CN108710442A - 一种用于人机交互的空间鼠标及电磁定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于人机交互的空间鼠标及电磁定位方法，能够降低成本。所述方法包括：分别获取第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度；根据预先确定的所述第一磁感应强度传感器与所述第二磁感应强度传感器之间的位置关系，以及获取的第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标在空间中的位置。本发明适用于人机交互操作。

Description

一种用于人机交互的空间鼠标及电磁定位方法

技术领域

本发明涉及电磁跟踪技术领域，特别是指一种用于人机交互的空间鼠标及电磁定位方法。

背景技术

近年来，空间定位和人机交互都是研究历史较长的课题。空间定位的解决方案有GPS定位、IMU定位、Wi-Fi定位、基站定位等。空间交互方式有键盘输入、鼠标输入、深度摄像头人体动作识别输入等。在空间层面上的人机交互的方案有基于深度摄像头和图像识别的肢体动作识别等，该方案的优点是，识别算法成熟，且定位的空间范围较大；其缺点是，让人有明显的延时感，用户体验程度上比较有限。

目前，电磁跟踪技术多用于军事、医疗及虚拟现实等领域。现有技术一，通过利用张量法解算空间位置，该方法需在空间中放置至少5个高精度的磁感应强度传感器，高精度的磁感应强度传感器成本高昂，该方法多用于军事目标的定位。现有技术二，使用基于传感器阵列的电磁定位方法，该方法在医疗上得到了应用，其缺点也是需要使用大量的传感器，从而增加了成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于人机交互的空间鼠标及电磁定位方法，以解决现有技术所存在的电磁定位所需的传感器数量多、成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种用于人机交互的空间鼠标，包括：鼠标本体和设于所述鼠标本体内部的磁场发射装置；其中，

所述磁场发射装置用于发射磁场，以便预先设置的测量装置测量空间中的磁感应强度，根据测量到的空间中的磁感应强度确定所述空间鼠标的空间位置，并将确定的所述空间鼠标的空间位置发送至计算机，所述计算机根据接收到的所述空间鼠标的空间位置进行工作；

其中，所述测量装置包括：2个磁感应强度传感器，2个磁感应强度传感器之间的位置关系是确定的。

进一步地，所述磁场发射装置为永磁体。

进一步地，所述测量装置包括：第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器和与所述第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器相连的微控制器；

所述第一磁感应强度传感器，用于测量其所在位置的磁感应强度；

所述第二磁感应强度传感器，用于测量其所在位置的磁感应强度；

所述微控制器，用于根据所述第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标的空间位置，并将确定的所述空间鼠标的空间位置发送至计算机。

进一步地，所述空间鼠标与所述测量装置连接；

所述测量装置与所述计算机连接。

进一步地，所述空间鼠标、测量装置分别与所述计算机连接。

本发明实施例还提供一种应用于所述空间鼠标的电磁定位方法，包括：

分别获取第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度；

根据预先确定的所述第一磁感应强度传感器与所述第二磁感应强度传感器之间的位置关系，以及获取的第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标在空间中的位置。

进一步地，在分别获取第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度之前，所述方法还包括：

以第一磁感应强度传感器的位置为坐标原点建立空间直角坐标系、将第二磁感应强度传感器放置于处，磁场发射装置位于处，磁场发射装置的磁矩为

则当磁场发射装置处于处、磁矩为时，第一磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度和第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度满足：

其中，B_1x、B_1y、B_1z表示第一磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，B_2x、B_2y、B_2z表示第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，x₁、y₁、z₁表示磁场发射装置相对于第一磁感应强度传感器的坐标，x₂、y₂、z₂表示磁场发射装置相对于第二磁感应强度传感器的坐标，m_x、m_y、m_z分别是磁场发射装置的磁矩在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，μ₀表示常数系数。

进一步地，x₁、y₁、z₁和x₂、y₂、z₂之间满足：

其中，x₀、y₀、z₀是在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量。

进一步地，所述根据预先确定的所述第一磁感应强度传感器与所述第二磁感应强度传感器之间的位置关系，以及获取的第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标在空间中的位置包括：

定义目标函数：

其中，目标函数J为矢量，和分别表示第一磁感应强度传感器和第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，分别表示当磁场发射装置处于处、磁矩为时，第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器的理论磁感应强度；

根据定义的目标函数，利用梯度下降法对

进行求解，得到所述空间鼠标在空间中的位置。

进一步地，所述梯度下降法表示为：

其中，α和β都表示迭代系数，k表示与磁感应强度有关的因子，:＝为赋值符号。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，分别获取第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度；根据预先确定的所述第一磁感应强度传感器与所述第二磁感应强度传感器之间的位置关系，以及获取的第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标在空间中的位置；这样，只需要2个磁感应强度传感器就能实现空间鼠标的定位操作，所需的传感器数量多、成本低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于人机交互的空间鼠标的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的测量装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的空间鼠标定位系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的电磁定位方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的建立的空间直角坐标系示意图；

图6为本发明实施例提供的不同迭代系数对应的代价函数收敛情况对比示意图；

图7为本发明实施例提供的代价函数曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的电磁定位所需的传感器数量多、成本高的问题，提供一种用于人机交互的空间鼠标及电磁定位方法。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的用于人机交互的空间鼠标，包括：鼠标本体和设于所述鼠标本体内部的磁场发射装置；其中，

所述磁场发射装置用于发射磁场，以便预先设置的测量装置测量空间中的磁感应强度，根据测量到的空间中的磁感应强度确定所述空间鼠标的空间位置，并将确定的所述空间鼠标的空间位置发送至计算机，所述计算机根据接收到的所述空间鼠标的空间位置进行工作；

其中，所述测量装置包括：2个磁感应强度传感器，2个磁感应强度传感器之间的位置关系是确定的。

本发明实施例所述的用于人机交互的空间鼠标，通过确定位置关系的2个磁感应强度传感器测量空间中的磁感应强度，根据2个磁感应强度传感器测量到的空间中的磁感应强度确定所述空间鼠标的空间位置，并将确定的所述空间鼠标的空间位置发送至计算机，所述计算机根据接收到的所述空间鼠标的空间位置进行工作，从而实现人机交互操作。

在前述用于人机交互的空间鼠标的具体实施方式中，进一步地，所述磁场发射装置为永磁体。

本实施例中，所述磁场发射装置为永磁体，也可以是其他产生磁场的装置，在实际应用中，可以根据实际情况进行确定。

本实施例中，为了获得所述空间鼠标在空间中的位置，可以在所述鼠标本体中放置一块永磁体，并利用永磁体的磁场在空间中的分布特点，对该永磁体进行定位，从而获得所述空间鼠标/鼠标本体/永磁体的空间位置。

本实施例中，所述永磁体是磁铁中的一种。

在前述用于人机交互的空间鼠标的具体实施方式中，进一步地，所述测量装置包括：第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器和与所述第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器相连的微控制器；

所述第一磁感应强度传感器，用于测量其所在位置的磁感应强度；

所述第二磁感应强度传感器，用于测量其所在位置的磁感应强度；

所述微控制器，用于根据所述第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标的空间位置，并将确定的所述空间鼠标的空间位置发送至计算机。

本实施例中，如图2所示，第一磁感应强度传感器(磁感应强度传感器1)和第二磁感应强度传感器(磁感应强度传感器2)测量得到永磁体在相应两处的磁感应强度大小。

本实施例中，磁感应强度传感器1与磁感应强度传感器2可以相距30cm左右，在实际情况中，可以根据实际情况确定。

所述微控制器读取磁感应强度传感器1、磁感应强度传感器2测量得到的磁感应强度，根据读取的数据，确定所述空间鼠标的空间位置，并将确定的所述空间鼠标的空间位置通过无线收发模块发送至计算机。

本实施例中，所述测量装置还包括：无线收发模块，在图2中未标出。

在前述用于人机交互的空间鼠标的具体实施方式中，进一步地，所述空间鼠标与所述测量装置连接；

所述测量装置与所述计算机连接。

本实施中，所述鼠标本体可以包括：左击按键、右击按键、滚动按键。

本实施例中，如图3所示，所述鼠标本体与所述微控制器可以通过蓝牙等无线的方式进行连接，所述微控制器通过有线或无线的方式连接到计算机。所述鼠标本体将按键动作数据，通过蓝牙等无线的方式发送给所述微控制器，所述微控制器接收到按键动作数据后，将按键动作数据同空间位置数据一并发送给计算机，计算机接收来自微控制器发送的数据，从而完成对计算机中的鼠标箭头的操作，就如同目前市面上的普通鼠标操作计算机一样。如果鼠标本体无按键动作，即微控制器未接收到来自鼠标的按键动作数据，则微控制器仅向计算机发送空间位置数据。

在前述用于人机交互的空间鼠标的具体实施方式中，进一步地，所述空间鼠标、测量装置分别与所述计算机连接。

本实施例中，所述鼠标本体通过无线方式连接到计算机，所述微控制器通过有线或无线方式连接到计算机。鼠标本体将按键动作数据发送给计算机，微控制器解算出空间位置后将空间位置数据发送给计算机。

本实施例中，利用磁场进行空间定位，得到了定位信息以后，将定位信息运用于人机交互，从而实现一个“空间鼠标”，即人们能够在空间范围内操作计算机。随着3维技术的发展，例如，空间投影技术或是对于目前虚拟现实场景，甚至是对于3D绘图软件，空间范围内利用所述空间鼠标操作计算机就非常有必要了，因此，空间鼠标的市场前景是巨大的，甚至计算机的操作界面也会因此做出改变，改变为3维的界面。

实施例二

如图4所示，本发明实施例还提供一种电磁定位方法，包括：

S101，分别获取第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度；

S102，根据预先确定的所述第一磁感应强度传感器与所述第二磁感应强度传感器之间的位置关系，以及获取的第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标在空间中的位置。

本发明实施例所述的电磁定位方法，分别获取第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度；根据预先确定的所述第一磁感应强度传感器与所述第二磁感应强度传感器之间的位置关系，以及获取的第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标在空间中的位置；这样，只需要2个磁感应强度传感器就能实现空间鼠标的定位操作，所需的传感器数量多、成本低。

本实施例中，为了更好地理解所述的电磁定位方法，对其相关的数学原理进行简单说明：

本实施例中，可以将磁场发射装置抽象为一个磁偶极子，根据磁偶极子的物理模型，磁偶极子在空间中任意一点处的的磁场为：

式(1)中，代表空间中任意一点相对于磁偶极子的位矢(即空间位置坐标)，代表处的磁感应强度，代表磁偶极子的磁矩(磁矩是磁偶极子的一个固有属性)，μ₀是一个常数系数，r表示空间中任意一点相对于磁偶极子的距离。

式(1)是一个矢量方程，将其改为标量方程，如式(2)：

式(2)中，B_x、B_y、B_z分别是是磁感应强度在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，m_x、m_y、m_z分别是磁矩在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，x、y、z分别是位矢在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量。

如果能测量出则可以计算出和

因为要计算和从式(2)中可以看出，共需计算m_x、m_y、m_z、x、y、z六个未知数，所以式(2)的三个方程无法解出。因此，需要得到更多的方程，所以在空间中放置两个磁感应强度传感器，如图2和图5所示，以磁感应强度传感器1的位置为坐标原点建立空间直角坐标系，将磁感应强度传感器2放置于处，磁场发射装置位于处，磁场发射装置的磁矩为则可以得到式(3)：

式(3)中，B_1x、B_1y、B_1z表示磁感应强度传感器1测量得到的磁感应强度在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，B_2x、B_2y、B_2z表示磁感应强度传感器2测量得到的磁感应强度在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，x₁、y₁、z₁表示磁场发射装置相对于磁感应强度传感器1的坐标，x₂、y₂、z₂表示磁场发射装置相对于磁感应强度传感器2的坐标，并满足关系式(4)，m_x、m_y、m_z分别是磁场发射装置的磁矩在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，μ₀表示常数系数。

本实施例中，式(4)为：

式(4)中，x₀、y₀、z₀是在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，是常数。

这样，由式(3)的六个方程，可以解6个未知数。只要由磁感应强度传感器1测得了其所在位置的B_1x、B_1y、B_1z、磁感应强度传感器2测得了其所在位置的B_2x、B_2y、B_2z，就可以解出六个未知数x₁、y₁、z₁、m_x、m_y、m_z。x₁、y₁、z₁就是磁场发射装置的空间位置，这样一来就解算出了磁场发射装置的空间位置，即得到了空间鼠标的空间位置。

本实施例中，由于式(3)所表示的方程组是非线性方程组，因此无法通过常规的线性方程组解法求得方程组的解。本实施例中，可以使用最优化(Optimization)理论中的梯度下降法求解该方程组：

首先定义优化的目标函数

式(5)中，目标函数J为矢量，和分别表示磁感应强度传感器1和磁感应强度传感器2在所在位置处测量得到的磁感应强度，和是当磁场发射装置处于处、磁矩为时，磁感应强度传感器1和第二磁感应强度传感器2的理论磁感应强度。

接下来要做的是计算出一个和使理论磁感用强度与实际磁感应强度的误差最小，这样和也最接近实际的位矢和磁矩，算法1如下：

Repeat{

}

其中，α和β为迭代系数，:＝为赋值符号。

若固定α和β，则在不同位置，由于磁场强度不一样，梯度下降的速率就不一样。在离磁铁较近的位置，磁场强度较大，则需要选用较小的迭代系数，否则将导致数值不收敛；在离磁铁较远的位置，磁场强度较小，则需要选用较大的迭代系数，否则将导致数值收敛过慢。迭代系数与磁感应强度大小有关，因此，可以在迭代系数前乘上与磁感应强度有关的因子k。为保持迭代系数仍是常数，将这个因子放在了梯度计算的过程中，即算法2：

Repeat{

}

本实施例中，利用算法2解方程组式(3)，得到磁场发射装置的空间位置x₁、y₁、z₁，即：空间鼠标的空间位置。

经实践，调试得k＝-2，α＝0.008，β＝0.4。图6为k＝-2时，不同迭代系数对应的代价函数收敛情况的对比。

本实施例中，考虑到实际测量存在误差，对算法2进行简单的鲁棒性测试。在实际测量的磁场上添加一个系统误差，即B_measure:＝B_real+B_error，然后利用算法2计算位矢，对比计算结果和真实结果。

作为一个例子，取r＝(0.2,0.2,0.2)，计算得此时的真实磁感应强度B_real。设测量的系统误差恒定，为(+10％,-10％,+10％)，即B_error＝(10％×B_realx,-10％×B_realy,10％×B_realz)，其中，(B_realx,B_realy,B_realz)＝B_real。

运行程序，得到计算结果：

r_measure＝(0.2184,0.1781,0.2177)

代价函数曲线如图7所示。

在磁感应强度传感器的测量有(+10％,-10％,+10％)的误差时，则位矢测量误差为：(+9.2％,-11.0％,+8.9％)。

可见，梯度下降法仍然收敛到解的附近，即算法2具有一定的鲁棒性，对磁场发射装置的定位精度取决于磁感应强度传感器的测量精度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于人机交互的空间鼠标，其特征在于，包括：鼠标本体和设于所述鼠标本体内部的磁场发射装置；其中，

所述磁场发射装置用于发射磁场，以便预先设置的测量装置测量空间中的磁感应强度，根据测量到的空间中的磁感应强度确定所述空间鼠标的空间位置，并将确定的所述空间鼠标的空间位置发送至计算机，所述计算机根据接收到的所述空间鼠标的空间位置进行工作；

其中，所述测量装置包括：2个磁感应强度传感器，2个磁感应强度传感器之间的位置关系是确定的。

2.根据权利要求1所述的用于人机交互的空间鼠标，其特征在于，所述磁场发射装置为永磁体。

3.根据权利要求1所述的用于人机交互的空间鼠标，其特征在于，所述测量装置包括：第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器和与所述第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器相连的微控制器；

所述第一磁感应强度传感器，用于测量其所在位置的磁感应强度；

所述第二磁感应强度传感器，用于测量其所在位置的磁感应强度；

所述微控制器，用于根据所述第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标的空间位置，并将确定的所述空间鼠标的空间位置发送至计算机。

4.根据权利要求1所述的用于人机交互的空间鼠标，其特征在于，所述空间鼠标与所述测量装置连接；

所述测量装置与所述计算机连接。

5.根据权利要求1所述的用于人机交互的空间鼠标，其特征在于，所述空间鼠标、测量装置分别与所述计算机连接。

6.一种应用于权利要求1-5任一项所述的空间鼠标的电磁定位方法，其特征在于，包括：

分别获取第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度；

根据预先确定的所述第一磁感应强度传感器与所述第二磁感应强度传感器之间的位置关系，以及获取的第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标在空间中的位置。

7.根据权利要求6所述的电磁定位方法，其特征在于，在分别获取第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度之前，所述方法还包括：

以第一磁感应强度传感器的位置为坐标原点建立空间直角坐标系、将第二磁感应强度传感器放置于处，磁场发射装置位于处，磁场发射装置的磁矩为

则当磁场发射装置处于处、磁矩为时，第一磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度和第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度满足：

其中，B_1x、B_1y、B_1z表示第一磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，B_2x、B_2y、B_2z表示第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，x₁、y₁、z₁表示磁场发射装置相对于第一磁感应强度传感器的坐标，x₂、y₂、z₂表示磁场发射装置相对于第二磁感应强度传感器的坐标，m_x、m_y、m_z分别是磁场发射装置的磁矩在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量，μ₀表示常数系数。

8.根据权利要求7所述的电磁定位方法，其特征在于，x₁、y₁、z₁和x₂、y₂、z₂之间满足：

其中，x₀、y₀、z₀是在空间直角坐标系的x、y、z三个方向上的分量。

9.根据权利要求8所述的电磁定位方法，其特征在于，所述根据预先确定的所述第一磁感应强度传感器与所述第二磁感应强度传感器之间的位置关系，以及获取的第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，确定所述空间鼠标在空间中的位置包括：

定义目标函数：

其中，目标函数J为矢量，和分别表示第一磁感应强度传感器和第二磁感应强度传感器测量得到的磁感应强度，分别表示当磁场发射装置处于处、磁矩为时，第一磁感应强度传感器、第二磁感应强度传感器的理论磁感应强度；

根据定义的目标函数，利用梯度下降法对

进行求解，得到所述空间鼠标在空间中的位置。

10.根据权利要求9所述的电磁定位方法，其特征在于，所述梯度下降法表示为：

其中，α和β都表示迭代系数，k表示与磁感应强度有关的因子，:＝为赋值符号。