DE10110428A1

DE10110428A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ausführen einer Objektverfolgung

Info

Publication number: DE10110428A1
Application number: DE2001110428
Authority: DE
Inventors: Jan Breitenbach
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2021-03-06
Also published as: DE10110428C2; WO2002071324A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausführen einer Objektverfolgung, wobei mittels einer Inertialsensoren umfassenden und auf einer flächenhaften Unterlage bewegbaren Eingabevorrichtung, beispielsweise einer Computermaus, Beschleunigungsmessdaten ermittelt werden, wobei aus diesen Beschleunigungsmessdaten Positionsdaten über die Bewegung der Eingabevorrichtung errechnet werden, die angezeigt oder in an sich beliebiger Weise weiterer Datenverarbeitung zugeführt oder zu Steuerungsprozessen verwendet werden können, und wobei während der Ausführung des Verfahrens erkannt wird, wenn sich die Eingabevorrichtung in Ruhe befindet; um die Langzeitstabilität zu erhöhen, ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwellwertprüfung für die ermittelten Beschleunigungsmessdaten durchgeführt wird, um zu erkennen, ob die Beschleunigungsmessdaten innerhalb oder außerhalb eines Schwellwertbereichs liegen, der durch a¶min¶ und a¶max¶ begrenzt ist, dass ein Ruhen der Eingabevorrichtung angenommen wird, wenn die ermittelten Beschleunigungsmessdaten über eine vorgebbare Kalibrierzeitdauer T¶min¶ innerhalb des Schwellwertbereichs liegen, dass aus den ermittelten Beschleunigungsmessdaten, die während der vorgebbaren Kalibrierzeitdauer T¶min¶ innerhalb des Schwellwertbereichs liegen (Ruhen der Eingabevorrichtung), ein Mittelwert O¶j¶ errechnet wird, dass der errechnete Mittelwert O¶j¶ als Offset O zur Feinkorrektur von Beschleunigungsmessdaten a'¶1¶ herangezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausführen einer Objektverfolgung, wobei mittels einer Inertialsensoren umfassenden und auf einer flächenhaften Unterlage bewegbaren Eingabevorrichtung, bspw. einer Computermaus, Beschleunigungsmeßdaten ermittelt werden, wobei aus diesen Beschleunigungsmeßdaten Positionsdaten über die Bewegung der Eingabevorrichtung errechnet werden, die angezeigt oder in an sich beliebiger Weise weiterer Datenverarbeitung zugeführt oder zu Steuerungsprozessen verwendet werden können, und wobei während der Ausführung des Verfahrens erkannt wird, wenn sich die Eingabevorrichtung in Ruhe befindet.

Die ermittelten Positionsdaten, die aus den Beschleunigungsmeßdaten ermittelt werden, können bspw. zur Steuerung eines Cursors auf einem Computerbildschirm verwendet werden, wobei solchenfalls die Eingabevorrichtung von einer Computermaus gebildet ist. Dies stellt aber nur eine Anwendung des Verfahrens dar.

Es existiert eine Vielzahl von Eingabevorrichtungen in Form von Computermäusen, die mechanisch über eine integrierte Kugel arbeiten, deren Rotation bei Bewegung über eine flächenhafte Unterlage ausgewertet wird. Durch die hieraus gewonnenen Positionsdaten wird die Bewegung eines Cursors auf einem Computerbildschirm gesteuert. Es ist bekannt, dass diese mechanisch arbeitenden Systeme sehr anfällig bezüglich Verschmutzung, Beschaffenheit der Unterlagen und Eindringen von Feuchtigkeit sind. Ferner sind infolge der mechanisch bewegten Komponenten dieser Computermäuse Verschleißerscheinungen nicht zu verhindern.

Es wurde bereits der Vorschlag gemacht, Computermäuse mit einer integrierten Kamera auszustatten, welche eine beleuchtete Unterlage quasi optisch abtastet. Hieraus wird die Position der Computermaus über einen integrierten Prozessor errechnet. Diese Geräte sind aber ebenfalls anfällig gegen Verschmutzung und haben ein sehr komplexen Aufbau.

Es wurde deshalb bereits mit US 4,787,051 der Vorschlag unterbreitet, eine Computermaus mit Inertialsensoren auszustatten, und über diese Inertialsensoren Beschleunigungsmeßdaten über die Bewegung der Computermaus zu ermitteln und hieraus durch zweifache Integration Positionsdaten zu errechnen.

Bei Durchführung eines derartigen gattungsgemäßen Verfahrens nach US 4,787,051 stellt sich das Problem der schlechten Langzeitstabilität aufgrund der sogenannten Drift. Diese Drift ist auf die zweifache Integration der bei ruhender Computermaus bzw. ruhender Eingabevorrichtung sehr geringen Sensorsignale, die in Form eines Hintergrundrauschens stets vorhanden sind, zurückzuführen. Bei einer Eingabevorrichtung in Form einer Computermaus, durch welche eine Cursorposition auf einem Computerbildschirm gesteuert wird, bedeutet dies, dass infolge der stets vorhandenen, wenn auch sehr geringen Beschleunigungsmeßdaten, welche die Inertialsensoren ausgeben, der Cursor langsam aus dem Bildschirm auswandert. Mit der US 4,787,051 wird vorgeschlagen, während der Ausführung des Verfahrens festzustellen, wenn sich die Eingabevorrichtung, also die Computermaus, in Ruhe befindet, und zwar dadurch, dass eine Oszillationsfrequenz, die auf Muskelzittern des Benutzers zurückzuführen ist und zwischen 10 und 40 Hz liegt, überwacht wird. Wenn diese überlagerte Oszillation nicht meßbar ist, so befindet sich die Computermaus in Ruhe, und währendessen werden die Beschleunigungsmeßdaten nicht integriert. Ferner wird periodisch ein Reset-Steuersignal ausgesandt, um die Integrationseinheiten auf Null zu setzen.

Bei Anwendung dieses bekannten Verfahrens nach US 4,787,051 dürfte es nicht möglich sein, bspw. einen Cursor auf einer Bildschirmseite zu "halten". Ferner werden die Integrationseinheiten nur von Zeit zu Zeit auf "Null" gesetzt.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren zum Ausführen einer Objektverfolgung so auszubilden, dass das Problem der Drift und damit die Langzeitstabilität verbessert wird und exakte Positionsbestimmungen über mehrere Minuten erreicht werden können. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Ausführen einer Objektverfolgung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 21 so zu verbessern, dass bei Ausführung eines gattungsgemäßen Verfahrens das Problem der Drift des zweifach integrierten Signals und damit die Langzeitstabilität bei der Objektverfolgung verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst,
dass eine Schwellwertprüfung für die ermittelten Beschleunigungsmeßdaten durchgeführt wird, um zu erkennen, ob die Beschleunigungsmeßdaten innerhalb oder außerhalb eines Schwellwertbereichs liegen, der durch a_min und a_max begrenzt ist,
dass ein Ruhen der Eingabevorrichtung angenommen wird, wenn die ermittelten Beschleunigungsmeßdaten über eine vorgebbare Kalibrierzeitdauer T_min innerhalb des Schwellwertbereichs liegen,
dass aus den ermittelten Beschleunigungsmeßdaten, die während der vorgebbaren Kalibrierzeitdauer T_min innerhalb des Schwellwertbereichs liegen (Ruhen der Eingabevorrichtung), ein Mittelwert O_j errechnet wird,
dass der errechnete Mittelwert O_j als Offset O zur Feinkorrektur der gerade aktuellen Beschleunigungsmeßdaten herangezogen wird.

Der Offset kann dabei als O = O_j einfach von den T_min zeitlich vorzugsweise nachfolgenden, insbesondere aktuellen Beschleunigungsmeßdaten a'_l nach a_l = a'_l - O abgezogen werden. Es erweist sich als vorteilhaft, den zeitlich zuletzt berechneten Offset O_j zur Feinkalibrierung heranzuziehen, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes, beispielsweise zu Beginn des Verfahrens, wünschenswert ist.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also quasi kontinuierlich eine Schwellwertprüfung durchgeführt. Wenn innerhalb einer vorgebbaren Zeitdauer T_min die durch die Inertialsensoren ermittelten Beschleunigungsmeßdaten a'_l innerhalb des Schwellwertbereichs liegen, der so gewählt wird, dass er geringe und auf "Rauschen" zurückzuführende Beschleunigungswerte umfasst, nicht aber auf eine Bewegung der Eingabevorrichtung zurückzuführende Beschleunigungswerte, so wird ein Ruhen der Eingabevorrichtung angenommen, und die ermittelten Beschleunigungsmeßdaten werden zur Ausführung einer Feinkalibrierung verwendet. Hierzu wird aus diesen Beschleunigungsmeßdaten, die während der Kalibrierzeitdauer T_min ermittelt wurden und die innerhalb des Schwellwertbereichs liegen, ein Mittelwert O_j errechnet. Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei diesem Mittelwert nicht notwendigerweise um den arithmetischen Mittelwert handeln muß, sondern dass eine wie auch immer gestaltete oder gewichtete Mittelung der einzelnen Beschleunigungsmeßdaten a'_l hierunter zu verstehen ist. Dieser Mittelwert O_j wird dann als Offset O zur Feinkorrektur der gerade aktuellen und der folgenden Beschleunigungsmeßdaten verwendet. Es wird also von den tatsächlich ermittelten Beschleunigungsmeßdaten dieser zuvor ermittelte Offset zur Feinkorrektur abgezogen. Auf diese Weise wird die Drift der durch zweifache Integration der Beschleunigungsmeßdaten ermittelten Positionsdaten erheblich reduziert.

Wenn im Zuge der Durchführung dieses Verfahrens also während der Schwellwertprüfung festgestellt wird, dass die Beschleunigungsmeßdaten außerhalb des Schwellwertbereichs liegen, so wird dieser Wert und die folgenden Werte dieser Kalibierzeitdauer T_min nicht weiter zur Berechnung des Mittelwerts O_j herangezogen. Es wird, wenn wieder ein Ruhen der Eingabevorrichtung festgestellt wird, dann ein neuer Mittelwert O_j während einer vorgebbaren Kalibrierzeitdauer T_min bestimmt, die zweckmäßigerweise zwischen 10 ms und 60 ms liegt und während derer sämtliche Beschleunigungsmeßdaten innerhalb des Schwellwertbereichs liegen.

Es sei auch darauf hingewiesen, dass diejenigen Beschleunigungsmeßdaten a'_l, die innerhalb des Schwellwertbereichs liegen, nicht zur Berechnung von Positionsdaten herangezogen werden.

Bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es durch die fortlaufende, insbesondere quasi kontinuierliche Berechnung von Korrekturdaten als Offset O während des Ruhens der Eingabevorrichtung möglich, die Drift der durch zweifache Integration der Beschleunigungsmeßdaten gewonnenen Positionsdaten so gering zu halten, dass bspw. ein hierdurch gesteuerter Cursor eines Computerbildschirms über viele Minuten an ein und derselben Stelle des Bildschirms gehalten werden kann.

In ganz besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, aus mehreren errechneten Mittelwerten O_j, die während des Ruhens der Eingabevorrichtung, insbesondere über aneinander anschließende Kalibrierzeitintervalle T_min errechnet wurden, m Mittelwerte O_j zu berücksichtigen und hieraus einen gemittelten Offset O zu errechnen und zur Feinkorrektur der gerade aktuellen Beschleunigungsmeßdaten heranzuziehen. Hierbei kann es sich um die letzten m Mittelwerte O_j handeln. Der gemittelte Offset O kann wieder nach a_l = a'_l - O von den Beschleunigungsmeßdaten a'_l abgezogen werden.

Auf diese Weise wird erfindungsgemäß die "Robustheit" der Objektverfolgung erhöht, indem als Offset O ein Mittelwert der insbesondere letzten m Mittelwerte O_j ermittelt und zur Feinkorrektur verwendet wird; Spitzen und Ausreißer verlieren auf diese Weise ihre schädliche Wirkung auf das Integrationsergebnis. Man könnte auch von einer gewollten Erhöhung der Trägheit der Fehlerkorrektur sprechen. Auch hier sei erwähnt, dass der Begriff der Mittlung wie eingangs erwähnt, im weitesten Sinne zu verstehen ist. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn für m Werte zwischen 5 und 25, vorzugsweise zwischen 5 und 15 gewählt werden.

Es hat sich desweiteren als zweckmäßig und vorteilhaft erwiesen, wenn a_min zwischen -0,001 g und -0,01 g und a_max zwischen +0,001 g und +0,01 g liegt. Der Schwellwert wird zweckmäßigerweise abhängig von der Sensorqualität, also in Abhängigkeit des Rauschverhaltens des Sensors gewählt. Die Schwellwerte liegen vorzugsweise geringfügig über dem Grundrauschen der Sensoren. Bei qualitativ hochwertigsten Sensoren könnte also ein Schwellwertbereich zwischen -0,001 g und +0,001 g gewählt werden. Wie vorstehend erwähnt, erweist es sich als zweckmäßig den Schwellwertbereich innerhalb von -0,01 g und +0,01 g zu wählen, insbesondere zwischen -0,006 g und +0,006 g. g ist dabei 9,81 m/s².

Nach einem weiteren Erfindungsgedanken könnte über eine weitere Schwellwertprüfung erreicht werden, dass nur solche Beschleunigungsmeßdaten a'_l zur Rechnung von Positionsdaten herangezogen werden, die außerhalb eines zweiten Schwellwertbereichs liegen, um sicherzustellen, dass nur solche Beschleunigungsmeßdaten a'_l zur Berechnung von Positionsdaten herangezogen werden, die mit Sicherheit auf eine tatsächliche, also bestimmungsgemäß herbeigeführte Beschleunigung bzw. Verschiebung der Eingabevorrichtung zurückzuführen sind. In diesem Fall ist dieser zweite Schwellwertbereich von Schwellwerten b_min und b_max begrenzt, die betragsmäßig größer sind als a_min bzw. a_max. Insbesondere können die Schwellwerte b_min und b_max mit a_min und a_max zusammenfallen, so dass jeder Beschleunigungsmeßwert a'_l zur Berechnung von Positionsdaten herangezogen, also einer Integration unterworfen wird, wenn er außerhalb des ersten Schwellwertbereichs (a_min und a_max) liegt.

Die Kalibrierzeitdauer T_min gibt an, innerhalb welcher Zeit die Beschleunigungsmeßdaten, die für die Kalibrierung verwendet werden. Innerhalb dieser Kalibierzeitdauer T_min muß sich die Eingabevorrichtung per Definition in Ruhe befinden, d. h. während dieses Zeitintervalls befinden sich sämtliche Beschleunigungsmeßdaten innerhalb des Schwellbereichs. Nur wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, werden die Beschleunigungswerte für die Feinkalibrierung verwendet. An sich sollte das Zeitintervall T_min möglichst klein sein, damit so oft als möglich die Feinkalibrierung durchgeführt werden kann. Bevorzugte Kalibrierzeiten liegen zwischen 10 und 60 ms.

Die Abtastfrequenz F, mit der Beschleunigungsmeßdaten ermittelt werden, liegt vorzugsweise zwischen 300 und 1500 Hz, insbesondere zwischen 300 und 1000 Hz, was bedeutet, dass zwischen 300 und 1500 bzw. zwischen 300 und 1000 Beschleunigungsmeßdaten pro Sekunde genommen werden. Ist die Abtastfrequenz zu gering, so treten nicht hinnehmbare Fehler durch die Integration der Beschleunigungsmeßdaten und bei der Auswertung auf. Auf der anderen Seite ist eine Erhöhung der Abtastfrequenz mit einem steigenden Rechenaufwand verbunden, und außerhalb des genannten Frequenzbereichs ist die durch die höhere Abtastfrequenz gewonnene Performanceverbesserung eher gering.

Wenn während einer Kalibrierzeitdauer T_min Beschleunigungsmeßdaten a'_l zur Mittelwertbildung O_j herangezogen werden, so bedeutet dies, dass eine Anzahl k = T_min.F Beschleunigungsmeßdaten berücksichtigt werden.

Die Mittelwertbildung O_j kann in vorteilhafter Weise nach der folgenden Formel durchgeführt werden.

Die Offset-Ermittlung aus den insbesondere letzten m Mittelwerten O_j kann vorteilhafterweise nach folgender Formel durchgeführt werden:

Nach einem weiteren Erfindungsgedanken wird nach einer ersten Integration der Beschleunigungsmeßdaten eine nichtlineare Verstärkung der hieraus errechneten Geschwindigkeitswerte vor einer weiteren Integration durchgeführt. Bei dieser nichtlinearen Verstärkung kann es sich bspw. um eine Quadatur der Geschwindigkeitswerte handeln. Hierdurch wird erreicht, dass gerade bei langsamen Bewegungen der Eingabevorrichtung die vorhandene Drift im Vergleich zum tatsächlichen Bewegungssignal (Nutzsignal) weniger stark gewichtet wird, da ja diese Beschleunigungsmeßdaten, die auf die Drift zurückzuführen sind, gegenüber denjenigen, die auf eine gewollte Bewegung zurückzuführen sind, kleiner sind. Durch die nichtlineare Verstärkung wird deren Einfluß, der sonst gerade bei langsamen Bewegungen doch verhältnismäßig groß wäre, verringert. Es werden also langsam ausgeführte Bewegungen, bei denen Beschleunigungsmeßwerte, die nicht auf das Nutzsignal sondern auf Drift zurückzuführen sind und ein großen Fehler verursachen würden, weniger gewichtet als schnelle Bewegungen. Würde hingegen die Verstärkung erst nach der zweiten Integration, also der Integration der Geschwindigkeitswerte erfolgen, so würde auch der bei langsamen Bewegungen größere Fehler verstärkt werden.

Nach einem weiteren an sich selbstständigen Erfindungsgedanken wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Signalformüberwachung, insbesondere in Form einer Frequenzbandüberwachung, bei den ermittelten Beschleunigungsmeßdaten ausgeführt, um Signalformen, insbesondere Frequenzbereiche, der Beschleunigungsmeßdaten zu erkennen und hierdurch Steuerprozesse einzuleiten. Es wird also eine Analyse der ermittelten Beschleunigungsmeßdaten nach deren Signalform, insbesondere deren Frequenzen, durchgeführt. Beispielsweise findet das Führen einer Computermaus als Eingabevorrichtung zur Steuerung eines Cursors auf einem Computerbildschirm innerhalb eines vergleichsweise geringen Frequenzbands statt.

Insofern ist es vorteilhaft und möglich, dass die Signalformüberwachung, insbesondere in Form einer Frequenzbandüberwachung, bei den ermittelten Beschleunigungsmeßdaten ausgeführt wird, um solche Signalformen, insbesondere solche Beschleunigungsbereiche, zu erkennen, die nicht auf die bestimmungsgemäße Objektverfolgung zurückzuführen sind, um hierdurch Steuerungsprozesse einzuleiten. Beispielsweise wäre ein Schlag mittels eines Hammers auf die flächenhafte Unterlage, auf der sich die Eingabevorrichtung befindet, mit einem sehr hohen Frequenzspektrum verbunden und könnte als Störung detektiert werden. In entsprechender Weise könnte ein Fallenlassen der Eingabevorrichtung aus geringer Höhe oder das Auftippen der Eingabevorrichtung auf die flächenhafte Unterlage erkannt werden.

Es wird nun in ganz besonders vorteilhafter Weise vorgeschlagen, dass ein vergleichsweise hochfrequenter Beschleunigungsbereich dazu verwandt wird, einen Lokalisierungssteuerungsprozeß zu initiieren. Es könnte hierdurch bspw. ein Cursor auf einen Ausgangspunkt eines Computerbildschirms zurückbewegt werden, wenn der Cursor nach langer Zeit des Ruhens "ausgewandert" ist oder die Eingabevorrichtung bewußt beiseite gelegt wurde etc. Ein Benutzer bräuchte also lediglich mit dem Finger auf die Eingabevorrichtung zu tippen, mit einem Fingerknochen auf die Unterlage zu klopfen oder die Eingabevorrichtung kurz auf die Unterlage aufzutippen, um schlagartig einen (Re)Lokalisierungssteuerungsprozeß auszulösen, etwa dahingehend, dass hierdurch der Cursor auf einem Computerbildschirm an eine bestimmte Stelle plaziert wird.

Die Frequenzen für eine derartige Frequenzbandüberwachung bzw. -auswertung liegen oberhalb von 15 Hz. Frequenzen unterhalb von 15 Hz sind Nutzsignale. Impulsfrequenzen, die aber über 100 Hz liegen, können mit Sicherheit nicht mehr auf die Bewegung der Eingabevorrichtung durch die Hand eines Benutzers zurückgeführt werden.

Die Erfindung betrifft desweiteren eine Vorrichtung zum Ausführen einer Objektverfolgung mit den Merkmalen des Anspruchs 21.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen sowie aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung von über der Zeit aufgetragenen Beschleunigungsmeßdaten;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des integrierten Signals nach Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs in Blockdiagrammform;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer miniaturisierten Eingabevorrichtung.

Die Fig. 1 und 2 sollen das Phänomen der sogenannten Drift verdeutlichen. Fig. 1 zeigt über der Zeit aufgetragen den Verlauf einzelner mit einer Frequenz F genommenen Beschleunigungsmeßdaten a'_l in einer ersten Richtung. Man erkennt, dass die Beschleunigungsmeßdaten zunächst innerhalb eines Schwellwertbereichs, begrenzt durch a_min und a_max verbleiben. Während dieser Zeit befindet sich eine Inertialsensoren umfassende Eingabevorrichtung, bspw. eine Computermaus, in Ruhe und die in Fig. 1 dargestellten verhältnismäßig geringen Beschleunigungsmeßdaten sind auf das "Rauschen" des betrachteten Inertialsensors zurückzuführen. Diese Rausch-Daten sind für sich genommen sehr gering. Sie führen aber bei kontinuierlicher Integration zu Errechnung von Geschwindigkeitswerten wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, zu einem verhältnismäßig rasch anwachsenden Geschwindigkeitswert V_x und damit verbunden zu einem großen Fehlsignal, welches sich bei weiterer Integration zur Erzeugung von Positionsdaten der Eingabevorrichtung und deren Verstärkung innerhalb kürzester Zeit so nachteilig auswirken kann, dass das Verfahren unbrauchbar wird. Ebenfalls in Fig. 1 angedeutet ist am Ende der Rausch-Signale eine lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellte Zunahme der Beschleunigungsmeßdaten, die auf ein Verschieben der Eingabevorrichtung, also auf ein Nutzsignal zurückzuführen sind.

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit diesem Problem der Drift der insbesondere zweifach integrierten Beschleunigungsmeßdaten und versucht die hiermit verbundenen Probleme zu eliminieren.

In Fig. 3 ist schematisch angedeutet eine Eingabevorrichtung 2, bspw. eine Computermaus, die auf einer flächenhaften Unterlage bewegbar ist. Es kann sich hierbei aber auch um eine an sich beliebige Eingabevorrichtung, welche zum Zwecke der Objektverfolgung auf einer körperlichen Oberfläche bewegbar ist, handeln. Die Eingabevorrichtung umfasst zwei orthogonal angeordnete einachsige Beschleunigungssensoren 4. Sollte, was bei Computermäusen an sich nicht erforderlich ist, auch eine Rotation der Eingabevorrichtung erfasst werden, so könnte hierfür ein weiterer Sensor in Form eines Drehratensensors (Gyroskop) vorgesehen werden.

Beim Einschalten der Computermaus wird automatisch eine Grobkalibrierung durchgeführt, um insbesondere die Neigung der Unterlage zu kompensieren. Durch diese Grobkalibrierung wird der Einfluß der Schwerkraft eliminiert. Da sich ein geringer Offset zu den Beschleunigungsmeßdaten, die auf eine gewollte Verschiebung der Eingabevorrichtung zurückzuführen sind, jedoch signifikant im Ergebnis der numerischen Auswertung der Daten auswirkt, wird eine quasi kontinuierliche Feinkalibrierung, die nachfolgend beschrieben wird, ausgeführt. Die Feinkalibrierung korrigiert außerdem geringe Neigungsunterschiede der Unterlage, auf der die Eingabevorrichtung ruht oder bewegt wird.

Diese Feinkalibrierung erfolgt durch eine insbesondere kontinuierliche Schwellwertüberwachung der mit einer Abtastfrequenz F zwischen 300 und 1000 Hz genommenen Beschleunigungsmeßdaten, wenn während einer Kalibrierzeitdauer T_min zwischen 10 und 60 ms im Zuge dieser Schwellwertprüfung festgestellt wird, dass die ermittelten Beschleunigungsmeßdaten a'_l innerhalb des Schwellwertbereichs, der durch a_min und a_max gewählt ist zwischen -0,006 g und +0,006 g liegen, so wird definitionsgemäß ein Ruhen der Eingabevorrichtung 2 angenommen, und es wird dann etwa nach folgender Formel ein Mittelwert O_j dieser Beschleunigungsmeßdaten ermittelt, wobei die Anzahl k der hierfür zu berücksichtigenden Beschleunigungsmeßdaten durch k = F.T_min bestimmt ist. T_min liegt dabei in der Größenordnung einiger Millisekunden, vorzugsweise zwischen 10 und 60 ms.

Wenn in der daran anschließenden Zeit T_min wiederum die Beschleunigungsmeßdaten a'_l innerhalb des Schwellwertbereichs liegen, so wird aus diesen k Meßdaten wiederum ein Mittelwert O_j berechnet. Dieser Mittelwert O_j kann zur Korrektur der daran anschließenden Beschleunigungsmeßdaten nach der Formel a_l = a'_l - O_j verwendet werden.

Es hat sich hiervon ausgehend aber als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Robustheit dieser Offset-Bestimmung dadurch erhöht wird, dass nicht nur ein Mittelwert O_j, insbesondere der letzte Mittelwert O_j sondern mehrere Mittelwerte insbesondere die letzten m Mittelwerte O_j berücksichtigt werden, indem hieraus ein gemittelter Offset O, etwa nach folgender Formel berechnet und der Korrektur zugrunde gelegt wird:

Die eigentliche Feinkorrektur der Beschleunigungswerte a_l erfolgt dann über die Gleichung a_l = a'_l - O.

Auf diese Weise kann die Drift durch Temperatureinflüsse, Sensorgenauigkeit oder sonstige Einwirkungen, insbesondere Neigungsunterschiede der Unterlage, automatisch und quasi kontinuierlich korrigiert werden. Durch die sehr kurze Kalibrierzeit T_min wird dieser Vorgang vom Benutzer nicht wahrgenommen. Es genügt also eine extrem kurze Zeit der Nichtbewegung, also des Ruhens der Eingabevorrichtung im vorstehend erörterten Sinne, um die vorstehend erläuterten Kalibrierungsvorgänge durchzuführen. Wenn aber während der Schwellwertprüfung festgestellt wird, dass die Beschleunigungsmeßdaten nicht mehr innerhalb des Schwellwertbereichs liegen, also eine Verlagerung der Eingabevorrichtung 2 vorgenommen wird, so werden diese Beschleunigungsmeßdaten nicht zur Mittelwertberechnung O_j herangezogen und vorzugsweise auch die übrigen Beschleunigungsmeßdaten dieses Zeitintervalls T_min werden nicht zur Feinkalibrierung verwendet. Die Beschleunigungsmeßdaten werden dann mit dem zuletzt berechneten Offset O nach a_l = a'_l - O korrigiert und dem Rechenmittel zugeführt, wo aus den Beschleunigungsmeßdaten a_l Positionsdaten ermittelt werden. Wenn die Eingabevorrichtung 2 das nächste Mal wieder für eine Zeitdauer T_min (Kalibrierzeitdauer) in Ruhe ist, so wird ein neuer Mittelwert O_j bzw. ein neuer gemittelter Offset O berechnet, der dann bei der Feinkorrektur zugrunde gelegt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens umfasst neben der die Inertialsensoren 4 umfassenden Eingabevorrichtung 2 ein Mittel 6 zum Durchführen einer Schwellwertprüfung, ein Mittel 8 zum Errechnen des Mittelwerts O_j, ein Mittel 10 zum Bestimmen des gemittelten Offsets O, ein Mittel 12 zum Feinkorrigieren der Beschleunigungsmeßdaten a'_l sowie ein Rechenmittel 14 zum Errechnen von Positionsdaten über die Bewegung der Eingabevorrichtung 2 aus den Beschleunigungsmeßdaten al.

Zwischen der Eingabevorrichtung 2 und dem Mittel 6 und/oder einer die Mittel 6 bis 14 umfassenden Einheit können Schnittstellen zur Übertragung von Informationen über Kabel, Infrarot oder Funk vorgesehen sein, die hier nicht dargestellt sind.

Es ist desweiteren möglich, zusätzlich zu den vorstehend geschilderten Vorgängen eine Signalformüberwachung, insbesondere eine Frequenzbandüberwachung, bei den ermittelten Beschleunigungsmeßdaten a'_l durchzuführen, um Beschleunigungsbereiche bzw. charakteristische Signalverläufe, insbesondere Frequenzbänder, von Beschleunigungsmeßdaten zu erkennen und hierdurch Steuerprozesse einzuleiten. Dies kann, wie schematisch in Fig. 3 angedeutet, durch Frequenzbandfilter 16 geschehen. Wird bspw. ein hochfrequenter Bereich, wie er durch ein Auftippen der Eingabevorrichtung auf einer harten ebenen Unterlage erzeugt werden kann, detektiert, so könnte hierdurch ein Steuerungsprozeß, bspw. ein Relokalisieren des Cursors auf einem Computerbildschirm an einen bestimmten Bereich des Bildschirms eingeleitet werden. Durch die Frequenzbandüberwachung könnten aber auch bspw. die Eingabetasten von Computermäusen codiert werden und beim Auftreten eines entsprechenden Frequenzspektrums eine Betätigung einer solchen Taste angenommen und ausgewertet werden. Die Eingabe, die bei herkömmlichen Computermäusen über Taster erfolgt, könnte über verschiedene Impulse, die unterschiedliche Frequenzbänder umfassen, ausgeführt werden, so dass kein zusätzlicher Bauraum für Taster mehr erforderlich ist. Wie erwähnt muß die Signalformüberwachung nicht notwendigerweise eine Frequenzbandüberwachung sein, sondern sie kann auch als Überwachung der Form der Beschleunigungsimpulse oder des Amplitudenverlaufs ausgeführt werden.

Bild 4 zeigt eine stark miniaturisierte Ausführung einer Eingabevorrichtung 2' mit einem bandförmigen Befestigungsmittel 18 zum Festlegen der Eingabevorrichtung 2' an der Fingerkuppe eines Benutzers. Nach einiger Übung ist es für einen Benutzer leicht möglich, durch verschieden starkes Antippen oder Aufsetzen der Eingabevorrichtung 2' auf die Unterlage verschiedene Frequenzbänder anzuwählen, um hierdurch verschiedene Steuerfunktionen, die bei herkömmlichen Computermäusen durch die linke bzw. rechte Maustaste ausgeführt werden, auszulösen.

Claims

1. Verfahren zum Ausführen einer Objektverfolgung, wobei mittels einer Inertialsensoren umfassenden und auf einer flächenhaften Unterlage bewegbaren Eingabevorrichtung, beispielsweise einer Computermaus,
Beschleunigungsmeßdaten ermittelt werden, wobei aus diesen Beschleunigungsmeßdaten Positionsdaten über die Bewegung der Eingabevorrichtung errechnet werden, die angezeigt oder in an sich beliebiger Weise weiterer Datenverarbeitung zugeführt oder zu Steuerungsprozessen verwendet werden können, und wobei während der Ausführung des Verfahrens erkannt wird, wenn sich die Eingabevorrichtung in Ruhe befindet, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Schwellwertprüfung für die ermittelten Beschleunigungsmeßdaten durchgeführt wird, um zu erkennen, ob die Beschleunigungsmeßdaten innerhalb oder außerhalb eines Schwellwertbereichs liegen, der durch a_min und a_max begrenzt ist,
dass ein Ruhen der Eingabevorrichtung angenommen wird, wenn die ermittelten Beschleunigungsmeßdaten über eine vorgebbare Kalibrierzeitdauer T_min innerhalb des Schwellwertbereichs liegen,
dass aus den ermittelten Beschleunigungsmeßdaten, die während der vorgebbaren Kalibrierzeitdauer T_min innerhalb des Schwellwertbereichs liegen (Ruhen der Eingabevorrichtung), ein Mittelwert O_j errechnet wird, dass der errechnete Mittelwert O_j als Offset O zur Feinkorrektur von Beschleunigungsmeßdaten a'_l herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den fortlaufend errechneten Mittelwerten O_j jeweils m Mittelwerte O_j berücksichtigt und hieraus ein gemittelter Offset O ermittelt wird und dieser Offset O zur Feinkorrektur von Beschleunigungsmeßdaten a'_l herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für m Werte zwischen 5 und 25, vorzugsweise zwischen 5 und 15 gewählt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass a_min zwischen -0,001 g und -0,01 g und a_max zwischen +0,001 g und +0,001 g liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass a_min zwischen -0,003 g und -0,008 g und a_max zwischen +0,003 g und +0,008 g liegt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Beschleunigungsmeßdaten a'_l, die innerhalb des Schwellwertbereichs liegen, nicht zur Berechnung von Positionsdaten herangezogen werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur solche Beschleunigungsmeßdaten a'_l, zur Berechnung von Positionsdaten herangezogen werden, die außerhalb eines zweiten Schwellwertbereichs liegen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schwellwertbereich von Schwellwerten b_min und b_max begrenzt ist, deren Betrag ≧ a_min bzw. ≧ a_max ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Schwellwertbereich zusammenfallen.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz F, mit der Beschleunigungsmeßdaten ermittelt werden, zwischen 300 und 1500 Hz, insbesondere zwischen 300 und 1000 Hz liegt.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierzeitdauer T_min zwischen 10 ms und 60 ms liegt.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass k Beschleunigungsmeßdaten a'_l zur Mittelwertbildung O_j herangezogen werden, wobei k = T_min.F

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung O_j nach
durchgeführt wird.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Offsetermittlung nach
durchgeführt wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer ersten Integration der Beschleunigungsmeßdaten eine nicht lineare Verstärkung der hieraus errechneten Geschwindigkeitswerte durchgeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als nicht lineare Verstärkung eine Quadratur der Geschwindigkeitswerte durchgeführt wird.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalformüberwachung, insbesondere eine Frequenzbandüberwachung, bei den ermittelten Beschleunigungsmeßdaten ausgeführt wird, um Signalformbereiche, insbesondere Frequenzbereiche, der Beschleunigungsmeßdaten zu erkennen und hierdurch Steuerprozesse einzuleiten.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalformüberwachung, insbesondere Frequenzbandüberwachung, bei den ermittelten Beschleunigungsmeßdaten ausgeführt wird, um solche Signalformen, insbesondere Frequenzbereiche, der Beschleunigungsmeßdaten zu erkennen, die nicht auf die bestimmungsgemäße Objektverfolgung zurückzuführen sind, um hierdurch Steuerprozesse einzuleiten.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein vergleichsweise hochfrequenter Beschleunigungsbereich dazu verwandt wird, einen Lokalisierungssteuerprozess zu initiieren.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzbereich oberhalb von 15 Hz überwacht wird.

21. Vorrichtung zum Ausführen einer Objektverfolgung, mit einer Inertialsensoren (4) umfassenden und auf einer flächenhaften Unterlage bewegbaren Eingabevorrichtung (2), beispielsweise einer Computermaus, zur Ermittlung von Beschleunigungsmeßdaten a'_l,
mit einem Rechenmittel (14) zum Errechnen von Positionsdaten über die Bewegung der Eingabevorrichtung aus Beschleunigungsmeßdaten, wobei die Positionsdaten angezeigt oder in an sich beliebiger Weise weiterer Datenverarbeitung zugeführt oder zu Steuerungsprozessen verwendet werden können, gekennzeichnet durch
ein Mittel (6) zum Durchführen einer Schwellwertprüfung für die ermittelten Beschleunigungsmeßdaten, um zu erkennen, ob die Beschleunigungsmeßdaten innerhalb oder außerhalb eines Schwellwertbereichs liegen, der durch Schwellwerte a_min und a_max begrenzt ist, ein Ruhen der Eingabevorrichtung (2) angenommen wird, wenn die ermittelten Beschleunigungsmeßdaten über eine vorgebbare Kalibrierzeitdauer T_min innerhalb des Schwellwertbereichs liegen,
ein Mittel (8) zum Errechnen eines Mittelwerts O_j aus den ermittelten Beschleunigungsmeßdaten a'_l, die während der vorgebbaren Kalibrierzeitdauer T_min innerhalb des Schwellwertbereichs liegen (Ruhen der Eingabevorrichtung),
ein Mittel (12) zum Feinkorrigieren der Beschleunigungsmeßdaten a'_l, die dann der Berechnung der Positionsdaten durch das Rechenmittel zugrunde gelegt werden, anhand des errechneten Mittelwerts O_j als Offset O.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch ein Mittel (10) zum Bestimmen eines gemittelten Offsets O aus errechneten Mittelwerten O_j, wobei jeweils m Mittelwerte O_j berücksichtigt werden, und dieser Offset O zur Feinkorrektur von Beschleunigungsmeßdaten herangezogen wird.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabevorrichtung (2) mit den Inertialsensoren (4) von einem Empfangsgerät getrennt ausgebildet ist, welches Empfangsgerät das Rechenmittel (12), das Mittel (6) zum Durchführen der Schwellwertprüfung, das Mittel (8) zum Errechnen des Mittelwerts O_j und das Mittel (12) zum Feinkorrigieren der Beschleunigungsmeßdaten a_l umfasst, und zwischen der Eingabevorrichtung (2) und dem Empfangsgerät Schnittstellen zur Übertragung von Informationen vorgesehen sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21-23, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabevorrichtung (2) ein im wesentlichen staub- und verschmutzungsdichtes sowie feuchtigkeitsdichtes geschlossenes Gehäuse aufweist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21-24, gekennzeichnet durch zwei in einem Winkel, vorzugsweise orthogonal angeordnete einachsige Inertialsensoren oder einen zweiachsigen Inertialsensor.