CN1517944A - 惯性传感器集成 - Google Patents

Abstract

说明一种用于产生电子墨水和/或其他输入的输入设备和方法。通过使用改进的移动传感技术来产生在墨水相关的应用和非墨水相关的应用中使用的数据，该输入设备可以和任何表面联合使用。可以使用一个或多个惯性传感器通过测量如速度、加速度和电磁场中的改变这样的指标来检测输入设备的移动以实现改进的移动传感。输入设备可以包括存储移动数据的存储器和发送表示输入设备的移动的数据到计算机主机的收发器。处理检测到的移动数据以产生表示手写笔画的图像也可以使用输入设备内的处理器来执行。输入设备可以按笔的形状构成，且可以包括墨水盒来帮助输入设备按类似的方式移动。

Description

惯性传感器集成

相关申请

[01]本申请和2002年10月31日提交、标题为“通用计算设备”、发明人为Jian Wang和Chui Hui Zhang、序列号为10/284，417的美国专利申请相关，特别包含其内容在此引用。

技术领域

[02]本发明涉及一种用于产生包括电子墨水的数据输入的装置和方法。更特别地，本发明涉及一种包括惯性传感器以准确地检测输入设备的移动的输入设备。

背景技术

[03]典型的计算机系统，特别是使用如Microsoft Windows^这样的图形用户界面(GUI)系统的计算机系统，是为从一个或多个输入文本的离散输入设备(如键盘)和有一个或多个按钮来激活用户选择的定点设备(如鼠标)接收用户输入而优化的。

[04]一些计算机系统通过提供象笔一样的触针来扩展对用户可用的输入系统。触针既可以代替键盘(用于输入输入)也可以代替鼠标(用于控制)。一些计算机系统以手写的形式保存电子墨水。其他系统接收手写的电子信息，或电子墨水，并立即将电子墨水转换为文本。

[05]与触针和传感器板的使用有关的一个缺点是，触针的使用依赖于包含传感器板的设备。换句话说，当和必需的传感器板一起使用时，触针才可以被用来产生输入。另外，移动检测的精度受触针与传感器板的接近的影响。如果触针没有定位到和屏幕和/或传感器板接触或在很短的距离之内，用户的输入的探测可能会不准确。进一步来说，仅使用数字转换器可能不能准确地获取用户有意的移动。一种包含常规输入装置的设备包括“输入手写轨迹的新设备”，Ricoh技术报告No.27，52 2001年11月，其内容位于

http：//www.ricoh.co.jp/rdc/techreport/No27/Ronbun/A2707.pdf。

[06]在技术中需要一种可以和传输输入数据到其上的主机设备联合使用或独立于该主机设备使用的输入装置。

发明内容

[07]本发明的各方面通过使用包含用于准确地获取输入设备的移动的附加传感器的输入设备来实现。本发明的其它方面允许和任何将基于移动设备的移动产生数据的表面联合使用输入设备。本方面的各方面提供输入设备可以和为其产生数据的设备联合使用或独立使用。本发明的各方面进一步包括改进的移动传感和分析。输入设备可以按笔的形状构成，且可以包括墨水盒来帮助输入设备按对用户类似的方式使用。

[08]本发明的这些和其他方面通过引用附图和相关的说明来阐述。

[09]当结合附图一起阅读时，能更好地理解本发明各方面上述的内容及下面各实施例的详细说明，附图作为例子包括在此，并不对所要求的发明造成限制。

附图说明

[10]图1示出可以用来实现本发明的各方面的通用数字计算环境的示意图。

[11]图2根据本发明的说明性实施例示出产生用户输入的输入设备。

[12]图3根据本发明的各方面示出由惯性传感器产生的数据类型。

[13]图4为流程图，根据本发明的各方面示出测量并处理表示输入设备移动的数据的方法。

[14]图5根据本发明的附加说明性实施例示出输入用户输入的输入设备。

[15]图6根据本发明的实施例示出纸的坐标系统和惯性坐标系统。

[16]图7根据本发明的实施例示出有不同维度的笔。

[17]图8根据本发明的实施例示出图7的笔及其笔尖的对照。

[18]图9-11根据本方面的实施例示出加速度、速度和位移的不同图表。

具体实施方式

[19]本发明的各方面提供使用一个或多个惯性传感器的改进的移动传感。输入设备可以配备用于通过测量如速度、加速度、电磁场中的改变这样的指标或其他这样检测到的指标检测输入设备的移动的传感器。本发明进一步的方面包括使用包括在输入设备中用于存储检测到、将发送到预定设备的移动数据的存储器。也可以处理检测到的移动数据以产生表示手写笔画的图像。

术语

[20]输入设备—输入信息的设备，可将其配置为产生并处理信息。

[21]笔—可以包括或不包括存储墨水的能力的任何书写工具。根据本发明的实施例，在一些例子中没有墨水能力的触针可以作为笔使用。

[22]惯性传感器—包括，但不横向地仅限于，在笔尖，或通过改变输入设备的方向的多种方式测量输入设备的移动的任何设备或设备的组合。

[23]加速计—产生输入设备加速的指示的设备或设备的组合。

[24]陀螺仪—产生输入设备的角速度的指示的设备或设备的组合。

[25]磁力计—检测磁场中的改变的设备或设备的组合。

[26]摄像机—图像获取系统。

[27]感应元件—包含在输入设备中的设备用于和传感器板及其类似联合使用，在其中传感器板基于由感应或电阻元件造成的电磁场中的改变检测输入设备的移动和/或定位。

[28]压力传感器—用于检测力，如施于输入设备在其上定位的表面的力的设备。

[29]电子墨水—有属性的笔画的序列或集合，笔画为获取的点的序列或集合。笔画的序列可以包括有序的笔画。该序列可以通过获取的时间或通过笔画出现在页的何处排序。其他排序是可能的。笔画的集合可以包括笔画的序列或无序的笔画或它们的任意组合。墨水可以扩展为包括附加的属性、方法和触发器事件及其类似。当和这些事件至少一些结合时，可以称其为墨水对象。

[30]惯性坐标—本地的地理坐标，其原点在使用输入设备的位置，如纸的左上角，且其轴和北、东和本地垂直(向下)的方向对齐。

[31]纸坐标—输入设备在其上移动的表面的坐标，无论该表面是纸还是其他表面。

[32]伪不动点—位置的估计，当用户在那里颠倒设备的方向时，输入设备在其上速度降为0。这也可以解释为设备上/中的一个近似的点，通常选择为位于输入设备的中间位置以下，如图7所示。当使用输入设备进行书写时，这个点比其他点移动“更少”。当输入设备不移动时，加速计的输出仅包含“方向信息”(可以用来确定输入设备在空间中和/或相对于表面的的方向的信息)。当输入设备移动时，加速计的输出包括设备的“加速度信息”(可以用来确定加速度的信息)及“方向信息”。两个信息集合可以被合并或彼此互补。假设在多数情况下当使用设备进行书写时，这个点的加速度的主要部分为“方向信息”，并且它的次要部分为“加速度信息”。次要部分和重力加速度相比很小。加速度信息可以用来补偿陀螺仪的漂移误差(如在测量公式中的信息)。

[33]主机计算设备—桌面计算机、膝上型计算机、Tablet PC、个人数字助理、电话，或任何配置为从一个或多个输入设备接收信息的设备。

通用操作环境

[34]图1示出可以用来实现本发明的各方面的通用数字计算环境的示意图。在图1中，计算机100包括处理单元110，系统存储器120，及连接包括系统存储器到处理单元110的不同系统组件的系统总线130。系统总线130可以为包括内存总线或内存控制器、外围总线以及使用任何总线结构的本地总线的几种总线结构中的任何一种。系统存储器120包括只读存储器(ROM)140和随机访问存储器(RAM)150。

[35]包含帮助在计算机100的组件之间传输信息的子程序，如在启动过程中，的基本输入/输出系统(BIOS)160存储在ROM 140中。计算机100还可以包括用来读写硬盘(未示出)的磁盘驱动器170，用来读写可移动磁盘190的磁盘驱动器180，及用来读写可移动光盘192如CD-ROM或其他光媒体的光盘驱动器191。硬盘驱动器170、磁盘驱动器180，以及光盘驱动器191各自通过硬盘驱动器接口192、磁盘驱动器接口193和光盘驱动器接口194连接到系统总线130。驱动器和它们相关的计算机可读媒体为计算机可读指令、数据结构、程序模块和计算机100的其他数据提供非易失的存储。熟悉相关技术的人应理解，用于存储可以由计算机访问的数据的其他类型的计算机可读媒体，包括盒式磁带、闪存卡、数字视频盘、贝努利盒式磁带、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)，及其类似，也可以用在例子操作环境中。

[36]多个程序模块可以存储在硬盘驱动器170、磁盘190、光盘192、ROM140或RAM 150上，包操作系统195、一个或多个应用程序196、其他程序模块197，以及程序数据198。用户可以通过键盘101、定点设备102输入命令和信息到计算机110中。其他输入设备(未标出)可以包括麦克风、操纵杆、游戏垫、圆盘式卫星电视天线、扫描仪或类似设备。这些和其他输入设备通常通过连接到系统总线的串行口界面106和处理单元110连接，但也可以通过其他接口连接，如并行口、游戏口或的通用串行总线(USB)。显示器107或其他显示设备也通过一个接口，如视频适配器108与系统总线130连接。除显示器之外，个人计算机通常包括其他周边输出设备(未标出)，如音箱和打印机。在首选实施例中，提供笔数字转换器165和随附的笔或触针166以数字地获取手画输入。虽然示出了笔数字转换器165和串行口接口106之间的直接连接，实际上笔数字转换器165可以直接连接到处理单元110、并行口或其他接口及系统总线130，如技术中所知的那样。进一步来说，虽然数字转换器165在图示中和显示器107分离，数字转换器165可用的输入区域可以和显示器107的显示区域重叠。进一步来说，数字转换器165可以集成在显示器107中，或作为单独的设备存在，重叠或附属到显示器107。

[37]计算机100可以使用到一个或多个远程计算机，如远程计算机109的逻辑连接在一个网络环境中运行。远程计算机109可以是服务器、路由器、网络PC、对等设备或其他常见的网络节点，并通常包括多个或所有上述相对于计算机100的组件，虽然只有存储器存储设备111在图1中示出。图1中所示逻辑连接包括局域网(LAN)112和广域网(WAN)113。这样的网络环境在办公室访问或企业访问的计算机网络、企业内部互联网和因特网中是很常见的。

[38]当用在局域网联网环境中，计算机100通过网络接口或适配器114与局域网112相连。当用在广域网联网环境中，个人计算机100通常包括一个调制解调器115或其他在广域网113，如因特网上建立通讯的方法。调制解调器115，可以为内置的或外置的，通过串行口106与系统总线130连接。在网络环境中，所述相对于个人计算机100的程序模块，或其部分，可以存储在远程存储器存储设备中。

[39]应理解所示网络连接仅为说明性的，也可以使用在计算机之间上建立通讯链路的其他技术。假设可以使用存在的任何各种众所周知的协议，如TCP/IP、以太网、FTP、HTTP及其类似，且系统可以工作在客户机服务器配置中以允许用户减缩来自基于Web的服务器的Web页面。任何各种常规的Web浏览器都可以用来在Web页面上显示和处理数据。

惯性传感器输入设备

[40]图2示出根据本发明的各个方面使用的输入设备的说明性实施例。在图2中，输入设备201可以包括一个或多个下述组件：墨水盒202、压力传感器203、加速计204、磁传感器205、陀螺仪206、处理器207、存储器208、收发器209、加速计210、电源211、系泊部位适配器212、帽213、感应元件215，及显示屏(未标出)。不同的组件可以根据需要使用，例如，总线(未标出)或无线地电子地连接。使用一个或多个传感器可以增强确定输入设备位置的精度。

[41]墨水盒202可以被包括以使得能够以如笔这样的标准的书写工具的典型方式使用输入设备。墨水盒202可以提供舒适、熟悉的媒介在纸上产生手写笔画而输入设备的移动被检测、记录，并/或用来产生电子墨水。压力传感器203可以被包括用于指定输入，例如，当定位在一个物体之上而输入设备201被按压时将指示的那样。再者，压力传感器203可以被用来检测通过其用户使用输入设备产生笔画的按压的力，且这样的数据可以被用来改变产生的电子墨水的宽度。然而，在一些例子中，可以除去压力传感器。

[42]处理器207可以由任何执行和本发明的各方面关联的已知处理器组成。例如，处理器可以包括FPSLIC AT94S40，该特殊设备包括20MHz的时钟且工作于20 MIPS。处理器207可以进一步执行可以降低能耗的步骤，保存存储在电源211中的电能，如当输入设备不活动时关闭各种组件的电源。例如，这样的电源关闭可以基于指示在给定量的时间内该设备缺少移动和/或定位的数据或该数据的缺少来确定。

[43]处理器207可以进一步校准并控制各种组件的性能。处理器也可以被编程为在多个存储在存储器中的墨水和/或移动处理算法中作出选择。例如，处理器可以根据和在其上移动设备的表面关联的特性或过使用设备的环境对传感的影响选择最适合于检测移动的算法。例如，当和LCD显示屏一起使用时，所选的算法可以最适合于使用快速、光滑的笔画准确地记录下的输入，而可以选择不同的算法来处理用慢些、不太光滑的笔画在纸上产生的输入。还可以考虑其他选择算法的因素，如在不稳定的环境中输入设备相对于表面的移动。

[44]算法可以基于编程到输入设备中的性能考虑自动选择。替换地，处理算法可以手动地选择。例如，使用输入设备和主机计算机的显示屏，用户可以在设置输入设备功能的选项之间滚动直到得到和对输入设备适合的设置关联的选项，以近似于在MICROSOFT^操作系统的“控制面板”中对显示器及其类似已经发现的方式。

[45]替换地，输入设备设置，如上述的处理算法选择，可以通过单独使用输入设备来实现。可以通过按压输入设备、用设备画出当检测到时确定为指示用户输入的符号，及其他方法来激活用户选择。在一个例子中，用于可以画出和控制功能关联的符号以标识在其上将要使用输入设备的表面。例如，用户可以画出和输入设备关联的符号，笔的形状。处理器对这个符号的识别会使得输入设备进入使用户能够接下来选择上述处理算法的模式，或任何模式设置。例如，书写单词“设置”可以对设备指示下一个指令将用于设置和笔关联的模式。在这个例子中，用户可以输入另一符号，如先前和表面关联的数字(例如，在手册中说明)，如对应于指示输入设备将用于纸的“2”，来选择所用的处理算法。例如，随后，按压输入设备特定次数可以指示模式设置处理完成。虽然提供了用于交互地控制输入设备的特定例子，使用任何输入和选择技术也在本发明的范围之内。

[46]在一个实施例中，存储器208可以包括一个或多个RAM、ROM、FLASH存储器，或其他存储设备或多个设备来存储控制设备的软件，或存储处理数据的软件，等等。如所述，表示输入设备的定位或位置的数据可以在输入设备201内处理并存储在存储器208中以传输到主机计算机。替换地，获取的图像数据可以存储在存储器208中以传输到主机设备来处理或其他。

[47]收发器，或通讯单元，209可以包括发送单元和接收单元。表示输入设备移动的信息，处理为适合于产生和/或显示电子墨水形式或其他，可以被发送到主机计算机，如桌面计算机、膝上型计算机、Tablet PC、个人数字助理、电话，或其他这样的用户输入和/或电子墨水可能对其有用的设备。收发器209可以和使用任何无线通讯技术，包括执行短距离无线通讯的蓝牙技术、红外通讯，或甚至蜂窝或其他长距离无线技术的外部设备通讯。替换地，收发器209可以在对主机计算机的直接连接上控制数据的发送，如通过USB连接，或例如间接地通过系泊支架连接。输入设备也可以使用专门的连接直接连接到特殊的主机计算机。收发器209也可以被用来接收信息和/或软件，在一个实施例中，可以下载它们以提高输入设备的性能。例如，可以从主机计算机下载或另外通过任何先前说明的发送/连接技术更新处理器的控制功能的程序信息。再者，软件也可以发送到输入设备或由其下载，包括用于分析图像数据和/或校准输入设备的软件。

[48]可以包括电源211，特别是当输入设备210对在其中处理、存储和/或显示数据的设备独立地且远程地使用时。电源211可以包括到输入设备201中的任意位置。例如，如果电源是可更换的，电源211可以定位用于立即更换或如果电源为可充电的，定位以帮助它的充电。替换地，输入设备可以连接到替换电源，如使用电适配器连接输入设备201到汽车电池，通过充电器连接到墙上的插座，到计算机的电源，或到任何其他电源。系泊站(DockingStation)适配器212可以由已知的结构组成以将输入设备连电到其他设备或到电源。系泊站适配器211也可以用来传输信息到与其直接或间接连接的外部设备。类似地，软件、控制信息，或其他数据可以通过系泊站上传到输入设备201，系泊站也可以用来对电源206充电。

[49]可移动帽213可以用来覆盖输入设备的尖端(tip)，例如，它可以包括墨水盒202，并且如果输入设备将和包括传感器板设备的一起使用，也可以配备用于帮助电阻传感的尖端。类似地，当用作感应系统中的触针时，也可以包括感应元件215以提高输入设备的性能。输入设备201的外壳可以为塑料、金属、树脂或其组合，或任何可以对设备的组件提供保护或对输入设备提供整体结构完整性的材料。当输入设备外壳由金属材料制成时，它会电屏蔽设备的感应电子/磁组件，这不是必需的。例如，可以设计输入设备的结构使之包括磁传感器以使得设备中的一个或多个传感器没有屏蔽，因此输入设备可以，例如，检测磁场。

[50]现在说明符合本发明的各方面的用于测量输入设备的移动或定位的传感器。惯性传感器可以包括多种传感器类型。如图2所示，可以包括陀螺仪206以提供输入设备201的角速度的指示。这样的指示在时间“t”上的取样可以反映输入设备在那段时间中的移动。在一个实施例中，陀螺仪可以在两个维度上提供输入设备的移动和/或定位的指示。为确定输入设备的方向，需要在第三个维度上表示输入设备的角度的数据。在一个实施例中，由磁力计集合产生的数据可以被用来补充这个缺失的数据。

[51]在本发明的另一个说明性的实施例中，设备的方向用一组加速计和一组磁力计的测量来获取。

[52]在本发明的另一个说明性的实施例中，比如不能准确地测量加速度或需要附加的信息，由磁传感器205产生的数据可以被用来得出输入设备在第三个维度上的角度速。磁传感器205可以通过检测地球磁场或数字转换器165产生的磁场的测量值的变化来测量输入设备的移动。这样，来自陀螺仪的数据可以和来自磁传感器的数据一并使用以获取输入设备的方向。第一个时间和第二个时间上输入设备方向的比较可以部分地提供确定输入设备的移动需要的信息，如下面进一步的说明。

[53]测量提供输入设备的尖端的移动的指示也可以用来估计输入设备的移动，并从而帮助准确产生包括墨水的输入。例如，测量输入设备尖端的移动的传感器可以放置在尖端附近。然而，这样的放置会干涉墨水盒的定位和/或使用，并可能会导致传感器易受损坏。在可选实施例中，可以在输入设备内放置单个加速计或一组加速计以在尖端之外的点上产生表示设备的加速度的数据。使用转换算法可以将这样的数据转换为表示输入设备的尖端的加速度的数据。在一个实施例中，从加速计204和加速计210获取的数据可以被转换以表示输入设备尖端的加速度。

[54]如将更详细地说明，根据本发明的进一步方面可以一起处理表示输入设备的方向的数据和表示输入设备的尖端的加速度的数据，以准确地跟踪输入设备在其移动于其上的表面上或在其附近的移动并从而产生准确地表示用户的书写的数据。得到的电子墨水将有高质量，在输入设备的增量移动中有更光滑的转换。

[55]图3表示输入设备并示出由典型的惯性传感器产生的数据的例子。如所示，陀螺仪306在两个轴上产生输入设备的角速度的指示。加速计304和加速计310在三个轴上产生加速度的指示。类似地，磁力计305沿三个轴检测地磁引力中的改变。合并起来，这些测量可以提供输入设备移动的极度准确的指示并从而帮助通过电子墨水和其他输入准确记录手写。也可以用所述可选的传感器来产生输入。

[56]手写笔画的准确表示也可以使用少于上述所有的传感器来获取。例如，陀螺仪以有助于加速计的性能的方式工作。在物体的速度相对保持恒定的时候，该物体的加速度可以被忽略。因此，例如，当输入设备在很长时间内很少移动，加速度的指示可能不准确。在那些情况下，角速度的表示使用可以单独产生足够数据来产生准确结果的陀螺仪来获取。然而，在输入设备的加速度变化很大时，输入设备的速度对移动不一定为好的指示。在这些时候，由加速计产生的数据可以提供移动的最佳指示。

[57]再者，由于陀螺仪仅产生表示输入设备沿两个轴的方向的信息，为得到更好的结果，表示第三个轴的数据可以使用例如加速计、磁力计，或另一陀螺仪来获取。当设备移动时，2-轴陀螺仪被用来表示输入设备沿两个轴的方向。磁力计的集合可以提供沿余下一个轴的方向。伪不动点的加速度可以被用来补偿陀螺仪的漂移误差(及其他可能的误差)。

[58]如所示，本发明的各方面能够使用通过少于所有上述传感器，或可选的传感器产生的数据，在不同的时候产生准确的结果。这样的精度和灵活性会增加整体设备的成本。替换地，包含更少的传感器为降低输入设备的整体成本和复杂度所需。

[59]图4为流程图，示出实现本发明的各方面的一个说明性实施例。如下面对这个实施例更加详细的说明，输入设备的方向在下一个取样时间使用修正的Kalman过滤(filter)来确定。在两个轴上表示输入设备角速度的值可以使用来自例如加速计或磁力计的数据来补充。这些输入可以由Kalman过滤，或其他适合的处理技术来处理，以产生输入设备方向的估计。同时，输入设备的尖端的加速度可以通过转换由两组加速计产生的数据来确定。输入设备方向的指示和表示输入设备的尖端的加速度的值在惯性坐标中被转换为表示输入设备的尖端的加速度的数据。产生转换矩阵以从“惯性坐标”(沿输入设备进行的测量)转换到纸坐标(在其上移动输入设备的表面的坐标，无论其是否为纸还是其他表面)。使用该转换，确定输入设备的尖端在“纸坐标”中的加速度。然后输入设备的尖端在“纸坐标”中的加速度可以被二次积分，结果提供在当前取样时间过程中对输入设备的轨迹。也可以执行漂移修正以改进结果的轨迹指示。惯性坐标可以被用来定义笔的位置。例如，惯性坐标和纸坐标在图6中示出。当纸坐标未和惯性坐标对齐时，所获取的设备在惯性坐标中的方向可以通过校准处理转换为纸坐标。例子校准处理如下。

[60]输入设备放置在特殊的方向C_p ⁿ以使得笔坐标和纸坐标对齐。C_p ⁿ实际上为纸坐标在惯性坐标中的方向，并使用下述算法计算。当在任意时间计算输入设备在惯性坐标中的方向C_b ⁿ时，输入设备在纸坐标中的方向如

$C_b^p={\left(C_p^n\right)}^{-1}{C}_b^n={\left(C_p^n\right)}^T{C}_b^n$ 获取，其中C_p ⁿ，C_b ⁿ和_b ^p为方向余弦矩阵。

${\left(C_p^n\right)}^{-1}={\left(C_p^n\right)}^T$ 为方向余弦矩阵的基本属性。例如，参考，D.H.Titterton和J.L.Weston，Strapdown Inertial Navigation Technology，IEE Rador，Sonar，Nayigation and Avionics Series 5，1997，Peter Peregrinus Ltd.，包括其内容作为引用。

[61]根据本发明的一个实施例，如图4所示，基于从一个或多个惯性传感器输出的数据产生准确地表示手写的电子墨水。在所示实施例中，当从时间“0”到时间“t”时，两轴的陀螺仪产生表示输入设备的角速度的数据，如流程图的步骤401所示。这些值可以发送给修正的Kalman过滤来处理，如步骤406所示。对应于输入设备在第三个维度上的移动的信息，在时间“t”中辅助估计输入设备的移动，并可以补充由两轴陀螺仪产生的信息。因此，根据示出的说明性实施例，表示输入设备在第三个维度的移动的数据可以通过测量除第一个传感器，如所示的陀螺仪外的传感器来确定。

[62]在流程图的步骤402和403，表示输入设备前面部分的加速度的值，例如，由第一组加速计产生，及表示输入设备后面部分的如速度的值，由第二组加速计产生，被用来补充缺失的数据。为了进一步提高精度，获取的加速度值可以通过使用“伪不动”点校准技术来校准，如步骤405所示，校准基于，例如，在其上当用户颠倒设备的方向时，输入设备的加速度降为0的位置的估计。该校准使用检测何时输入设备的速度应为0的，并且补偿任何可能出现在检测到的数据值中的偏移的算法。加速度数据用其指示移动的可选的提高精度的处理技术可以用来代替，或补充所述的校准步骤405。加速度值然后可以被输入到修正的Kalman过滤。

[63]如图7所示，当输入设备移动时，“方向”和“加速度”信息在加速计的输出中被连接起来，输入设备的伪不动点的加速度包含“更少”的加速度信息和“更多”的方向信息，因此伪不动点的加速度值被用来估计方向或提供陀螺仪输出的补偿。伪不动点的加速度值可以通过两组加速计按如下获取：

$a_x=\frac{l_{2\mathrm{xy}}}{l_{1\mathrm{xy}}+l_{2\mathrm{xy}}}{a}_{1x}+\frac{l_{1\mathrm{xy}}}{l_{1\mathrm{xy}}+l_{2\mathrm{xy}}}{a}_{2x}$

$a_y=\frac{l_{2\mathrm{xy}}}{l_{1\mathrm{xy}}+l_{2\mathrm{xy}}}{a}_{1y}+\frac{l_{1\mathrm{xy}}}{l_{1\mathrm{xy}}+l_{2\mathrm{xy}}}{a}_{2y}$

$a_z=\frac{l_{2x}}{l_{1x}+l_{2x}}{a}_{1z}+\frac{l_{1z}}{l_{1z}+l_{2z}}{a}_{2z}$

其中l_1xy和l_2xy为两组x-y轴加速计到伪不动点的距离，l_1z和l_2z为两组z轴加速计到伪不动点的距离，a_x，a_y和a_z为伪不动点在三个轴上各自的加速度。a_1x，a_1y和a_1z为加速计的低部集合在三个轴上的加速度，a_2x，a_2y和a_2z为加速计的顶部集合在三个轴上的加速度。

[64]如前面所述，由加速计产生的数据不一定持续地提供输入设备的移动的准确指示。例如，当输入设备以本质上不变的速度移动，且输入设备在任意方向上的加速度约等于0，加速计可能产生非预期的结果。在这样的情况下，由替换的传感器产生的测量可以用来替代加速度数据使用。例如，三轴磁力计，如上所述，可以通过在第三个维度提供输入设备的移动的指示帮助估计输入设备的移动。磁力计可以通过检测测量对应于地磁场的改变检测输入设备的移动，如步骤404所示。在步骤406，那些测量然后可以被输入到修正的Kalman过滤进行处理。当然，这样的传感器对磁干扰高度敏感并且需要对设备经常的再校准且/或测量数据的处理需要对干扰进行修正。

[65]根据示出的实施例，如流程图的步骤406所示，来自陀螺仪和加速计或磁传感器的数据都被输入处理器根据修正的Kalman过滤进行处理。过滤产生表示输入设备当前的3D方向的数据，如步骤407所示。说明性的实施例说明使用修正的Kalman过滤来估计输入设备的方向，这部分地因为Kalman过滤为使用可以准确地基于当前值预测未来值的最小平方法的递归反馈过滤。替换地，也可以应用产生使用任何数量的表示设备的移动和/或定位的测量数据准确表示输入设备的方向的其他预测过滤或处理技术。也可以使用其他过滤技术，包括但不仅限于扩展Kalman过滤。

[66]同时，如步骤408所示，如笔这样的输入设备的尖端的加速度，在“笔坐标”(对应于输入设备的坐标)，可以通过例如由两组加速计输出的数据来确定。如上所示，使用转换处理转换来自两组加速计，每个都沿着输入设备的轴定位在有间隙的位置，的数据以提供在时间间隔“t”中输入设备在其尖端的加速度的指示。在一个例子中，从沿着输入设备的轴到该设备的尖端的坐标转换可以使用前面的校准、估计技术，或用于转换值以准确地表示输入设备的尖端的移动的任何技术来预先确定。表示输入设备在笔坐标中在它的尖端上的加速度的数据然后可以被转换为表示输入设备在惯性坐标中的在它的尖端上的加速度的数据，在步骤409中示出，使用上述在步骤407确定的输入设备的当前3D方向。

[67]可以按如下确定笔尖端的加速度。笔尖端的加速度按如下获取。

$a_x^{\mathrm{tip}}=\frac{l_{4\mathrm{xy}}}{l_{4\mathrm{xy}}-l_{3\mathrm{xy}}}{a}_{1x}-\frac{l_{3\mathrm{xy}}}{l_{4\mathrm{xy}}-l_{3\mathrm{xy}}}{a}_{2x},$

$a_y^{\mathrm{tip}}=\frac{l_{4\mathrm{xy}}}{l_{4\mathrm{xy}}-l_{3\mathrm{xy}}}{a}_{1y}-\frac{l_{3\mathrm{xy}}}{l_{4\mathrm{xy}}-l_{3\mathrm{xy}}}{a}_{2y},$

$a_z^{\mathrm{tip}}=\frac{l_{4z}}{l_{4z}-l_{3z}}{a}_{1z}-\frac{l_{3z}}{l_{4z}-l_{3z}}{a}_{2z},$

其中l_3xy和l_4xy为两组x-y轴加速计到笔尖端的距离，l_3z和l_4z为两组z轴加速计到笔尖端的距离，a_tip ^x，a_tip ^y和a_tip ^z为笔尖端在三个轴上各自的加速度。图8示出相对于上述算法的维度。

[68]可以例如基于先前进行的校准处理确定用于从“惯性坐标”转换到输入设备在其上移动的表面的坐标的转换矩阵。这样的校准步骤可以发生在组装、生产、每次使用之前、暂停使用时候，或任何时候。当输入设备在其上移动的表面为纸的时候，这样表面的坐标被称为“纸坐标”。然而，输入设备可以在任意数量的表面上移动，且称为“纸坐标”并不意味着限制输入设备的使用或转换的说明到仅为这样的表面。

[69]如流程图的步骤410所示，输入设备在纸坐标中在其尖端的加速度，当设备在纸上移动时，通过使用上述转换矩阵转换加速度数据为惯性坐标来确定。结果加速度然后被二次积分，如步骤411所示，从而产生输入设备移动的轨迹。最后，轨迹数据可以进一步通过执行偏移修正来处理。作为上述操作的结果，输入设备在其尖端的移动被记录，产生表示对应于输入设备的移动的电子墨水的数据。

[70]下面时偏移修正如何工作的例子。最初，通过判断在当前取样时间及邻接的几个取样点获取的加速度的一致性，输入设备的状态在每个取样时间被标记为“移动”或“非移动”。例如，可以使用8个取样点在当前取样时间之前，8个取样点在当前取样时间之后。应理解可以使用其他数量的取样点。如果在这17个点期间所有测量的加速度值接近一个固定值，那么这个取样时间的状态被标记为“非移动”。然后该固定值可以被当作加速度偏移误差。(取样周期通常为10ms)。当新的“非移动”状态被检测到时，使用下述算法修改在最后一个连续的“移动”状态的加速度值。

[71]假设偏移误差在“移动”状态时期中线性递增。递增速率根据标记阶段的总的偏移误差来计算。接下来，从该时期中的加速度值中减去在每个取样点的偏移误差以获取该时期内的修正的加速度值。通过积分修正的加速度值，获取到修正的速度值，但在这个“移动”状态之后的在第一个“非移动”状态的修正的速度值仍然可能不为0。进一步假设速度偏移误差在最后一个“移动”时期内线性递增。通过使用类似加速度修正情况的方法获取修正的“修正的速度”值。因此修正的“修正的速度”值被积分以获取在最后一个“移动”时期的修正的位移值。对输入设备的偏移修正在表面的两个方向上使用同样的算法，但在此仅示出了一个方向的情况。图9A-11C示出了偏移修正的各种应用。图9设计加速度。图10涉及速度。图11涉及位移。图9A、10A和11A涉及实际的输入值。图9B、10B和11B示出包括偏移误差的测量值。图9C、10C和11C示出每一个的修正版本。

[72]如上所述，本发明的一个方面包括处理检测到的数据来确定输入设备的移动，并确定表示这样的移动的电子墨水。在一个说明性实施例中，使用修正的Kalman过滤来计算输入设备在惯性坐标中的三维方向。这样的处理算法的推导如下。

[73]公式(1)示出基本系统转换矩阵：

${\stackrel{\·}{C}}_b^n=C_b^n\·{\mathrm{\Ω}}_b$

其中，C_b ⁿ为转换笔坐标到惯性坐标的方向余弦矩阵

${\mathrm{\Ω}}_b=\left[\begin{array}{ccc}0& {-\mathrm{\ω}}_z& {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z& 0& {-\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y& {\mathrm{\ω}}_x& 0\end{array}\right],$ ω＝[ω_x ω_y ω_z]^T，其中ω_x，ω_y，ω_z为在“笔坐标”中的角速

度向量，可以使用陀螺仪来测量它。

[74]基本公式(1)可以简化为：

$\stackrel{\·}{C}=C\·\mathrm{\Ω},$ 其中它的离散形式如下：

C(k+1)＝C(k+1)·A(k)      (2)

其中，

$A\left(k\right)=I_{3x3}+\[\mathrm{\Ω}\]\·\mathrm{\Δt}+\·\·\·$

$\≈I_{3x3}+\[\mathrm{\Ω}\]\·\mathrm{\Δt}$

$=\left[\begin{array}{ccc}1& {-\mathrm{\σ}}_z& {\mathrm{\σ}}_y\\ {\mathrm{\σ}}_z& 1& {-\mathrm{\σ}}_x\\ {-\mathrm{\σ}}_y& {\mathrm{\σ}}_x& 1\end{array}\right]$

其中σ＝ω·Δt，σ＝[σ_x，σ_y，σ_z]^T，其中Δt为取样时间。

且状态向量变为 x＝[x₁ x₂ x₃]^T＝[σ_x σ_y σ_z]^T

然后状态转换分解为：

     x₁(k+1)＝σ_x(k+1)＝ ω_x(k，k+1)·Δt

     x₂(k+1)＝σ_y(k+1)＝ ω_y(k，k+1)·Δt

     x₃(k+1)＝σ_z(k+1)＝ ω_z(k，k+1)·Δt

其中， ω(k，k+1)为角速度从t(k)到t(k+1)的平均值。然而，因为ω_z是未知的，来自加速计或磁传感器的测量可以用来计算x₃(k+1)。在惯性坐标中确定角速度的公式如以下说明。惯性坐标中的加速度通过使用C_b ⁿ转换将输入设备在笔坐标中测量的加速度

转换到惯性坐标来计算。

${\stackrel{\→}{a}}_n=C_b^n\·{\stackrel{\→}{a}}_b---\left(3\right)$

为了确定输入设备在惯性坐标中的磁力，它等于在惯性坐标系中的加速度，使用同样的计算。

${\stackrel{\→}{m}}_n=C_b^n\·{\stackrel{\→}{a}}_b---\left(4\right)$

公式(3)可以写为标准形式，如：

${\stackrel{\→}{a}}_n=C_b^n(k+1)\·{\stackrel{\→}{a}}_b(k+1)=C\left(k\right)\·A\left(k\right)\·{\stackrel{\→}{a}}_b$

$C^T\left(k\right)\·{\stackrel{\→}{a}}_n=A\left(k\right)\·{\stackrel{\→}{a}}_b$

$={\stackrel{\→}{a}}_b-\[{\stackrel{\→}{a}}_b\]\·\stackrel{\→}{x}$

${\stackrel{\→}{a}}_b-C^T\left(k\right)\·{\stackrel{\→}{a}}_n=\[{\stackrel{\→}{a}}_b\]\·\stackrel{\→}{x}$

C^T(k)＝C^-1(k)，其中(·)^T为矩阵转置，(·)^-1为矩阵求逆，这是方向余弦矩阵的属性。

对应于测量的加速度的测量向量变为：

$z_a={\stackrel{\→}{a}}_b-C^T\left(k\right)\·{\stackrel{\→}{a}}_n$

替换公式变为 $z_a=\[{\stackrel{\→}{a}}_b\]\·\stackrel{\→}{x}.$ 以细节重写变为，

类似地，对应于磁传感器的测量向量为：

$z_m={\stackrel{\→}{m}}_b-C^T\left(k\right)\·{\stackrel{\→}{m}}_n,$

通过替换，公式求解为， $z_m=\[{\stackrel{\→}{m}}_b\]\·\stackrel{\→}{x},$ 将其详细重写为如下，

[75]x₃(k+1)的状态转换的确定可以使用公式(5a-5c)的第一个和第二个子公式对x₃求解来获取。然后测量公式可以由余下的公式(6)和公式(1)来构建。

[76]x₃(k+1)的状态转换的确定可以使用公式(5a)和(5b)来获取。测量公式由公式(5c)、(6a)、(6b)和(6c)按如下构建。

$\left[\begin{array}{c}{z}_{a3}\\ z_{m1}\\ z_{m2}\\ z_{m3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{-a}_y& a_x& 0\\ 0& {-m}_z& m_y\\ m_z& 0& {-m}_x\\ m_y& m_x& 0\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right]$

[78]当输入设备和地磁场平行时，m_X和m_y都将非常小，并且从公式(5a)和(5b)获取的值x₃(k+1)中的误差将变得过大。在那种情况下，公式(6a)和(6b)被用来获取x₃(k+1)，从而，公式(5a)(5b)(5c)和(6c)被用来构建如在注释13中的公式(7)的测量。

[79]在这个修正的Kalman过滤中，陀螺仪的输出，及磁力计或加速计的输出的部分提供状态预测，磁力计或加速计的输出的另一部分提供状态测量，并修正预测误差。

[80]如在本发明的一个实施例中说明的那样，使用修正的Kalman过滤，可以确定输入设备在惯性坐标中的当前空间方位。已确定转换笔坐标到惯性坐标的转换矩阵，且先前已通过校准获取对应于转换惯性坐标到纸坐标的转换矩阵，可以确定从笔坐标到纸坐标的转换矩阵。相应地，输入设备的尖端的轨迹可以通过对转换到输入设备在其上移动的表面的空间坐标的尖端的加速度进行积分计算出。准确地确定笔的移动将提供产生准确的输入所需的数据，通过准确地测量输入设备尖端的移动来记录笔画，其方式和通过常规书写工具产生笔画类似，除了输入设备不需要接触表面就能记录这样的移动。

[81]虽然上述说明性的实施例使用单个陀螺仪，多个加速度传感器，和一个磁传感器，该说明决不意味着限制本发明为使用那些组件的系统。相反，上述说明性实施例的任何替换、补偿、移除或其他修改都在本发明的范围之内。

[82]图5根据本发明的各方面示出包括用于获取图像来使用的摄像机的输入设备的说明性实施例。在图5中，输入设备501包括墨水盒502、压力传感器503、加速计504、磁传感器505、陀螺仪506、处理器507、存储器508、收发器509，加速计510，电源511、系泊站适配器512、帽513、摄像机514、感应元件215和显示屏(未示出)。一些元件可以被忽略。例如，如果需要完全依赖显示屏的话，墨水盒可以去除。

[83]在这个实施例中，可以加入摄像机以补偿或代替一个或多个上述传感器，以协助追踪输入设备的横向移动或方向。可以包括摄像机514以获取输入设备在其上移动的表面的图像，并且从而检测输入设备在被扫描的表面上的移动。在那种情况下，光学信息的处理可以被执行并且结合，或替代由上述一个或多个传感器产生的数据，对处理算法作出准确地确定输入设备的移动所需的修改。可以使用例如内置到输入设备的尖端中的图像传感器及适合的图像处理技术，至少部分基于检测在获取的描述输入设备在其上移动的表面的图像中的特性中的模式或改变，来执行输入设备的定位或移动的测量。这样的附加信息可以包括在算法中用来确定用于产生电子墨水的输入设备的位置和/或移动。如可以对元件进行添加和/或去除，可以对处理技术进行替换、更新，或修改以补偿由那些设备产生的信息的丢失或信息的增加。对所述Kalman过滤，或其他使用的处理逻辑的修改，可以和本发明保持一致，并且使用不同的处理技术以通过由一个或多个测量输入设备的移动的传感器产生的数据来估计笔尖端的移动是处于本发明的范围之内的。

[84]虽然所示说明性的实施例详细说明了使用特定组件的设备，组件的增加和/或详述的组件的去除，有对设备的和这样的改变相一致的修改，是在本发明的范围之内的。类似地，组件的布置，在输入设备体的内部或外部，进一步在本发明的访问之内。

[85]说明性实施例说明了以如笔这样的书写工具的形状实现的输入设备。然而本发明的各方面可应用于任何数量的形状或尺寸的输入设备。例如，输入设备可以采用人体工程学的形状并包括用于提高舒适性和控制的压痕。

[86]虽然本发明使用后附的权利要求来定义，这些权利要求是说明性的，因为本发明可以试图包括在此说明的元件和步骤的任何组合或子组合。相应地，有任何数量的可选组合来定义本发明，它们包括来自说明书，包括说明、权利要求和附图的一个或多个元件的各种组合或子组合。对熟悉相关技术的人很清楚的是，根据本说明书，本发明的各方面的替换组合，可以单独或者和在此定义的一个或多个元件或步骤组合，作为本发明的修改或替换或作为本发明的部分来使用。在此包含的本发明的书面说明视图覆盖所有这样的修改和替换。例如，在不同的实施例中，以特定的顺序示出数据。然而，数据的任何数据都由本发明包括。同样，当使用特定属性的单位，如尺寸(如，用字节或比特)时，也可以使用任何其他单位。

Claims (46)

1.一种用于产生表示该输入设备的移动的数据的输入设备，其特征在于，所述输入设备包括：

检测输入设备的移动并产生表示检测到的移动的数据的多个惯性传感器；及

接收表示检测到的输入设备的移动的数据的处理器。

2.如权利要求1所述的输入设备，其特征在于，所述惯性传感器包括用于检测角速度的传感器。

3.如权利要求2所述的输入设备，其特征在于，所述用于检测角速度的传感器包括两轴陀螺仪。

4.如权利要求1所述的输入设备，其特征在于，所述惯性传感器包括加速度传感单元。

5.如权利要求4所述的输入设备，其特征在于，所述惯性传感器包括一对加速度传感单元。

6.如权利要求5所述的输入设备，其特征在于，所述每个加速度传感单元在三个维度上检测加速度。

7.如权利要求5所述的输入设备，其特征在于，所述每个加速度传感单元包括一对加速计。

8.如权利要求1所述的输入设备，其特征在于，所述惯性传感器包括磁场传感器。

9.如权利要求1所述的输入设备，其特征在于，所述处理器接收表示检测到的输入设备的移动的数据，所述处理器创建表示手写墨水的图像文件。

10.如权利要求1所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备还包括用于与远程处理单元通讯的通讯单元。

11.如权利要求10所述的输入设备，其特征在于，所述远程处理单元对应于在主机计算机中的处理器并且所述通讯单元发送表示检测到的输入设备的移动的数据到主机计算机。

12.如权利要求1所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备进一步包括用于存储表示检测到的输入设备的移动的数据的存储器。

13.如权利要求1所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备进一步包括电源。

14.如权利要求1所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备进一步包括力传感器。

15.如权利要求1所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备进一步包括摄像机。

16.如权利要求1所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备为笔的形状。

17.一种用于产生对应于该输入设备的移动的数据的输入设备，其特征在于，所述输入设备包括：

检测输入设备的移动并产生表示检测到的移动的数据的惯性传感器；

用于存储表示检测到的输入设备的移动的数据的存储器；

接收表示检测到的输入设备的移动的数据的处理器；及

用于与远程处理单元通讯的通讯单元。

18.如权利要求17所述的输入设备，其特征在于，所述惯性传感器包括用于检测角速度的传感器。

19.如权利要求18所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备进一步包括一个或多个用于检测输入设备的加速度的惯性传感器。

20.如权利要求19所述的输入设备，其特征在于，所述用于检测输入设备的加速度的惯性传感器包括一对有间隔的加速度传感单元。

21.如权利要求18所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备进一步包括磁场传感器。

22.如权利要求17所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备进一步包括摄像机。

23.如权利要求17所述的输入设备，其特征在于，所述处理器接收表示检测到的输入设备的移动的数据，所述处理器创建图像文件。

24.如权利要求17所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备发送表示输入设备的移动的数据到主机计算机以产生表示手写墨水的信号。

25.如权利要求17所述的输入设备，其特征在于，所述输入设备为笔的形状。

26.一种创建包括电子墨水信息的图像数据的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

基于由多个惯性传感器输出的信号产生表示输入设备的移动的数据；及

通过所产生的数据创建图像数据。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述产生表示输入设备的移动的数据包括检测输入设备的角速度。

28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述产生表示输入设备的移动的数据包括使用两轴陀螺仪检测输入设备的角速度。

29.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述产生表示输入设备的移动的数据包括检测输入设备的加速度。

30.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述产生表示输入设备的移动的数据包括使用加速度传感单元检测输入设备的加速度。

31.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述产生表示输入设备的移动的数据包括使用一对加速度传感单元检测输入设备的加速度，每个传感单元在三个轴上检测加速度。

32.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述产生表示输入设备的移动的数据包括检测输入设备的加速度。

33.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述创建图像数据包括处理表示输入设备的移动的数据以确定输入设备的方向。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述处理表示输入设备的移动的数据包括处理表示输入设备的角速度的信息。

35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述处理表示输入设备的移动的数据包括处理表示输入设备的角速度的信息和表示输入设备一端的加速度的信息。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述表示输入设备的角速度的信息通过陀螺仪产生。

37.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述表示输入设备一端的加速度的信息通过在输入设备内间隔开的两组加速度检测单元来获取，且每组加速度检测单元包括一对加速计。

38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述处理表示输入设备的移动的数据包括预处理通过两组加速度检测单元获取的信息以修正输入设备的一端的加速度、速度和位移的的偏移误差。

39.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述处理表示输入设备的移动的数据包括处理表示输入设备的角度的信息和表示包围输入设备的磁场的改变的信息。

40.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述处理表示输入设备的移动的数据包括根据修正的Kalman过滤执行计算以确定输入设备的方向。

41.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述创建图像数据包括处理表示输入设备的移动的数据并确定笔的一端的加速度。

42.如权利要求43所述的方法，其特征在于，所述处理表示输入设备的移动的信息包括处理通过在输入设备内间隔开的两组加速度检测单元获取的信息。

43.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述创建图像数据包括处理表示输入设备的移动的数据以确定输入设备的方向及处理表示输入设备的移动的数据以确定笔加速度。

44.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述创建图像数据进一步包括转换表示输入设备的移动的数据到输入设备在其上移动的表面的空间坐标。

45.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述通过墨水信息创建至少一个图像进一步包括对已转换到输入设备在其上移动的表面的坐标的表示笔尖端的加速度的数据进行积分以创建墨水信息。

46.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述通过墨水信息创建至少一个图像进一步包括对积分的数据进行偏移修正。

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