DE112007000074T5

DE112007000074T5 - System zum Erfassen einer Gierrate unter Verwendung eines Magnetfeldsensors sowie tragbare elektronische Vorrichtungen unter Verwendung hiervon

Info

Publication number: DE112007000074T5
Application number: DE112007000074T
Authority: DE
Inventors: Yang Andover Zhao; Xiaofeng Lei
Original assignee: Memsic Inc
Current assignee: Memsic Inc
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-04-02
Also published as: JP2009534690A; US20080042973A1; WO2008008230A3; WO2008008230A2

Abstract

Bewegungs- und Raumlageerfassungssystem, das in eine elektronische Vorrichtung eingebaut ist, die ein Anwendungsprogramm aufweist, das auf der elektronischen Vorrichtung ausführbar ist, wobei das System umfasst:
ein Dreiachsen-Akzelerometer, das dafür ausgelegt ist, eine erste Menge von Signalen bereitzustellen, die mit einer Änderung der Raumlage der elektronischen Vorrichtung zusammenhängen; und
einen Dreiachsen-Magnetfeldsensor, der dafür ausgelegt ist, eine zweite Menge von Signalen bereitzustellen, die mit einer Änderung der Raumlage der elektronischen Vorrichtung zusammenhängen, wobei der Dreiachsen-Magnetfeldsensor ein Magnetkompass ist.

Description

Verweis auf verwandte Anmeldungen
Beansprucht werden die Prioritäten der vorläufigen Patentanmeldung mit der Nummer 60/819,735 mit Datum vom 10. Juli 2006 und dem Titel „Yaw Rate Sensing by Using Magnetic Field Sensor (Compass) – Replacing Gyro Function with a Compass" und der vorläufigen Patentanmeldung mit der Nummer 60/906,100 mit Datum vom 9. März 2007 und dem Titel „Motion and Attitude Sensing for Portable Electronic Devices"
Angaben betreffend bundesseitig gesponserte Forschung oder Entwicklung

N/A

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Eingabetechnologie für elektronische Vorrichtungen und insbesondere für elektronische Vorrichtungen oder Geräte, die dafür ausgelegt sind, Eingabesignale entsprechend ihrer Raumlage oder einer Änderung der Raumlage für ein Anwendungsprogramm zu erzeugen, das auf der elektronischen Vorrichtung selbst ausgeführt wird.
Hintergrund der Erfindung
Tragbare Vorrichtungen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, tragbare drahtlose Vorrichtungen, so beispielsweise Mobiltelefone, zellenbasierte Telefone, schnurlose Telefone, Textnachrichtenvorrichtungen, Pager, Funkgeräte, tragbare Navigationssysteme, tragbare Musikabspielgeräte, tragbare Videoabspielgeräte, tragbare Multimediavorrichtungen, persönliche digitale Assistenten (PDAs), tragbare Spiele und dergleichen, finden im Alltag zunehmend Verwendung. Mit der Weiterentwicklung der Technologie umfassen tragbare elektronische Vorrichtungen zunehmend mehr Anwendungen, während ihre Größe und ihr Gewicht abnehmen. Üblicherweise nehmen die Anwenderschnittstelle und die Energiequelle einen Großteil des Volumens und Gewichtes der tragbaren Vorrichtung ein.
Die Anwenderschnittstelle einer tragbaren Vorrichtung und insbesondere der Signaleingabeabschnitt der Anwenderschnittstelle sind für den Betrieb und die Bedienbarkeit der tragbaren Vorrichtung äußerst wichtig. Üblicherweise werden die anwenderseitige Befehlseingabe und Dateneingabe in die tragbaren Vorrichtungen unter Verwendung von Eingabevorrichtungen ausgeführt, so beispielsweise unter Verwendung einer Tastatur oder eines Tastenfeldes (keypad), einer Maus, eines Joysticks, eines Schreibers oder digitalen Stiftes oder einer Gestenerfassung unter Verwendung der Vorrichtung selbst. Zum Scrollen und Navigieren in Menüs sind zudem Pfeiltasten, Thumbwheels, Spielsteuerknüppel und andere Vorrichtungen in die tragbaren Vorrichtungen eingebaut.
Da jedoch tragbare Vorrichtungen zunehmend ausgefeilter und kleiner werden, kann die Eingabe mittels herkömmlicher Tastenfelder, Pfeiltasten, Thumbwheels oder digitaler Stifte/Schreiber unbequem, unpraktisch oder unhandlich sein, wenn die Komponententeile zu klein sind. Komplexere Menüs, dreidimensionale Karten und hochentwickelte Spiele, die eine ausgefeiltere Navigation erfordern, verschärfen das Problem.
Die Entwicklung von Bewegungserfassungsvorrichtungen, so beispielsweise von Bewegungserfassungsakzelerometern, Schwerkraftakzelerometern, Gyroskopen und dergleichen, und deren Einbau in die tragbare Vorrichtung selbst zur Erzeugung von Eingabesignaldaten sind bereits vorgeschlagen worden. So offenbart beispielsweise das US-Patent mit der Nummer 7,138,979 von Robin et al. Verfahren und Systeme zum Erzeugen von Eingabesignalen auf Grundlage der Orientierung der tragbaren Vorrichtung. In diesem Patent wird die Verwendung von Kameras, Gyroskopen und/oder Akzelerometern zur Erfassung einer Änderung der räumlichen Orientierung der Vorrichtung und darüber hinaus zur Erzeugung von Positionssignalen zur Angabe dieser Änderung offenbart. Entsprechend diesem Patent kann das Eingabesignal zur Bewegung einer Einfügemarke (Cursor) zur Bedienung eines Spielelementes und dergleichen verwendet werden.
Die Veröffentlichung der US-Patentanmeldung mit der Nummer 2006/0046848 von Abe et al. offenbart ein Spiel, das zum Spielen auf einer tragbaren Vorrichtung geeignet ist, die einen Vibrationsgyroskopsensor beinhaltet. Der Vibrationsgyroskopsensor erfasst eine Winkelgeschwindigkeit aus einer Änderung der Vibration infolge von Coriolis-Kräften, die in Reaktion auf eine Änderung der Orientierung auftreten. Entsprechend der technischen Lehre dieses Patentes erfasst der Gyroskopsensor die Winkelgeschwindigkeit der Drehung um eine Achse senkrecht zum Anzeigeschirm des Spieles. Aus den Winkelgeschwindigkeitsdaten wird der zweidimensionale Winkel der Drehdaten berechnet.
Die in den beiden vorgenannten Patenten offenbarten Gyroskopsensoren sind jedoch kostenintensiv und mit Blick auf Abmessungen und Gewicht vergleichsweise groß. Zudem befassen sich die beiden vorgenannten Patente mit der zweidimensionalen „Orientierung" einer tragbaren Vorrichtung und nicht mit der dreidimensionalen „Raumlage" der tragbaren Vorrichtung. Es ist daher wünschenswert, Verfahren, Vorrichtungen und Systeme zum Erzeugen von Eingabesignaldaten über die dreidimensionale Raumlage einer tragbaren Vorrichtung bereitzustellen. Darüber hinaus ist wünschenswert, Vorrichtungen und Systeme zum Erzeugen von Eingabesignaldaten bereitzustellen, wobei die Vorrichtungen und Systeme wirtschaftlich sowie im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen mit Gyroskopsensoren kleiner und leichter sind.
Das herkömmliche Erfassen einer Raumlage beinhaltet ein Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometer und ein Dreiachsen-Gyroskop zur Bereitstellung eines vollständigen Bewegungszustandes, das heißt der Steigung, des Rollens und der Gierung. Obwohl Akzelerometer zunehmend kostengünstiger werden, sind Gyroskope um einiges kostenintensiver als Akzelerometer, was von der technologischen und herstellungstechnischen Komplexität herrührt.
Im idealen freien Raum, das heißt unter Bedingungen, bei denen die Schwerkraft verschwindet und kein Magnetfeld vorhanden ist, können darüber hinaus Informationen betreffend sechs Freiheitsgrade der Bewegung unter Verwendung eines Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers und eines Dreiachsen-Gyroskops gesammelt werden. Auf der Erde verhindern jedoch die bestehende Schwerkraft und die bestehenden Magnetfeldkräfte die Bedingungen des idealen freien Raumes. Im Ergebnis ist eine Magnetfelderfassungsvorrichtung, die ein Gyroskop ersetzt und sehr viel kostengünstiger ist, wünschenswert.
In Geräten der Unterhaltungselektronik, bei denen die Kosten der entscheidende Faktor sind, ist eine kostengünstigere Lösung zur Erfüllung der funktionellen Bedürfnisse der Schlüssel für eine erfolgreiche Kommerzialisierung. Es ist daher wünschenswert, eine Raumlage- und Bewegungserfassungsvorrichtung zum Messen der Magnetfeldstärke und Beschleunigung um oder in drei senkrechten Achsen zur Bestimmung der Raumlage und der Änderung der Raumlage eines Objektes im Raum bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wird ein Raumlage- und Bewegungserfassungssystem für eine tragbare elektronische Vorrichtung, so beispielsweise ein zellenbasiertes Telefon, eine Spielvorrichtung und dergleichen, offenbart. Das System, das in die tragbare elektronische Vorrichtung eingebaut sein kann, beinhaltet ein Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometer und einen Dreiachsen-Magnetfeldsensor, so beispielsweise einen Magnetkompass. Daten über die Raumlage der tragbaren elektronischen Vorrichtung aus dem Akzelerometer und dem Magnetfeldsensor werden zunächst von einer Signalverarbeitungseinheit verarbeitet, die die Raumlagewinkel und Drehwinkel berechnet. Diese Daten werden anschließend in Eingabesignale für ein spezifisches Anwendungsprogramm übersetzt, das mit der tragbaren elektronischen Vorrichtung zusammenhängt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Darstellung in der begleitenden Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen in sämtlichen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen.
1 ist ein Diagramm zur Darstellung der Raumlagewinkel eines starren Objektes im Raum entsprechend dem Stand der Technik.
2 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens der Eingabesignalerzeugung entsprechend dem Stand der Technik.
3 ist ein Diagramm eines Gerätes unter Verwendung der vorliegenden Technologie in Verbindung mit einer Anwendung für dreidimensionale Karten.
4 ist ein Diagramm eines Gerätes unter Verwendung der vorliegenden Technologie in Verbindung mit einer Anwendung für ein Flugsimulatorspiel.
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bereitstellung von Signalen betreffend die Raumlage und eine Änderung der Raumlage für ein Anwendungsprogramm entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Detailbeschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Raumlageerfassungsvorrichtung zum Erfassen der Raumlage eines Objektes und eine Bewegungserfassungsvorrichtung zum Erfassen von Änderungen der Raumlage des Objektes. Die Raumlage- und Bewegungserfassungsvorrichtung beinhaltet einen Dreiachsen-Magnetfeldsensor und ein Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometer. Insbesondere bedient sich die Raumlage- und Bewegungserfassungsvorrichtung eines Dreiachsen-Magnetkompasses und eines Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers zum Erzeugen von Eingabesignalen zur Bestimmung der Raumlage des Objektes, so beispielsweise der Raumlage der Bewegungserfassungsvorrichtung selbst.
Magnetfelderfassungsvorrichtung
Die Raumlage eines starren Objektes 10 im Raum kann durch drei Winkel beschrieben werden, nämlich die Gierung, die Steigung und das Rollen (siehe 1). Üblicherweise sind diese Winkel auf eine örtliche horizontale Ebene bezogen, so beispielsweise eine Ebene senkrecht zum Schwerkraftvektor der Erde oder der ekliptischen Ebene der Erde. Die Gierung (α) ist als Winkel definiert, der im Uhrzeigersinn bezüglich der örtlichen horizontalen Ebene ausgehend von der realen Nordrichtung, das heißt der Magnetpolachse der Erde, zur Vorwärtsrichtung des Objektes 10 gemessen wird. Die Steigung (Φ) ist als Winkel zwischen der Längsachse des Objektes und der örtlichen horizontalen Ebene definiert. Konventionsgemäß bezeichnet in luftfahrttechnischen Anwendungen eine positive Steigung den Zustand „Nase nach oben" (nose up), während eine negative Steigung den Zustand „Nase nach unten" (nose down) bezeichnet. Das Rollen (θ) ist als Drehwinkel um die Längsachse zwischen der örtlichen horizontalen Ebene und der aktuellen Ebene des Objektes definiert. Konventionsgemäß bezeichnet in luftfahrttechnischen Anwendungen ein positives Rollen den Zustand „rechter Flügel nach unten" (right wing down), während ein negatives Rollen den Zustand „rechter Flügel nach oben" (right wing up) bezeichnet.
Entsprechend dem Stand der Technik können Dreiachsen-Magnetfeldsensoren, so beispielweise Gyroskope, dafür ausgelegt sein, die Magnetfeldstärke M_x, M_y und M_z um eine X-, eine Y- beziehungsweise eine Z-Achse zu messen, während Dreiachsen-Akzelerometer dafür ausgelegt sein können, die Beschleunigung A_x, A_y und A_z in der X-, der Y- beziehungsweise der Z-Achsen-Richtung zu messen. Damit kann die Steigung des Objektes 10 im Raum durch die nachfolgende Formel berechnet werden. Φ = sin–1(–Ax/g) (1)
Das Rollen des Objektes 10 im Raum kann durch die nachfolgende Formel bestimmt werden. θ = sin–1[Ay/(g·cosΦ)] (2)
Hierbei bezeichnet g die Schwerkraftbeschleunigung. Entsprechend können sowohl die Steigung wie auch das Rollen ohne einen Magnetfeldsensor unter Verwendung eines Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers zur Durchführung der Messungen von A_x und A_y bereitgestellt werden.
Die Berechnung der Gierung ist ein wenig komplizierter und erfordert Messdaten sowohl von dem Akzelerometer wie auch von dem Magnetfeldsensor. Insbesondere kann die Gierung unter Verwendung der nachfolgenden Gleichungen berechnet werden. Mxh = Mx·cosΦ + M·sinθ·sinΦ + Mz·cosθ·sinΦ Myh = My·cosθ – Mz·sinθ α = tan–1(Myh/Mxh) (3)
Hierbei bezeichnen M_xh die Magnetfeldstärke um die X-Achse in der örtlichen Magnetebene und M_yh die Magnetfeldstärke um die Y-Achse in der örtlichen Magnetebene. Die Winkelgeschwindigkeit, die mit der Steigung, dem Rollen und der Gierung zusammenhängt, kann durch Berechnen der Zeitableitung der Winkeländerung unter jeweiliger Verwendung der nachfolgenden Gleichungen bestimmt werden.
Hierbei entsprechen ω_x, ω_y und ω_z den Winkelgeschwindigkeiten der Drehung des Objektes um die X-, die Y- beziehungsweise die Z-Achse.
Gyroskope sind bekanntermaßen ein kritischer Teil von Trägheitsraumlageerfassungssystemen zur Bereitstellung der Gierung. Man hat im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung jedoch herausgefunden, dass die Gierung und die Winkelgeschwindigkeit der Gierdrehung unter Verwendung eines Magnetkompasses erfasst werden können.
Vorteilhafterweise kann im Gegensatz zu Gyroskopen ein magnetischer Kompass die Winkelrate bezüglich Gierung, Steigung und Rollen wie auch die Trägheitsraumlageposition erfassen. Gyroskope stellen indes keine absolute Winkelpositionsinformation bereit, sondern lediglich die relative Änderung der Winkelpositionsinformation.
Gyroskope sind zudem im Vergleich zu Magnetkompassen tendenziell relativ groß. Ein Dreiachsen-Magnetkompass kann beispielsweise mit der geringen Größe von etwa 0,2 Inch mal 0,2 Inch mal 0,04 Inch (etwa 5 mm mal 5 mm mal 1,2 mm) oder noch kleiner hergestellt werden. Dreiachsen-Gyroskope mit ähnlichen Fähigkeiten sind bedeutend größer.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen Eingabesignalerzeugungssystems 20. Ändert sich die Raumlage einer Erfassungsvorrichtung bzw. von Erfassungsvorrichtungen 22, 24, was bedeutet, dass eine Drehung der Erfassungsvorrichtung(en) 22, 24 um wenigstens eine von der X-, Y- und Z-Achse hiervon stattfindet, so erfolgt durch die Erfassungsvorrichtung(en) 22, 24 eine Erzeugung eines Ausgabesignals, das proportional zu den gemessenen Magnetfeldstärken M_x, M_y und M_z und zu den Beschleunigungen A_x, A_y und A_z ist. Üblicherweise erfasst ein Magnetfeldsensor 22 M_x, M_y und M_z, während ein Akzelerometer 24 A_x, A_y und A_z erfasst.
Die sechs Parameter der Magnetfeldstärke und der Beschleunigung werden an eine Verarbeitungseinheit 25 übertragen, die in eine oder in mehrere der Erfassungsvorrichtungen 22, 24 eingebaut sein kann oder die eine getrennte, am Ort oder entfernt befindliche elektronische Vorrichtung sein kann. Die Verarbeitungseinheit 25 beinhaltet Signal- und Datenverarbeitungseinheiten zur Verarbeitung der gemessenen Parameterdaten. Die Verarbeitungseinheit 25 kann beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler (A/D) 26 für eine A/D-Wandlung, eine Datenverarbeitungseinheit 28 zur Verarbeitung von Daten und dergleichen mehr beinhalten.
Insbesondere kann die Datenverarbeitungseinheit 28 für eine Verwendung der vorstehenden Gleichungen (1), (2), (3) und (4) ausgelegt sein, um die Raumlagewinkel α, Φ, θ und die Winkelgeschwindigkeiten ω_x, ω_y, ω_z zu berechnen. Diese Daten können in eine Übersetzereinheit 29 eingegeben werden, die dafür ausgelegt ist, die Daten in ein Eingabesignal 27 zu übersetzen. Das übersetzte Eingabesignal 27 wird anschließend an eine elektronische Verarbeitungsvorrichtung 21 übertragen, die ein Anwendungs- oder Treiberprogramm zur Umsetzung der übersetzten Raumlagewinkel- und Winkelgeschwindigkeitsdaten in einen Bewegungszustand beinhaltet.
Sogar unter der Bedingung einer nicht vorhandenen Schwerkraft können das Rollen und die Steigung sowie die Roll- und Steigungswinkeldrehung unter Verwendung der Verkippung des Akzelerometers in X- und Y-Richtungen sowie unter Verwendung der vorgenannten Gleichungen (1) und (2) berechnet werden.
Exemplarische Anwendungen der Technologie
Eine Anwendung eines Magnetkompasses in einem zellenbasierten Telefon 30 ist in 3 gezeigt. Im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist das zellenbasierte Telefon 30 des Weiteren dafür ausgelegt, ein 3D-Kartenprogramm (dreidimensional 3D) auszuführen und Anwender in die Lage zu versetzen, das zellenbasierte Telefon (und damit die virtuelle Karte) um alle drei Achsen zu drehen. Herkömmliche zellenbasierte Telefone mit oder ohne Gyroskope oder Magnetfelderfassungen erfordern wenigstens sechs Eingabevorrichtungen, so beispielsweise Tasten, um die Eingabesignalerzeugung zu vollziehen, nämlich zwei Tasten für die X-Achsen-Drehung, zwei Tasten für die Y-Achsen-Drehung und zwei Tasten für die Z-Achsen-Drehung.
Bei einem Magnetkompass als Magnetfelderfassungsvorrichtung sind die Richtungspfeiltasten jedoch nicht erforderlich. Insbesondere werden bei einem Magnetkompass bei einer Drehung des zellenbasierten Telefons 30 die Steigung, das Rollen und die Gierung (α, Φ, θ) ermittelt. Diese Sensorsignale können verarbeitet werden, um Raumlagewinkel (α, Φ, θ) und Winkelgeschwindigkeiten (ω_x, ω_y, ω_z) bereitzustellen. Die Raumlagewinkel und die Winkelgeschwindigkeiten können in den Übersetzer 29 eingegeben werden, der die Raumlagewinkel und die Winkelgeschwindigkeiten in geeignete Eingabesignale 27 für das Anwendungsprogramm 21 übersetzt.
Kurzum, die Erzeugung von Eingabesignalen 27 erfordert keine Pfeilrichtungstasten, sondern nur einfache Änderungen der Raumlage des zellenbasierten Telefons 30 zur Erzeugung von Sensorsignalen, so beispielsweise von M_x, M_y, M_z sowie A_x, A_y, A_z. Ist das Anwendungsprogramm ein 3D-Kartenprogramm, so ist eine Kartendrehung um drei Achsen möglich. Vorteilhafterweise ist zudem der Oberflächenbereich des Anzeigefeldes, der für herkömmliche Navigationstasten von Nöten ist, nicht erforderlich. Infolgedessen kann der Oberflächenbereich, der andernfalls für die Navigationstasten bereitstehen müsste, für andere Zwecke verwendet werden, und/oder das zellenbasierte Telefon 30 kann kleiner ausgestaltet werden.
Eine Anwendung für ein Flugsimulatorspiel, das auf einem tragbaren Spielgerät 40 ausgeführt werden kann, ist in 4 gezeigt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Spielgerät 40 ein Flugsimulator. Einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet erschließt sich jedoch, dass die technische Lehre der vorliegenden Erfindung bei einer Unzahl von Spielgeräten 40 und Spielprogrammen, die drei Dimensionen und eine Raumlagesteuerung bzw. Regelung beinhalten, Anwendung finden kann.
Ein herkömmliches Spielgerät zum Steuern bzw. Regeln der Raumlage eines Flugzeuges erfordert zahlreiche Eingabevorrichtungen, so beispielsweise Tasten, an der Oberfläche der Spielvorrichtung oder alternativ einen Joystick, der funktionell mit der Spielvorrichtung gekoppelt ist. Im Gegensatz hierzu erzeugt entsprechend der vorliegenden Erfindung mit einer Kombination aus einem Magnetkompass und einem Akzelerometer die Drehung des Spielgerätes selbst bezüglich einer oder mehrerer der X-, Y- und/oder Z-Achsen die Raumlageeingabesignale für das Flugzeug, die zur Steuerung bzw. Regelung der Raumlage des Flugzeuges verwendet werden können.
Beschrieben werden nach der Beschreibung von Systemen zur Bewegungs- und Raumlageerfassung und von tragbaren elektronischen Vorrichtungen mit derartigen Systemen nunmehr Verfahren zum Bereitstellen von Eingabesignalen betreffend die Raumlage und die Änderung der Raumlage für ein Anwendungsprogramm; zum Bestimmen der Trägheitsraumlage und einer Änderung der Trägheitsraumlage eines Objektes und zum Ändern einer Operation, die von einem Anwendungsprogramm durchgeführt wird, das von dem Objekt ausgeführt wird; sowie zum Erzeugen von Eingabesignalen für ein Anwendungsprogramm, das auf einer tragbaren elektronischen Vorrichtung ausführbar ist. Wie in den Flussdiagrammen von 5 und 2 gezeigt ist, beinhalten die Verfahren das Einbauen eines Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers und eines Dreiachsen-Magnetfeldsensors in die tragbare elektronische Vorrichtung (Schritt 1) und darüber hinaus das Auslegen des Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers auf die Erzeugung einer ersten Menge von Signalen (Schritt 2A) und das Auslegen des Dreiachsen-Magnetfeldsensors, so beispielsweise eines Magnetkompasses, auf die Erzeugung einer zweiten Mengen von Signalen (Schritt 2B).
Die erste Menge von Signalen, die von dem Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometer erzeugt worden sind (Schritt 2A), entspricht den in den X-, Y- und Z-Richtungen vorhandenen Beschleunigungen und/oder Änderungen der Beschleunigung A_x, A_y beziehungsweise A_z, die proportional zu den Änderungen der Trägheitsraumlage der tragbaren elektronischen Vorrichtung sind. Auf ähnliche Weise entspricht die zweite Menge von Signalen, die von dem Dreiachsen-Magnetfeldsensor erzeugt worden sind (Schritt 2B), der um die X-, Y- und Z-Achsen vorhandenen Magnetfeldstärke und/oder Änderung der Magnetfeldstärke M_x, M_y beziehungsweise M_z, die ebenfalls proportional zu Änderungen der Trägheitsraumlage der tragbaren elektronischen Vorrichtung sind.
Die ersten und zweiten Mengen der Signale werden anschließend verarbeitet (Schritt 3), was unter anderem das Umwandeln von analogen Signalen in digitale Signale unter Verwendung eines A/D-Wandlers beinhalten kann. Die digitalen Signale werden anschließend beispielsweise von einer Verarbeitungseinheit verarbeitet, um eine oder mehrere der Größen Steigung, Gierung und Rollen zu berechnen, das heißt die Trägheitsraumlage der Vorrichtung und/oder Änderungen hieran sowie die Winkeldrehung um die X-, Y- und/oder Z-Achse und/oder Änderungen hieran (Schritt 4).
Die berechneten Größen Steigung, Gierung und Rollen und/oder die Winkeldrehungen werden anschließend in Eingabesignale übersetzt, die zu einem Anwendungsprogramm kompatibel sind, das von der tragbaren elektronischen Vorrichtung ausgeführt wird oder auf dieser ausführbar ist (Schritt 5). Insbesondere werden die berechneten Größen Steigung, Gierung und Rollen und/oder die Winkeldrehungen in Eingabesignale übersetzt, die eine Operation auf dem Anwendungsprogramm ändern.
Bei Verwendung in Verbindung mit einer 3D-Bildmanipulation können beispielsweise die Beschleunigungen und Magnetfeldstärken zuerst berechnet und anschließend derart ausgelegt werden, dass sie die Bewegungen des 3D-Bildes und die Versetzung entlang der X-, Y- und/oder Z-Achse und/oder die Drehung um diese beschreiben. Wird die tragbare elektronische Vorrichtung um eine oder mehrere ihrer Trägheitsachsen gedreht, so ändern sich einige oder alle der Beschleunigungen und Magnetfeldstärken, was in Änderungen der Steigung, der Gierung und des Rollens und/oder der Winkeldrehung übersetzt wird. Werden diese Änderungen übersetzt und in das Anwendungsprogramm, das auf der tragbaren elektronischen Vorrichtung ausgeführt wird, eingegeben, so wird das dreidimensionale Bild proportional zu den Eingabesignalen aus der gedrehten tragbaren elektronischen Vorrichtung bewegt.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf tragbare Vorrichtungen beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist bei einer beliebigen elektronischen Vorrichtung, sei sie nun tragbar oder nicht, mit einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, das heißt einer Anwenderschnittstelle, anwendbar. So kann beispielsweise ein Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet die Steigungs-, Gier- und Rollfunktionen der vorliegenden Erfindung für eine Anwendung im Zusammenhang mit einer Maus zur Erzeugung von Eingabesignalen für einen Personalcomputer; mit einer Fernsteuerung zur Erzeugung von Signalen für eine Hostvorrichtung, so beispielsweise unter anderem einen Fernseher, ein Radio, ein DVD-Abspielgerät, ein Spielsystem oder eine andere Multimediavorrichtung, oder mit einem elektronischen Instrument, so beispielsweise einem elektronischen Klavier oder einer Orgel, anpassen.
Die vorstehende Beschreibung soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die jeweils offenbarte Form beschränken. Die Ausführungsbeispiele wurden gewählt und beschrieben, um eine Darstellung der Prinzipien der Erfindung und der Anwendung hiervon zu geben. Abwandlungen und Abänderungen sind innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung.
Zusammenfassung
Offenbart wird ein Raumlage- und Bewegungserfassungssystem für eine elektronische Vorrichtung, so beispielsweise ein zellenbasiertes Telefon, eine Spielvorrichtung und dergleichen. Das System, das in die tragbare elektronische Vorrichtung eingebaut sein kann, beinhaltet ein Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometer und einen Dreiachsen-Magnetkompass. Daten über die Raumlage der elektronischen Vorrichtung von dem Akzelerometer und dem Magnetkompass werden zunächst von einer Signalverarbeitungseinheit verarbeitet, die Raumlagewinkel (Steigung, Rollen und Gierung) und Drehwinkelgeschwindigkeiten berechnet. Diese Daten werden sodann in Eingabesignale für ein spezifisches Anwendungsprogramm übersetzt, das mit der elektronischen Vorrichtung zusammenhängt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7138979 [0006]

Claims

Bewegungs- und Raumlageerfassungssystem, das in eine elektronische Vorrichtung eingebaut ist, die ein Anwendungsprogramm aufweist, das auf der elektronischen Vorrichtung ausführbar ist, wobei das System umfasst: ein Dreiachsen-Akzelerometer, das dafür ausgelegt ist, eine erste Menge von Signalen bereitzustellen, die mit einer Änderung der Raumlage der elektronischen Vorrichtung zusammenhängen; und einen Dreiachsen-Magnetfeldsensor, der dafür ausgelegt ist, eine zweite Menge von Signalen bereitzustellen, die mit einer Änderung der Raumlage der elektronischen Vorrichtung zusammenhängen, wobei der Dreiachsen-Magnetfeldsensor ein Magnetkompass ist.
Bewegungs- und Raumlageerfassungssystem nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Signalverarbeitungseinheit zum Verarbeiten der ersten und zweiten Mengen von Signalen zur Bereitstellung von Raumlagewinkel- und Drehwinkelgeschwindigkeitssignaldaten, wobei die Signalverarbeitungseinheit umfasst: eine Datenverarbeitungseinheit, die dafür ausgelegt ist, einen Steigungswinkel, einen Rollwinkel, einen Gierwinkel, eine Winkeldrehung um eine X-Achse, eine Winkeldrehung um eine Y-Achse und eine Winkeldrehung um eine Z-Achse aus den ersten und zweiten Mengen von Signalen zu berechnen.
Bewegungs- und Raumlageerfassungssystem nach Anspruch 2, wobei die Signalverarbeitungseinheit des Weiteren einen Analog-Digital-Wandler umfasst.
Bewegungs- und Raumlageerfassungssystem nach Anspruch 2, des Weiteren umfassend einen Übersetzer, der dafür ausgelegt ist, den Steigungswinkel, den Rollwinkel, den Gierwinkel, die Winkeldrehung um die X-Achse, die Winkeldrehung um die Y-Achse und die Winkeldrehung um die Z-Achse in Eingabesignaldaten in ein Format, das von dem Anwendungsprogramm ausgeführt werden kann, zu übersetzen.
Bewegungs- und Raumlageerfassungssystem nach Anspruch 1, wobei das Anwendungsprogramm aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem 3D-Kartennavigationsprogramm, einem 3D-Spielprogramm, einem Menünavigationsprogramm und einem Anwenderschnittstellenprogramm besteht, und die Vorrichtung aus einer Gruppe ausgewählt ist, die tragbare drahtlose Vorrichtungen, Mobiltelefone, zellenbasierte Telefone, schnurlose Telefone, Textnachrichtenvorrichtungen, Pager, Funkgeräte, tragbare Navigationssysteme, tragbare Musikabspielgeräte, tragbare Videoabspielgeräte, tragbare Multimediavorrichtungen, persönliche digitale Assistenten (PDAs) und tragbare Spielgeräte umfasst.
Elektronische Vorrichtung, die ein darauf ausführbares Anwendungsprogramm beinhaltet, wobei die elektronische Vorrichtung umfasst: ein Bewegungs- und Raumlageerfassungssystem, beinhaltend: ein Dreiachsen-Akzelerometer, das dafür ausgelegt ist, eine erste Menge von Signalen bereitzustellen, die mit einer Änderung der Raumlage der elektronischen Vorrichtung zusammenhängen; und einen Dreiachsen-Magnetfeldsensor, der dafür ausgelegt ist, eine zweite Menge von Signalen bereitzustellen, die mit einer Änderung der Raumlage der elektronischen Vorrichtung zusammenhängen.
Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Anwendungsprogramm aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem 3D-Kartennavigationsprogramm, einem 3D-Spielprogramm, einem Menünavigationsprogramm und einem Anwenderschnittstellenprogramm besteht, und die Vorrichtung aus einer Gruppe ausgewählt ist, die tragbare drahtlose Vorrichtungen, Mobiltelefone, zellenbasierte Telefone, schnurlose Telefone, Textnachrichtenvorrichtungen, Pager, Funkgeräte, tragbare Navigationssysteme, tragbare Musikabspielgeräte, tragbare Videoabspielgeräte, tragbare Multimediavorrichtungen, persönliche digitale Assistenten (PDAs) und tragbare Spielgeräte umfasst.
System zum Erzeugen von Eingabesignalen für ein Anwendungsprogramm, das von einem Gerät ausgeführt wird, wobei das System umfasst: einen Speicher zum Speichern des Anwendungsprogramms, eines Eingabesignalberechnungsprogramms und eines Kalibrierungsprogramms; ein Akzelerometer, das in das Gerät eingebaut und dafür ausgelegt ist, kontinuierliche Signale bezüglich eines Steigungswinkels und eines Rollwinkels des Gerätes zu erzeugen; einen Magnetfeldsensor, der in das Gerät eingebaut und dafür ausgelegt ist, kontinuierliche Signale bezüglich eines Gierwinkels des Gerätes zu erzeugen; und einen Prozessor, der mit dem Speicher, dem Akzelerometer und dem Magnetfeldsensor funktionell gekoppelt ist, wobei der Prozessor dafür ausgelegt ist, das Anwendungsprogramm, das Eingabesignalberechnungsprogramm und das Kalibrierungsprogramm unter Verwendung der Signale aus dem Akzelerometer und dem Magnetfeldsensor auszuführen, wobei der Magnetsensor ein Magnetkompass ist.
Gerät nach Anspruch 8, wobei das Anwendungsprogramm aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem 3D-Kartennavigationsprogramm für eine tragbare elektronische Vorrichtung, einem 3D-Spielprogramm und einem Menünavigationsprogramm, das mit einem Anwenderschnittstellenprogramm zusammenhängt, besteht.
Gerät nach Anspruch 8, wobei das Gerät derart aufgebaut und angeordnet ist, dass es von einer Drahtloskommunikationsfunktion, einer Multimediafunktion und einer Globalpositionierungssystemfunktion (GPS) wenigstens eine beinhaltet.
Verfahren zum Bereitstellen von Eingabesignalen entsprechend einer Trägheitsraumlage und/oder einer Änderung der Trägheitsraumlage für ein Anwendungsprogramm zur Ausführung auf einer Vorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Einbauen eines Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers und eines Dreiachsen-Magnetfeldsensors in die Vorrichtung, die das Anwendungsprogramm ausführt; Erfassen wenigstens eines von einer Beschleunigung und einer Magnetfeldstärke der Vorrichtung unter Verwendung des Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers und des Dreiachsen-Magnetfeldsensors; Erzeugen der Eingabesignale, die proportional zu der Beschleunigung und der Magnetfeldstärke sind; und Bereitstellen der Eingabesignale für das Anwendungsprogramm zur Änderung einer Operation, die von dem Anwendungsprogramm durchgeführt wird, wobei der Dreiachsen-Magnetfeldsensor, der in die Vorrichtung eingebaut ist, ein Magnetkompass ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anwendungsprogramm aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ein Kartennavigationsprogramm, ein Spielprogramm und ein Anwenderschnittstellenprogramm umfasst, und die Vorrichtung aus einer Gruppe ausgewählt ist, die tragbare drahtlose Vorrichtungen, Mobiltelefone, zellenbasierte Telefone, schnurlose Telefone, Textnachrichtenvorrichtungen, Pager, Funkgeräte, tragbare Navigationssysteme, tragbare Musikabspielgeräte, tragbare Videoabspielgeräte, tragbare Multimediavorrichtungen, persönliche digitale Assistenten (PDAs) und tragbare Spielgeräte umfasst.
Verfahren zum Bestimmen der Trägheitsraumlage und/oder einer Änderung der Trägheitsraumlage eines Objektes im Raum und zum Ändern einer Operation, die von einem Anwendungsprogramm durchgeführt wird, das auf dem Objekt im Raum ausgeführt wird, wobei das Verfahren umfasst: Einbauen eines Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers und eines Dreiachsen-Magnetfeldsensors in das Objekt; Erfassen einer Trägheitsraumlage und/oder einer Winkelgeschwindigkeit des Objektes unter Verwendung des Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers und des Dreiachsen-Magnetsensors; Erzeugen eines Eingabesignals proportional zur Trägheitsraumlage und/oder zur Winkelgeschwindigkeit; und Eingeben des Eingabesignals in das Anwendungsprogramm, wobei der Dreiachsen-Magnetfeldsensor, der in die Vorrichtung eingebaut ist, ein Magnetkompass ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Anwendungsprogramm aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ein Kartennavigationsprogramm, ein Spielprogramm und ein Anwenderschnittstellenprogramm umfasst, und die Vorrichtung aus einer Gruppe ausgewählt ist, die tragbare drahtlose Vorrichtungen, Mobiltelefone, zellenbasierte Telefone, schnurlose Telefone, Textnachrichtenvorrichtungen, Pager, Funkgeräte, tragbare Navigationssysteme, tragbare Musikabspielgeräte, tragbare Videoabspielgeräte, tragbare Multimediavorrichtungen, persönliche digitale Assistenten (PDAs) und tragbare Spielgeräte umfasst.
Verfahren zum Bereitstellen von Eingabesignalen entsprechend einer Trägheitsraumlage und/oder einer Änderung der Trägheitsraumlage für ein Anwendungsprogramm zur Ausführung auf einer Vorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Einbauen eines Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers und eines Dreiachsen-Magnetfeldsensors in die Vorrichtung; Erfassen einer Trägheitsraumlage der Vorrichtung; Erzeugen eines Winkelgeschwindigkeitssignals, wenn sich die Vorrichtung dreht; Erzeugen eines Eingabesignals, das proportional zu dem Winkelgeschwindigkeitssignal ist; und Bereitstellen des Eingabesignals für das Anwendungsprogramm zur Änderung einer Operation, die von dem Anwendungsprogramm durchgeführt wird, wobei der Dreiachsen-Magnetfeldsensor, der in die Vorrichtung eingebaut ist, ein Magnetkompass ist.
Verfahren zum Erzeugen von Eingabesignalen für ein Anwendungsprogramm, das auf einer elektronischen Vorrichtung ausführbar ist, wobei das Verfahren umfasst: Einbauen eines Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers und eines Dreiachsen-Magnetfeldsensors in die elektronische Vorrichtung; Auslegen des Zwei- oder Dreiachsen-Akzelerometers dahingehend, dass dieses eine erste Menge von Signalen erzeugt, die proportional zu einer Änderung der Raumlage der elektronischen Vorrichtung sind; Auslegen des Dreiachsen-Magnetfeldsensors dahingehend, dass dieser eine zweite Menge von Signalen erzeugt, die proportional zu einer Änderung der Raumlage der elektronischen Vorrichtung sind; Verarbeiten der ersten und zweiten Mengen von Signalen; Berechnen der Steigung, des Rollens und der Gierung sowie der Winkeldrehung um eine X-Achse, eine Y-Achse und eine Z-Achse unter Verwendung der ersten und zweiten Mengen von Signalen; und Übersetzen der Steigung, des Rollens und der Gierung sowie der Winkeldrehung um die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse in ein Eingabesignal für das Anwendungsprogramm, wobei der Dreiachsen-Magnetfeldsensor, der in die Vorrichtung eingebaut ist, ein Magnetkompass ist.