据被称作一帧数据。后续笔迹数据的采集采取同样的方式。一帧数据采集完成后，处理器7对两个加速度传感器的加速度数据进行卡尔曼滤波，校正加速度传感器本身的零偏和重力加速度的影响，得到真实的线加速度数据；利用摄像头2获取的数据，求解出加速度传感器的航向角，滚转角，俯仰角；最后，处理器根据航向角，滚转角，俯仰角等数据计算出笔尖相对于纸面的加速度数据，并对加速度进行二次积分，求出笔尖在纸面上的运动轨迹，最后以帧为单位存放在存储器中。如果写字时同时需要进行录音，处理器7打开麦克风11，进行声音数据的采集和处理，处理后的声音数据按时间轴独立存放在存储器中。在完成书写后，用户可根据需要，通过USB接口10将笔迹数据，音频数据传输到其它功能强大的计算设备中，进行显示，编辑，存储。

Claims (2)

1.一种基于惯性测量的原笔迹记录智能笔，其特征是笔杆顶部设有USB接口，笔杆内至上而下依次安置有无线通讯模块、电源管理单元、处理器、压力传感器、电池、加速度传感器、红外灯和摄像头，压力传感器连接有笔芯；处理器分别接摄像头、红外灯、加速度传感器、压力传感器、无线通讯模块和USB接口，电源管理单元与电池连接，电源管理单元还分别连接处理器、摄像头、红外灯、加速度传感器、压力传感器、无线通讯模块、USB接口；笔芯的笔尖接触纸面后产生的压力被传递到压力传感器，压力传感器产生中断信号和压力大小数据给处理器，该中断信号会启动处理器控制加速度传感器和摄像头进行数据采集；起笔时，笔尖离开纸面，由笔尖压力产生的中断信号消失，处理器控制加速度传感器和摄像头停止数据采集。

2.根据权利要求1所述的基于惯性测量的原笔迹记录智能笔，其特征是在笔杆内无线通讯模块上方设有麦克风，麦克风连接处理器。