CN104956648B - 用于在固定参照系中感测物体在空间中的取向的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于在工作参照系中感测物体在空间中的取向的改进的方法和设备。本发明的设备包括具有至少两条感测轴的角速度传感器和具有至少三条感测轴的线性加速度传感器。用于在工作参照系中感测物体在空间中的取向的方法使用物体的加速度的重力分量的合成值。其取决于角速度传感器的感测轴的数量并且取决于物体的移动的动态性。对物体的移动的动态性进行测试以计算所使用的合成值。本发明的方法和设备允许独立于由用户给予设备的滚动而以无缝方式对显示器上的光标进行控制，这于现有技术的设备和方法相比获得了很大的改进。

Description

用于在固定参照系中感测物体在空间中的取向的方法和设备
技术领域
本发明涉及能够向电子设备发送命令的人机界面。更具体地，其提高了空中指向器的对光标在显示器上的移动进行控制的能力。显示器可以是计算机显示器、连接到机顶盒的电视屏幕、游戏控制台等等。空中指向器可以是3D鼠标、装备有运动传感器的智能电话或平板电脑、或者甚至是用户的装备有传感器/处理组件的手指或肢体。
背景技术
空中指向器在许多不同情形下都可以用作遥控器，并且可以具有多种功能。例如，视听装置(电视、盘的读取器/记录器、高保真系统)的遥控器可以用于从菜单中选定程序或选择功能。家用装置的遥控器可以用于指向装置以命令特定功能的执行。当空中指向器用作计算机遥控器时，指向器可以被编程为由计算机执行的应用程序的函数。在电子游戏界面中，取决于游戏，指向器可以模仿由用户操控的物体(高尔夫球杆、网球拍、保龄球、手枪等等)。空中指向器还可以为人机界面提供辅助或者用作旨在用于行动不便的人的遥控器：例如，空中指向器可以被固定于头部、眼镜、耳机或与头部的移动相关联的任何其它部分，以便帮助具有运动缺陷或者不能使用传统手持式鼠标的人。通常，空中指向器装备有允许对命令进行选择的按钮，或者空中指向器可以被编程为执行功能(或服务)。按钮还可以用于通过从一些特性特征中识别姿态和/或与特定姿态的数据库相匹配来在指向姿态期间将不同的指向器状态相关联。
指向器在空间中的移动包括旋转和平移。它们可以由各种类型的传感器来测量。例如，相机或图像传感器可以通过比较连续图像并使用几何变换来同时测量旋转和平移。替代地，磁力计、加速度计和/或陀螺测试仪的组合可以测量空中指向器围绕几个轴的平移和旋转。包括一个或多个相机以及几个磁力计、加速度计和/或陀螺仪传感器的组合的系统可以用于提高测量准确度和冗余度。
运动感测指向器的这些应用必须解决的普遍问题是考虑用户握持指向器的方式，特别是指向器在空间中的取向。如果指向器已经在用户的手中沿着其纵轴旋转并且在例如45°被握持，则指向器的水平或垂直运动将导致指向器正指向的屏幕上的对角运动。该现象被称为“倾斜”或扭转。因此，为了使指向器更加用户友好，应当对其进行校正。
用于解决该问题的第一种选择是提供机械单元，以使得当用户对指向器实施扭转运动时，传感器在屏幕的参照系中保持在大体上固定的位置中。因此，有可能提供以钟摆方式在指向器内移动的传感器或多个传感器，传感器的基座具有足够的惯性以大体上保持固定，尽管对指向器实施了扭转运动。这种设备由美国专利5,453,758公开。还有可能将所述传感器封装在由通过旋转轴连接到指向器的一对球体组成的稳定设备中，正如在船上或飞机上的罗盘中的情形。这种设备由美国专利5,440,326公开。用于补偿指向器扭转的这些机械设备的第一个缺点是它们受限于扭转角度和位移速率的受限的范围。第二个缺点是这些设备是笨重的。第三个缺点在于这些设备的机械惯性以及所诱导的水平对准中的延迟，因此阻碍了它们的实时指向应用。
用于补偿指向器的扭转的第二种选择在于通过使用嵌入在指向器上的传感器中的一些(尤其是加速度计)的测量值来计算扭转角度。所计算的扭转角度随后用于通过向所述测量值施加一个或多个旋转矩阵来对传感器的测量值执行从指向器的参照系到屏幕的参照系的变换，所述旋转矩阵的系数取决于所计算的扭转角度。这种过程尤其是由以下文件所公开：i)专利US 5,902,968，其中，主传感器是陀螺测试仪，并且用于计算扭转角度的传感器是加速度计，ii)专利申请US 2004/0075650，其中，主传感器是耦合到加速度计的相机，该组合允许倾斜校正，iii)专利申请US 2002/0140745，其中，主传感器是GPS接收机，并且倾斜校正传感器是一组加速度计，以及iv)专利US 7,158,118，其中，主传感器由一个或多个陀螺测试仪组成，并且倾斜校正传感器由一个或多个加速度计组成。只要通过使用三角函数计算来计算扭转角度，这些过程将具有提供含噪声且不准确的结果的缺点，所述三角函数计算不适合于优选用于低成本空中指向设备中的定点/小型存储处理器。
已经由被转让给本申请的受让人的美国专利8,010,313公开了校正倾斜的新方式。根据该发明，代替利用正则三角函数公式来计算倾斜角度，加速度计的测量值直接用于校正陀螺仪传感器的测量值。
还已经发现，在某一时刻仅及时使用一个加速度计测量值来完成倾斜校正可能是有利的，以便简化校正的计算并且使用较少的计算能力，这些计算能力随后被释放以用于其它任务。而且，当加速度计轴接近垂直时，由于滚动角度的改变而引起的加速度计信号的变化与噪声水平相比很小。因此，接近1的值缺乏准确度，并且沿该轴的滚动校正对于大于大约70°的角度而言并不准确，这导致影响显示器上的光标移动的整体偏差。被转让给当前申请的申请人、被提交为PCT/EP2011/056925的PCT申请提出了对这类问题的解决方案。
然而，这些现有技术引用都没有公开很好地适合于用户给予指向器明显动力的使用情形的解决方案。在这些使用情形中，加速度计的测量值包括不能被忽略的固有加速度分量。因此，由于所需要的是加速度计测量值的重力分量，所以固有加速度分量创建了要被控制的光标从其应当遵循的轨迹的偏离，以适当地转换用户所预期的移动。如美国专利7,158,118所提出的对加速度计的输出进行低通滤波并不提供对该问题的解决方案，因为低通滤波仅对固有加速度分量进行平均，而不会消除它们。此外，使用低通滤波器使系统的灵敏度减小。
发明内容
本发明通过提供用于使用物体的加速度的重力分量的合成值对倾斜进行校正的方法来解决该问题，所述合成值是根据设备中可用的传感器的类型并且根据由用户给予空中指向设备的移动的动力来计算的。
为此，本发明提供了用于在工作参照系中感测移动物体的取向的系统，所述系统包括：
-第一传感器，其用于利用至少两条主动感测轴来感测物体的角速度和角位置的其中之一；
-第二传感器，其用于利用三条感测轴来感测物体的加速度；
-处理模块，其被配置为通过融合运动向量Vm与合成向量Vsyn来将物体取向数据从感测参照系转换到工作参照系，其中所述运动向量Vm由来自第一传感器的输出中的一些或全部输出组成，所述合成向量Vsyn表示对象的加速度的重力分量，所述合成向量Vsyn被计算为具有权重K的校正向量Vcor与具有权重(1-K)的加速度向量Vac的加权平均，其中所述校正向量Vcor由第一传感器和第二传感器的至少其中之一的输出组成，所述加速度向量Vac由第二传感器的输出中的一些输出组成；
其中，对校正向量Vcor的计算取决于第一传感器的主动感测轴的数量，并且K是物体的移动的动态性变量D的函数。
有利地，动态性变量D从基于第一传感器和第二传感器的至少其中之一的输出的一个或多个加权动态性测试的结果Di(i≥1)中导出。
有利地，动态性测试产生二进制结果(Di＝{0；1})，并且系统的动态性变量D是动态性测试的结果Di的逻辑组合。
有利地，权重因数(1-K)在动态性测试确定其处于准静态状态时等于1，并且在所有其它实例中等于零。
有利地，加权动态性测试的至少其中之一基于第一传感器和第二传感器的其中之一的输出的范数N。
有利地，所述动态性测试的结果Di在范数N落入预定义的范围内时为零，并且在所有其它实例中等于一。
有利地，加权动态性测试的至少其中之一基于第一传感器和第二传感器的其中之一的输出的方差V。
有利地，将方差V与预设阈值相比较，并且所述动态性测试的结果Di在所述方差大于阈值时为零，并且在所有其它实例中等于一。
有利地，加权动态性测试的至少其中之一是取向测试，其中，至少将第二传感器的输出与重力向量相比较。
有利地，取向测试基于感测设备的滚动轴与重力向量之间的角度，并且取向测试的结果Di在角度大于预设阈值时为零，并且在所有其它实例中等于一。
有利地，第一传感器包括两条主动感测轴，并且当物体最后处于D＝0的状态时，时间t处的校正向量Vcor等于时间ts处的加速度向量Vac，并且其中，权重因数(1-K)平均来说是物体的移动的动态性D的减函数。
有利地，第一传感器包括三条主动感测轴，并且时间t处的校正向量Vcor是基于时间t处的第一传感器的输出中的至少其中之一来计算的。
有利地，当动态性变量D等于1时，权重K等于1，并且当D等于0时，权重K等于0。
有利地，第一传感器是陀螺测试仪，并且第二传感器是加速度计。
本发明还提供了用于控制显示器上的光标的手持式设备，包括：
-第一传感器，其用于利用至少两条主动感测轴来感测手持式设备的角速度和角位置的其中之一；
-第二传感器，其用于利用三条感测轴来感测手持式设备的加速度；
-所述第一传感器和所述第二传感器与处理模块进行通信，所述处理模块被配置为通过融合运动向量Vm和合成向量Vsyn来将手持式设备取向数据从感测参照系转换到工作参照系，其中所述运动向量Vm由来自第一传感器的输出中的一些或全部输出组成，所述合成向量Vsyn表示物体的加速度的重力分量，所述合成向量Vsyn被计算为具有权重K的校正向量Vcor与具有权重(1-K)的加速度向量Vac的加权平均，所述校正向量Vcor由第一传感器和第二传感器的至少其中之一的输出组成，并且所述加速度向量Vac由第二传感器的输出中的一些输出组成；
其中，对校正向量Vcor的计算取决于第一传感器的主动感测轴的数量，并且K是物体的移动的动态性变量D的函数，并且融合的结果独立于手持式设备的滚动移动而控制光标在显示器上的移动。
有利地，第一传感器包括两条主动感测轴，并且当物体最后处于D＝0的状态时，时间t处的校正向量Vcor等于时间ts处的加速度向量Vac，并且其中，权重因数(1-K)平均来说是物体的移动的动态性D的减函数。
有利地，第一传感器包括三条主动感测轴，并且时间t处的校正向量Vcor是基于时间t处的第一传感器的输出的至少其中之一来计算的。
本发明还提供了用于利用手持式设备来控制显示器上的光标的方法，所述方法包括以下步骤：
-从第一传感器获得信号，所述第一传感器利用至少两条主动感测轴来感测手持式设备的角速度和角位置的其中之一；
-从第二传感器获得信号，所述第二传感器用于利用三条感测轴来感测手持式设备的加速度；
-利用处理模块对来自所述第一传感器和所述第二传感器的信号进行处理，所述处理模块被配置为通过融合运动向量Vm与合成向量Vsyn来将手持式设备取向数据从感测参照系转换到工作参照系，其中所述运动向量Vm由来自第一传感器的输出中的一些或全部输出组成，所述合成向量Vsyn表示物体的加速度的重力分量，所述合成向量Vsyn被计算为具有权重K的校正向量Vcor与具有权重(1-K)的加速度向量Vac的加权平均，其中所述校正向量Vcor由第一传感器和第二传感器的至少其中之一的输出组成，并且所述加速度向量Vac由第二传感器的输出中的一些输出组成；
其中，对校正向量Vcor的计算取决于第一传感器的主动感测轴的数量，并且K是物体的移动的动态性变量D的函数，并且融合的结果独立于手持式设备的滚动移动而控制显示器的光标的移动。
另外，本发明获得了一种计算机程序，其被配置为当在计算机上被执行时用于利用手持式设备来控制显示器上的光标，所述计算机程序包括适合于以下操作的模块：
-从第一传感器获得信号，所述第一传感器用于利用至少两条主动感测轴来感测物体的角速度；
-从第二传感器获得信号，所述第二传感器用于利用三条感测轴来感测物体的线性加速度；
-利用处理模块对来自所述第一传感器和所述第二传感器的信号进行处理，所述处理模块被配置为通过融合运动向量Vm与合成向量Vsyn来将手持式设备取向数据从感测参照系转换到工作参照系，其中所述运动向量Vm由来自第一传感器的输出中的一些或全部输出组成，所述合成向量Vsyn表示物体的加速度的重力分量，所述合成向量Vsyn被计算为具有权重K的校正向量Vcor与具有权重(1-K)的加速度向量Vac的加权平均，其中所述校正向量Vcor由第一传感器和第二传感器的至少其中之一的输出组成，并且所述加速度向量Vac由第二传感器的输出中的一些输出组成；
其中，对校正向量Vcor的计算取决于第一传感器的主动感测轴的数量，并且K是物体的移动的动态性变量D的函数，并且融合的结果独立于手持式设备的滚动移动而控制光标在显示器上的移动。
本发明提供了可能结合不同构造的传感器使用的另一个优势。其还提供了多种不同算法的选择以实施其不同的功能。OEM销售商然后可以挑选硬件/软件特征的不同组合，例如实施解决方案所需的微控制器的类型，以最好地适合其使用情形和/或技术要求。
附图说明
根据对各个实施例和以下附图的描述，将更好地理解本发明，并且本发明的各个特征和优势将变得显而易见：
-图1表示根据本发明的实施例的控制显示器的设备、以及能够参照姿态和位置坐标的不同系；
-图2表示本发明的实施例中的在控制参照系与感测参照系之间所定义的滚动/倾斜角度；
-图3示出了在现有技术的设备中所体现的滚动校正算法的操作模式；
-图4a是解释本发明的工作方式的功能图；
-图4b是根据本发明的一些实施例的本发明的方法的流程图；
-图5是当本发明的设备使用两感测轴传感器时，图4的流程图的一部分的详细视图；
-图6是当本发明的设备使用三感测轴传感器时，图4的流程图的一部分的详细视图；
-图7以简化的形式表示根据本发明的多个实施例的设备的硬件架构。
除非在明确的上下文中给出了另一种具体含义，否则缩略词和首字母缩写词具有在下表中所指示的含义。
首字母缩写词 含义
ADC 模数转换器
CC 校正曲线
COC 控制取向坐标
CRF 控制参照系
DOF 自由度
FP 聚焦点
SD 感测设备
SRF 感测参照系
UH 用户的手
WF 世界系
WRF 工作参照系
具体实施方式
图1表示根据本发明的实施例的控制显示器的设备。该图还示出了能够参照姿态和位置坐标的不同系。
遥控器用于将承载或握持运动传感器或感测设备(SD)的用户的手(UH)的移动正确地映射到工作参照系(WRF)内的例如光标的“聚焦点”(FP)的移动。在图1上示出了系统的不同元素和参照系。
通用系统的感兴趣的性质在于，用户的大脑处于回路中，以使FP的位移受到用户的意图的控制，用户使用其手的两个角移动(WF中的左右移动和俯仰)来移动光标。当FP在平面内移动时，它在WRF中的移动具有两个自由度(DOF)。实质上，UH应当以相同数量的DOF移动，以使用户以尽可能少的力来控制FP。因此，要解决的问题是，将UH的这2个DOF(由移动控制参照系相对于世界系(WF)来设置)映射到静止的WRF的2个DOF。
将优选地从安装在SRF中的固定位置的定向轴传感器中选择SD中的传感器。优选地，进行的映射为：
-从SD：感测角速度(例如，借助于2轴陀螺测试仪：gyro_y、gyro_z)；
-到FP：WRF中的小位移dy、dz。
如运动捕捉领域的技术人员所已知的，该映射由以下传递函数来进行：
dy＝Cy*gyro_z (等式1)
dz＝Cz*gyro_y (等式2)
其中：
-dy是图1上的光标沿着正向取向的y轴向右的单位平移；
-dz是图1上的光标沿着正向取向的z轴向下的单位平移；
-Cy和Cz是常数值，以适应系统的灵敏度(例如，对于屏幕分辨率或者对于FP位移所期望的速度，考虑陀螺仪传感器的灵敏度)；
-gyro_z是由陀螺测试仪响应于围绕Z轴、从X向Y的正向取向的旋转所给出的值；
-gyro_y是由陀螺测试仪响应于围绕Y轴、从X向Z的正向取向的旋转所给出的值。
通常，SRF关于CRF是固定的，但是由于SD大多数时间并未被机械固定到UH，或者手腕可能发生滚动(即，围绕前臂轴进行旋转)，因此情况可能是不同的。在这种情形下，由用户远程进行的水平或垂直移动将导致光标的不想要的对角移动。
图2表示在本发明的一个实施例中的在控制参照系与感测参照系之间所定义的滚动/倾斜角度。
更具体地，我们举一个例子，其中SD已经在UH内滚动，即，感测轴Y、Z和致动轴v、w不再对准，而是分开如图2中所示的角偏移：滚动＝r角度。该滚动引入了在UH的旋转轴与不再和所述轴对准的传感器的测量值之间的不匹配。
如由美国专利7,158,118的其它现有技术参考文献中所公开的，这个问题可以通过将参照系改变角度r来解决，这通过首先测量倾斜角度并且随后计算旋转矩阵来实现，旋转矩阵的系数是r的正弦和余弦。
随后将该矩阵应用到陀螺测试仪传感器值以补偿滚动。对于校正的运动映射，利用已知的滚动角度r，应用以下经典等式：
dy＝Cy*(cos(r)*gyro_z–sin(r)*gyro_y) (等式3)
dz＝Cz*(sin(r)*gyro_z+cos(r)*gyro_y) (等式4)
或者：
dy＝Cy*(κ*gyro_z–σ*gyro_y) (等式5)
dz＝Cz*(σ*gyro_z+κ*gyro_y) (等式6)
图3示出了在现有技术的设备中所体现的滚动校正算法的操作模式。
有可能像在US 7,158,118(Liberty)中那样直接计算滚动角度：
r＝atan(Ay/Az) (等式7)
根据由US 8,010,313(Matthews)公开的发明，还有可能避免计算滚动角度r，因此节省了所需要的计算能力。根据本发明，在由加速度向量的范数进行归一化之前或之后，直接输入两轴加速度计的读数作为陀螺测试仪读数的校正因数。
随后，校正等式具有以下线性代数的形式：
dy＝Cy*(Az/Ayz*gyro_z–Ay/Ayz*gyro_y) (等式8)
dz＝Cz*(Ay/Ayz*gyro_z+Az/Ayz*gyro_y) (等式9)
其中，Ayz表示(Ay，Az)平面中的Ay+Az向量的范数。当SD具有一定滚动，但在UH中的X轴上是水平的时，该范数等于1，因此得到以下简化的等式：
dy＝Cy*(Az*gyro_z–Ay*gyro_y) (等式10)
dz＝Cz*(Ay*gyro_z+Az*gyro_y) (等式11)
在向量表示中，光标位移向量Vcd可以基于以下两个向量之间的融合来计算：运动向量Vm与加速度向量Vac。
Vcd＝fusion(Vm,Vac) (等式12)
运动向量Vm的分量基于陀螺测试仪的输出，并且加速度向量Vac的分量基于加速度计的输出。
我们注意到：
-在中间位置，r＝0，Az＝1并且Ay＝0，因此回到(等式1)和(等式2)；
-当SD倒置时，r＝180°，Az＝-1，Ay＝0，由于相对于中心点的对称变换，陀螺仪的值与光标位移的符号相反；
-当SD已经在UH中滚动90°的值时，Az＝0，Ay＝1，交换两个陀螺仪轴以处理每个显示器轴。由于我们关于该测量值的惯例不是与针对gyro_z的相同的直接惯例，因此gyro_y的符号是相反的。
而且，我们注意到，仅在设备是准静态时，即，仅在不存在固有加速度时，滚动角度r才等于在加速度计的输出处所测量到的角度，加速度计的输出表示加速度的由重力引起的分量，具有在图3上所显示的等式：
Ay＝G*sin(r) (等式13)
Az＝G*cos(r) (等式14)
当用户给予指向设备很大的动力时，这将不再正确，因为加速度计测量设备的除了由重力引起的加速度之外的固有加速度。这意味着，滚动角度r不能仅仅通过使用加速度计来进行计算，并且基于等式7到等式11以及等式13、等式14的滚动补偿算法不再准确。存在的动力越大，滚动补偿将越不准确。
本文所公开的发明性设备和方法允许克服对现有技术的这些设备和方法的限制。
图4a是解释本发明的工作方式的功能图。
当加速度计的输出Ay和Az包括很大的固有加速度时，它们应当被其它值替代，在本文中我们将其它值指定为“合成值”，它们更代表滚动补偿所需要的加速度的重力分量。因此，我们必须：
-测试我们是否可以照原来的样子使用Ay和Az，或者我们是否需要使用替代的合成值(取向和动态性测试)；
-取决于测试结果，计算合成值；
-将Ay和Az或者它们的合成替代值与陀螺仪读数组合，以执行滚动补偿。
变量SyntAGy和SyntAGz表示不受设备的固有加速度影响的加速度的重力分量。这意味着加速度向量Vac必须由合成向量Vsyn来代替，合成向量Vsyn由加速度的合成重力分量组成(例如，Vsyn＝(SyntAGy，SyntAGz))。因此，光标位移向量Vcd基于运动向量Vm与合成向量Vsyn之间的融合：
Vcd＝fusion(Vm,Vsyn) (等式15)
下面更详细地解释了加速度的合成重力分量的实施方式。
图4b是根据本发明的一些实施例的本发明的方法的流程图。
根据本发明，在步骤410的初始化后，我们在步骤420在时间t-1沿着y轴和z轴定义两个变量作为设备的加速度的重力分量的合成值：SyntAGy(t-1)和SyntAGz(t-1)。
取决于在步骤430执行的将在注解图5和6中进行解释的设备的移动的动态性测试的结果，不同的输入将用于计算SyntAGy(t)和SyntAGz(t)。在步骤430执行的不同测试的输出是变量D，当设备被认为处于(准)静态情形时，D等于0，并且当设备被认为处于动态情形时，D等于1。变量可以是二进制的或者采用多于两个的值。例如，当采用连续变量作为测试基础时，D可以采用0与1之间的多个对应的值来表征设备的动态性的量。
计算还将取决于可用于测量设备的移动的传感器的构造。在本文详细描述的实施例所示出的所有构造中，我们使用3轴加速度计，尽管完全可以使用仅具有两条感测轴的加速度计。可以使用2轴陀螺测试仪或3轴陀螺测试仪。在第一种类型(被表示为“3A2G”)的示例性实施例中，陀螺测试仪测量围绕y轴和z轴(左右或俯仰)的角加速度。在第二种类型(被表示为“3A3G”)的示例性实施例中，陀螺测试仪另外测量围绕x轴的角速度，x轴是滚动轴，沿x轴定义角度r。
在框440中显示了在3A2G构造的情况下所执行的计算：
SyntAGy(t)＝K*Ay(ts)+(1-K)*Ay(t) (等式16)
SyntAGz(t)＝K*Az(ts)+(1-K)*Az(t) (等式17)
其中，时间ts表示当设备处于准静态状态时的最后的时间。
或者，使用合成向量Vsyn：
Vsyn(t)＝K*Vac(ts)+(1-K)*Vac(t) (等式18)
权重K和(1-K)取决于动态性变量D。在其最简单的实施例中，权重K等于动态性D。在该情况下，当设备处于(准)静态情形，D＝0(K＝0)，合成加速度等于加速度计的瞬时输出。如上面所指示的，在该情况下，固有加速度可以被忽略，并且来自加速度计的测量值将是对重力分量的良好估计。当设备处于动态情形时，D＝1(K＝1)，合成加速度被认为与设备最后处于准静态状态时的时间ts处的加速度值相等。这样，合成加速度将总是表示在设备的状态从静态变化到动态之前的最后的加速度值。这是因为，在动态状态中，不再可能忽略设备的固有加速度，并且加速度计的输出不再是对重力分量的良好估计，重力分量是在上面的等式7到等式14中需要被输入的值。在替代的实施例中，K可以被认为是在D＝0(准静态状态)与D＝1(动态状态)之间定义的连续变量。这意味着在时间t处的合成重力分量是加速度计在时间ts处(当设备最后处于准静态状态时)的输出与加速度计的当前输出的加权平均。
在框450中显示了在3A3G构造的情况下所执行的计算：
SyntAGy(t)＝K*f(gyro_x(t))+(1-K)*Ay(t) (等式19)
SyntAGz(t)＝K*h(gyro_x(t))+(1-K)*Az(t) (等式20)
或者，使用合成向量Vsyn：
Vsyn(t)＝K*Vgyr(t)+(1-K)*Vac(t) (等式21)
其中，陀螺测试仪向量Vgyro的分量是基于陀螺测试仪(例如，在滚动轴(x)上的陀螺测试仪)的输出来计算的。
对这些等式的基本假设是，当指向设备处于动态状态时，不能信赖加速度计的输出。其应当被陀螺测试仪围绕x轴的输出gyro_x的函数f和h代替，输出gyro_x在该构造中是可用的，以计算设备的加速度的重力分量的合成值。举例而言，恰当的函数可能例如存在于执行输出gyro_x的积分(其将给出角度r)并且随后存在于将该值的正弦用于SyntAGy(t)以及将该值的余弦用于SyntAGz(t)。可以通过除了x轴上的陀螺测试仪之外，还将y轴和z轴上的陀螺测试仪考虑在内来提高系统的性能。
K是系数，其是动态性测试的输出处的变量的函数。边界条件将是当D＝1、K＝1时。当D＝0时，可能采用K＝0并且因此只依赖于加速度计，但是优选的是包括具有最小权重(例如，K＝0.1)的f(gyro_x(t))。当D是具有多于两个分立状态的变量或者甚至是连续变量时，可能使围绕x轴的陀螺测试仪测量值的权重K随着D单调变化。
在该3A3G构造中，还有可能使用四元数或欧拉角表示来从设备的姿态矩阵中提取所需要的r值。例如，我们可以使用由根据被转让给同一申请人的n°PCT/EP2012/060792所提交的PCT申请所公开的方法，通过引用的方式将该PCT申请并入本文。通过以下公式，从t处的四元数的值获得t+1处的四元数的值
其中，ω表示围绕轴的旋转，并且|ω|是由陀螺测试仪测量的围绕相同轴的角速度。对于四元数的值可以使用当设备最后处于(准)静态状态时的加速度计的输出。替代地，可以使用以上公式从前一四元数旋转获得
还有可能通过陀螺测试仪的输出与加速度计的输出之间的融合算法来代替等式19和20，其中，融合的参数将取决于设备的运动的动态性。例如，设备旋转的角度可以通过陀螺测试仪信号的积分来确定，其中，由于漂移和噪声而引起的误差可以由加权加速度计读数来校正。这些权重可以取决于系统的动态性；例如，动态性越高，加速度计读数的权重越低，因为它们受到固有加速度的影响。一种这样的融合方法可以使用例如对特殊正交群类型(SO3)进行非线性互补滤波。例如，见Hamel、Mahony的“Attitude estimation on SO(3)based on direct inertial measurements”(机器人和自动化国际会议(ICRA)会议记录，2006年5月15-19日，IEEE)，或者Mahony、Hamel的“Non-linear complementary filterson the special orthogonal group”(自动控制IEEE学报53，5(2008)1203-1217)。替代地，可以使用卡尔曼滤波器或者扩展的卡尔曼滤波器。
一旦已经由框440或450的其中之一计算出加速度的合成重力分量的值，我们将可以执行可选的取向测试(步骤460)。我们使用Ax来执行测试，以查看指向设备的取向O是否并未接近于垂直，取向O接近于垂直意味着x轴接近于与重力分量平行。如果x轴接近于垂直，则y轴和z轴接近于水平并且加速度计读数变得不可信赖。如果测试结果是指向设备并未接近于垂直，则对在框440(3A2G的情况)或者框450(3A3G的情况)中所计算的合成重力分量进行更新，并将其用于滚动补偿中。然而，如果对Ax和G的共线性进行评估，则没有更新被执行。如果不执行可选的取向测试，则在框440或者450中所计算的合成重力分量直接用于滚动补偿中。
随后，在步骤470，加速度的合成重力分量的当前值可以被输入到等式10和11中，其中，Ay和Az分别由SyntAGy(t)和SyntAGz(t)来代替。
可以使用这些等式的更通用的形式，其中：
dy＝hy(gyro_y,gyro_z,SyntAGy(t),SyntAGz(t)) (等式21)
dz＝hz(gyro_y,gyro_z,SyntAGy(t),SyntAGz(t)) (等式22)
函数h可以是gyro_y和gyro_z的值以及加速度的合成重力分量的另一个组成。例如，该函数可以由将旋转矩阵应用到陀螺测试仪向量(gyro_y，gyro_z)组成，其中，旋转矩阵基于合成重力分量。
向量表示中的通用形式给出了合成向量Vsyn：
Vsyn(t)＝K*Vcor(t)+(1-K)*Vac(t)，
其中，校正向量Vcor比加速度向量Vac受到设备的动态性的影响更小(或者不受到影响)。
因此，合成向量Vsyn可以用于光标位移的校正计算。如在等式18和21中所见到的，校正向量Vcor(t)取决于陀螺测试仪的感测轴的数量。在3A2G(等式18)的情况下，校正向量Vcor(t)＝Vac(ts)，并且在3A2G(等式21)的情况下，校正向量Vcor(t)＝Vgyro(t)，其中，陀螺测试仪向量Vgyro的分量是基于陀螺测试仪的输出来计算的。
图5是当本发明的设备使用两感测轴传感器(3A2G)时，图4的流程图的一部分的详细视图。在该示例中，执行了取向测试。
在该实施例中，系统地执行了两项测试，并且两项测试是可选的。
第一测试(510)是如上所述的Ax和G的共线性。如果测试是肯定的，则D1的值将被设定为1。
第二测试(520)通过测量加速度向量的范数的值Axyz是低于还是高于设定阈值(阈值1)来评估指向设备的固有加速度。如果Axyz高于设定阈值，则我们认为指向设备处于动态状态并且D2的值将被设定为1。如果不是，则D2的值将被设定为0。可以对每条单独的轴执行等同的测试。
可选的第三测试(530)使用陀螺测试仪来评估移动量；出现高的角速度也暗示着大的加速度值。测试对具有两条感测轴的角速度传感器的测量值的范数Gyz是低于还是高于设定阈值(阈值2)进行评估。如果Gyz高于设定阈值，则D3的值将被设定为1。如果不是，则D3的值将被设定为0。
同样为可选的第四测试(540)可以用于如下情况：设备并非是垂直的(第一测试为否定的，D1＝0)并且固有加速度是受限制的(第二测试为否定的，D2＝0)，但尽管如此，仍存在显著的旋转移动(第三测试为肯定的，D3＝1)。在第四测试(540)中，将Ay和Az的方差V与各自的阈值(阈值3和4)进行比较。如果两个方差V都超过它们各自的阈值，则D4将被设定为0。如果不是，则D4将被设定为1。该第四测试用于在过渡阶段应用滚动补偿，例如，当用户执行具有形成的滚动角度的左右移动时。由于左右移动，第三测试将是肯定的(D3＝1)，但是不管怎样，由于发生改变的滚动，我们都需要应用滚动补偿，尽管对滚动的计算可能不是100％正确的。
可选测试3和4的组合给出了D34＝D3*D4，这意味着当D3＝0或者D4＝0时，D34为0。可以随后使用以下逻辑组合来确定在以上对图4b的解释中所使用的动态性D：
如果(D1＝0)并且(D2＝0)并且(D34＝0)，则(D＝0)
在所有其它情况下，(D＝1)。
逻辑组合根据实施例和所使用的测试而发生改变。
以上，在不同的动态性测试D1到D4以及最后的逻辑组合中使用了二进制结果，以获得动态性D。还有可能的是，不同的测试输出变量(例如在0与1之间)并且动态性D是这些变量的函数，其中，在最后的计算中，每个测试输出还可以具有不同的权重。
图6是当本发明的设备使用三感测轴传感器(3A3G)时，图4的流程图的一部分的详细视图。
在与关于3A2G实施例(以上关于图5所描述的)的情况所解释的相同的条件下，只有“共线性G/Ax”测试(610＝510)以及“受限的移动量”测试(620＝530)被执行。“受限的移动量”测试用于确定加速度计在等式19和20中的贡献。
图7以简化的形式表示根据本发明的实施例的指向器的硬件架构。
物体或指向设备710或指向器有利地具有电视机遥控器的形式和形状，也就是说，其具有细长的形式，能够被握持在用户的手中。其还可以体现在智能手机或平板电脑中，如在被转让给本申请的受让人的根据n°WO2012/065885所公开的PCT申请中所公开的。在该情况下，指向功能将使用嵌入在智能手机或平板电脑中的传感器来执行其它功能，并且遥控器的“按钮”将可被配置用于要通过智能手机/平板电脑的触摸屏来进行操作的各种应用。替代地，物体或指向设备710或指向器可以被固定于用户的肢体的其中之一，尤其在游戏应用中。指向器与能够在例如屏幕或书写表面的平面表面上移动的移动元件相关联。该移动元件的移动由指向器的移动来控制。指向器有利地在其几个面上设有按钮，以控制可能由遥控器接入的功能。指向器包括电源760和用于要被控制的物体的传输信道770。可以利用蓝牙波形和协议或者利用Wi-Fi波形和协议(802.11g标准)来实现射频传输。传输可以由红外或由射频来执行。所传输的信号是命令，该命令一方面与存在于指向器的主体上的触发功能的执行的按钮的其中之一的压下相对应，并且另一方面与指向器的移动的感测相对应，以便控制光标在要被控制的物体的控制屏幕上的移动。这些控制信号由计算模块740生成，计算模块740包括用于对由用户给予指向器的扭转进行转换的子模块750。该计算模块包括微处理器，例如，Texas Instruments公司的DSP TMS320VC5509，其用于在计算时间方面要求最高的应用，或者具有ARM核的32位微控制器，例如来自STR9家族的微控制器的其中之一，尤其是来自STM的STR9F12FAW32。计算模块优选地还包括用于存储要被执行的代码和其需要的永久性数据所必需的闪存存储器以及动态工作存储器。计算模块接收来自两种类型的传感器的输出作为输入。一方面，角速度传感器720具有测量指向器相对于两条或三条轴的旋转的功能。这些传感器优选地将是陀螺测试仪。它可以是两轴陀螺测试仪或三轴陀螺测试仪。例如，可能使用由Analog Devices提供的具有符号ADXRS300的陀螺测试仪。但是，能够测量角速率或角速度的任何传感器都是可用的。还可能使用磁力计，其中，关于地磁场的位移使得可能测量关于该地磁场的参照系的旋转，例如，可能使用来自Honeywell公司的具有符号HMC1001或HMC1052的、或来自NXP公司的具有符号KMZ41的磁力计。无论使用哪种传感器，都是在指向器的参照系中读取它们的测量值。转换子模块从测量指向器的线性加速度Ax、Ay、Az的第二传感器730中恢复输出作为输入。优选地，传感器730是三轴加速度计。有利地，传感器720和730都由MEMS(微机电系统)技术产生，可选地位于一个并且相同的电路内(例如来自Analog Devices的参考加速度计ADXL103、来自Thomson的LIS302DL、来自Melixis的参考陀螺测试仪MLX90609、来自Analog Devices的ADXRS300)。如果适当的话，MEMS模块将位于指向设备的重心附近，除非特定实施例证明了不同的位置。
本说明书中公开的示例只是对本发明的一些实施例的说明。它们不以任何方式限制由所附权利要求限定的所述发明的范围。

Claims (19)

1.一种用于感测移动物体在工作参照系中的取向的系统，所述系统包括：
第一传感器，所述第一传感器用于利用至少两条主动感测轴来感测物体的角速度和角位置的其中之一；
第二传感器，所述第二传感器用于利用三条感测轴来感测所述物体的加速度；
处理模块，所述处理模块被配置为通过融合运动向量Vm与合成向量Vsyn来将物体取向数据从感测参照系转换到所述工作参照系，所述运动向量Vm由来自所述第一传感器的输出中的一些或全部输出组成，所述合成向量Vsyn表示所述物体的所述加速度的重力分量，所述合成向量Vsyn被计算为具有权重K的校正向量Vcor与具有权重(1-K)的加速度向量Vac的加权平均，所述校正向量Vcor由所述第一传感器和所述第二传感器的至少其中之一的输出组成，并且所述加速度向量Vac由所述第二传感器的所述输出中的一些输出组成；
其中，所述校正向量Vcor的计算取决于所述第一传感器的所述主动感测轴的数量，并且K是所述物体的移动的动态性变量D的函数。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述动态性变量D从基于所述第一传感器和所述第二传感器的至少其中之一的输出的一个或多个加权动态性测试的结果Di(i≥1)中导出。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述动态性测试产生二进制结果(Di＝{0；1})，并且所述系统的所述动态性变量D是所述动态性测试的所述结果Di的逻辑组合。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，当所述动态性测试确定所述系统处于准静态状态时，权重(1-K)等于1，并且在所有其它情况下，所述权重(1-K)等于零。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述加权动态性测试的至少其中之一基于所述第一传感器和所述第二传感器的其中之一的所述输出的范数N。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，当所述范数N落入预定义的范围内时，所述动态性测试的所述结果Di为零，并且在所有其它情况下，所述动态性测试的所述结果Di等于一。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述加权动态性测试的至少其中之一基于所述第一传感器和所述第二传感器的其中之一的所述输出的方差V。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述方差V与预设的阈值进行比较，并且当所述方差大于所述阈值时，所述动态性测试的所述结果Di为零，并且在所有其它实例中，所述动态性测试的所述结果Di等于一。
9.根据权利要求2所述的系统，其中，所述加权动态性测试的至少其中之一是取向测试，其中，至少所述第二传感器的所述输出与重力向量进行比较。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述取向测试基于感测设备的滚动轴与所述重力向量之间的角度，并且当所述角度大于预设的阈值时，所述取向测试的结果Di为零，并且在所有其它情况下，所述取向测试的结果Di等于一。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一传感器包括两条主动感测轴，并且当所述物体最后处于D＝0的状态时，在时间t处的所述校正向量Vcor等于在时间ts处的所述加速度向量Vac，并且其中，所述权重(1-K)平均起来是所述物体的移动的所述动态性D的减函数。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一传感器包括三条主动感测轴，并且在时间t处的所述校正向量Vcor是基于在时间t处的所述第一传感器的所述输出的至少其中之一来计算的。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，当所述动态性变量D等于1时，所述权重K等于1，并且当D等于0时，所述权重K等于0。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一传感器是陀螺测试仪，并且所述第二传感器是加速度计。
15.一种用于控制显示器上的光标的手持式设备，包括：
第一传感器，所述第一传感器用于利用至少两条主动感测轴来感测所述手持式设备的角速度和位置的其中之一；
第二传感器，所述第二传感器用于利用三条感测轴来感测所述手持式设备的加速度；
所述第一传感器和第二传感器与处理模块进行通信，所述处理模块被配置为通过融合运动向量Vm与合成向量Vsyn来将手持式设备取向数据从感测参照系转换到工作参照系，所述运动向量Vm由来自所述第一传感器的输出中的一些或全部输出组成，所述合成向量Vsyn表示物体的加速度的重力分量，所述合成向量Vsyn被计算为具有权重K的校正向量Vcor与具有权重(1-K)的加速度向量Vac的加权平均，所述校正向量Vcor由所述第一传感器和所述第二传感器的至少其中之一的输出组成，并且所述加速度向量Vac由所述第二传感器的所述输出中的一些输出组成；
其中，所述校正向量Vcor的计算取决于所述第一传感器的所述主动感测轴的数量，并且K是所述物体的移动的动态性变量D的函数，并且所述融合的结果独立于所述手持式设备的滚动移动而控制所述显示器上的所述光标的移动。
16.根据权利要求15所述的手持式设备，其中，所述第一传感器包括两条主动感测轴，并且当所述物体最后处于D＝0的状态时，在时间t处的所述校正向量Vcor等于在时间ts处的所述加速度向量Vac，并且其中，所述权重(1-K)平均起来是所述物体的移动的所述动态性D的减函数。
17.根据权利要求15所述的手持式设备，其中，所述第一传感器包括三条主动感测轴，并且在时间t处的所述校正向量Vcor是基于在时间t处的所述第一传感器的所述输出的至少其中之一来计算的。
18.一种用于利用手持式设备来控制显示器上的光标的方法，包括以下步骤：
从第一传感器获得信号，所述第一传感器用于利用至少两条主动感测轴来感测所述手持式设备的角速度和角位置的其中之一；
从第二传感器获得信号，所述第二传感器用于利用三条感测轴来感测所述手持式设备的加速度；
利用处理模块对来自所述第一传感器和所述第二传感器的所述信号进行处理，所述处理模块被配置为通过融合运动向量Vm与合成向量Vsyn来将手持式设备取向数据从感测参照系转换到工作参照系，所述运动向量Vm由来自所述第一传感器的输出中的一些或全部输出组成，所述合成向量Vsyn表示物体的加速度的重力分量，所述合成向量Vsyn被计算为具有权重K的校正向量Vcor与具有权重(1-K)的加速度向量Vac的加权平均，所述校正向量Vcor由所述第一传感器和所述第二传感器的至少其中之一的输出组成，并且所述加速度向量Vac由所述第二传感器的所述输出中的一些输出组成；
其中，所述校正向量Vcor的计算取决于所述第一传感器的所述主动感测轴的数量，并且K是所述物体的移动的动态性变量D的函数，并且所述融合的结果独立于所述手持式设备的滚动移动而控制所述显示器的所述光标的移动。
19.一种用于利用手持式设备来控制显示器上的光标的装置，包括：
用于从第一传感器获得信号的单元，所述第一传感器用于利用至少两条主动感测轴来感测物体的角速度；
用于从第二传感器获得信号的单元，所述第二传感器用于利用三条感测轴来感测所述物体的线性加速度；
用于利用处理模块对来自所述第一传感器和所述第二传感器的所述信号进行处理的单元，所述处理模块被配置为通过融合运动向量Vm与合成向量Vsyn来将手持式设备取向数据从感测参照系转换到工作参照系，所述运动向量Vm由来自所述第一传感器的输出中的一些或全部输出组成，所述合成向量Vsyn表示所述物体的加速度的重力分量，所述合成向量Vsyn被计算为具有权重K的校正向量Vcor与具有权重(1-K)的加速度向量Vac的加权平均，所述校正向量Vcor由所述第一传感器和所述第二传感器的至少其中之一的输出组成，并且所述加速度向量Vac由所述第二传感器的所述输出中的一些输出组成；
其中，所述校正向量Vcor的计算取决于所述第一传感器的所述主动感测轴的数量，并且K是所述物体的移动的动态性变量D的函数，并且所述融合的结果独立于所述手持式设备的滚动移动而控制所述显示器上的所述光标的移动。
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