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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Eine bedeutende Aufgabe von Sensoren für ein mobiles Gerät ist die Erkennung von einer Bewegung des Gerätes. Solche Sensoren zur Bewegungserkennung sind beispielsweise aus der Druckschrift
WO 2009/072736 A1 bekannt. Diese Sensoren werden verwendet, um die Bewegung des Nutzers des mobilen Gerätes zu messen. Bei diesen mobilen Geräten handelt es sich beispielsweise um Mobiltelefone, Musikabspielgeräte oder Fernbedienungen. Anhand der erkannten Bewegungsabläufe werden geeignete Handlungen ausgeführt. Solche Handlungen sind beispielsweise ein Wechsel des ausgewählten Musikstücks oder eine Vergrößerung eines Bildes in einem Bildsucher einer Kamera.
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Für eine vollständige Bestimmung der Bewegung eines Systems werden drei Beschleunigungs- und drei Drehratensignale benötigt.
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Andererseits verursacht die Verwendung von vielen Eingangssignalen hohe Kosten, weil eine große Anzahl an Sensoren angeordnet werden muss. Die Verwendung nur eines einzigen 3-Achsen-Beschleunigungssensors ist daher als kostengünstige Variante anzustreben. Allerdings ist mit nur einem einzigen 3-Achsen-Beschleunigungssensor die zuverlässige Detektion von Bewegungsmustern problematisch, weil die Orientierung des Gerätes und die Bewegung des Gerätes nicht bestimmbar sind, wenn nur drei Beschleunigungssignale als Eingangssignale verwendet werden. Insbesondere können Beschleunigungen beispielsweise durch Schütteln des Gerätes nicht von Beschleunigungen durch Orientierungsänderung des Gerätes bezüglich des Gravitationsfeldes der Erde unterschieden werden. Mit einem 3-Achsen-Beschleunigungssensors kann somit nicht zuverlässig bestimmt werden, ob eine Änderung der gemessenen Beschleunigungssignale aufgrund einer dynamischen Beschleunigung oder aufgrund einer Orientierungsänderung hervorgerufen wird. Daher haben Verfahren bzw. Sensoranordnungen mit nur einem einzigen 3-Achsen-Beschleunigungssensor zur Bewegungserkennung nach dem Stand der Technik den Nachteil, dass die zuverlässige Unterscheidung zwischen translatorischen Bewegungen (z. B. durch Linearbewegungen des Gerätes) und rotatorischen Bewegungen unmöglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bewegungserkennung eines Gerätes und das erfindungsgemäße Verfahren zur Bewegungserkennung eines Gerätes gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass zunächst erkannt wird, ob einer der zwei Spezialfälle, nämlich eine reine Rotationsbewegung oder eine reine Translationsbewegung, vorliegt und dass dann für den entsprechenden Spezialfall die Bewegung mit dem Drei-Achsen-Beschleunigungssensor bestimmt wird. Das System mit sechs Freiheitsgraden wird dadurch auf zwei Spezialfälle mit drei Freiheitsgraden reduziert, die dann jeweils durch den Drei-Achsen-Beschleunigungssensor quantifiziert werden können. Die Herstellungskosten von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Bewegungserkennung bzw. von Vorrichtungen, die das erfindungsgemäße Verfahren anwenden, sind erheblich reduzierbar, weil lediglich eine Beschleunigungssensoranordnung mit nur drei sensitiven Achsen verwendet werden muss und es dennoch möglich ist, zuverlässig zwischen translatorischen Bewegungen und rotatorischen Bewegungen eines Gerätes zu unterscheiden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bewegungserkennung als mikroelektromechanisches System (MEMS) herstellbar ist. Durch die Herstellung als MEMS ist es vorteilhaft möglich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bewegungserkennung auf vergleichsweise wenig Raum realisierbar ist und somit auf einfache Weise in das Gerät implementierbar ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bewegungserkennung einen Filter, bevorzugt einen Hochpass aufweist. Durch den Filter ist es vorteilhaft möglich, dass Störsignale herausgefiltert werden können. Bevorzugt wird ein Hochpass verwendet, damit Störsignale bei Beschleunigungswerten im Bereich Null herausgefiltert werden können.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung und eine zugehörige sensorsignalverarbeitende Elektronik als MEMS in einem Sensorgehäuse integriert sind. Bevorzugt ist die Vorrichtung in dem Sensorgehäuse auf einem ersten Substrat und die Elektronik auf einem zweiten Substrat angeordnet Dadurch ist vorteilhaft eine kostengünstige Herstellung möglich.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bewegungserkennung. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Bewegungserkennung ist es vorteilhaft möglich, dass mit einer Beschleunigungssensoranordnung mit maximal drei sensitiven Achsen die zuverlässige Unterscheidung zwischen einer translatorischen Bewegung und einer rotatorischen Bewegung eines Gerätes möglich ist. Dadurch sind die Herstellungskosten von Vorrichtungen, die das erfindungsgemäße Verfahren anwenden erheblich reduzierbar, weil lediglich eine Beschleunigungssensoranordnung mit nur drei sensitiven Achsen verwendet werden muss und es dennoch möglich ist, zuverlässig zwischen translatorischen Bewegungen und rotatorischen Bewegungen eines Gerätes zu unterscheiden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass Beschleunigungswerte bezüglich der drei sensitiven Achsen gemessen werden und eine Bewegung des Gerätes parallel zu einer der drei sensitiven Achsen erkannt wird. Durch die Erkennung der Bewegung des Gerätes parallel zur einen der drei sensitiven Achsen ist es vorteilhaft möglich, dass eine rein translatorische Bewegung durch Messung von Beschleunigungswerten bezüglich lediglich drei sensitiver Achsen möglich ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach Erkennen der Bewegung des Gerätes ein Signal erzeugt wird. Weiterhin bevorzugt ist, dass nach Erzeugen des Signals ein Handlungssignal zur Durchführung einer geeigneten Aktion des Gerätes erzeugt wird. Durch die Erzeugung des Signals und der daraufhin erfolgenden Erzeugung des Handlungssignals ist es vorteilhaft möglich, dass beispielsweise einer Rechnereinheit des Gerätes mitgeteilt wird, dass das Gerät eine rein translatorische Bewegung durchführt. Diese Information über den Bewegungszustand des Gerätes ist durch die Rechnereinheit verwendbar, um geeignete Aktionen durchzuführen. Beispielsweise ist es möglich, dass es sich bei dem Gerät um ein tragbares Musikabspielgerät wie ein MP3-Player handelt und dass der MP3-Player aufgrund der translatorischen Bewegung das Musikstück wechselt.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine vom Gerät zurückgelegte Streckenlänge bestimmt wird. Weiterhin bevorzugt ist, dass eine vom Gerät erreichte Höchstgeschwindigkeit bestimmt wird. Durch das Bestimmen der vom Gerät, wie beispielsweise einer Digitalkamera, zurückgelegten Streckenlänge ist es möglich, dass aufgrund der bestimmten Streckenlänge eine Aktion des Gerätes durchgeführt wird. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Bild von einem Objekt, das in einem Bildsucher dargestellt wird, vergrößert wird, wenn die Kamera eine bestimmte Streckenlänge in Richtung des Objektes bewegt wird.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass Beschleunigungswerte bezüglich der drei sensitiven Achsen gemessen werden und eine Drehung des Gerätes um eine der drei Achsen erkannt wird. Durch die Erkennung der Drehung des Gerätes mit Beschleunigungswerte, die bezüglich nur drei sensitiver Achsen gemessen werden, ist es vorteilhaft möglich, dass auf einfache und kostengünstige Weise zuverlässig eine rein rotatorische Bewegung erkannt wird.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung einer Vorrichtung zur Bewegungserkennung in einem mobilen Gerät, wobei in einem ersten Schritt Beschleunigungswerte entlang drei senkrecht aufeinander stehenden Sensorachsen gemessen werden und in einem zweiten Schritt zwischen einer rotatorischen Bewegung des Gerätes um eine von den drei senkrecht aufeinander stehenden Achsen und einer translatorischen Bewegung entlang einer der drei senkrecht aufeinander stehenden Achsen unterschieden wird. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren ist es vorteilhaft möglich, dass mit einer Beschleunigungssensoranordnung mit maximal drei sensitiven Achsen die zuverlässige Unterscheidung zwischen einer translatorischen Bewegung und einer rotatorischen Bewegung des Gerätes möglich ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise eines ersten Algorithmus zur Detektion einer translatorischen Bewegung eines Gerätes,
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3 eine schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise eines zweiten Algorithmus zur Detektion einer rotatorischen Bewegung des Gerätes,
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4 eine schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise eines dritten Algorithmus zur Detektion einer rotatorischen Bewegung des Gerätes,
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5 eine weitere schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise des dritten Algorithmus zur Detektion der rotatorischen Bewegung des Gerätes und
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6 ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Falls ein Gerät eine Bewegung ausführt, werden im Block 100 beispielsweise durch einen 3-Achsen-Beschleunigungssensor Beschleunigungswerte parallel zur ersten Achse X, zur zweiten Achse Y und zur Dritten Achse Z gemessen. Diese gemessenen Beschleunigungswerte werden im Block 101 verarbeitet. Bei dieser Verarbeitung sind drei Ergebnisse möglich. Erstens bei der Bewegung handelt es sich um eine rein translatorische Bewegung. Daraufhin wird im Block 102 ein erstes Ausgangssignal erzeugt, welches einer Kontrolleinheit signalisiert, dass es sich bei der Bewegung um eine rein translatorische Bewegung handelt. Zweitens bei der Bewegung handelt es sich um eine rein rotatorische Bewegung. Daraufhin wird im Block 103 ein zweites Ausgangssignal erzeugt, welches der Kontrolleinheit signalisiert, dass es sich bei der Bewegung um eine rein rotatorische Bewegung handelt. Drittens bei der Bewegung handelt es sich um eine undefinierte Bewegung, d. h. es handelt sich weder um eine rein translatorische Bewegung noch um eine rein rotatorische Bewegung. Daraufhin wird im Block 104 ein drittes Ausgangssignal erzeugt, welches der Kontrolleinheit signalisiert, dass es sich bei der Bewegung um eine undefinierte Bewegung handelt.
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In 2 ist eine schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise eines ersten Algorithmus zur Detektion einer translatorischen Bewegung des Gerätes 200 abgebildet. Das Gerät 200 ist als quaderförmiges Gebilde dargestellt. Dabei ist ein Ausgangszustand in einer Ausgangsposition des Gerätes 200 und ein Endzustand in einer Endposition des Gerätes 200 dargestellt, wobei das Gerät 200 im Ausgangszustand mit durchgezogenen Linien gezeichnet ist und das Gerät 200 im Endzustand mit gepunkteten Linien dargestellt ist. Das Gerät 200 bewegt sich mit einer rein translatorischen Bewegung parallel zur ersten Achse X aus dem Ausgangszustand in den Endzustand. Parallel zur zweiten Achse Y verläuft der Kraftvektor des Gravitationsfeldes der Erde. Bei dieser translatorischen Bewegung parallel zur ersten Achse X ändern sich nur die gemessenen Beschleunigungssignale entlang der ersten Achse X, die gemessenen Beschleunigungssignale parallel zur zweiten und dritten Achse Y, Z bleiben gleich. Durch diese Tatsache ist eine rein translatorische Bewegung eindeutig erkennbar. Weiterhin weist eine Bewegung des Gerätes wie oben beschrieben einen charakteristischen Beschleunigungsverlauf auf. Zunächst wird das Gerät positiv beschleunigt bis das Gerät 200 die höchste Geschwindigkeit erreicht hat. Dadurch steigen die gemessenen Beschleunigungssignale zunächst an. Nach Erreichen der Höchstgeschwindigkeit wird das Gerät 200 negativ beschleunigt bis die Geschwindigkeit Null ist. Die gemessenen Beschleunigungssignale schwächen ab und erreichen schließlich Null. Durch diese Tatsache ist eine rein translatorische Bewegung eindeutig erkennbar.
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In 3 ist eine schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise eines zweiten Algorithmus zur Detektion einer rotatorischen Bewegung des Gerätes 200 abgebildet. Das Gerät 200 ist als quaderförmiges Gebilde dargestellt. Dabei ist ein Ausgangszustand des Gerätes 200 und ein Endzustand des Gerätes 200 dargestellt, wobei das Gerät 200 im Ausgangszustand mit durchgezogenen Linien gezeichnet ist und das Gerät 200 im Endzustand mit gepunkteten Linien dargestellt ist. Parallel zur zweiten Achse Y verläuft der Kraftvektor 201 des Gravitationsfeldes der Erde. Das Gerät 200 dreht sich mit einer rein rotatorischen Bewegung um die dritten Achse Z. Bei dieser rotatorischen Bewegung ändern sich die gemessenen Beschleunigungswerte sowohl entlang der ersten Achse X als auch entlang der zweiten Achse Y. Hingegen bleiben die Beschleunigungswerte entlang der dritten Achse Z konstant. Durch diese Tatsache ist eine rein rotatorische Bewegung eindeutig erkennbar. Weiterhin resultiert diese rein rotatorische Bewegung in positiven Beschleunigungssignalen entlang der ersten Achse X und in negativen Beschleunigungssignalen entlang der zweiten Achse Y. Diese positiven Beschleunigungssignale und diese negativen Beschleunigungssignale bleiben auch nach Abschluss der Bewegung erhalten. Durch diese Tatsache ist eine rein rotatorische Bewegung eindeutig erkennbar.
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In 4 und in 5 sind zwei schematische der prinzipiellen Funktionsweise eines dritten Algorithmus zur Detektion einer rein rotatorischen Bewegung des Gerätes abgebildet. Dieser dritte Algorithmus basiert auf einem weiteren Kriterium, um eine reine translatorische Bewegung von einer rein rotatorischen Bewegung zu unterscheiden. Dieses weitere Kriterium verwendet eine Vektorsumme sqrt(x**2 + y**2 + z**2), wobei x, y, z die Werte der Beschleunigungskomponenten in X, Y, Z Richtung sind. Der Wert dieser Vektorsumme ist bei einer rein rotatorischen Bewegung bezüglich einer Kugeloberfläche 400 konstant 1g. Bei einer rein translatorischen Bewegung beträgt die Vektorsumme zumindest zu einem Zeitpunkt einen von 1g verschiedenden Wert. Beträgt also während einer Bewegung des Gerätes der Wert der Vektorsumme stets genau 1g, so handelt es sich bei der Bewegung um eine rein rotatorische Bewegung. Diese rein rotatorische Bewegung ist eindeutig abgrenzbar beispielsweise von einer rein translatorischen Bewegung oder von einer Bewegung, bei der translatorische und rotatorische Bewegungsbestandteile überlagert sind. In 5 ist dargestellt, wie Messungenauigkeiten des Beschleunigungssensors aufgrund von Fertigungstoleranzen, Deviationsempfindlichkeit oder Rauschen ausgeglichen werden können. Durch die Verwendung eines Toleranzbandes ist es möglich, eine reine rotatorische Bewegung trotz Messungenauigkeiten zuverlässig zu erkennen. Durch die Definition einer ersten und einer zweiten Toleranzkugeloberfläche 500, 501 können Messungenauigkeiten ausgeglichen werden. Auf der ersten Toleranzkugeloberfläche 500 ergibt sich die Vektorsumme zu 1g + a1 und auf der zweiten Toleranzkugeloberfläche 501 ergibt sich die Vektorsumme zu 1g – a2, wobei a1 und a2 vordefinierte Konstanten sind. Weiterhin ist es möglich, dass die Konstanten a1 und a2 durch geeignete Anpassungsalgorithmen verändert werden.
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Weiterhin ist es möglich, dass nicht nur ein einzige der genannten. Algorithmen verwendet wird, sondern dass die Algorithmen miteinander kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, dass mittels des zweiten Algorithmus eine rein rotatorische Bewegung des Gerätes 200 detektiert wird und zusätzlich mittels des dritten Algorithmus ebenfalls eine rein rotatorische Bewegung detektiert wird. Durch eine solche Kombination der Algorithmen ist beispielsweise eine Redundanz des Bewegungssensors erreichbar und es sind zuverlässigere Bewegungsdetektionen möglich, ohne dass die Anzahl der Beschleunigungssensoren erhöht werden muss.
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In 6 ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Bei dieser zweiten Ausführungsform wird nicht nur detektiert, ob es sich um eine rein translatorische oder eine rein rotatorische Bewegung handelt, sondern es wird zusätzlich detektiert, welche Wegstreckenlänge das Gerät 200 im Falle der translatorischen Bewegung zurückgelegt hat. Falls das Gerät eine Bewegung ausführt, werden im Block 100 beispielsweise durch den 3-Achsen-Beschleunigungssensor Beschleunigungswerte parallel zur ersten Achse X, zur zweiten Achse Y und zur Dritten Achse Z gemessen. Diese gemessenen Beschleunigungswerte werden im Block 101 verarbeitet. Wird bei dieser Verarbeitung festgestellt, dass es sich bei der Bewegung des Gerätes 200 um eine rein translatorische Bewegung handelt, so wird im Block 102 das erste Ausgangssignal erzeugt, welches der Kontrolleinheit signalisiert, dass es sich bei der Bewegung um eine rein translatorische Bewegung handelt. Aufgrund der Erzeugung des ersten Ausgangssignals wird in Block 600 die Wegstreckenlänge des Weges berechnet, den das Gerät 200 während der rein translatorischen Bewegung zurückgelegt hat. Diese Berechnung geschieht beispielsweise durch eine zweifache Integration des Beschleunigungssignals über die Zeitdauer der Bewegung. Weiterhin ist es möglich Geschwindigkeiten des Gerätes 200 mittels einfacher Integration des Beschleunigungssignals über die Zeitdauer der Bewegung zu berechnen. Dadurch ist es weiterhin möglich, die Höchstgeschwindigkeit des Gerätes 200 und die Geschwindigkeiten während der Beschleunigung und während des Abbremsens zu bestimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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