CN205263759U

CN205263759U - 轨迹输入装置

Info

Publication number: CN205263759U
Application number: CN201521077550.XU
Authority: CN
Inventors: 王杰; 侯涛; 段宇; 曹长宏; 宋柏君; 陶铸鑫君; 王信峰
Original assignee: Hanwang Technology Co Ltd
Current assignee: Hanwang Technology Co Ltd
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2025-12-22

Abstract

本实用新型提供一种轨迹输入装置，该轨迹输入装置包括：姿态传感器（101），其用于获取所述轨迹输入装置（10）的姿态；位移传感器（102），其用于获取所述轨迹输入装置（10）在输入介质上移动时的移动轨迹；微处理器（103），其利用所述姿态传感器（101）获取的所述轨迹输入装置（10）的姿态，对所述位移传感器（102）获取的所述轨迹输入装置（10）在输入介质上的移动轨迹进行修正。

Description

轨迹输入装置

技术领域

本实用新型涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种轨迹输入装置。

背景技术

如今，随着计算机的普及，人们写字更多地使用键盘、鼠标等进行输入，后来又出现了语音输入。这些新颖的方式的确给人们带来了方便，但是有些内容并不适合用键盘和语音来输入，例如书法、签名等。

手写笔的出现解决了上述问题。手写笔中的传感器获取笔尖的移动轨迹，从而确定要输入给计算机的数据。

目前市面上的手写笔大多需要配合专门的书写介质才能工作。例如在手写板上进行书写。相比之下，鼠标可以在鼠标垫、桌面，甚至其他大致平坦的介质表面进行移动从而控制光标的移动。

然而，在利用鼠标进行轨迹输入（例如，写字）的过程中，应当保持鼠标平移，而如果鼠标的姿态发生了改变，则无法正确地输入位移信息。

可见，现有的轨迹输入装置或者需要特殊的输入介质，或者由于移动过程中姿态的改变而造成输入不准确。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型提供了一种轨迹输入装置，其能够校正由于轨迹输入装置的姿态改变造成的误差，由此能够随时随地可以进行输入、不需要特殊的输入介质。

本实用新型提供了一种轨迹输入装置（10），包括：

姿态传感器（101），其用于获取所述轨迹输入装置（10）的姿态；

位移传感器（102），其用于获取所述轨迹输入装置（10）在输入介质上移动时的移动轨迹；

微处理器（103），其利用所述姿态传感器（101）获取的所述轨迹输入装置（10）的姿态，对所述位移传感器（102）获取的所述轨迹输入装置（10）在输入介质上的移动轨迹进行修正。

进一步的，所述轨迹输入装置是手写笔（20），所述姿态传感器包括陀螺仪（206a）、加速度计（206b）和磁强计（207），所述位移传感器包括光电传感器（208），所述姿态包括所述手写笔（20）的俯仰角、横滚角和偏航角。

进一步的，所述手写笔（20）包括：具有内部空间的笔杆（201）；位于所述笔杆（201）一端的笔尖（202）；其中，

所述陀螺仪（206a）、所述加速度计（206b）、所述磁强计（207）和所述光电传感器（208）容纳在所述笔杆（201）的所述内部空间中并与所述手写笔（20）同轴；并且

所述微处理器（103）根据所述手写笔（20）的所述姿态得到姿态转移矩阵，利用所述姿态转移矩阵对所述笔尖（202）在所述输入介质上的移动轨迹进行修正。

进一步的，所述微处理器（103）进行的所述修正包括：通过对所述加速度计（206b）和所述磁强计（207）获取的数据和所述陀螺仪（206a）获取的数据进行融合，获得所述手写笔（20）的姿态。

进一步的，所述输入介质是纸。

本实用新型通过位移传感器（光电传感器）可以得到轨迹输入装置的位移信息，通过姿态传感器（陀螺仪、加速度计、磁强计）可以得到轨迹输入装置的姿态，然后通过姿态转移矩阵对轨迹输入装置的位移信息进行修正，从而得到精确的输入数据。

附图说明

图1示出了本实用新型的轨迹输入装置的示意图。

图2的（a）是本实用新型的一个实施方式的手写笔的正面视图。

图2的（b）是该实施方式的手写笔的背面视图。

图3是本实用新型的互补滤波的原理图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型提供的轨迹输入装置进行详细描述。在这些附图中，对于相同或者相当的构成要素，标注相同标号。以下仅为本实用新型的轨迹输入装置的最佳实施方式，本实用新型并不仅限于下述内容。

下面结合图1说明本实用新型的轨迹输入装置。

图1示出了本实用新型的轨迹输入装置的示意图。如图1所示，轨迹输入装置10包括：姿态传感器101，其用于获取轨迹输入装置10的姿态；位移传感器102，其用于获取轨迹输入装置10在输入介质上移动时的移动轨迹；微处理器103，其利用姿态传感器101获取的轨迹输入装置10的姿态，对位移传感器102获取的轨迹输入装置10在输入介质上的移动轨迹进行修正。

目前常用的姿态传感器包括陀螺仪、加速度计和磁强计。然而，这三种类型的姿态传感器在获取姿态方面均有不足之处。

例如，陀螺仪输出的角速度是瞬时量，需要角速度对时间积分而计算出角度，得到的角度变化量与初始角度相加，就得到目标角度。积分时间越小，输出角度越准，但陀螺仪的原理决定了它的测量基准是自身，并没有系统外的绝对参照物，加上积分时间不可能无限小，所以积分的累积误差就会随着时间迅速增加，最终导致输出角度与实际不符，所以陀螺仪只能工作在相对较短的时间尺度内。

加速度计测量的是重力方向的加速度，有系统外绝对参照物“重力轴”，在无外力加速度的情况下，能准确输出横滚角和俯仰角，并且此角度不会有累积误差，在更长的时间尺度内都是准确的。但是加速度计测角度也有缺点。加速度计实际上是用MEMS技术检测惯性力造成的微小形变，而惯性力与重力本质是相同的，所以加速度计就不能区分重力加速度与外力加速度。当系统在三维空间做变速移动时，加速度计的输出就产生了误差。

磁强计测量的是地磁场的磁场强度和方向，与加速度计相似，能够输出没有累积误差的数据，在较长的时间尺度内都是准确的，而且能够得到偏航角。但是其缺点在于小范围测量不够精准，对于诸如手写笔这样相对移动距离不大的对象，不能提供足够高精度的测量结果，且容易受到干扰。

所以，本实用新型利用加速度计和磁强计对陀螺仪的测量数据进行修正。例如，因为较短时间内陀螺仪的测量数据比较准确，但是有累积误差，而在较长时间下则不准确；相反，较短时间内磁强计和加速度计的测量数据不准确，但是不累积误差，而较长时间内则较为准确。基于这种事实，对三者的测量数据进行数据融合，从而集合三者的优点。

下面结合图2进一步详细说明本实用新型的轨迹输入装置。

图2的（a）是本实用新型的轨迹输入装置的一个实施方式的手写笔的正面视图。图2的（b）是该实施方式的手写笔的背面视图。

需要注意的是，本实用新型的轨迹输入装置并不限于进行二维移动的手写笔，也可以是进行三维移动的任意轨迹输入装置。

如图2的（a）所示，手写笔20包括：具有内部空间的笔杆201；位于所述笔杆201一端的笔尖202；所述姿态传感器包括陀螺仪206a、加速度计206b和磁强计207，所述位移传感器包括光电传感器208，所述姿态包括所述手写笔20的俯仰角、横滚角和偏航角。

陀螺仪206a、加速度计206b、磁强计207和光电传感器208容纳在笔杆201的内部空间中并与手写笔20同轴。

微处理器103根据手写笔20的姿态得到姿态转移矩阵，利用姿态转移矩阵对笔尖202在输入介质上的移动轨迹进行修正。

另外，笔杆201的内部空间中还安装有供电单元203和电源管理单元204。笔尖202附近设置有点触开关205，用于识别笔尖是否接触到纸面，是否已经开始书写。

这里，供电单元203可以是3.7V锂电池，用于给整个手写笔供电。电源管理单元204可以是芯片Tp4056，用于对锂电池进行充电管理。

另外，加速度计206b和陀螺仪206a的功能可以集成在一起，例如芯片Mpu6050。磁强计207例如是HMC5883L。这里，陀螺仪206a获取手写笔20的三轴角速度，加速度计206b获取手写笔20的三轴加速度，磁强计207获取手写笔20的三轴磁场强度。

另外，光电传感器208，位于笔杆201的内部空间中靠近笔尖202处，用于获取笔尖202的移动轨迹。光电传感器208通过LED（未示出）的光照射输入介质表面，反射光通过透镜209被采集成像，通过对比移动前后的图像，可以确定笔尖202在输入介质上的移动方向和移动距离，从而确定移动轨迹。

需要注意的是，陀螺仪206a、加速度计206b、磁强计207和光电传感器208必须安装在笔杆201的中轴线上，即，与笔杆201同轴，如图2所示。而且，光电传感器208相对于笔尖202的距离应当根据透镜209的景深来确定。因为只有保持在透镜景深范围内的移动才可以清晰地在光电传感器表面成像，从而检测出移动。

如图2的（b）所示，笔杆201的内部空间中还安装有：转压芯片212，可以是RT9193，用于将供电单元203的电压降压到3.3V为整个手写笔供电；数据采集单元211，用于保存和/或发送检测到的数据。具体地，数据采集单元211可以包括TF卡槽和/或通讯模块，其中TF卡槽用于将姿态传感器和位移传感器采集到的数据存储到TF卡槽中，通讯模块用于将所述数据发送到上位机保存在云端。所述通讯模块可以为蓝牙模块。

另外，安装在笔杆201的内部空间中的微处理器103用于对上述部件进行整体控制，并进行数据处理。

当手写笔20在书写介质（未示出）上书写时，陀螺仪206a、加速度计206b、磁强计207获取手写笔20的笔姿态，光电传感器208获取笔尖202在书写介质上的移动轨迹。微处理器103利用姿态转移矩阵对笔尖202在书写介质上的移动轨迹进行修正，得到准确的输入数据。

在轨迹输入装置是手写笔20的条件下，手写笔20进行书写时微处理器103根据点触开关205的信号判断笔尖202是否接触了输入介质。如果是，则获取手写笔20的姿态传感器206a、206b和207的输出数据。

获取手写笔20的姿态传感器206a、206b和207的输出数据时，通过IIC数据协议读取传感器206a、206b、207输出的3轴角速度、3轴加速度和3轴磁场强度的值。

3轴角速度是指绕笔杆201方向（设为z轴）转动的角速度、绕垂直笔杆201平面内的两个彼此正交的方向（设为x、y轴）转动的角速度。

3轴磁场强度是指沿上述x、y、z三个轴的磁场强度。

3轴加速度是指沿上述x、y、z三个轴的加速度。

通过传感器206a、206b和207获取的3轴角速度、3轴加速度和3轴磁场强度，可以得到手写笔20的姿态信息。

在获取了姿态传感器的输出数据之后，微处理器103对获取的输出数据进行校正。

进行数据校正的原因是传感器输出的数据存在一定的误差，首先需要对每个传感器的基础数据进行单独的校正，得到一个相对比较准的数据，才能进而对它进行数据处理。

对3轴磁场强度进行数据校正时可采用最小二乘法。对3轴角速度和3轴加速度进行数据校正时可以减去偏移量。下面分别进行说明。

（1）关于3轴磁场强度

基于最小二乘法的原理进行数据拟合是校正磁场强度数据的一种方法，可以使处理后的数据更加准确。

根据误差模型和采集大量数据，可以离线拟合出模型中的系数，作为矫正模型。

接下来，根据最小二乘法做数据拟合。

（2）关于3轴角速度

静止状态得到零偏，只需消除零偏的影响即可。

（3）关于3轴加速度

与3轴角速度相同，只需消除零偏的影响即可。

对获取的输出数据进行校正之后，微处理器103计算出手写笔的姿态数据。

微处理器103计算出手写笔的姿态数据时，微处理器103通过对加速度计206b和磁强计207获取的数据和陀螺仪206a获取的数据进行融合，获得手写笔20的姿态。

例如，微处理器103利用互补滤波算法进行上述融合。

由此，获得了手写笔20的笔姿态数据。

在计算出手写笔的姿态数据之后，微处理器103根据俯仰角、横滚角和偏航角确定姿态转移矩阵。

微处理器103根据俯仰角、横滚角和偏航角确定姿态转移矩阵时，微处理器103可以使用捷联惯导算法确定姿态转移矩阵如下式（1）所示，其中，θ、φ和ψ分别表示手写笔20的仰俯角、横滚角和航向角。

（式1）

然后，微处理器103获取位移传感器102的输出数据。这里，位移传感器102例如为光电传感器208，其获取笔头202在x方向和y方向的位移。由于手写笔20仅在例如纸张的书写介质上进行二维移动，所以光电传感器208仅获取两个方向的位移。对于进行三维移动的轨迹输入装置，位移传感器需要获取x、y、z三个方向的位移。

最后，微处理器103利用姿态转移矩阵对笔尖202在书写介质上的移动轨迹进行修正。

之后，微处理器103再次判断笔尖202是否接触了输入介质，如果没有，则暂停处理，直到笔尖202再次接触了输入介质，才继续重复手写笔20进行书写时微处理器103所进行的一系列动作。

设光电传感器208获取的笔尖202的位移为（x,y,z），则修正后的位移（x’,y’,z’）如下式（2）所示：

（式2）

由此，经过修正手写笔20在书写过程中发生的姿态变化，可以获得更为准确的输入数据。

应当注意，先获取姿态传感器101的输出数据，后获取位移传感器102的输出数据。然而，本实用新型并不限于这种顺序，也可以先获取位移传感器102的输出数据，后获取姿态传感器101的输出数据。

在本实用新型中，采用互补滤波进行数据融合。权重系数需要根据不同的场合变化以使误差变小。根据加速度计和陀螺仪、磁强计对不同测量时间的反应情况，长时间内加速度计206b、磁强计207对角度的测量准确，可以增加其权重系数，短时间内陀螺仪206a测量准确，可以增加其权重系数。

下面结合图3详细说明互补滤波。

图3示出了本实用新型的互补滤波的原理图。

设磁强计207输出的数据为m_x、m_y和m_z，陀螺仪206a输出的数据为(p,q,r)^T，加速度计206b输出的数据为a_x、a_y和a_z。手写笔20的仰俯角、横滚角和航向角分别记为θ、φ和ψ。

根据陀螺仪206a的工作原理可知以下微分方程：

（式3）

其中，分别表示横滚角、仰俯角和航向角的角速度。

另外，根据加速度计206b的工作原理可知以下公式：

（式4）

其中，θ_acc和φ_acc分别为加速度计206b估计的俯仰角和横滚角。

然后，利用式4中得到的俯仰角和横滚角对磁强计207的输出值进行补偿，可以得到磁强计207估计的航向角：

（式5）

然后，对加速度计206b估计的俯仰角和横滚角与陀螺仪206估计的俯仰角和横滚角进行互补滤波，得到融合后的俯仰角θ和横滚角φ。

另一方面，对磁强计207估计的航向角与陀螺仪206估计的航向角进行互补滤波，得到融合后的航向角ψ。

如上所述，进行互补滤波的规则是：长时间时增大加速度计206b、磁强计207的权重系数，短时间时增大陀螺仪206a的权重系数。在本实用新型实施例中，可以根据微处理器103对手写笔20的控制周期来确定所述长时间和短时间，例如：以微处理器103的一个控制周期作为短时间，以微处理器103的20个处理周期作为长时间，该控制周期可以为6ms，则长时间为120ms，短时间为6ms。具体的控制周期及权重系数可以通过实验进行调整。

另选的是，微处理器103还可以利用卡尔曼滤波算法对陀螺仪206a、加速度计206b和磁强计207获得的数据进行融合，得到融合后的手写笔2的横滚角、俯仰角和偏航角。

上面以手写笔20为例对本实用新型的轨迹输入装置进行了详细说明。通过本实用新型的手写笔20，可以随时随地在任意介质上书写，并精确获得手写笔20在书写介质上的移动轨迹，从而向计算机等输入精确的信息。

另外，在手写笔20的情况下，输入介质为纸。但是本实用新型并不限于纸这样的二维输入介质，而是可以为任意三维输入介质。

以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进。这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种轨迹输入装置（10），其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的轨迹输入装置（10），其特征在于，所述轨迹输入装置是手写笔（20），所述姿态传感器包括陀螺仪（206a）、加速度计（206b）和磁强计（207），所述位移传感器包括光电传感器（208），所述姿态包括所述手写笔（20）的俯仰角、横滚角和偏航角。

3.权利要求2所述的轨迹输入装置（10），其特征在于，所述手写笔（20）包括：具有内部空间的笔杆（201）；位于所述笔杆（201）一端的笔尖（202）；其中，

4.根据权利要求3所述的轨迹输入装置（10），其特征在于，所述微处理器（103）进行的所述修正包括：通过对所述加速度计（206b）和所述磁强计（207）获取的数据和所述陀螺仪（206a）获取的数据进行融合，获得所述手写笔（20）的姿态。

5.根据权利要求2-4中任意一项所述的轨迹输入装置（10），其特征在于，所述输入介质是纸。