CN1797292A - 高灵敏度惯性鼠标 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种高灵敏度惯性鼠标，尤指一种运用微机电惯性感测的原理，以制作出高灵敏度的电脑鼠标；依本发明鼠标，运用微机电惯性感测的原理，而包含有二维或三维的惯性或加速度感测器，再运用资讯撷取、杂讯消除、静止区门槛设定、基准线追踪、位移演算、及灵敏度调整等信号处理方法，使其微机电感测器能转而变成制作电脑鼠标的技术。如此，由本发明鼠标的提供，除可运用其省电和轻巧的优点，而有别于一般耗电的光学鼠标或容易弄脏滚轮鼠标外，并因灵敏度的提高，已克服惯性鼠标的制作瓶颈，使得微机电惯性鼠标的功能相当稳定且值得信赖，而能顺利量产的进入市场，让大家都可享受到其方便与好处。
Description
技术领域
本发明属于一种高灵敏度惯性鼠标，尤指一种运用微机电惯性感测的原理，以制作出高灵敏度的电脑鼠标。
背景技术
参考专利：美国专利第4,787,051号的具惯性的滑鼠系统(InertialMouse System，US 4,787,051)如附件的原文稿影本内容。
目前制作电脑鼠标的主流是滚轮和光学鼠标两大技术，然而两者都是运用光学原理来侦测鼠标的位移，其中滚轮式是转动光遮断器来侦测，而所谓的光学鼠标则用光学影像处理技术，所以耗电量很大，且在光滑平面也无法进行位移的辨识。
最近在市场上，又有所谓的激光光学鼠标来解决光滑平面的问题，但总而言之，市场的主流以光学为技术来制作鼠标，到目前为止，在市场上，还没有用其他技术生产的鼠标。
关于微机电惯性感测器，一般是用于侦测加速度，有时候称为加速度计，而将微机电惯性感测器应用于位移侦测来制作电脑鼠标的方式，到目前为止，惯性鼠标曾在学术期刊发表，但市面上依旧没有惯性鼠标的出现。
本发明则经过长期的研究后发现，惯性鼠标的制作瓶颈不是在惯性感测器本身灵敏度的不足，而是在惯性或加速度感测信号之后的后端处理问题，所造成系统不稳定性，以致无法量产到市场上。
目前在市场上贩售的微机电加速度计大都以电容差动或电阻差动方式侦测惯性加速度，再用模拟转换器转成数字信号，其输出的信号可分为脉冲频率和脉冲宽度两种。脉冲频率是把加速度的大小和方向，用脉冲频率的高低来表示；而脉冲宽度则用宽度的大小来表示加速度的大小和方向。例如：福特公司(Ford)发展的惯性感测器，则以250kHz送出零加速度的基本频率，正加速度把频率提高，而负加速度把频率降低。例如：模拟装置公司(AD；Analog Devices)则以脉冲宽度的一半当作零加速度，正加速度使宽度增加，而负加速度使宽度减少。
发明内容
本发明的目的提供一种高灵敏度惯性鼠标。
为实现上述目的，本发明提供的高灵敏度惯性鼠标，依其制法，包括有资讯撷取、杂讯消除、静止区门槛设定、基准线追踪、位移演算及灵敏度调整信号处理方法：
资讯撷取—把惯性感测器、放大器、模拟数字转换器所提供的信号，转换成有效的加速度数据，作为后续的讯号处理；
杂讯消除—运用各种杂讯消除技术，大幅降低内外部杂讯，以提高灵敏度；
静止区门槛设定—在零加速度的基准线上下设定门槛，使得门槛内的加速度杂讯无法作为位移计算，强令加速度和位移为零，而门槛内的区域称为静止区，在静止区内免除杂讯引起的不必要震颤；门槛的设定可为静态或动态；
基准线追踪—运用各种技术来动态追踪惯性感测器的零加速度基准线，以消除感测器本身的基准线漂移和操作区域地面不平坦所引起的基准线移动，以免造成错误计算与不预期的位置移动；
位移演算—当讯号—离开静止区门槛后，就开始进行位移的计算，无论这些加速度讯号在静止区门槛区之内或之外，就是取消静止区门槛的设定，然后再运用各种技术，侦测动作是否已经完成且静止，再恢复静止区门槛的设定；而一颗惯性感测器只能侦测平移加速度，只适合正确计算平移方式的位移动作，需要再测得角加速度，才能正确计算非平移方式或具有角加速度的位移；
灵敏度调整—在惯性位移和电脑指标移动之间设定转换函数，使得惯性鼠标的小范围移动可以对应到荧幕的大范围移动，且能拥有高解析度。
其中资讯撷取是把模拟数字转换器之后的频率信号型式，用计数方法，每固定一段时间，收集计数器的内容，作为加速度数字数据的大小，以利后续处理。
其中资讯撷取是把模拟数字转换器之后的脉冲宽度信号，用计数方法，把脉冲宽度转换成数字信号，作为后续加速度大小的计算及信号处理。
其中资讯撷取定把模拟数字转换器之后的数字序列信号，转换成并列信号且取出数据，作为后续加速度大小的计算及信号处理。
其中资讯撷取是把模拟数字转换器之后的数字并列信号，取出数据，作为加速度大小的计算及后续的信号处理。
其中杂讯消除是运用平均技术，把二个以上的数据加起来取其平均值，作为杂讯的消除。
其中杂讯消除运用滤波器，去除高频或低频杂讯，以提高信号杂讯比。
其中静止区门槛设定可以在基准线上或下设定固定不变的静态门槛，在门槛内的惯性加速度信号，令为零加速度。
其中静止区门槛设定可以在基准线上或下设定随着杂讯大小而变化的动态门槛，在门槛之内惯性加速度信号，令为零加速度。
其中动态门槛可以设定为杂讯讯号标准差的一倍以上，如果杂讯讯号标准差趋近于零，则令为一个固定值。
其中基准线追踪可以用内含二个数据以上的静态或动态视窗，取静止区门槛之内的加速度数据，以先进先出的方式，把加速度数据放入视窗内，取视窗内数据的平均值作为零加速度的基准线。
其中基准线追踪可以根据惯性感测信号在基准线上下面积对称的特性或静止区内的细微变化特征，如惯性信号的改变速率，在惯性鼠标改变位置之后，重新进行基准线的追踪，消除位移所造成的基准线变动超过静止区门槛的现象，使得惯性鼠标能在高灵敏度感测之下，仍能正常运作。
其中基准线追踪在动作位移发生之后就除去追踪的功能，等到惯性信号在基准线上下面积几乎相等且惯性信号的改变量小于杂讯标准差的几倍后，就开始追踪基准线，如果发现惯性信号减去现存的基准线仍然超过静止门槛，就放弃现存的基准线，而重新用权利要求11的视窗追踪法，追踪新的基准线，使得惯性鼠标能在高灵敏度感测下，仍能正常运作。
其中位移演算可以用区域指标的方式，在惯性加速度信号第一次离间静止区门槛就把区域指标从0变为1，运用惯性感测信号的对称特性，依序将指标变为2(再度进入静止区门槛)和3(第二次离开静止区门槛，进入区域指标0所指的上或下对称区域)，当惯性信号再度进入静止区门槛后，区域指标从3再回到0；而在区域指标定0的时候，不进行位移演算，但要进行基准线追踪和静止区门槛追踪；在区域指标不是0的时候，就进行位移演算，但不进行基准线追踪和静止区门槛追踪。
其中位移演算的区域指标设定，需要一个正负号指标，用来解决当信号改变量太大而导致信号没有停留在区域2的问题，当区域指标为1且正负号指标发现惯性信号从正号变为负号或从负号变为正号的时候，就强令区域指标为3，表示信号没有停留在区域2而直接进入区域3，使得区域指标可以正常工作。
其中位移演算的平移位移可以直接把惯性感测信号当作平移加速度，直接用熟知的积分公式，计算各次维的位移。
其中位移演算的非平移位移或具有角加速度的位移，除了惯性感测器测得的加速度信号当作平移加速度外，还要用陀螺仪直接测得角加速度或用其他惯性感测器放在座标轴上且离开一段距离来间接算得角加速度，运用熟知公式，对两个同量测方向的惯性感测信号进行相减，来求得角加速度，再用平移加速度和角加速度来进行位移修正，以求得正确的各次维位移。
其中灵敏度调整是把惯性鼠标位移和荧幕指标位移的转换函数，分成几个转换区域，每个转换区域有独立的转换函数，其中，含有静止区、线性区、非线性区、位移限制区，使得惯性鼠标在静止区可以静止不动；左线性区保持高零敏度；在非线性区可以改变位移速度；在位移限制区可以防止位移转换太过灵敏，以符合人类使用电脑鼠标的习惯。
其中灵敏度调整在有加速度的静止区门槛设定的情况下，位移静止区可以不用设置；然而，若没有加速度的静止区门槛设定，则必须有位移静止区的设置。
其中灵敏度调整的各区域可以增加、减少、对调、或不需要，端赖惯性感测特性的好坏，酌予增减，以达到人类使用鼠标的最佳舒服度。
其中各转换区域内的转换函数可以用适应性技术或类神经网路学习技术，随时学习适应人类的习性，以达到个人化的最佳转换函数，使个人使用惯性鼠标达到最佳舒适度。
其中资讯撷取、杂讯消除、静止区门槛设定、基准线追踪、位移演算及灵敏度调整六项讯号处理方法能被应用于1维空间(1-dimeusional)，2维空间及3维空间的位移侦测。
其中资讯撷取、杂讯消除、静止区门槛设定、基准线追踪、位移演算及灵敏度调整六项讯号处理方法应用于平坦桌面的2维鼠标，而由一个按压开关(Click)或转换开关(On/Off Switch)来自动侦测鼠标是否离开了工作桌面，若一旦离开，开关呈关闭状态，位移计算停止，游标与鼠标即无法在电脑荧幕上移动；若不离开，开关呈开启状态，2维鼠标保持正常的桌面工作状态。
其中资讯撷取、杂讯消除、静止区门槛设定、基准线追踪、位移演算及灵敏度调整六项讯号处理方法应用于平坦桌面的2维鼠标，由一个惯性感测器或位移感测器来侦测第三度空间的移动，若2维鼠标离开工作桌面，且其第三度空间的移动幅度被惯性感测器或位移感测器侦测出其大于目前的门栏，则游标或鼠标即在电脑荧幕中停止其移动。
附图说明
图1(a)外部杂讯引起的加速度总杂讯量大幅提升；
图1(b)从加速度计算速度；
图1(c)从速度计算位移。
图2(a)用平均化技术来大幅降低加速度总杂讯量；
图2(b)从加速度计算速度；
图2(c)从速度计算位移。
图3(a)没有静止区门栏设定的单次向右位移惯性信号；
图3(b)从加速度计算速度；
图3(c)从速度计算位移。
图4(a)加上静止区门栏设定(25mg)的单次向右位移惯性信号；
图4(b)从加速度计算速度；
图4(c)从速度计算位移。
图5(a)基准线没有追踪或追踪错误所产生的误动作位移；
图5(b)从加速度计算速度；
图5(c)从速度计算位移；
图5(d)位移信号的认定。
图6(a)正确的基准线追踪不会产生误动作位移；
图6(b)从加速度计算速度；
图6(c)从速度计算位移；
图6(d)位移信号的认定。
图7(a)高灵敏度惯性鼠标的动作信号的基准线偏移情形；
图7(b)从加速度计算速度，基准线追踪的失败造成速度的错误累积；
图7(c)从速度计算位移，整个动作位移被基准线错误判断所掩盖。
图8(a)高灵敏度惯性鼠标的动作信号的基准线偏移情形：
图8(b)从加速度计算速度，基准线追踪的成功免除速度的错误累积；
图8(c)从速度计算位移，整个动作位移非常清楚的表现出来。
图9(a)向右位移信号的区域划分；
图9(b)向左位移信号的区域划分。
具体实施方式
以下逐一说明，依本发明鼠标的制作方法，所必须拥有的信号处理功能：
(1)资讯撷取
由于模拟数字转换器将惯性感测模拟信号转换成数字信号的型式并不相同，有的是以频率大小表示，如福特公司(Ford)品牌；有的是以脉冲宽度表示，如模拟装置公司(下称AD公司；Analog Devices)品牌；有的是以序列信号输出；有的是以并列信号输出。总而言之，必须把这些不同型式的信号，转换成代表惯性加速度的实际数据，才能进行后续处理。譬如对频率信号，就把信号接到计数器计算多少脉波经过，每10msec收集一次，就知道每10msec的惯性加速度大小。同理对AD的惯性感测器，用一个内部震荡信号和计数器，计算每个脉冲宽度的大小，再用AD公司提供的公式，把脉冲宽度转换成实际加速度的数据，作为后续程序的处理。
(2)杂讯消除
大部份的微机电惯性感测器的杂讯通常小于
如果实际操作频宽是100Hz(就是低通滤波器的3dB频率是100Hz)，则杂讯大小是等于
这7.35mg的杂讯，影响整个系统的灵敏度，因此必须用一些技术来提高灵敏度，以克服惯性感测器在微小位移量测的缺点。以100Hz为操作频宽，蛮符合大部份人类运动的速度，相当于每10msec产生一笔数据，而以3倍的杂讯大小(3*7.35mg≈22mg)当作静止区门槛，则每10msec可以侦测的最小距离变化；等于0.5*22mg*(10msec)2＝10.78μm。若以现今光学鼠标的高规格800dpi，其达到的解析度是每像素32μm。因此，惯性鼠标可达到的位置解析度可以远比光学鼠标好的相当多，换算成光学或滚轮鼠标的规格可以达到约2360dpi。
然而惯性感测器由于制作技术的关系，尤其电容式，容易受到外界的干扰，所以除了内部原有的7.35mg杂讯，仍然会有外部杂讯侵入。图1显示一颗低杂讯的惯性感测器在外部杂讯介入的情况下，使得整个杂讯高达40mg，比内部原始杂讯高出5.32倍，因此静止门槛要随着提高5.32倍而达到120mg，位置解析度就降为440dpi。因此，拿惯性感测器来制作电脑的相当重要任务是杂讯消除，而杂讯消除的技术相当多且非常成熟。通常惯性感测器的模拟信号，经过模拟数字转换器后，变成数字信号。在模拟数字转换器前，通常会加一个滤波器来清除高频率杂讯，变成数字信号后，消除杂讯的方式，就以软件程序来消除杂讯了，因此也可以用软件滤波器来消除杂讯，或其他技巧。图2是本发明提供的平均化消除杂讯法，就是把几笔相邻信号加起来，取其平均值，结果杂讯从40mg降至8mg(除了一些少数脉冲杂讯高达12mg)，大约降了5倍，使杂讯大小拉回到内部原始杂讯的水平，所以惯性鼠标系统中，必须要拥有杂讯消除技术。
(3)静止区门槛设定
由于惯性感测器是侦测加速度，所以其信号即就是加速度数据，需要随时随地去计算移动的距离，假设初始速度是零，则位置移动是0.5at2(a是加速度，t是时间)。因此，连杂讯也是加速度数据，所以必须设置静止区门槛(threshold of dead zone)，使得门槛内的杂讯信号不被用来当作位移计算，以免静止的鼠标仍然会有距离的移动或振动，这和光学鼠标相当不一样。因为光学鼠标直接测距离，距离不动则就不动，不需要有静止区门槛的设定。因此，拿惯性感测器来做电脑鼠标，必须拥有静止区门槛设定的功能。图3和图4显示静止门槛区设定的功效，没有静止门槛区设定，会造成在静止的时候，就有位置偏移情形，甚至静止偏移超过真正的位置偏移。图3是把鼠标向右移一下就停止，所量到的信号(图3(a))，然后用加速度算速度(图3(b)，v＝v0+at，v0是初始速度)，再由速度去算位移(图3(c)，L＝v0t+0.5at2)，图3没有设定静止门槛，而图4有设定静止门槛(25mg)。从图3可以清楚看到真正的位移信号(虚线圆圈)被埋在静止杂讯位移中。因此，静止区门槛设定是用惯性感测器制作电脑鼠标必备的功能之一，不管这门槛设定是动态或静态。静态就是门槛值永远不动，而动态设定则可随着环境杂讯状况加以变化门槛的大小。动态门槛可设定为杂讯标准差的一倍以上，但是有时候，在微处理器或数字模拟转换器的解析度限制之下，杂讯标准差可能成为零，这时候就必须自动给予动态门槛一个固定值，才不会造成动态门槛等于零的情形。
(4)基准线追踪
每颗惯性感测器一旦出厂，本身就具有差异性，所以其零加速度的基准线(baseline)都会不相同，所以算出每颗感测器的基准线是必需要的，因为杂讯和位移信号是加诸于基准线上的。因此，先把基准线信号去除后，才能算出杂讯和位移信号的大小。我们可以在静止的时候，用平均值的方式，把超过2个以上的信号加起来，取其平均值，就可以找出基准线了。那么为什么拿惯性感测器来当电脑鼠标需要进行基准线的追踪呢？原因有二，一是基准线漂移是感测器必有的缺失，为免得漂移影响静止区门槛的设定，所以必须加以追踪；二是桌面平滑度的问题，因为惯性感测器是量测加速度，而地心引力即存在一个常态的加速度，如果感测器的侦测角度是在水平面零度，就没有受到地心引力的影响，其基准线应是零加速度，但是桌面几乎不可能是水平面零度，甚至连桌面本身也不可能完全平滑而在同一平面，所以基准线会随着位置的移动和水平面夹角的关系而产生大幅度的飘动，比内部原始基准线漂移还严重。因此，基准线追踪是拿惯性感测器制作电脑鼠标必备的功能之一。图5(a)可以看出基准线随着水平面或本身内部特性而漂移的情形，如果不加以追踪，就造成误动作的移动，而且错误的移动距离还远超过正常的信号，见图5(c)。从图5(d)可以看出许多不必要的位移信号的错误判断。图6是本发明使用的基准线追踪技巧之一，在静止门槛区内，用一个容纳30个数据的视窗把杂讯降到几乎零，以平均值求得基准线的数据，因此惯性感测信号必须先减去基准线后，才能算出杂讯的大小(譬如标准差)，再把杂讯的大小乘以某一倍数(譬如3倍)成为静止区的门槛。因此，在惯性感测器重置设定(即电源容动)之后，先设一个暂定的基准线和大的静止门槛(譬如50mg)，视窗大小则边计算平均值，边增加到30个数据之后，就以30个数据为固定的视窗大小，进行平均值的计算。若每10msec取一笔数据，则电源启动后0.3秒内，电脑鼠标就进入正常状态，就是可以追踪基准线和计算静止区门槛。从图6(d)可以了解正确的基准线追踪和动态门槛设定，能够去除不必要的位移信号的错误判断，使得惯型鼠标可以很正确的量测使用者位移的动作(图6(c))。至于视窗的大小不一定局限于30个数据，可以静态的固定数目或者随着杂讯大小来进行不固定数目的动态设定，但这数目至少要2个数据，同时信号是以先进先出的方式放入视窗内。
如果信号超过静止区门槛，表示不是杂讯，而是移动信号，就不要把移动信号纳入基准线视窗计算内，等到信号再进入静止门槛区内，才再开启基准线追踪的功能。这也是图6在移动信号后，仍然可以继续正确地追踪基准线而使鼠标归于静止不动。然而当静止门槛很低的时候(譬如10mg以下)，则惯性感测器本身的基准线漂移加上桌面的不平滑，使得鼠标随着移动的地点所造成的基准线改变量超过静止门槛，就会造成无法用上述的视窗法来追踪移动信号后的基准线，请看图7在低门槛设定下，基准线追踪失败所产生的大幅位移飘移情形。本发明除上述视窗基准线追踪技巧之外，再加上惯性加速度的对称特性(见图3(a)或4(a)的加速度信号的上下面积几乎相等，请见下段说明)和静止区内的信号改变的细微特征(就是在静止区内，加速度信号的改变量非常小)，解决在低门槛设定下，信号移动后的基准线追踪问题。如图8所示，当位移动作发生后，惯性信号的上下面积几乎相等且惯性信号的改变量小于杂讯标准差的几倍，如果发现惯性信号减去基准线的数据仍然超过静止门槛，就开始追踪新的基准线使得惯性感测器可以在低静止门槛(10mg以下)之下，免除基准线偏移的错误位移远超过实际的动作位移，如图7(b)和(c)所示，而仍然可以进行位置移动的侦测，如图8(b)和(c)所示。让惯性鼠标的灵敏度可以达到4000dpi以上，使电脑鼠标的使用进入新的纪元。
(5)位移演算
图3(a)或4(a)是惯性鼠标向右移动一段距离就停止而侦测到的惯性加速度信号，从图中，可以看出惯性感测器先侦测正加速度信号，再侦测到负加速度信号，然后停止。正加速度和负加速度底下的区域几乎相等。然而移动信号会通过静止门槛区，为避免误判为杂讯，所以图9把单次移动分为四个区域0、1、2、3，用一区域指标表示。起始设定是在静止门槛区，所以区域指标设为0且加速度信号被令为零，即表示鼠标静止不动；当移动信号第一次超过静止门槛，就把区域指标设为1；当信号再度进入静止门槛内，则把区域指标设为2；当信号离开静止区，而进入相对称于第1区(符号相反)的区域，则把区域指标设为3；当信号再度回到静止门槛内，表示单次位移动作已经完成，就把区域指标重新设为0。由上述的0、1、2、3区周而复始的解析人类移动鼠标的动作，就可以把位移信号和静止杂讯分开，以提高位移计算的准确度和避免误动作(将静止杂讯当位移信号)。然而上次区域划分有时候会造成失效的情形，就是当信号改变量太大，导致加速度信号从区域1直接跑到区域3，而没有进入区域2，这种情形会造成区域指标一直停留在区域1。因此，为解决此一例外现象，就用正负号指标来显示是否加速度信号已经从正号变为负号或从负号变为正号。若正负号指标产生变化，而区域指标仍然停留在区域1，则表示加速度信号没有停留在区域2而直接从区域1跳到区域3了，就直接把区域指标设为3，使得区域指标可以正常的工作，由图9知道，加速度信号在第1、2、3区的信号，都是要用来计算鼠标的位置移动(简称位移)。假设第n时刻的加速度、速度、位移的符号分别是an、vn、1n，则第n+1时刻的速度和位移计算，则是
vn+1＝vn+an*Δtn (1)
ln+1＝1n+vn*Δtn+0.5*an*(Δtn) (2)
其中Δtn是每次计算距离的时间间格，以100Hz频宽来说，则Δtn就等于10mscc。
以二维(譬如xy平面)惯性鼠标为例，如果只用一颗二维惯性感测器，则上述公式(1)和(2)适合平移加速度(translational acceleration)的运算，若位移含有角加速度(angular acceleration)，上述公式所计算的位移就会错误。解决的方式是除了惯性感测器所量测到的平移加速度信号外，还要量测角加速度，一般有两种办法量测角加速度：一种是直接用陀螺仪量测一维(譬如z轴)角加速度；另一种是间接用一颗二维惯性感测器和至少一颗一维惯性感测器放在xy平面，两颗放在定义的x轴或y轴线上且离开一段距离，利用熟知的公式对两个同量测方向的惯性感测信号进行相减，来求得角加速度(譬如z轴)。得到角加速度后，再进行位移的修正，这些修正公式在一般教科书即可找到，在此不再赘述。
(6)灵敏度调整
一般鼠标的移动区域比电脑荧幕小得多，所以必须把鼠标移动距离和电脑荧幕作一个转换函数，使得荧幕上的指标移动可以同时拥有细微位移(反应真实的高dpi)和高速位移。通常人类移动鼠标的范围大约±5公分的正方形范围内，而电脑荧幕的尺寸从14寸到29寸都有，所以鼠标移动和荧幕指标移动并非1∶1的对应关系。滚轮鼠标和光学鼠标都定直接侦测位移，所以其转换函数比较容易模拟出来；而惯性感测器是从加速度去侦测间接位移，所以转换函数必大不相同。本发明把荧幕指标和惯性位移侦测的转换函数，在对应座标上，分为几个区域，每个区域设一个独立的转换函数，来决定荧幕指标移动的灵敏度，经由人机测试后，找出最佳的转换函数，以符合人类使用的习惯。
假设第n次的惯性位移是1n，相对的荧幕指标位移是Sn，而转换函数是G(1n)，则
Sn＝G(1n)
上述用±S1、±S2和±S3门槛把转换区域分为七区，采正负对称，所以转换函数分别为0、±f1(x)、±f2(x)、±C，其实也可以采取正负不对称，区域区分也可以不相同，以反应人类的习性。其中0区就是静止区，而S1即是位移静止区门槛，而不是第(3)段落提及的加速度静止区门槛。一般来说，如果有设定加速度静止区门槛，则杂讯不会造成不必要的位移或震颤，因此可以考虑不用位移静止区，除非有突发性的杂讯产生，而一定要增加位移静止区，来防止不必要的位移或震颤。f1(1n，)通常是线性区，用来控制鼠标的最高灵敏度，譬如，若令fn(1n)＝1n，则Sn＝1n。如果1n的最小侦测距离是10μm，则鼠标灵敏度高达2540dpi，也许这太灵敏，可以考虑用Sn＝21n，使得灵敏度降为1270dpi，让人类可以感受到，否则灵敏度太高，人类是无法感受到，反而没有意义。线性区可已有好几个，以增加位移转换的平滑度。f2(1n)通常是加速区，可以令f2(1n)＝aln 2，其中a是常数，必须进行测试来决定加速是否恰当。±C是位移限制区，用来限制最大的位移转换，免得转换太大，造成鼠标移动的不稳定，其中C是常数。一般来讲，区域划分的多寡没有一定，有些区域可以增加、减少、相互对调或不需要，就随着惯性感测特性的好坏，酌予增减，但是一定要有位移转换，因为您出尽吃奶的力，挤出1g的力量，在0.3秒内(人类单次移动的时间)，也才能移动2.2公分。而一般的鼠标移动约在100mg，则0.3秒只能移动0.22公分。因此，灵敏度调整是制作鼠标来符合人类习惯动作的相当重要的步骤。为求得人类最大的使用舒服度，可以增加转换区域的划分，以达到最佳人因工程的设计，甚至可放入适应性或类神经网路来学习人类的习性，以达到个人最佳化的服务。
从以上论证，将一个惯性感测器拿来做电脑鼠标的最大瓶颈不是在惯性感测器本身的灵敏度和模拟数字转换器的好坏，因为各家公司所推出的惯性感测晶片(感测器加上模拟数字转换器)的杂讯已经低到比现有的市售鼠标还好(即可有比较好的dpi)，而且高速的动作撷取，更优于市售鼠标。其最大的瓶颈在于本发明所论述的后端处理，即本发明上述提出的六信号处理原则：资讯撷取、杂讯消除、静止区门槛设定、基准线追踪、位移演算、灵敏度调整。本发明对这六原则，各提供可能的解决技术范例，验证其成功的必要性，制造出全世界第一个可量产的微机电鼠标，故对这六基本原则提出专利申请。这六大项原则适用于1维、2维、甚至3维位移的侦测，使得电脑鼠标可以从2维进入3维的位移侦测，即从平面进入3维空间，让电脑鼠标应用进入新纪元，这是光学鼠标再怎么改进也无法追上的，因为光学鼠标激光鼠标只能作2维的定位。
因为2维鼠标适用于平坦的桌面上，一个按压开关(Click)或转换开关(On/Off switch)，是被用来侦测鼠标是否离开了工作时的桌面。若当2维鼠标旦离开了工作桌面，则开关将自动关闭(Off)，位移计算也跟着关闭，且停止了鼠标游标在电脑荧幕上的移动；反之，只要2维鼠标在工作中仍处于平坦的桌面时，则开关就会保持正常使用的开启状态。另一个可采用的方法，是对仅能在平坦桌面使用的鼠标(譬如，xy平面)，而以一惯性感测器或位移感测器，来侦测第三度空间的移动(譬如，z轴)。若当这一鼠标离开了工作桌面时，此时滑鼠在第三度空间的移动就能够被前面所述及的两种感测器侦测出，且当第三度空间的移动幅度大过于目前的门槛时，其位移计算即停止控制荧幕上游标或鼠标的移动。以上提及的两种方法，可以使2维鼠标在桌面上顺利的移动，而不受地心引力所引发第三度空间移动的不必要移动的影响，就算2维鼠标倾斜进入3维空间，也不受其干扰。
由于本发明发明对社会的进步性具有革命性的发展，因此对这六项基本原则提出专利的申请以符合专利保护发明人的效用。本发明申请的是概念性专利，范围比较大，但也是到目前为止，全世界唯一能把惯性感测器用于电脑鼠标制作成功且实用的发明。既然是第一个，有权利对这六基本原则进行专利的申请，让后继者可以遵循这些原则，轻易创造出惯性电脑鼠标，使其性能愈来愈好，对人类社会做出更好的服务。
Claims (24)
1.一种高灵敏度惯性鼠标，依其制法，包括有资讯撷取、杂讯消除、静止区门槛设定、基准线追踪、位移演算及灵敏度调整信号处理方法，其特征在于：
资讯撷取-把惯性感测器、放大器、模拟数字转换器所提供的信号，转换成有效的加速度数据，作为后续的讯号处理；
杂讯消除-运用各种杂讯消除技术，大幅降低内外部杂讯，以提高灵敏度；
静止区门槛设定-在零加速度的基准线上下设定门槛，使得门槛内的加速度杂讯无法作为位移计算，强令加速度和位移为零，而门槛内的区域称为静止区，在静止区内免除杂讯引起的不必要震颤；门槛的设定可为静态或动态；
基准线追踪-运用各种技术来动态追踪惯性感测器的零加速度基准线，以消除感测器本身的基准线漂移和操作区域地面不平坦所引起的基准线移动，以免造成错误计算与不预期的位置移动；
位移演算-当讯号一离开静止区门槛后，就开始进行位移的计算，无论这些加速度讯号在静止区门槛区之内或之外，就是取消静止区门槛的设定，然后再运用各种技术，侦测动作是否已经完成且静止，再恢复静止区门槛的设定；而一颗惯性感测器只能侦测平移加速度，只适合正确计算平移方式的位移动作，需要再测得角加速度，才能正确计算非平移方式或具有角加速度的位移；
灵敏度调整-在惯性位移和电脑指标移动之间设定转换函数，使得惯性鼠标的小范围移动可以对应到荧幕的大范围移动，且能拥有高解析度。
2.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中资讯撷取是把模拟数字转换器之后的频率信号型式，用计数方法，每固定一段时间，收集计数器的内容，作为加速度数字数据的大小，以利后续处理。
3.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中资讯撷取是把模拟数字转换器之后的脉冲宽度信号，用计数方法，把脉冲宽度转换成数字信号，作为后续加速度大小的计算及信号处理。
4.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中资讯撷取定把模拟数字转换器之后的数字序列信号，转换成并列信号且取出数据，作为后续加速度大小的计算及信号处理。
5.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中资讯撷取是把模拟数字转换器之后的数字并列信号，取出数据，作为加速度大小的计算及后续的信号处理。
6.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中杂讯消除是运用平均技术，把二个以上的数据加起来取其平均值，作为杂讯的消除。
7.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中杂讯消除运用滤波器，去除高频或低频杂讯，以提高信号杂讯比。
8.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中静止区门槛设定可以在基准线上或下设定固定不变的静态门槛，在门槛内的惯性加速度信号，令为零加速度。
9.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中静止区门槛设定可以在基准线上或下设定随着杂讯大小而变化的动态门槛，在门槛之内惯性加速度信号，令为零加速度。
10.如权利要求9所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中动态门槛可以设定为杂讯讯号标准差的一倍以上，如果杂讯讯号标准差趋近于零，则令为一个固定值。
11.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中基准线追踪可以用内含二个数据以上的静态或动态视窗，取静止区门槛之内的加速度数据，以先进先出的方式，把加速度数据放入视窗内，取视窗内数据的平均值作为零加速度的基准线。
12.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中基准线追踪可以根据惯性感测信号在基准线上下面积对称的特性或静止区内的细微变化特征，如惯性信号的改变速率，在惯性鼠标改变位置之后，重新进行基准线的追踪，消除位移所造成的基准线变动超过静止区门槛的现象，使得惯性鼠标能在高灵敏度感测之下，仍能正常运作。
13.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中基准线追踪在动作位移发生之后就除去追踪的功能，等到惯性信号在基准线上下面积几乎相等且惯性信号的改变量小于杂讯标准差的几倍后，就开始追踪基准线，如果发现惯性信号减去现存的基准线仍然超过静止门槛，就放弃现存的基准线，而重新用权利要求11的视窗追踪法，追踪新的基准线，使得惯性鼠标能在高灵敏度感测下，仍能正常运作。
14.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中位移演算可以用区域指标的方式，在惯性加速度信号第一次离间静止区门槛就把区域指标从0变为1，运用惯性感测信号的对称特性，依序将指标变为2(再度进入静止区门槛)和3(第二次离开静止区门槛，进入区域指标0所指的上或下对称区域)，当惯性信号再度进入静止区门槛后，区域指标从3再回到0；而在区域指标定0的时候，不进行位移演算，但要进行基准线追踪和静止区门槛追踪；在区域指标不是0的时候，就进行位移演算，但不进行基准线追踪和静止区门槛追踪。
15.如权利要求14所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中位移演算的区域指标设定，需要一个正负号指标，用来解决当信号改变量太大而导致信号没有停留在区域2的问题，当区域指标为1且正负号指标发现惯性信号从正号变为负号或从负号变为正号的时候，就强令区域指标为3，表示信号没有停留在区域2而直接进入区域3，使得区域指标可以正常工作。
16.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中位移演算的平移位移可以直接把惯性感测信号当作平移加速度，直接用熟知的积分公式，计算各次维的位移。
17.如权利要求16所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中位移演算的非平移位移或具有角加速度的位移，除了惯性感测器测得的加速度信号当作平移加速度外，还要用陀螺仪直接测得角加速度或用其他惯性感测器放在座标轴上且离开一段距离来间接算得角加速度，运用熟知公式，对两个同量测方向的惯性感测信号进行相减，来求得角加速度，再用平移加速度和角加速度来进行位移修正，以求得正确的各次维位移。
18.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中灵敏度调整是把惯性鼠标位移和荧幕指标位移的转换函数，分成几个转换区域，每个转换区域有独立的转换函数，其中，含有静止区、线性区、非线性区、位移限制区，使得惯性鼠标在静止区可以静止不动；左线性区保持高零敏度；在非线性区可以改变位移速度；在位移限制区可以防止位移转换太过灵敏，以符合人类使用电脑鼠标的习惯。
19.如权利要求18所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中灵敏度调整在有加速度的静止区门槛设定的情况下，位移静止区可以不用设置；然而，若没有加速度的静止区门槛设定，则必须有位移静止区的设置。
20.如权利要求18所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中灵敏度调整的各区域可以增加、减少、对调、或不需要，端赖惯性感测特性的好坏，酌予增减，以达到人类使用鼠标的最佳舒服度。
21.如权利要求18所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中各转换区域内的转换函数可以用适应性技术或类神经网路学习技术，随时学习适应人类的习性，以达到个人化的最佳转换函数，使个人使用惯性鼠标达到最佳舒适度。
22.如权利要求1所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中资讯撷取、杂讯消除、静止区门槛设定、基准线追踪、位移演算及灵敏度调整六项讯号处理方法能被应用于1维空间，2维空间及3维空间的位移侦测。
23.如权利要求22所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中资讯撷取、杂讯消除、静止区门槛设定、基准线追踪、位移演算及灵敏度调整六项讯号处理方法应用于平坦桌面的2维鼠标，而由一个按压开关或转换开关来自动侦测鼠标是否离开了工作桌面，若一旦离开，开关呈关闭状态，位移计算停止，游标与鼠标即无法在电脑荧幕上移动；若不离开，开关呈开启状态，2维鼠标保持正常的桌面工作状态。
24.如权利要求22所述的一种高灵敏度惯性鼠标，其特征在于，其中资讯撷取、杂讯消除、静止区门槛设定、基准线追踪、位移演算及灵敏度调整六项讯号处理方法应用于平坦桌面的2维鼠标，由一个惯性感测器或位移感测器来侦测第三度空间的移动，若2维鼠标离开工作桌面，且其第三度空间的移动幅度被惯性感测器或位移感测器侦测出其大于目前的门栏，则游标或鼠标即在电脑荧幕中停止其移动。
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