CN1273887C - 3维输入装置及其方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于精确恢复3D输入装置的位置的3D输入装置和方法。该3D输入装置包括：第一传感器，其测量在体坐标系统(body coordinate system)中3D输入装置的第一速度；第二传感器，其测量关于体坐标系统的三正交轴的3D输入装置的加速度和角速度；姿态信息产生单元，其通过使用加速度和角速度来产生3D输入装置的姿态信息；速度转换单元，其通过使用姿态信息将第一速度转换为在绝对坐标中的第二速度；以及位置恢复单元；其通过对第二速度积分来恢复3D输入装置的位置。

Description

3维输入装置及其方法

技术领域

本发明涉及用于输入信息的装置和方法，尤其涉及用于恢复该装置的空间位置的3D输入装置及其方法。

背景技术

传统上讲，包括诸如LCD输入板(LCD tablet)或数字转换台(digitizertable)的二维传感器阵列的输入装置已经广泛地用来将用笔手写的数据输入到个人便携终端或计算机设备。这样的输入装置要求附加的检测平面，在该平面放置大尺寸的二维传感器阵列。因此，输入装置不仅占据预定的空间，而且也不方便携带且非常昂贵。由于对小尺寸个人便携终端要求的增加，已经开发了监视类型或手提类型终端。由于对减小便携终端体积的增长趋势，所以显示屏的大小也减小。因此，通过使用传统的输入板自然手写输入数据是困难的。

所以，如果仅通过使用专用电子笔在普通平面上而不是在物理输入板上能够进行文档输入，则其是有效的。原因是专用电子笔能够比传统笔输入设备提供大的输入空间并且随后使自然手写笔迹能够输入。使在普通平面上能够输入的电子笔以自移动检测方式操作。为了使用该电子笔输入文档或图画，在基准坐标系统中笔尖的位置应该被连续地获得。然而，在多数情况下，虽然电子笔以手写状态与平面接触，但是电子笔在非手写或移动状态中是与平面分开的。因此，要求一种设备，为了甚至在笔与平面分开时也能精确测量笔的位置。

为了克服这些问题，专利号为5902968和5981884的美国专利公开了一种获得笔尖位置的方法和一种电子笔，所述笔尖包括3轴加速度传感器和3轴Gyro传感器，并且执行典型的三维手写移动。在该方法中，典型的惯性导航系统(INS)在电子笔中应用。安装在电子笔上的3轴加速度传感器测量在x、y和z轴上的加速度，以及3轴Gyro传感器测量欧拉(Euler)角，该欧拉角表示为倾斜角Φ、俯仰角Θ和偏转角Ψ。因此，测量在绝对坐标系统中的笔的姿态和加速度，以便恢复用户的手写笔迹。

通过二重积分加速度来恢复上述电子笔的位置，该加速度使用加速度传感器获得。然而，由于从加速度传感器获得的误差也被二重积分，所以由加速度误差引起的位置误差随时间极大增加，从而电子笔的位置不能够精确地恢复。

发明内容

本发明提供3D输入装置及其方法，用于通过将传统的惯性导航系统(INS)和速度传感器结合来使3D输入装置的位置能够被精确地恢复。

根据本发明的一个方面，提供一种用于恢复输入信息的3D输入装置，该装置包括：第一传感器，用于测量体坐标系统中3D输入装置的第一速度；第二传感器，用于测量关于体坐标系统的三正交轴的3D输入装置的加速度和角速度；姿态信息产生单元，用于通过使用加速度和角速度来产生3D输入装置的包含倾斜角、俯仰角和偏转角的姿态信息；速度转换单元，用于通过使用姿态信息将第一速度转换为在绝对坐标系统中的第二速度；以及位置恢复单元，用于通过对第二速度积分来在绝对坐标系中恢复3D输入装置的位置。

速度转换单元可以产生方向余弦矩阵并通过使用方向余弦矩阵将第一速度转换为第二速度，所述方向余弦矩阵用于通过使用姿态信息将体坐标系统转换为绝对坐标系统。

姿态信息产生单元可以包括：初始信息产生器，用于通过使用在3D输入装置处于静止时测量的加速度来产生3D输入装置的初始姿态信息；以及移动姿态信息产生器，用于通过使用角速度和初始姿态信息来产生3D输入装置的移动姿态信息。

根据本发明的另一方面，提供一种用于恢复输入信息的3D输入方法。该方法包括：测量体坐标系统中的3D输入装置的第一速度、加速度、以及角速度；通过使用加速度和角速度来产生3D输入装置的包含倾斜角、俯仰角和偏转角的姿态信息；通过使用姿态信息来将第一速度转换为绝对坐标系统的第二速度；以及通过对第二速度积分来在绝对坐标系中恢复3D输入装置的位置。

转换第一速度为第二速度可以包括：通过使用姿态信息来产生方向余弦矩阵，所要求的方向余弦矩阵用于将体坐标系统转换为绝对坐标系统；以及通过使用方向余弦矩阵将第一速度转换为第二速度。

产生姿态信息可以包括：通过使用在3D输入装置处于静止时测量的加速度来产生3D输入装置的初始姿态信息；以及通过使用角速度和初始姿态信息来产生3D输入装置的移动姿态信息。

附图说明

通过参考附图来详细说明本发明的示例性实施方式，本发明的上述和其特征及优点将更为明显，其中：

图1A说明了用在本发明中的坐标系统；

图1B说明了根据本发明的具有各种传感器的3D输入装置；

图2是根据本发明实施例的3D输入装置的方框图；

图3A至3E说明了使用欧拉角将体坐标系统转换为绝对坐标系统的过程；以及

图4说明了根据本发明实施例的3D输入方法的流程图。

具体实施方式

现在，通过参考附图来较完整地说明本发明，其中示出本发明的示例性

实施例。

图1A说明了用在本发明中的坐标系统，以及图1B说明了根据本发明的具有各种传感器的3D输入装置。

参考图1A，将用在本发明中的坐标系统分类为绝对坐标系统和体坐标系统。该绝对坐标系统是具有相互正交的x、y和z轴的笛卡尔坐标系统。此处，沿着绝对坐标系统的z轴指向引力场。体坐标系统是另一具有沿着3D输入装置的预定方向指向的一个轴的笛卡尔坐标系统。例如，如图1A所示，体坐标系统的z轴可以沿着3D输入装置100的笔尖方向指向。此外，参考图1B，本发明的3D输入装置包括速度传感器、加速度传感器和角速度传感器。

图2是根据本发明的3D输入装置的方框图。3D输入装置100包括速度传感器200、加速度传感器210和角速度传感器220。速度传感器200、加速度传感器210和角速度传感器220分别测量3D输入装置100的速度、加速度和角速度，该测量可以由沿着体坐标系统的轴移动3D输入装置100而引发。在本发明中，3D输入装置100使用速度传感器200(光转换测量传感器，OTM传感器)，其通过使用激光技术和多普勒效应来测量相对于传感器表面的移动并按照体坐标系统的每个轴的速度输出结果。三轴加速度传感器和三轴角速度传感器用来分别作为加速度传感器210和角速度传感器220。

同样，3D输入装置100包括姿态信息产生单元230，其通过使用测量的加速度和角速度来产生输入装置的姿态信息。该姿态信息产生单元230包括初始姿态信息产生器232和移动姿态信息产生器234。当3D输入装置处于静止时，初始姿态信息产生器232通过使用由引力引发的所测量的加速度来产生3D输入装置100的初始姿态信息。移动姿态信息产生器234通过使用在3D输入装置移动期间测量的角速度和初始姿态信息来产生3D输入装置100的移动姿态信息。

3D输入装置100还包括速度转换单元240和位置恢复单元250。速度转换单元240将体坐标系统的速度转换为绝对坐标系统的速度，所述体坐标系统的速度从速度传感器200输入。位置恢复单元250将转换的绝对坐标系统的速度积分并恢复3D输入装置100的位置。

姿态信息产生单元230使用欧拉角来表示3D输入装置100的姿态信息并向速度转换单元240输出欧拉角，该欧拉角包括倾斜角Φ、俯仰角Θ和偏转角Ψ。通过使用欧拉角，速度转换单元240将体坐标系统的速度转换为绝对坐标系统的速度，所述体坐标系统的速度由速度传感器200测量。

图3A至3E说明使用欧拉角将体坐标系统转换为绝对坐标系统的过程。

图3A说明了(x，y，z)坐标系统和(x2，y2，z2)坐标系统，这两个坐标轴系统的轴彼此相对旋转。在图3中，空间中的任意位置和向量根据坐标轴系统来不同地表示。如果使用(x，y，z)坐标系统，则空间中的任意位置和向量能够由在(x，y，z)坐标系统中测量的(x2，y2，z2)坐标系统的原点O2的位置和方向余弦矩阵来完整地说明。同样，如果使用(x2，y2，z2)坐标系统，则空间中的任意位置和向量能够由在(x2，y2，z2)坐标系统中测量的(x，y，z)坐标系统的原点O的位置和方向余弦矩阵来说明。方向余弦矩阵说明了在两个坐标系统之间的相对旋转并用欧拉角表示。

现在参考图3B来说明方向余弦矩阵和欧拉角。在图3B中，在图3A中示出的两个坐标系统的原点彼此一致。由于方向余弦矩阵仅仅说明在两个坐标系统之间的相对旋转，并且不依赖于两个坐标系统的原点之间的距离，所以能够使用图3B来说明。

能够通过三操作旋转转换处理将(x，y，z)坐标系统转换为(x2，y2，z2)坐标系统。首先，通过围绕z轴以角度Ψ旋转(x，y，z)坐标系统来将(x，y，z)坐标系统转换为(x1，y1，z1)坐标系统，如图3C所示。该旋转转换以下列等式给出：

$\left[\begin{array}{c}x1\\ y1\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中Ψ定义为偏转角。

其次，如图3D所示，通过围绕y1轴以角度Θ旋转(x1，y1，z1)坐标系统来将从偏转转换获得的(x1，y1，z1)坐标系统转换为(x2，y1，z1)坐标系统。该旋转转换以下列等式给出：

$\left[\begin{array}{c}x2\\ y1\\ z1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& -\sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x1\\ y1\\ z\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中Θ定义为俯仰角。

第三，通过围绕x2轴以角度Φ旋转(x2，y1，z1)坐标系统来将在等式2中说明的从俯仰角转换获得的(x2，y1，z1)坐标系统转换为(x2，y2，z2)坐标系统，如图3E所示。该旋转转换以下列等式给出：

$\left[\begin{array}{c}x2\\ y2\\ z2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\φ}\\ 0& \sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x2\\ y1\\ z1\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中Φ定义为倾斜角。

因此，能够使用在等式1、2和3中表示的偏转、俯仰和倾斜转换从(x，y，z)坐标系统获得(x2，y2，z2)坐标系统，以得到下列等式：

$\left[\begin{array}{c}x2\\ y2\\ z2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\φ}\\ 0& -\sin & \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& -\sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\ψ}\\ -\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& -\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]---\left(4\right)$

$=C_{\mathrm{xyz}}^{x2y2z2}\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$

其中C_xyz ^x2y2z2定义为方向余弦矩阵。此处，方向余弦矩阵具有以下标准正交性：

${\left(C_{\mathrm{xyz}}^{x2y2z2}\right)}^T{C}_{\mathrm{xyz}}^{x2y2z2}=C_{\mathrm{xyz}}^{x2y2z2}{\left(C_{\mathrm{xyz}}^{x2y2z2}\right)}^T=I---\left(5\right)$

其中()^T是任意矩阵()的转置矩阵，以及I是单位矩阵。

如上所述，在两个坐标系统之间的相对旋转能够通过方向余弦矩阵来说明，并且方向余弦矩阵是倾斜角、俯仰角和偏转角的函数。所以，通过获得倾斜角、俯仰角和偏转角，能够说明在两个坐标系统之间的相对旋转。

${\left[v\right]}_{x2y2z2}=C_{\mathrm{xyz}}^{x2y2z2}{\left[v\right]}_{\mathrm{xyz}}---\left(6\right)$

此处，[v]_x2y2z2和[v]_xyz分别是在(x，y，z)坐标系统和(x2，y2，z2)坐标系统中说明的向量v。因此，能够使用上述方向余弦矩阵将根据本发明的体坐标系统的速度和加速度转换为绝对坐标系统的速度和加速度。

其后，用于将体坐标系统的速度和加速度转换为绝对坐标系统的速度和加速度的方向余弦矩阵以下列等式给出：

$C_b^n=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\θ}}_c{\mathrm{\ψ}}_c& {-\mathrm{\φ}}_c{\mathrm{\ψ}}_s+{\mathrm{\φ}}_s{\mathrm{\θ}}_s{\mathrm{\ψ}}_c& {\mathrm{\φ}}_s{\mathrm{\ψ}}_s+{\mathrm{\φ}}_c{\mathrm{\θ}}_s{\mathrm{\ψ}}_c\\ {\mathrm{\θ}}_c{\mathrm{\ψ}}_s& {\mathrm{\φ}}_c{\mathrm{\ψ}}_c+{\mathrm{\φ}}_s{\mathrm{\θ}}_s{\mathrm{\ψ}}_s& {-\mathrm{\φ}}_s{\mathrm{\ψ}}_c+{\mathrm{\φ}}_c{\mathrm{\θ}}_s{\mathrm{\ψ}}_s\\ -{\mathrm{\θ}}_s& {\mathrm{\φ}}_s{\mathrm{\θ}}_c& {\mathrm{\φ}}_c{\mathrm{\θ}}_c\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中，C_b ⁿ是在等式4中表示的C_xyz ^x2y2z2的转置矩阵，φ_c和φ_s分别表示cosφ和sinφ。同样，θ_c，θ_s，ψ_c和ψ_s分别表示cosθ，sinθ，cosψ和sinψ。

图4说明了根据本发明实施例的3D输入方法的流程图。参考图4，在步骤400中，当驱动3D输入装置100时，速度传感器200、加速度传感器210和角速度传感器220分别测量3D输入装置100的速度(V_bx，V_by，V_bz)、加速度(A_bx，A_by，A_bz)和角速度(ω_bx，ω_by，ω_bz)。

在步骤410中，姿态信息产生单元230从加速度传感器210和角速度传感器220分别接收加速度和角速度，以及产生有关绝对坐标系统中3D输入装置100的空间位置的姿态信息。该姿态信息用欧拉角表示。

更具体地说，当3D输入装置100处于稳定状态时，由于引力，加速度传感器210向初始姿态信息产生器232输出恒定的加速度。在步骤412中，初始姿态信息产生器232通过使用在绝对坐标系统的重力加速度g和初始加速度传感器的输出之间的关系来获得稳定状态的俯仰角和倾斜角，所述关系表示如下：

$\left|\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{bx}}\\ A_{\mathrm{by}}\\ A_{\mathrm{bz}}\end{array}\right|={-C}_n^b\left|\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right|=\left|\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}\\ -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ -\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right|g---\left(8\right)$

从等式8获得A_bx＝-gsinθ和A_by＝-gsinθ并且得出表示如下的俯仰角Θ和倾斜角Φ：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\frac{A_{\mathrm{bx}}}{g}---\left(9\right)$

$\mathrm{\φ}={-\sin }^{-1}\frac{A_{\mathrm{by}}}{g\cos \mathrm{\θ}}$

在步骤414，移动姿态信息产生器234从初始姿态信息产生器232和角速度传感器220分别接收每个轴的角速度和初始姿态信息，并且产生用欧拉角表示的移动姿态信息。

移动姿态信息产生器234通过使用初始俯仰角和倾斜角以及从角速度传感器220接收的角速度(ω_bx，ω_by，ω_bz)来求解下列微分等式10。

$\mathrm{\φ}=w_{\mathrm{bx}}+(w_{\mathrm{by}}\sin \mathrm{\φ}+w_{\mathrm{bz}}\cos \mathrm{\φ})\tan \mathrm{\θ}$

$\mathrm{\θ}=w_{\mathrm{by}}\cos \mathrm{\φ}-w_{\mathrm{bz}}\sin \mathrm{\φ}---\left(10\right)$

$\mathrm{\ψ}=\frac{w_{\mathrm{by}}\sin \mathrm{\φ}+w_{\mathrm{bz}}\cos \mathrm{\φ}}{\cos \mathrm{\φ}}$

如本领域技术人员所知，微分等式10表示在欧拉角和角速度之间的关系。移动姿态信息产生器234向速度转换单元240输出求解的结果。

在步骤420中，速度转换单元240通过将欧拉角代入等式7来获得方向余弦矩阵，然后，根据等式11，通过使用方向余弦矩阵将体坐标系统的速度(V_bx，V_by，V_bz)转换为绝对坐标系统的速度(V_nx，V_ny，V_nz)，所述体坐标系统的速度(V_bx，V_by，V_bz)从速度传感器200接收。

$P_n=V_n=C_b^n{V}_b---\left(11\right)$

然后，速度转换单元240向位置恢复单元250输出绝对速度(V_nx，V_ny，V_nz)。

在步骤430中，位置恢复单元250对绝对速度积分并恢复绝对坐标系统中3D输入装置100的位置。

本发明能够使用硬件和软件组件的组合。所述软件体现为计算机可读介质上的计算机可读代码。所述计算机可读介质是任何数据存储装置，该存储装置能够存储其后由计算机系统读取的数据。计算机可读介质的示例包括只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、磁带、光数据存储装置，以及载波(例如，通过因特网传送数据)。计算机可读介质也能够分布在连接到计算机系统的网络上，从而计算机可读代码以分布方式存储和执行。

如上所述，本发明提供与速度传感器结合的惯性导航系统。所以，本发明能够减小随时间积累的加速度误差引起的位置误差，该位置误差产生在通过使用测量的加速度的二重积分来恢复的传统的3D输入装置中。

所以，在克服了传统的每3到4秒停止以使用零速度更新来校正误差的3D输入装置的限制的同时，即使空间信息以每10秒或更长的时间连续地输入，本发明的3D输入装置也能够可靠地恢复位置。

尽管参考本发明的示例性实施例来特别地说明和示出了本发明，本领域的技术人员应该理解可以对其进行形式上和细节上的各种变化而不偏离由附加的权利要求限定的本发明的精神和范围。示例性实施例仅认为是说明的意义而不是用于限制的目的。所以，本发明的范围没有被本发明的详细说明限定而是被附加的权利要求限定，并且在权利要求的范围内的所有差别认为是包含在本发明中。

Claims (10)

1.一种用于恢复输入信息的3D输入装置，该装置包括：

第一传感器，用于测量体坐标系统中3D输入装置的第一速度；

第二传感器，用于测量关于体坐标系统的三正交轴的3D输入装置的加速度和角速度；

姿态信息产生单元，用于通过使用加速度和角速度来产生3D输入装置的包含倾斜角、俯仰角和偏转角的姿态信息；

速度转换单元，用于通过使用姿态信息将第一速度转换为在绝对坐标系统中的第二速度；以及

位置恢复单元，用于通过对第二速度积分来在绝对坐标系中恢复3D输

入装置的位置。

2.根据权利要求1所述的装置，其中速度转换单元通过使用姿态信息来产生方向余弦矩阵并通过使用方向余弦矩阵将第一速度转换为第二速度，所要求的方向余弦矩阵用于将体坐标系统转换为绝对坐标系统。

3.根据权利要求1所述的装置，其中姿态信息产生单元包括：

初始信息产生器，用于通过使用在3D输入装置处于静止时测量的加速度来产生3D输入装置的初始姿态信息；以及

移动姿态信息产生器，用于通过使用角速度和初始姿态信息来产生3D输入装置的移动姿态信息。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器测量体坐标系统的三正交轴每个的速度。

5.根据权利要求1所述的装置，其中体坐标系统是具有沿着3D输入装置的预定方向指向的一个轴的笛卡尔坐标系统。

6.一种用于恢复输入信息的3D输入方法，该方法包括：

测量体坐标系统中的3D输入装置的第一速度、加速度、以及角速度；

通过使用加速度和角速度来产生3D输入装置的包含倾斜角、俯仰角和偏转角的姿态信息；

通过使用姿态信息来将第一速度转换为绝对坐标系统的第二速度；以及

通过对第二速度积分来在绝对坐标系中恢复3D输入装置的位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其中将第一速度转换为第二速度包括：

通过使用姿态信息来产生方向余弦矩阵，所要求的方向余弦矩阵用于将体坐标系统转换为绝对坐标系统；以及

通过使用方向余弦矩阵将第一速度转换为第二速度。

8.根据权利要求6所述的方法，其中产生姿态信息可以包括：

通过使用在3D输入装置处于静止时测量的加速度来产生3D输入装置的初始姿态信息；以及

通过使用角速度和初始姿态信息来产生3D输入装置的移动姿态信息。

9.根据权利要求6所述的方法，其中第一速度、加速度和角速度的测量包括测量体坐标系统的三正交轴每个的速度。

10.根据权利要求6所述的方法，其中体坐标系统是具有沿着3D输入装置的预定方向指向的一个轴的笛卡尔坐标系统。

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