CN106462268B - 执行传感器漂移补偿的电子笔 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在二维书写基板上在书写期间通过惯性测量传感器来检测和评估电子笔的运动模式和笔位置的方法，其包括：在书写基板上初始指定彼此正交的两个轴X，Y和垂直于二维书写基板的轴Z，由此X轴可限定主要书写方向；以及补偿将要输出的电子笔的笔位置信号上的不期望的漂移，其包括以下步骤：在预先限定的时间间隔期间并以在书写基板上笔运动的预先限定的频率进行移动平均处理，所述移动平均处理沿着彼此正交的所述轴X，Y在书写期间经由对测量传感器的传感器数据积分由惯性测量传感器确定；以及将当前确定的移动平均值与初始平均值和/或与先前限定的移动平均值进行周期性比较；以及从将要输出的笔位置信号减去在所述比较期间在当前确定的移动平均值与初始平均值之间产生的偏差和/或在当前确定的移动平均值和预先确定的移动平均值之间的偏差。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测和评估电子笔的运动模式和笔位置的方法，以及涉及一种电子笔，以及涉及一种系统。
背景技术
为了通过惯性测量系统(诸如加速度传感器或旋转速率传感器)检测电子笔的运动，所述传感器的数据必须被积分一次和/或两次以获得电子笔的速度信号(一次积分)或位置信号(二次积分)。在通过电子笔的惯性测量传感器测量加速过程和/或角速度中的微小误差在一次积分期间可能导致主要的速度确定误差，这又会导致在速度信号积分之后的位置信号中的甚至更严重的误差。
其中并且除了数字积分方法的固有不准确性外，可能的误差源在此还包括测量传感器信号模数转换的不准确性，例如由于温度漂移的零点误差、随机干扰或系统固有噪声分量。
由于例如基于预先确定的位置确定电子笔的新位置，关于电子笔的速度确定和定位上的误差可能进一步累积，并且导致电子笔的运动信号的所谓的不期望的漂移。
发明内容
任务
因此本发明的目的包括改进电子笔，特别是改进关于在检测电子笔运动中的精确度水平。
解决方案
根据本发明，这通过一种检测和评估电子笔的运动模式和笔位置的方法，以及通过一种电子笔，和一种系统来实现。
优选的设计变型和升级也是本发明的目的。
为了检测电子笔的尖端和/或书写杆尖端的位置，笔可配备有惯性测量传感器技术，并且可通过对所述传感器技术的测量数据进行积分来重建运动。
根据本发明的用于在二维书写基板上在书写期间通过惯性测量传感器来检测和评估电子笔的运动模式和笔位置的方法由此可包括以下步骤：
在书写基板上初始指定彼此正交的两个轴X，Y和垂直于二维书写基板的轴Z，由此X轴可限定书写方向和/或主要书写方向，以及
补偿将要输出的电子笔的笔位置信号上的不期望的漂移，其包括以下步骤：
在预先限定的时间间隔期间并以笔运动和/或笔位置的预先限定的频率进行的移动平均处理，所述移动平均处理沿着彼此正交的所述轴X，Y在书写期间基于对传感器数据积分通过惯性测量传感器确定，
以及进一步将当前确定的移动平均值与初始平均值和/或与先前限定的移动平均值进行周期性比较，以及从将要输出的笔位置信号减去在所述比较期间在当前确定的移动平均值与初始平均值之间产生的偏差和/或在当前确定的移动平均值和先前确定的移动平均值之间的偏差。
位于书写基板平面中的轴X，Y和垂直于书写基板平面的轴Z也可以限定电子笔的参考坐标系X，Y，Z。
因此，可以将笔位置信号沿着彼此正交的两个所述轴X，Y的当前确定的平均值与先前确定的笔位置信号的平均值和/或可预先确定的期望的初始平均值进行连续地比较。
在该上下文中，应当指出的是，“笔位置信号”的概念可包括电子笔的位置信号以及运动和/或加速度信号。
换言之，最近识别的书写运动的偏差，特别是识别的书写运动方向的偏差，可以这种方式有利地被解释为漂移并且在输出笔位置信号(即例如位置信号，例如在图形显示单元上)之前从确定的笔位置信号(即例如确定的位置值)中被减去，所述偏差是从基于笔位置信号的先前识别的或预先确定的平均值的假定的运动和/或假定的书写运动方向的偏差。
因此，测量传感器的传感器数据可被转换成书写基板平面初始确定的坐标系X，Y，优选地在积分之前，以便确定笔在书写基板上的运动。
此外，为了提高确定笔运动的精确度，例如可在对测量传感器的传感器数据进行积分之前从传感器数据中，特别是从加速度传感器数据中，减去重力加速度。
因此，可优选地考虑测量传感器相对于重力方向的定位，例如通过磁场和旋转速率传感器以及传感器融合方法确定。
在通过积分从传感器数据确定的笔运动中的移动平均处理的时间间隔可例如长于1s、2s或5s。
惯性测量传感器和可能的其它传感器(诸如书写力压力传感器、磁场传感器、旋转速率传感器等)例如可在使用电子笔期间以至少每50ms记录测量数据，以便确保采样频率高于书写用户的手的书写运动频率或自然频率(例如3Hz至7Hz)，从而能够以足够的精确度记录手的和/或电子笔的所有运动。
换言之，采样频率可等于或高于由奈奎斯特-香农定理确定的最小采样频率。
根据电子笔的操作模式，可进行所使用的坐标系的不同初始化以评估笔位置。知晓电子笔在书写基板上的绝对位置(和/或相对于在书写基板例如纸上的参考点的相对位置)对于绘制而言是有用的，字符识别例如可仅基于电子笔本身的动态运动过程。
在书写基板上彼此正交的两个轴(例如所述X轴和所述Y轴)的初始指定可根据电子笔的纵向轴线相对于书写基板的仰角或倾斜角γ和/或根据电子笔纵向轴线的方位角ε或电子笔纵向轴线的投影来指定。
例如，对于典型的书写姿势而言，方位角ε可被限定为在要被确定的坐标系的X轴和由笔的纵向轴线和书写基板的垂线形成的平面与书写基板平面的相交线之间的角度。
然后基于在书写基板上预先确定的第一坐标轴经由所要求的正交位置在书写基板上确定第二坐标轴，由此可任选地确定左手坐标系或右手坐标系。
在笔位置数据的记录处理开始时，可假设方位角ε具有例如来自经验数据的固定值。
例如，+30°±10°的角度例如可设置为方位角ε的优选初始值。
如果主要书写方向被限定为X方向以及在片材平面中与其垂直的方向被限定为Y方向，那么可假定X方向上的平均恒定运动和X和Y方向上的小的暂时振荡。
在此可假设书写杆尖端的速度例如是约1.0±0.5m/s，并且它们在3Hz和7Hz之间的典型书写运动频率下振荡。因此，X方向上的平均或预期书写速度可为1.0±0.5m/s，Y方向上的平均书写速度可为0m/s。
在超过所述书写杆尖端速度的情况下，这也可归因于测量传感器中的漂移。
漂移的校正或补偿可尤其通过书写杆尖端位置的真实性检验来实现。例如如果书写杆尖端位于X轴下方(即在书写方向下方)，可以假设下一个运动将是向上的，并且位置信号可以被校正，例如通过强化该结果的斜升(ramp)。
同样适用于X位置的信号：如果它比期望值提前或延迟太长，那么该信号也可用斜升校正。
由于在书写过程中，书写者的视线通常被定向到书写基板上，而例如不是定向到显示单元上，通常几秒钟可用于校正已经书写的内容。
因此，例如可能通过(例如二次方增加)斜升(等效于笔位置信号的积分结果的零点偏移)来使最后书写的字母失真或校正，而不会被书写的人感知到。
在进一步的过程中，例如通过限定书写运动的长轴，关于相对于书写方向轴(例如X轴)的生物计量倾斜角β例如以3Hz至7Hz的书写运动频率执行，可以进一步监测、制定和调节方位角ε。
所述生物计量倾斜角β例如可通过书写手的食指的第二/中间关节的旋转轴线确定。
食指的中间关节的旋转轴线通过书写手的生物力学预先确定，并且其相对于X轴的排列是可表征某人的个人笔迹的典型参数。
生物计量倾斜角β尤其可由用户调整，例如，在电子笔的信号处理软件的默认值中，以便可相对于书写方向设置书写字符的期望倾斜度。
在书写方向上的平均恒定运动的速度可用作关于平均恒定书写运动参考速度的再现字符的伸长或压缩的量度。
为了提高在书写方向上的平均恒定运动的速度，所述速度基于电子笔的传感器数据确定，用户可设置书写速度初始值，这是其笔迹的典型值，例如，0.1cm/s至2cm/s，优选为1±0.5cm/s。
在对传感器数据积分以便确定电子笔的位置信号之前并且在提取其在书写方向(即X方向)上的运动之前，可以用高通滤波器和低通滤波器来清除传感器数据的大约高于和低于用户的典型书写运动频率(3至7Hz)的频率。
换言之，传感器数据可在传感器数据积分之前已经被过滤和/或平滑，并且测量传感器的漂移信号可已经被至少部分地校正和补偿。
这种平滑和/或过滤过程可减少传感器数据中的噪声并且因此使传感器数据能够更好地积分，以及使在积分之后可能保留的漂移信号能够减少。
传感器数据的过滤可包括移动平均方法的已被证实的方法。除了使用传统的过滤方法诸如快速傅立叶变换之外，例如还可通过小波滤波器确保优选的数值的实现，由此已经可以通过简单的基本模式或基本小波(诸如哈尔(Haar)小波)实现良好的结果。
在小波滤波过程期间，传感器数据值的序列与基本模式组合，从而可以在几个步骤中增加标度(scale)以便应用基本模式。
结果是系数序列和平均值序列，其可根据期望的过滤通过与基本模式的组合反演(inversion)而呈现传感器数据值的期望的时间-频率表示。
具有太高频率的分量的系数，即高于书写运动频率的频率分量的系数，以及具有太低频率的分量的平均值，即低于书写运动频率的频率分量的平均值，由此可在所述反演之前被设置为零。
如果每个方向应用小波变换，那么结果例如可以是：
n＝2m测量点，2m-1一阶系数等，直到单个的m阶系数，或者用通用术语解释，将存在2m-i阶数i的系数和一个阶数m的系数。
当选择n时，选择2的幂是有利的。作为数据速率的函数，可通过选择n来控制在其中可进行过滤处理的时间间隔。
对于在6Hz至100Hz之间的典型传感器数据速率而言，n的典型值可在64至256的范围内，因此例如在数据速率为60Hz时n＝64或128，或在数据速率为100Hz时n＝128或256。
如果使用所述哈尔小波，那么例如将存在以下系数和平均值，其中Si＝传感器数据点和/或测量值，Kk,i＝阶数k的系数，Mk,i＝阶数k的平均值，k＝系数的阶数和/或级数，i＝阶数系数的计数器和/或传感器数据点下标，并且其中k和i是大于0的自然数。
对于i＝1至n/2而言，
K1，i＝(S2i-1-S2i)/√2和M1，i＝(S2i-1+S2i)/√2
对于i＝1至n/4而言，
K2，i＝(M1，2i-1-M1，2i)/√2和M2，i＝(M1，2i-1+M1，2i)/√2
……
对于k>1和i＝1,2m-k而言，
Kk，i＝(Mk-1，2i-1-Mk-1，2i)/√2
和Mk，i＝(Mk-1，2i-1+Mk-1，2iMi，j＝(Mi-1，2j-1+Mi-1，2j)/√2
因此，基于传感器数据点和/或测量值直接形成一阶系数，而基于平均值形成更高阶的系数。
对于传感器数据的重建而言，例如，仅考虑其哈尔小波频率高于二倍书写运动频率的系数，以及其哈尔小波频率总计小于书写运动频率一半的平均值。
通过Ri＝重建的传感器数据，log2(n)＝n对底数2的对数，重构的传感器数据可表示如下：
对于i＝1到n而言，
Rlog2(n)-1，1＝(Mlog2(n)，i-Klog2(n)，i)/√2
和Rlog2(n)-1，2＝(Mlog2(n)，i+Klog2(n)，i)/√2
……
R2i-1＝(R1,i-K1，i)/√2
和R2i＝(R1，i+K1，i)/√2
对于低于书写运动频率的频率分量而言,由于剩余平均值和依赖所限定的极限频率(例如低于书写运动频率一半的极限频率)的情况，也可将较高阶的系数设置为零，由于例如积分误差，可优选地补偿和/或校正将要输出的电子笔的运动信号的不期望的漂移。
另外，较低阶的系数的重置为零，例如，对于等于书写运动频率的两倍或更高的频率分量而言，可能需要尤其是减小传感器数据信号的噪声。
为了完整起见，应当提及的是，如果书写运动发生在二维书写基板区域(例如一张纸)上，可立即检测到并且容易补偿垂直于片材平面的方向上的漂移。
来自在垂直于片材平面的方向上检测到的漂移的信息还可用于校正在电子笔的局部位置确定中涉及的误差。
通过使用书写压力信号(例如来自联接到书写杆的书写力压力传感器)，用于确定和补偿将要输出的笔位置信号中关于书写方向的不希望的漂移的进一步采样值是可能的。
短的(例如短于0.3s)的压力脉冲通常是点(完全停止或在i上的点)的结果，在那里，笔的尖端暂时静止，即在那里笔的尖端不在书写基板平面中运动。
在电子笔的书写杆尖端关于书写基板平面的该静止点处，即作为标点的结果是，可从积分的速度信号中局部地读取X和Y方向上的漂移，并且可以这种方式校正将要输出的笔位置信号。
此外，可以执行确定的笔位置信号的字符倾斜度/笔迹倾斜度的校正，即在确定的字符倾斜度上的误差和/或字符倾斜度信号的不期望的漂移也可通过确定字符的倾斜度与假设的字符倾斜度的比较来校正和补偿。可在通过确定的笔位置信号(即确定的位置值)的适当变换输出笔位置信号(即位置信号)之前校正由所述比较引起的可能的偏差。
假定的或期望的字符倾斜度由此可例如由用户预先设置，例如作为用于电子笔的数字控制单元的设置或者作为用于数据评估单元的参数。假定的或期望的字符倾斜度由此可被认为是用户笔迹的特有的笔迹倾斜度。
所述假定的或期望的字符倾斜度由此可从基于书写手的本征书写频率(3Hz至7Hz)下的电子笔书写运动方向的频率分布的优先方向的分析得出，并且例如通过优选书写方向的方向角η(诸如字符轴线和书写方向轴例如X轴之间的角度)表征。
然后可将在该确定的优选方向与期望的笔迹倾斜度之间的角度用作补偿笔迹倾斜度的基础。为此目的，例如可首先指定矩形，其包括沿着书写方向的书写线的笔迹，然后其可用期望的笔迹倾斜度补偿角度剪切。
此外，可通过低通滤波的加速度传感器测量电子笔在空间中的倾斜度，即上面介绍的倾斜角γ，并且可通过磁场传感器和旋转速率传感器跟踪γ的短期变化。
例如，如果这样获得的倾斜角γ是正确的，除了电子笔在书写基板坐标轴X，Y的坐标中的加速度之外，在例如由惯性测量传感器测得的加速度坐标变换到由正交的书写基板坐标轴X，Y描述的书写基板坐标x，y之后，例如获得重力加速度，其作为在Z方向上预先确定的、期望的加速度值。
例如，如果这样确定的Z加速度的值会从重力加速度的值偏离，尽管例如笔的尖端与片材或书写基板接触，如同例如经由书写压力传感器可容易地检测到的那样，在确定的倾斜角γ中将很可能存在误差。这种误差可能例如由电子笔测量传感器中的不期望的传感器漂移引起，但其例如也会分别由围绕笔和书写基板的磁场的异常引起。
例如，如果在对所述加速度传感器数据进行积分之前从已经测得的加速度传感器数据中减去重力加速度，或如果例如书写压力传感器用信号通知与书写基板存在接触，那么在Z上的加速度值即书写基板坐标系中的Z信号会理想地等于零。
如果不是这种情况，这可能是因为书写基板未水平定位，并且与X和Y信号相关的很小的值可能剩下，从中可以确定书写基板的倾斜度(或者在重力加速度计算中的误差)。
与期望的Z值即在Z上的加速度值的偏差，因此可以是有关笔位置计算的误差的迹象，并且例如通过当笔接触书写基板时使Z值或Z上的加速度值归零来校正。
此外，可如下实现在Z上确定的加速度的校正。
例如，通过并行地对笔的倾斜角γ和方位角ε的几个值进行坐标变换，可在随后的计算步骤中确定倾斜角和方位角γ，ε的线性组合，其中确定的Z加速度的误差，即从期望的加速度Z值(例如期望的加速度的Z值等于零或等于重力加速度)的偏差，变得最小。
由此方位角ε和倾斜角γ的值的线性组合可以被理解为一对值，每对值包括方位角ε的值以及倾斜角γ的值。
以这种方式校正的倾斜信息和/或倾斜角γ还可优选地减小加速度信号的X轴和Y轴上的误差。
通过该校正，还可能将磁异常映射在书写基板坐标上，并且能够通过这些异常实现绝对参照。
这种绝对参照例如可通过有意地使局部磁场失真(例如通过位于其附近的永磁体)来实现。为此目的，例如可将永磁体容纳在笔帽内并且在书写期间在书写基板附近存放在明确限定的位置处，例如，在书写基板的边缘上，例如在A4格式的书写基板的边缘上。在永磁体和在此优选地可观察到的电子笔之间的最小距离例如是大于1cm、2cm或3cm的距离，以便防止在磁场传感器上的过度负载。
随后磁场的强度或所述强度的变化将允许得出关于到磁体距离的结论，并且磁场的方向允许得出关于电子笔位置的结论，其可有利地以极坐标表示。
换言之，倾斜角γ的确定结合自然磁场或人工磁场的强度或变化的测量允许绝对参照电子笔在书写基板上的位置信号，即绝对参照位置。
因此，根据本发明具有书写位置检测系统的电子笔可以包括书写杆、至少一个电压源，至少一个数字控制单元、至少一个数据传输模块以及惯性测量传感器，并且其特征在于数字控制单元可配置成初始指定在书写基板上的彼此正交的两个轴X，Y和垂直于二维书写基板的轴Z，由此X轴限定初始书写方向并且可进一步配置成补偿将要输出的电子笔的书写位置信号上的不期望的漂移。
在上下文中，数字控制单元还可配置成在预先限定的时间间隔期间并以笔运动的预先限定频率进行移动平均处理，所述移动平均处理沿着彼此正交的两个轴X，Y在书写期间经由在书写基板上对所述测量传感器的传感器数据的积分而由惯性测量传感器确定，以及当前确定的移动平均值与初始平均值和/或与先前确定的移动平均值进行周期性地比较，并且还配置成从将要输出的笔位置信号减去在所述比较期间在当前确定的移动平均值与初始平均值之间出现的偏差和/或在当前确定的移动平均值和先前确定的移动平均值之间出现的偏差。
根据本发明，用于笔位置电子检测的系统尤其可用于监测由电子笔进行的计算和校正以确定笔位置并且监测和重复漂移校正，并且如果必要的话，补足和/或者校正以及尤其是是能够在数据输出单元上输出电子笔的经处理的数据和/或将该数据保存在数据存储单元上。
根据本发明，用于笔位置的电子检测的系统还可包括如上所述的电子笔，所述电子笔可配置成实施如上所述的方法，并且所述系统具有用于接收由电子笔的数据传输模块发送数据的至少一个数据接收模块、用于评估和处理所接收到数据的数据评估单元、数据输出单元和数据存储单元，并且其特征可在于数据评估单元能够对接收到的数据进行积分并校正错误，以及在数据输出单元上输出经处理的数据和/或将该数据存储在数据存储单元上。
附图说明
以下附图以示例性的方式示出：
图1a：电子笔的示例性书写基板坐标系的示意性三维视图。
图1b：电子笔的示例性书写基板坐标系的示意性俯视图。
图2：指定生物计量倾斜角β的示意性示例。
具体实施方式
图1a示例性地示出电子笔100的示例性书写基板坐标系111的三维视图，其能够在二维书写基板108上书写字符110。
在书写基板平面上延伸并且可如上所述指定的轴X(101)，Y(102)彼此正交，并且轴Z(103)垂直于书写基板108。
电子笔100的仰角或倾斜角γ(104)例如可被限定为电子笔100的纵向轴线107与书写基板108即二维书写基板平面之间的角度。
电子笔100的方位角ε(105)可被限定为电子笔100的纵向轴线107与X轴101之间的角度，或者被限定为电子笔100的纵向轴线107在书写基板108上的投影106和X轴101之间的角度。
如已经提及的那样，在书写基板108上彼此正交的轴线(101)，Y(102)可根据电子笔100的纵向轴线107相对于书写基板108的仰角或倾斜角γ(104)被初始指定。
例如，在典型的书写姿势的情况下，方位角ε(105)可被限定为在将要使用/将要指定的坐标系111的X轴101与笔的纵向轴线107在书写基板108上的投影106(即相交线，沿着其由笔的纵向轴线107和书写基板垂线限定的平面与书写基板平面相交)之间的角度。
基于第一坐标轴，例如在书写基板108上的X轴101，其例如根据方位角ε(105)的说明被指定，然后可经由所要求的正交性在书写基板108上指定第二坐标轴，例如Y轴102，坐标系在此可选择性地指定为左手坐标系或右手坐标系。此外，垂直于书写基板108的第三轴线Z轴103可通过相对于所述轴X(101)，Y(102)的所要求的正交性从指定轴线X(101)，Y(102)得出。
图1a中所示的坐标系X，Y，Z(111)例如是右手坐标系。
还可想到使用笔纵向轴线107的倾斜角γ(104)，其与笔纵向轴线107到书写基板108上的投影106成90°，用于限定第一坐标轴，例如Y轴102。
可例如通过X轴101限定电子笔100的书写方向。
另外，图1a示例性地示出字符110，例如用电子笔100的书写杆尖端109在书写基板108上书写的“T”。
图1b示例性地示出电子笔200的书写基板坐标系207的示意性俯视图，其类似于或等同于图1a的书写基板坐标系。
电子笔200的方位角ε(203)例如在此被限定为电子笔200的纵向轴线204与X轴201之间的角度。换言之，它是例如指定X轴201的方位角ε(203)的选择，如上所述的在书写基板205上指定的第一坐标轴可随后用于基于其通过正交性要求来在书写基板205上指定第二坐标轴，例如Y轴202，以及第三坐标轴，例如垂直于书写基板205的Z轴(未示出)。
另外，正如图1a和图1b示例性地示出用电子笔100在书写基板108上书写的字符110，即示例性的“T”，其可包括第一字符轴或长轴209，例如纵向线，以及第二字符轴或短轴206，例如水平线。
在此，例如优选书写方向的方向角η(208)可被限定为字符轴209与书写方向的轴例如X轴201之间的角度。
图2示例性地示出电子笔300的用户的书写手302的三维视图。
具有书写杆尖端310的电子笔300在此示例性地位于用户的食指312和拇指313之间。
此外，该图示例性地示出食指312的第一关节骨303、第二关节骨304、第三关节骨305和第四关节骨306，包括其第一关节(掌指关节)307、第二关节(近侧指间关节)308和第三关节(远侧指间关节)309。
上述类型的方位角ε的值可例如通过在书写手食指302的第一关节骨303和书写手食指302的第二关节骨304之间限定的生物计量倾斜角β(311)指定，并且另外在书写过程中由用户书写手302的食指312的近端指间关节308的旋转轴(未示出)的空间定向来表征。
食指的近侧指间关节的旋转轴通过书写手的生物力学给出，并且其相对于X轴(未示出)的定向是典型的参数，通过其可表征单个笔迹。
生物计量倾斜角β(311)例如可由用户设置，例如，在电子笔300的信号处理软件的默认设置中设置。
为了完整性，应当提及的是，可以根据本发明将图中示例性描述的特征、限定和/或量值组合。
随后是具有3幅附图的3页纸。
附图标记表示以下组件：
100 电子笔
101 第一坐标轴，例如X轴
102 第二坐标轴，例如Y轴
103 第三坐标轴，例如Z轴
104 电子笔的纵向轴线相对于书写基板的仰角或倾斜角γ
105 方位角ε
106 电子笔100的纵向轴线107到书写基板108上的投影，或相交线，沿着所述相交线由笔的纵向轴线107和书写基板垂线限定的平面与书写基板平面相交
107 电子笔的纵向轴线
108 书写基板/书写基板平面
109 书写杆尖端
110 用电子笔书写的字符
111 坐标系X，Y，Z，参考坐标系
200 电子笔
201 第一坐标轴，例如X轴
202 第二坐标轴，例如Y轴
203 方位角ε
204 电子笔的纵向轴线
205 书写基板/书写基板平面
206 第二字符轴或短轴
207 坐标系X，Y，Z，参考坐标系
208 优选书写方向的方向角η
209 第一字符轴或长轴
300 电子笔
301 电子笔的纵向轴线
302 电子笔300的用户的书写手
303 书写手食指的第一关节骨
304 书写手食指的第二关节骨
305 书写手食指的第三关节骨
306 书写手食指的第四关节骨
307 书写手食指的第一关节(掌指关节)
308 书写手食指的第二关节(近侧指间关节)
309 书写手食指的第三关节(远侧指间关节)
310 书写杆尖端
311 生物计量倾斜角β
312 用户书写手的食指
313 用户书写手的拇指
Claims (17)
1.一种用于在二维书写基板(108，205)上在书写期间通过惯性测量传感器来检测和评估电子笔(100，200，300)的运动模式和笔位置的方法，所述方法包括：
在书写基板上初始指定彼此正交的两个轴X，Y(101，102，201，202)和垂直于二维书写基板(108，205)的轴Z(103)，由此X轴(101，201)限定主要书写方向；
补偿在将要输出的笔位置信号上的不期望的漂移，包括：
在预先限定的时间间隔期间并以在二维书写基板(108，205)上笔运动的预先限定的频率进行移动平均处理，所述移动平均处理沿着彼此正交的所述轴X，Y(101，102，201，202)在书写期间通过对测量传感器的传感器数据积分由惯性测量传感器确定；
将当前确定的移动平均值与初始平均值和/或与先前确定的移动平均值进行周期性比较；
从将要输出的笔位置信号减去在所述比较期间在当前确定的移动平均值与初始平均值之间产生的偏差和/或在当前确定的移动平均值和先前确定的移动平均值之间的偏差；
在对传感器数据积分以便确定电子笔(100，200，300)的位置信号之前并且在提取其在书写方向上的运动之前，用高通滤波器和低通滤波器来清除高于和低于用户的典型书写运动频率的周围频率的传感器数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于移动平均的时间间隔大于1s、2s或5s。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在书写基板(108，205)上彼此正交的两个轴X，Y(101，102，201，202)的初始指定根据电子笔(100，200，300)的纵向轴线相对于书写基板(108，205)的仰角或倾斜角γ(104)和/或根据电子笔(100，200，300)纵向轴线(107，204，301)的方位角ε(105，203)或电子笔纵向轴线的投影(106)来执行。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述方位角ε(105，203)被限定为在要被确定的坐标系的X轴(111，207)和由笔的纵向轴线和书写基板的垂线形成的平面与书写基板平面的相交线(106)之间的角度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于+30°±10°的值设置为方位角ε(105，203)的初始值。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于方位角ε(105，203)根据相对于书写方向轴的生物计量倾斜角β(311)被调节，并且方位角ε由书写手食指的第二关节(308)的旋转轴线确定。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于用户设置初始书写速度值，对于用户笔迹而言初始书写速度值是典型的。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于用户设置初始书写速度值在0.1cm/s至2cm/s之间。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于用户设置初始书写速度值为1±0.5cm/s。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过小波滤波器确保过滤过程，并且由此哈尔小波用作基本小波。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在电子笔的书写杆尖端相对于所述书写基板平面的静止点处，从积分的速度信号中局部读取X和Y方向上的漂移，由此校正将要输出的笔位置信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述静止点处在标点之后。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过将确定的字符倾斜度与假定的字符倾斜度进行比较来校正和补偿在确定的字符倾斜度中的误差。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于对于方位角ε(105，203)和倾斜角γ(104)的多个值而言，并行地执行将方位角ε(105，203)和倾斜角γ(104)的坐标变换到书写基板坐标x，y，由此确定方位角ε(105，203)和倾斜角γ(104)的线性组合，在所述线性组合中在Z方向上的确定的加速度中的误差减小到最小。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过确定倾斜角γ(104)以及测量自然磁场或局部人工磁场的强度和/或变化实施电子笔(100，200，300)在书写基板(108，205)上的位置(即位置信号)的绝对参照。
16.一种具有笔位置检测系统的电子笔(100，200，300)，所述电子笔包括书写杆、至少一个电压源、至少一个数字控制单元、至少一个数据传输模块以及惯性测量传感器，其特征在于：
数字控制单元配置成初始指定在书写基板(108，205)上的彼此正交的两个轴X，Y(101，102，201，202)和垂直于二维书写基板的轴Z，由此X轴(101，201)限定初始书写方向，并且可进一步配置成：
补偿将要输出的电子笔(100，200，300)的书写位置信号上的不期望的漂移，包括将数字控制单元配置成：
在预先限定的时间间隔期间并以在书写基板(108，205)上笔运动的预先限定的频率进行移动平均处理，所述移动平均处理沿着彼此正交的两个轴X，Y(101，102，201，202)并且在书写期间通过测量传感器的传感器数据的积分而由惯性测量传感器确定；以及
将当前确定的移动平均值与初始平均值和/或与先前确定的移动平均值进行周期性地比较，并且进一步配置成：
从将要输出的笔位置信号减去在所述比较期间在当前确定的移动平均值与初始平均值之间出现的偏差和/或在当前确定的移动平均值和先前确定的移动平均值之间的偏差，以及
在对传感器数据积分以便确定电子笔(100，200，300)的位置信号之前并且在提取其在书写方向上的运动之前，用高通滤波器和低通滤波器来清除高于和低于用户的典型书写运动频率的周围频率的传感器数据。
17.一种用于电子检测笔位置的系统，所述系统包括根据权利要求16所述的电子笔(100，200，300)并且所述电子笔配置成实施根据前述权利要求1至15中任一项所述的方法，所述系统还具有用于接收由电子笔(100，200，300)的数据传输模块(111)发送数据的至少一个数据接收模块、用于评估和处理所接收到数据的数据评估单元、数据输出单元和数据存储单元；其特征在于：
数据评估单元可对接收到的数据进行积分并校正错误，以及在数据输出单元上输出经处理的数据和/或将它们存储在数据存储单元上。
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