CN105027037B - 使用便携式电子设备来进行用户输入 - Google Patents

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Abstract

此处公开了使用便携式电子设备来进行用户输入的各种技术。在一个实施例中，方法包括从便携式电子设备的惯性测量单元中获取传感器读数。该传感器读数包含便携式电子设备的加速度。该方法还包括基于获取的传感器读数来确定便携式电子设备的位置变化，并将所确定的位置变化传输到计算机。位置变化可被计算机使用来控制计算机上的光标位置。

Description

使用便携式电子设备来进行用户输入
背景技术
在计算中，鼠标是允许对计算机上的图形用户界面进行精确控制的定点设备。然而，计算机鼠标是计算机外部的，如此，可能缺乏便携性。结果，膝上型计算机、上网本，及其他便携式计算设备通常不包括鼠标。相反，已使用跟踪板、指点杆、或触摸屏。尽管便携，但是，在与计算机鼠标相比时，这样的定点设备存在差的精度以及差的可用性的缺点。
发明内容
提供本发明内容是为了以精简的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。
本技术的各方面涉及使用用户已经携带的便携式电子设备作为计算机(例如，膝上型计算机)的定点设备。便携式电子设备可以是智能电话、个人数据助理、便携式导航设备，和/或其他类型的电子设备。便携式电子设备可包括处理器、存储器，以及加速度计、陀螺仪、磁强计，或其他合适的类型的惯性测量单元中的至少一项。便携式电子设备可以通过有线(例如，USB连接)或无线(例如，蓝牙、WIFI，等等)连接，可操作地耦合到计算机。
在操作中，惯性测量单元可以检测并测量便携式电子设备的沿着坐标系中的至少二维空间的加速度。处理器，执行存储在存储器中的指令，然后，接收测量到的加速度，并相对于时间来对其进行双重积分，以获取便携式电子设备的沿着至少两个方向的位置变化。然后，处理器可以通过有线或无线连接，将计算出的位置变化传输到计算机。作为响应，计算机可以根据计算出的便携式电子设备的位置变化来移动图形用户界面上的计算机光标。结果，通过将便携式电子设备用作为定点设备，用户可以在没有携带额外的组件(例如，计算机鼠标)的情况下，获得一般类似于使用计算机鼠标的对计算机上的图形用户界面的精确控制。
附图简述
图1是示出了根据本技术的各实施例的用于使用便携式电子设备来进行用户输入的计算框架的示意图。
图2是示出了根据本技术的各实施例的适用于图1的计算机以及便携式电子设备的计算组件的框图。
图3是示出了根据本技术的各实施例的适用于图2的便携式电子设备的软件模块的框图。
图4是示出了根据本技术的各实施例的用于使用便携式电子设备来进行用户输入的过程的流程图。
图5A是根据本技术的各实施例的示例加速度对照时间曲线图。
图5B以及5C分别是基于图5A的加速度对照时间曲线图获取的原始以及经校正速度对照时间曲线图。
图5D是基于图5C的经校正速度对照时间曲线图的示例位置对照时间曲线图。
具体实施方式
下面将描述用于使用便携式电子设备来进行用户输入的系统、组件、模块、例程以及过程的各实施例。在以下描述中，包括了示例软件代码、值、和其他具体细节以提供对本技术的各个实施例的全面理解。本领域技术人员也将理解该技术可具有另外的实施例。该技术也可被实现而无需以下结合图1－5D描述的各实施例的若干细节。
如上文所讨论的，计算机鼠标可能缺乏用于与膝上型计算机、上网本，及其他便携式计算设备一起使用的便携性。跟踪板、指点杆、触摸屏，或其他定点设备，尽管便携，但，与计算机鼠标相比，存在精度差以及可用性差的缺点。本技术的多个实施例涉及使用用户已经携带的便携式电子设备作为定点设备。如下面所讨论的，带有惯性测量单元的便携式电子设备可以被配置成提供与计算机鼠标一般类似的可用性。结果，用户可以在没有携带额外的组件的情况下，实现对计算机上的图形用户界面的精确控制。
如此处所使用的，术语“惯性测量单元”一般是指被配置成测量物理块的速度、朝向，或重力中的至少一项的测量组件。惯性测量单元可包括加速度计、陀螺仪、磁强计，或其他合适的类型的惯性感应元件中的至少一项。也如此处所使用的，术语“加速度计”一般是指被配置成测量一个块的适当的加速度的感应元件。由加速度计测量到的适当的加速度不一定是坐标加速度(即，速度的变化速率)。例如，静止在地球的表面上的加速度计由于其重量，将测量9.81m/s2的适当的加速度。相比之下，自由落体中的加速度计将测量适当的加速度为零。
图1是示出了根据本技术的各实施例的用于使用便携式电子设备来进行用户输入的计算框架的100示意图。如图1所示，计算机框架100可包括通过连接104与便携式电子设备120进行通信的计算机110。计算机110以及便携式电子设备120两者都静止在表面102上。连接104可包括通用串行总线(“USB”)链路、串行链路、并行链路、蓝牙链路、WIFI链路，和/或其他合适的有线或无线链路。在所示实施例中，计算机110包括具有键盘115和显示器116的膝上型计算机。在其他实施例中，计算机110也可以包括上网本、台式机，和/或其他合适的计算设备。
如图1所示，便携式电子设备120包括具有携带触摸屏124和按钮125的外壳121的智能电话。在其他实施例中，便携式电子设备120也可以包括个人数据助理、便携式导航设备，或其他合适的便携式电子设备。如下面更详细地讨论的，便携式电子设备120也可以包括处理器、存储器，以及被配置成测量并跟踪便携式电子设备120的位置变化的惯性测量单元(在图1中未示出)。便携式电子设备120可随后将位置变化传输到计算机110，以控制光标118在显示器116上的位置。
在操作中，用户101可以沿着表面102上的x，y，z轴移动便携式电子设备120。便携式电子设备120可随后确定沿着至少x，y，或z轴从第一位置129a到第二位置129b(为清楚起见以虚线示出)的位置变化，如由箭头106所指示的。便携式电子设备120随后通过连接104，将所确定的位置变化作为光标控制信号或其他合适的类型的用户输入信号传输到计算机110。作为响应，计算机110可以使用用户输入信号，例如，来控制显示器116上的光标位置，执行计算命令，和/或基于用户输入信号，执行其他合适的动作。例如，如图1所示，计算机110可以基于便携式电子设备120的位置变化，导致光标118从第一光标位置119a遍历到第二光标位置119b(为清楚起见以虚线示出)。结果，用户101可以使用便携式电子设备120来进行用户输入，一般与使用计算机鼠标类似。
图2是示出了根据本技术的各实施例的适用于图1的计算机110以及便携式电子设备120的计算组件的框图。在图2中，以及在下文中的其他图形中，单个软件组件、模块，以及例程可以是以C、C++、Java，和/或其他合适的编程语言作为源代码编写的计算机程序、过程，或进程。计算机程序、过程，或进程可以被编译为目标或机器代码，并呈现，供由个人计算机、网络服务器、膝上型计算机、智能电话，和/或其他合适的计算设备的一个或多个处理器来执行。源和/或目标代码以及相关联的数据的各种实现可以存储在计算机存储器中，计算机存储器包括只读存储器、随机存取存储器、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备，和/或其他合适的已传播的信号除外的计算机可读存储介质。
如图2所示，计算机110可包括处理器112、存储器113，以及可操作地耦合到显示器116的输入/输出组件114。处理器112可包括微处理器、现场可编程门阵列，和/或其他合适的逻辑器件。存储器113可包括被配置成存储从处理器112接收到的数据，以及用于处理器112的指令的易失性和/或非易失性计算机可读介质(例如，ROM；RAM，磁盘存储介质；光存储介质；闪存设备，EEPROM，和/或其他合适的存储介质)。输入/输出组件114可包括被配置成接受来自计算机110的显示器116和/或其他组件的输入和/或向它们提供输出的数字和/或模拟输入/输出接口。
如图2所示，便携式电子设备120可包括彼此可操作地耦合的设备处理器122、设备存储器123，以及惯性测量单元126。设备处理器122可包括微处理器和/或其他合适的逻辑器件。设备存储器123可包括被配置成存储从设备处理器122接收到的数据，以及用于设备处理器122的指令的易失性和/或非易失性计算机可读介质(例如，ROM；RAM，磁盘存储介质；光存储介质；闪存设备，EEPROM，和/或其他合适的存储介质)。
惯性测量单元126可包括加速度计、陀螺仪、磁强计，或其他合适的类型的惯性感应元件中的至少一项。例如，在某些实施例中，惯性测量单元126可包括压电，压电电阻性的，或电容性加速度计。一个合适的加速度计可以是由位于瑞士日内瓦的STMicroelectronics所提供的3轴加速度计(型号No.LIS3DH)。在其他实施例中，惯性测量单元126可包括悬挂式积分式陀螺加速度计、表面微型电机电容性加速度计，和/或其他合适类型的加速度计。
设备处理器122可以被配置成执行软件组件的指令。例如，如图2所示，设备处理器122的软件组件可包括彼此相互连接的输入模块132、数据库模块134、处理模块136，以及输出模块138。在其他实施例中，设备处理器122可以执行除前面的软件模块之外或代替前面的软件模块的其他合适的软件组件的指令。
在操作中，输入模块132可以接受输入数据150(例如，来自惯性测量单元126的传感器读数)，并将所接受的输入数据150传递到其他组件，用于进一步处理。数据库模块134组织记录，包括测量记录142，并促进将这些记录存储在设备存储器123中并从设备存储器123检索这些记录。测量记录142可包括至少一个维度中的加速度、速度，或位置中的至少一项的同时代的和/或历史值。任何类型的数据库组织可被利用，包括平面文件系统、分层结构数据库、关系型数据库、或分布式数据库。处理模块136分析来自输入模块132和/或其他数据源的输入数据150，以确定便携式电子设备120的位置变化。输出模块138基于经分析的输入数据150，生成输出信号152，并通过连接104将输出信号152作为用户输入信号传输到计算机110。在下文中参考图3更详细地描述处理模块136的各实施例。
图3是示出了处理模块136的各实施例的框图。如图4所示，处理模块136还可以包括彼此相互连接的感应模块160、分析模块162、控制模块164，以及计算模块166。每一个模块都可以是以常规编程语言作为源代码编写的计算机程序、过程，或例程，或一个或多个模块可以是硬件模块。
感应模块160被配置成接收输入数据150，并将输入数据150转换为工程或其他单元中的合适的量度。例如，感应模块160可以从惯性测量单元126(图2)接收传感器读数，并将接收到的传感器读数转换为欧几里得坐标系中的以米/秒平方为单位的加速度矢量的数据。如此，加速度矢量可以具有大小和方向，它们可以被表示为两维或三维空间中的加速度子矢量。感应模块160可以以大约30Hz、大约60Hz、大约120Hz、大约1000Hz，或其他合适的频率，从惯性测量单元126采样输入。在其他示例中，加速度矢量也可以被表示为柱面坐标系、球面坐标系，或其他合适的坐标系中的加速度子矢量。在进一步的示例中，感应模块160可以执行其他合适的转换。
计算模块166可包括被配置成执行各种类型的计算以促进其他模块的操作的例程。在一个示例中，计算模块166可包括从重力加速度减去测量到的加速度矢量的减法器例程，如下所示：
其中，是净加速度矢量；是测量到的加速度矢量；而是便携式电子设备120(图1)的重力加速度矢量。在另一个示例中，计算模块166也可以包括相对于时间来积分净加速度矢量以导出速度的积分例程，如下所示：
其中，是速度。在再一个示例中，计算模块166也可以包括相对于时间来积分净加速度矢量以导出位置变化的二重积分例程，如下所示：
其中，是位置变化矢量，而t是时间。在又一个示例中，计算模块166也可以包括二重积分例程，该例程首先相对于时间积分净加速度矢量以获取速度，然后，利用指数衰减函数，积分速度，以获取位置变化矢量，如下所示：
其中，τ是可以是用户选择的或以别的方式适当地确定的平均寿命。在其他示例中，计算模块166可包括线性回归、多项式回归、内插、外插，和/或其他合适的子例程。在进一步的示例中，计算模块166也可以包括计数器、计时器，和/或其他合适的例程。
分析模块162可以被配置成分析各种感应到的和/或计算出的量度，以判断便携式电子设备120是否正在移动。例如，分析模块162可以将当前加速度矢量与以前的加速度矢量(例如作为位置记录142存储在设备存储器123中的)进行比较。如果加速度矢量的大小变化大于阈值(例如，大小的移动平均值或其他合适的值)，则分析模块162可以指出，便携式电子设备120正在移动。如果加速度矢量的大小变化在时间窗口(例如，0.5秒或其他合适的值)内不大于阈值，则分析模块162可以指出，便携式电子设备120静止，并可以将当前加速度矢量设置为便携式电子设备120的重力加速度的当前值。在另一个示例中，分析模块162也可以监视速度如果速度具有大于速度阈值的大小，则分析模块162可以指出便携式电子设备120正在移动。在其他示例中，分析模块162可以执行其他合适的分析，以判断便携式电子设备120是否正在移动。
控制模块164可以被配置成基于来自分析模块162的分析结果控制便携式电子设备120的操作。例如，在一个实施例中，如果分析模块162指出便携式电子设备120正在移动，则控制模块164可以指示计算模块166计算位置变化矢量如上文所讨论的。控制模块164可随后将计算出的位置变化矢量作为输出信号152提供到输出模块138。
在其他实施例中，控制模块164还可以基于用户输入154来生成输出信号152。例如，用户101(图1)可以通过触摸屏124，向便携式电子设备120提供触摸、双触摸、滚动、平移、和/或其他合适的输入。作为响应，控制模块164还可以基于用户输入154来生成输出信号152。例如，控制模块164可以将用户输入154解释为单击、双击、滚动、平移、和/或其他合适的命令。在更进一步的实施例中，控制模块164还可以基于其他合适的信息，生成输出信号152。
尽管在上文中便携式电子设备120被描述为具有用于确定便携式电子设备120的位置变化的各种组件和模块，但是，在其他实施例中，计算机110(图1)可以确定这样的位置变化。例如，计算机110的处理器112可以执行软件模块160、162、164、及166中的至少一个的指令。在操作中，便携式电子设备120通过连接104，将数据输入150和/或其他合适的信息传输到计算机110。作为响应，如上文所讨论的并且如参考图4所讨论的，计算机110可以确定便携式电子设备120的位置变化。
图4是示出了根据本技术的各实施例的用于使用便携式电子设备来进行用户输入的过程200的流程图。尽管下面将参考图1的计算框架100和图2和3的软件组件/模块来描述过程200，但是，过程200还可以应用于带有额外的或不同的硬件和/或软件组件的其他系统中。
如图4所示，过程200可包括在阶段202获取传感器信号或传感器读数。在一个实施例中，获取传感器信号可包括以30Hz或以其他合适的采样速率来采样惯性测量单元126(图2)以获取适当的加速度矢量的数据。在其他实施例中，获取传感器信号也可以包括获取便携式电子设备120的角动量、俯仰、滚动、或偏航中的至少一项的数据。在更进一步的实施例中，获取传感器信号可包括获取其他合适的测量。
过程200也可以包括在阶段204判断便携式电子设备120是否正在移动。在某些实施例中，如上文参考图3所讨论的，可以利用分析模块162(图3)作出判断。在其他实施例中，可以以其他合适的方式执行该判断。
如果便携式电子设备120被判断为静止，则过程200可以可任选地包括在阶段206存储所获取的传感器信号。在一个实施例中，获取的传感器信号可包括加速度矢量，并可以作为便携式电子设备120的重力加速度存储在，例如，设备存储器123(图2)中。重力加速度可以或可以不垂直于地球。例如，如果表面102不平，则重力加速度可以相对于表面102(图1)倾斜。在其他实施例中，其他合适的传感器信号还可以存储在设备存储器123中或存储在其他合适的位置。
如果便携式电子设备120被判断为正在移动，则过程200可以转到可选阶段207，以校准传感器信号。在一个实施例中，可以通过从，例如，设备存储器123中检索便携式电子设备120的重力加速度，并将从所获取的传感器信号中减去检索到的重力加速度，来校准传感器信号。结果，得到考虑了由便携式电子设备120经受的重力加速度的净加速度矢量。在其他实施例中，可以省略在阶段207的对传感器信号的校准。
过程200可随后包括在阶段208确定便携式电子设备120的位置变化。在某些实施例中，位置变化可以如上文参考图3所讨论的，通过利用计算模块166双重积分净加速度作为位置变化矢量来确定。在其他实施例中，位置变化可以通过对净加速度进行第一次积分以获取速度，以及用或者不用指数衰减函数对速度进行第二次积分以获取位置变化矢量，来确定。可以在第一和第二积分之间执行过滤、平均、和/或其他合适的数据操纵。在更进一步的实施例中，可以以其他合适的方式来确定位置变化。
过程200可包括在阶段210，通过连接104，向计算机110(图1)输出所确定的位置变化，作为指针数据。作为响应，计算机110可以导致光标118，例如，从第一光标位置119a移动到第二光标位置119b(图1)。然后，过程200包括判断框212以判断过程是否继续。在一个实施例中，如果计算机110仍正在操作，则过程200继续。在其他实施例中，过程200可以基于其他适合的条件继续。如果过程继续，则过程200回到在阶段202获取额外的传感器信号；否则，过程结束。
图5A是根据本技术的各实施例的示例加速度对照时间曲线图300。在图5A-5D中，为说明目的，只沿着一个维度，示出了各种移动参数(即，加速度、速度、或位置变化)。在其他实施例中，便携式电子设备120(图1)可以具有沿着两个或三个维度的一般类似的或不同的移动参数。
如图5A所示，由便携式电子设备120经受的加速度在时间t1之前具有一般匀加速度a0，在该时间，加速度增大，直到在时间t2达到最大加速度302。随后，便携式电子设备120在时间t3，减速到负的最大加速度304，然后，在t4，返回到原始加速度a0。
图5B是在没有校准的情况下基于图5A的加速度对照时间曲线图(例如，通过对时间求积分)获取的示例速度对照时间曲线图310。如图5B所示，可以相信，便携式电子设备置于其上面的非平面的表面102(图1)可以导致获取的速度在时间t1之前以及在时间t4之后当便携式电子设备120静止时具有非零值312。
为校正这样的错误，可以通过减去便携式电子设备120经受的重力加速度，如上文参考图4所讨论的，来校准如图5A所示的加速度。图5C是带有校准的基于图5A的加速度对照时间曲线图获取的示例速度对照时间曲线图320。如图5C所示，速度在时间t1增大，并在到达最大速度322之前减小。随后，速度在时间t4缩小零。
图5D是基于图5C的经校正速度对照时间曲线图的示例位置对照时间曲线图330。如图5D所示，在t1到t4，便携式电子设备120的位置从P1变为P2。发明人已经认识到，如图5A所示的加速度中的数据噪声可以导致P2时的位置非恒定，如虚线324所示的。在某些实施例中，这样的错误可以通过利用指数衰减函数双重积分加速度来校正，如上文参考图3所讨论的。在其他实施例中，这样的错误可以将t4时的位置设置为常数来校正。在更进一步的实施例中，也可以使用其他适用技术来校正这样的错误。
上面已经为解说的目的描述了技术的特定实施例。然而，可作出各种变化而不偏离前述揭示。此外，一个实施例的许多元素可以用其他实施例来组合，除了其他实施例的各元素之外或替换它们。因此，本技术只受所附权利要求限制。

Claims (10)

1.一种由具有惯性测量单元的便携式电子设备的处理器执行的方法，所述方法包括：
利用所述处理器，
从所述惯性测量单元获取传感器读数，所述传感器读数包含所述便携式电子设备的加速度的数据；
基于所获取的传感器读数，确定所述便携式电子设备的位置变化，确定所述位置变化包括积分所述加速度的数据以获取速度，并随后利用指数衰减函数来积分所获取的速度，以获取位置变化矢量；以及
将所确定的位置变化作为用户输入信号传输到计算机，所述用户输入信号被所述计算机用来控制所述计算机的显示器上的光标位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述惯性测量单元包括加速度计；
获取所述传感器读数包括从所述加速度计获取所述传感器读数，所述传感器读数包含两维或三维空间的适当的加速度矢量的数据；
所述方法进一步包括基于所述便携式电子设备的重力加速度的当前值，校准所述传感器读数，以获取净加速度；以及
确定所述位置变化包括双重积分所述净加速度，以获取位置变化矢量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述惯性测量单元包括加速度计；
获取所述传感器读数包括从所述加速度计获取所述传感器读数，所述传感器读数包含两维或三维空间的适当的加速度矢量的数据；
所述方法进一步包括基于所述便携式电子设备的重力加速度的当前值，校准所述传感器读数，以获取净加速度；以及
确定所述位置变化包括积分所述净加速度，以获取所述速度，并随后利用所述指数衰减函数来积分所获取的速度，以获取所述位置变化矢量。
4.一种具有处理器、存储器，以及惯性测量单元的便携式电子设备，所述存储器包含指令，当由所述处理器执行时，所述指令导致所述处理器执行包括下列各项的过程：
从所述惯性测量单元获取传感器读数，所述传感器读数包含所述便携式电子设备的加速度矢量的数据；
基于所获取的传感器读数中所包含的加速度矢量的数据，来计算所述便携式电子设备的位置变化，计算所述位置变化包括积分所述加速度矢量的数据以获取速度，并随后利用指数衰减函数来积分所获取的速度，以获取位置变化矢量；以及
将所计算出的位置变化作为光标控制信号传输到计算机，以使所述计算机能够基于所计算出的所述便携式电子设备的位置变化，来控制所述计算机的显示器上的光标位置。
5.如权利要求4所述的便携式电子设备，其特征在于：
所述惯性测量单元包括加速度计；
获取所述传感器读数包括从所述加速度计获取所述传感器读数，所述传感器读数包含两维或三维空间的所述加速度矢量的数据；以及
将所述计算出的位置变化传输到所述计算机包括将所计算出的位置变化传输到所述计算机，以使所述计算机能够基于所计算出的所述便携式电子设备的位置变化，来控制所述计算机上的两维或三维空间的所述光标位置。
6.如权利要求4所述的便携式电子设备，其特征在于：
所述惯性测量单元包括加速度计；
获取所述传感器读数包括从所述加速度计获取所述传感器读数，所述传感器读数包含两维或三维空间的所述加速度矢量的数据；以及
计算所述位置变化包括双重积分所述传感器读数的所述加速度矢量，以获取位置变化矢量。
7.如权利要求4所述的便携式电子设备，其特征在于：
所述惯性测量单元包括加速度计；
获取所述传感器读数包括从所述加速度计获取所述传感器读数，所述传感器读数包含两维或三维空间的适当的加速度矢量的数据；以及
所述过程进一步包括基于所述便携式电子设备的重力加速度的当前值，来校准所述传感器读数。
8.如权利要求4所述的便携式电子设备，其特征在于：
所述惯性测量单元包括加速度计；
获取所述传感器读数包括从所述加速度计获取所述传感器读数，所述传感器读数包含两维或三维空间的适当的加速度矢量的数据；
所述过程进一步包括基于所述便携式电子设备的重力加速度的当前值，来校准所述传感器读数，以获取净加速度；以及
计算所述位置变化包括双重积分所述净加速度，以获取位置变化矢量。
9.如权利要求4所述的便携式电子设备，其特征在于：
所述惯性测量单元包括加速度计；
获取所述传感器读数包括从所述加速度计获取所述传感器读数，所述传感器读数包含两维或三维空间的适当的加速度矢量的数据；
所述过程进一步包括基于所述便携式电子设备的重力加速度的当前值，来校准所述传感器读数，以获取净加速度；以及
计算所述位置变化包括积分所述净加速度，以获取所述速度，并且随后利用所述指数衰减函数来积分所获取的速度，以获取所述位置变化矢量。
10.如权利要求4所述的便携式电子设备，其特征在于：
所述惯性测量单元包括加速度计；
获取所述传感器读数包括从所述加速度计获取所述传感器读数，所述传感器读数包含两维或三维空间的适当的加速度矢量的数据；
所述过程进一步包括
判断所述便携式电子设备是否正在移动；以及
如果所述便携式电子设备正在移动，则基于所述便携式电子设备的重力加速度的当前值，来校准所述传感器读数。
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