IT202000001933A1 - Dispositivo elettronico di puntamento con rapido recupero in avvio e corrispondente metodo - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
?DISPOSITIVO ELETTRONICO DI PUNTAMENTO CON RAPIDO RECUPERO IN AVVIO E CORRISPONDENTE METODO?
La presente soluzione ? relativa ad un dispositivo elettronico di puntamento, in particolare per cosiddette applicazioni di "puntatore in aria" (?air-pointer?), avente un rapido recupero in avvio (?start-up?) e ad un corrispondente metodo.
Come ? noto, dispositivi elettronici di puntamento includono puntatori tradizionali (ovvero dispositivi dedicati a funzioni di puntamento) e anche penne intelligenti o penne o stilo digitali o matite intelligenti (o simili dispositivi impugnabili aventi ulteriori funzioni oltre a una funzione di puntamento) che devono essere accoppiati ad un apparecchio elettronico host (per esempio un portatile, un tablet, una smart TV, un monitor o uno smartphone).
Questi dispositivi elettronici di puntamento solitamente implementano un'interfaccia o protocollo di puntatore (o mouse) HID (dispositivo di interfaccia umana, Human Interface Device), per inviare informazioni di spostamento (in particolare, informazioni associate ad uno spostamento tra una posizione attuale e una precedente) all'apparecchio host, in termini di coordinate in una cornice (frame) di schermo dello stesso apparecchio host.
Un'unit? di controllo dell'apparecchio host ? quindi in grado di spostare un oggetto visualizzato (per esempio un cursore o simile) nella cornice di schermo in base alle informazioni di spostamento ricevute.
Come mostrato schematicamente nelle Figure 1 e 2, un dispositivo elettronico di puntamento 1 di tipo noto include:
un sensore accelerometrico 2, in particolare un accelerometro triassiale MEMS (sistema microelettromeccanico, Micro Electro Mechanical System), che fornisce un segnale di accelerazione Acc[x,y,z] indicativo delle accelerazioni che agiscono sul dispositivo elettronico di puntamento 1 lungo tre assi X, Y, Z di un sistema di riferimento inerziale in uno spazio 3D associato allo stesso dispositivo elettronico di puntamento 1 (nell'esempio, gli assi X, Y, Z del sistema di riferimento inerziale nello spazio 3D seguono il cosiddetto orientamento "ENU", est nord su (East North Up), secondo cui l'asse X punta a est, l'asse Y punta a Nord e l'asse Z punta verso l'alto);
un sensore giroscopico 4, in particolare un giroscopio triassiale MEMS, che fornisce un segnale giroscopico Gyro[x,y,z] indicativo della velocit? angolare attorno ai tre assi X, Y, Z del sistema di riferimento inerziale nello spazio 3D associato al dispositivo elettronico 1; e
uno stadio di elaborazione a fusione di sensori (sensor-fusion) 5, accoppiato al sensore accelerometrico 2 e al sensore giroscopico 4, per ricevere in ingresso il segnale di accelerazione Acc e il segnale giroscopico Gyro e configurato per elaborare congiuntamente i segnali di accelerazione e giroscopico con un algoritmo di fusione di sensori a 6-DoF (sei gradi di libert?, Degrees of Freedom) (gli input dell'algoritmo essendo gli stessi segnali di accelerazione e giroscopico Acc, Gyro).
Il dispositivo elettronico di puntamento 1 comprende inoltre uno stadio di determinazione di puntamento 8, accoppiato allo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 ed al sensore giroscopico 4, configurato per eseguire un algoritmo di puntamento per tradurre i movimenti del dispositivo elettronico 1 nello spazio 3D in spostamenti in una cornice di schermo bidimensionale (ovvero all?interno di un'area visualizzata di un apparecchio host accoppiato al dispositivo elettronico 1).
In particolare, lo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 ? configurato per generare in uscita una quantit? di stima di rollio, indicata con ?', indicativa dell'orientamento del dispositivo elettronico di puntamento 1, in particolare dell'angolo di rollio o inclinazione attorno al suo asse longitudinale; e lo stadio di determinazione di puntamento 8 ? configurato per compensare il segnale giroscopico Gyro in base alla quantit? di stima di rollio ?' e per rimappare le misurazioni giroscopiche compensate in spostamenti nella cornice di schermo.
Si evidenzia che la quantit? di stima di rollio ?' di cui sopra pu? essere un effettivo angolo di rollio stimato o una quantit? differente indicativa dell'angolo di rollio e/o da cui ? possibile determinare lo stesso angolo di rollio.
La Figura 2 mostra schematicamente il dispositivo elettronico 1, i tre assi X, Y e Z dell?associato sistema di riferimento e il segnale giroscopico Gyro[x, y, z] lungo gli stessi tre assi X, Y e Z. In particolare, l'asse Y rappresenta l'asse di estensione longitudinale del dispositivo elettronico 1; l'asse X rappresenta un asse trasversale, rispetto alla stessa estensione longitudinale; e l'asse Z rappresenta un asse verticale, ortogonale al piano orizzontale definito dagli assi X e Y.
L'angolo ? attorno all'asse Y rappresenta qui l'effettivo angolo di rollio o inclinazione del dispositivo elettronico di puntamento 1, che dovrebbe essere idealmente utilizzato per ruotare (compensare) i segnali giroscopici per fornire un'uscita di puntatore indipendente dal rollio, dato che l'utente non pu? essere obbligato a mantenere un orientamento fisso del dispositivo durante il suo utilizzo. Si evidenzia che la rotazione del dispositivo elettronico 1 intorno all'asse Y (nel caso di utilizzo di un sistema di riferimento ENU) non partecipa all'operazione di puntamento e quindi alla determinazione dei corrispondenti spostamenti nella cornice di schermo.
In generale, nello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 di cui sopra, il segnale giroscopico Gyro e il segnale di accelerazione Acc sono elaborati congiuntamente con un rispettivo coefficiente di peso, che determina il peso (o la relativa importanza) nella determinazione della quantit? di stima di rollio ?' in uscita. In particolare, il segnale di accelerazione Acc viene utilizzato per compensare e recuperare errori di integrazione del segnale giroscopico Gyro, che si accumulano nel tempo, e viene pesato maggiormente in stati di arresto o di lieve movimento del dispositivo elettronico di puntamento 1 (quando le accelerazioni lineari, ovvero le accelerazioni differenti dall'accelerazione di gravit?, sono trascurabili rispetto alla stessa accelerazione di gravit?).
In una possibile forma di realizzazione, lo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 pu? implementare un filtro complementare, per combinare il segnale di accelerazione Acc e il segnale giroscopico Gyro e generare in uscita la quantit? di stima di rollio ?' (si sottolinea, in ogni caso, che la presente descrizione non ? limitata a nessuna particolare implementazione dello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5, che pu? essere di qualsiasi tipo noto che consenta di generare la stima in uscita per la compensazione di orientamento in base ai segnali di accelerazione e giroscopico in ingresso).
Nella forma di realizzazione di filtro complementare, la quantit? di stima di rollio ?' pu? per esempio essere espressa come:
?'(t) = (1-Kacc)*( ?'(t-1) Gyroy*dt) Kacc* ?acc(t) in cui la prima componente ( ?'(t-1) Gyroy*dt) ? ottenuta dall'integrazione giroscopica ed ? pesata mediante un primo coefficiente di peso (1-Kacc) e la seconda componente ?acc(t) ? ottenuta dal sensore accelerometrico 2 ed ? pesata mediante un secondo coefficiente di peso Kacc (in cui la somma del primo e del secondo coefficiente di peso ? uguale a uno). In una possibile implementazione, il coefficiente di peso Kacc pu? essere compreso tra 0,01 e 0,02, durante il normale funzionamento del dispositivo elettronico di puntamento 1.
Come ? noto, i dispositivi di nuova generazione (in particolare, le penne intelligenti citate in precedenza o dispositivi simili) richiedono un consumo energetico molto basso per migliorare la durata della batteria, per via del fatto che le dimensioni, e di conseguenza la dimensione della batteria, sono limitate e la durata della batteria del dispositivo ? un importante parametro di progettazione.
Inoltre, deve essere garantita un'esperienza utente accurata, per esempio in termini di accuratezza, precisione, latenza e uniformit? dell'uso e del funzionamento complessivi dei dispositivi, in tutti i possibili scenari di utilizzo.
Per ridurre il consumo energetico, una soluzione nota prevede che il sensore giroscopico 4 sia in una modalit? accesa (power-on) soltanto durante il funzionamento del dispositivo elettronico di puntamento 1 in qualit? di puntatore (ovvero per visualizzare il cursore o un oggetto visualizzato simile sulla cornice di schermo dell'apparecchio host). In particolare, un pulsante o un elemento di interfaccia simile viene azionato, per esempio premuto, dall'utente quando ? richiesto il funzionamento come puntatore del dispositivo elettronico di puntamento 1; lo stesso pulsante viene per esempio rilasciato quando deve essere disabilitato il funzionamento di puntatore.
Quando ? disabilitato il funzionamento di puntatore, il sensore giroscopico 4 ? quindi in una modalit? spenta (power-off), per cui il consumo energetico pu? essere notevolmente ridotto (si evidenzia che il giroscopio ? un sensore attivo, con una massa mobile che ? azionata alla frequenza di risonanza).
Invece, il sensore accelerometrico 2 pu? essere sempre mantenuto nella modalit? accesa (essendo un sensore passivo, il suo consumo energetico ? in ogni caso limitato).
La presente Richiedente ha constatato che questa soluzione, sebbene vantaggiosa in termini di consumo energetico, pu? portare a una diminuzione dell'esperienza utente, almeno in determinate condizioni di funzionamento (per esempio, per applicazioni di gioco, gaming).
In particolare, la presente Richiedente ha constatato che pu? verificarsi uno scenario di funzionamento, in cui il dispositivo elettronico di puntamento 1 ? abilitato per le operazioni di puntamento (per esempio con l'utente che preme il pulsante corrispondente), mentre lo stesso dispositivo vibra o oscilla (ovvero ? soggetto ad accelerazioni lineari in avanti e all'indietro lungo una data direzione, per esempio lungo l'asse x del sistema di riferimento inerziale nello spazio 3D associato allo stesso dispositivo elettronico di puntamento 1).
In questo scenario di funzionamento, all'avvio (startup) dell'operazione di puntatore, la compensazione di orientamento basata sulla quantit? di stima di rollio ?' pu? non essere eseguita correttamente, determinando il movimento del cursore visualizzato con un angolo di inclinazione inaspettato rispetto al movimento dell'utente.
In particolare, all'avvio, la stima di rollio ? inizialmente basata soltanto sul segnale di accelerazione Acc (dato che il sensore giroscopico ? nello stato spento) e questo segnale ? influenzato da un'elevata accelerazione lineare, per via dell'oscillazione del dispositivo elettronico di puntamento 1.
A tale riguardo, la figura 3A mostra i grafici delle componenti del segnale di accelerazione Acc lungo i tre assi X, Y, Z, in un intervallo temporale, successivo ad uno stato stabile (o quiescente) iniziale, in cui il dispositivo elettronico di puntamento 1 oscilla; al tempo t0, quando il dispositivo sta ancora oscillando, l'utente inizia l'operazione di puntamento premendo il corrispondente pulsante (il tempo t0 pertanto corrisponde al tempo di avvio delle operazioni di puntamento).
La figura 3B mostra il corrispondente grafico della quantit? di stima di rollio ?' (che in questo caso rappresenta una effettiva stima dell'angolo di rollio ?), durante lo stesso intervallo temporale, che ? determinato dallo stadio a fusione di sensori 5 in base soltanto al segnale di accelerazione Acc (il sensore giroscopico 4 ? spento); la quantit? di stima di rollio ?' varia in un ampio intervallo (nell'esempio tra /-70 gradi), per cui il valore iniziale della stessa quantit? di stima di rollio ?' al tempo t0 (nell'esempio uguale a circa 40 gradi), utilizzato per inizializzare l'algoritmo di puntamento implementato dallo stadio di determinazione di puntamento 6, ? anch'esso influenzato dalla stessa variabilit?. La stima iniziale per la compensazione di rollio pu? pertanto essere anche molto differente rispetto all'effettivo orientamento del dispositivo elettronico di puntamento 1.
La figura 4A mostra schematicamente il dispositivo elettronico di puntamento 1 soggetto a oscillazione lungo la direzione dell'asse x, quando l'utente preme il pulsante, qui indicato con 9, per attivare le operazioni di puntamento.
La figura 4B mostra schematicamente la cornice di schermo, qui indicata con 10, di un apparecchio host, con il corrispondente movimento di un cursore 12 visualizzato sulla stessa. In particolare, al posto di avere il cursore 12 che si muove lungo una direzione orizzontale X' della cornice di schermo 10, lo stesso cursore 12 si muove lungo una direzione che ? inclinata di un determinato angolo (sostanzialmente corrispondente al valore iniziale della quantit? di stima di rollio ?') rispetto alla direzione orizzontale.
In soluzioni note, l'errore iniziale nella stima dell'orientamento del dispositivo elettronico di puntamento 1 non viene recuperato fino all'arresto del movimento dello stesso dispositivo, oppure pu? essere richiesto molto tempo (anche nell'ordine di circa 20 secondi) per il recupero dello stesso errore iniziale. Nel primo caso, il segnale di accelerazione Acc non viene utilizzato nella determinazione della quantit? di stima di rollio ?' fintanto che il dispositivo elettronico di puntamento 1 oscilla; nel secondo caso, lo stesso segnale di accelerazione Acc viene utilizzato nella determinazione della quantit? di stima di rollio ?' ma con un coefficiente di peso che ? appositamente mantenuto basso, per garantire la corretta reiezione dell'accelerazione lineare.
Entrambe le soluzioni note non possono essere accettabili per applicazioni, per esempio applicazioni di gioco, aventi elevati requisiti in termini di esperienza utente.
Scopo della presente soluzione ? quello di risolvere i problemi precedentemente evidenziati e di fornire una soluzione di puntamento migliorata che garantisca un rapido recupero dell'errore di stima di rollio all'avvio delle operazioni di puntamento.
Secondo la presente invenzione, sono di conseguenza forniti un dispositivo elettronico di puntamento e un corrispondente metodo, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a titolo puramente di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, in cui:
- la Figura 1 mostra un diagramma a blocchi schematico di un dispositivo elettronico di puntamento noto;
- la Figura 2 ? una rappresentazione schematica del dispositivo elettronico di puntamento e di corrispondenti componenti di segnale giroscopico;
- le Figure 3A e 3B mostrano grafici delle componenti di segnale di accelerazione e, rispettivamente, di una quantit? di stima di rollio durante un'oscillazione del dispositivo elettronico di puntamento, prima dell'avvio delle operazioni di puntamento;
- la Figura 4A ? una rappresentazione schematica del dispositivo elettronico di puntamento durante l'oscillazione e la Figura 4B ? una rappresentazione schematica del corrispondente movimento di un cursore visualizzato su una cornice di schermo di un apparecchio host accoppiato al dispositivo elettronico di puntamento;
- la Figura 5 ? un diagramma a blocchi schematico di un dispositivo elettronico di puntamento, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;
- le Figure 6 e 7 sono diagrammi di flusso di operazioni eseguite da blocchi di elaborazione del dispositivo elettronico di puntamento della Figura 5;
- la Figura 8 ? un diagramma a blocchi schematico di un dispositivo elettronico di puntamento, secondo un'ulteriore forma di realizzazione della presente soluzione; e
- la Figura 9 ? un diagramma a blocchi schematico di un sistema comprendente il dispositivo elettronico di puntamento e l'apparecchio host.
Come mostrato schematicamente nella Figura 5, la presente soluzione prevede due blocchi di elaborazione aggiuntivi, che vengono aggiunti all'architettura del dispositivo elettronico di puntamento 1 (come discusso in riferimento alla Figura 1, per cui elementi simili sono indicati con gli stessi numeri di riferimento e non sono discussi ulteriormente in seguito).
In particolare, un primo blocco di elaborazione 20 ? configurato in modo da migliorare il valore iniziale della quantit? di stima di rollio ?', che viene utilizzato come input nell'algoritmo di puntamento (come precedentemente discusso) e quindi in modo da diminuire l'errore di stima di rollio iniziale all'avvio; e un secondo blocco di elaborazione 22 ? configurato in modo da aumentare la velocit? di recupero dello stesso errore di stima di rollio nell'intervallo temporale immediatamente seguente l'avvio delle operazioni di puntamento.
Il primo blocco di elaborazione 20 ? accoppiato al sensore accelerometrico 2 per ricevere il segnale di accelerazione Acc ed ? inoltre accoppiato allo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5.
Il primo blocco di elaborazione 20 ? configurato in modo da memorizzare valori precedenti del segnale di accelerazione Acc (in particolare un determinato numero di ultimi campioni dello stesso segnale di accelerazione Acc), almeno durante l'intervallo temporale in cui l'operazione di puntamento da parte del dispositivo elettronico di puntamento 1 ? disabilitata (ovvero durante il quale il sensore accelerometrico 2 ? acceso, mentre il sensore giroscopico 4 ? in una modalit? spenta).
In particolare, facendo anche riferimento alla Figura 6, il primo blocco di elaborazione 20 ? configurato in modo da memorizzare, fase 30, un determinato numero di valori precedenti (campioni) e per aggiornare i valori memorizzati quando vengono acquisiti nuovi valori del segnale di accelerazione Acc; per esempio, i valori memorizzati possono essere relativi a un intervallo temporale passato avente una durata compresa tra 0,5 s e 1 s.
In una possibile forma di realizzazione, come mostrato nella suddetta Figura 5, il primo blocco di elaborazione 20 comprende un'unit? di memorizzazione hardware 21, per esempio un buffer FIFO (First In First Out), per memorizzare i valori precedenti del segnale di accelerazione Acc.
Il primo blocco di elaborazione 20 ? inoltre configurato (si veda nuovamente la Figura 6, fase 32), quando ? abilitata l'operazione di puntamento da parte del dispositivo puntatore elettronico 1 (per esempio all'attivazione del corrispondente elemento di interfaccia da parte dell'utente, per esempio alla pressione del corrispondente pulsante) in modo da: recuperare i valori precedenti memorizzati dello stesso segnale di accelerazione Acc (fase 34), che sono quindi correlati a un intervallo temporale immediatamente precedente all'abilitazione (ovvero all'avvio) dell'operazione di puntamento; ed elaborare gli stessi valori precedenti memorizzati per migliorare la stima di rollio iniziale effettuata mediante lo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 (che opera secondo un qualsiasi algoritmo di fusione di sensori noto, per esempio basato su un filtro complementare, come discusso in precedenza).
Secondo una possibile forma di realizzazione, il primo blocco di elaborazione 20 ? configurato in modo da determinare una condizione di oscillazione (o ?shaking?) del dispositivo elettronico di puntamento 1 (fase 35), in base all'elaborazione dei valori precedenti memorizzati del segnale di accelerazione Acc. Per esempio, il primo blocco di elaborazione 20 pu? determinare la condizione di oscillazione calcolando la varianza del segnale di accelerazione Acc (per esempio la varianza di ciascuna delle componenti di accelerazione Accx, Accy, Accz lungo i tre assi x, y, z) e per determinare l'occorrenza della condizione di oscillazione se la varianza calcolata ? superiore a una determinata soglia di accelerazione.
Se il dispositivo elettronico di puntamento 1 non oscilla (fasi 36, 38), ovvero non ? stata determinata l'occorrenza della condizione di oscillazione, il primo blocco di elaborazione 20 fa in modo che lo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 inizializzi il corrispondente algoritmo di fusione di sensori in base al segnale di accelerazione Acc grezzo (ovvero non elaborato), in particolare in base ai valori precedenti del segnale di accelerazione Acc come acquisito dal sensore accelerometrico 2 (l'operazione dello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 in questo caso non ? modificata).
Altrimenti, se il dispositivo elettronico di puntamento 1 oscilla, ovvero ? stata determinata l'occorrenza della condizione di oscillazione, il primo blocco di elaborazione 20 (fasi 36, 39) implementa un'elaborazione preliminare dei valori precedenti memorizzati del segnale di accelerazione Acc. Il risultato dell'elaborazione (ovvero dati di accelerazione elaborati) viene utilizzato per inizializzare lo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5, in modo da migliorare la quantit? di stima di rollio iniziale ?'.
In particolare, l'elaborazione preliminare di cui sopra pu? includere determinare una media dei valori precedenti del segnale di accelerazione Acc o implementare un filtraggio, per esempio un filtraggio passa-basso, dei valori precedenti del segnale di accelerazione Acc, in ogni caso generando dati di accelerazione elaborati che vengono utilizzati dallo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 per inizializzare l'algoritmo di fusione di sensori.
Facendo di nuovo riferimento alla Figura 3A, l'elaborazione preliminare dei valori del segnale di accelerazione Acc prima del tempo t0 (corrispondente all?abilitazione o avvio dell'operazione di puntamento) pu? consentire di ridurre l'errore iniziale nella stima di rollio: per esempio, il valore iniziale della quantit? di stima di rollio ?' al tempo t0 pu? essere di 10 gradi, piuttosto che di 40 gradi (come nell'esempio discusso in precedenza).
Come mostrato nella suddetta Figura 5, il secondo blocco di elaborazione 22 ? accoppiato al sensore accelerometrico 2 per ricevere il segnale di accelerazione Acc e al sensore giroscopico 4 per ricevere il segnale giroscopico Gyro ed ? inoltre accoppiato allo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5.
Il secondo blocco di elaborazione 22 ? configurato per realizzare un recupero dinamico dell?errore di stima di rollio ed in particolare ? configurato in modo da modificare dinamicamente il valore del coefficiente di peso (generalmente indicato con Kacc) assegnato al segnale di accelerazione Acc nello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 e quindi l'importanza assegnata allo stesso segnale di accelerazione Acc nella determinazione della quantit? di stima di rollio ?'.
In particolare, come mostrato anche nella Figura 7, il secondo blocco di elaborazione 22, dopo l'avvio delle operazioni di puntamento (per esempio dopo l'attuazione del corrispondente elemento di interfaccia da parte dell'utente, per esempio alla pressione del corrispondente pulsante), ? configurato in modo da stimare un'intensit? di oscillazione Ishake associata a una condizione di oscillazione del dispositivo elettronico di puntamento 1 (fase 40), in base all'elaborazione sia del segnale di accelerazione Acc sia del segnale giroscopico Gyro (si evidenzia che il sensore giroscopico 4 ? ora in modalit? accesa).
Per esempio, il secondo blocco di elaborazione 22 pu? determinare l'intensit? di oscillazione Ishake in base alla varianza del segnale di accelerazione Acc e del segnale giroscopico Gyro (per esempio la varianza di ciascuna delle componenti di segnale di accelerazione Accx, Accy, Accz e di ciascuna delle componenti di segnale giroscopico Gyrox, Gyroy, Gyroz lungo i tre assi x, y, z).
Se il dispositivo elettronico di puntamento 1 non oscilla (fasi 42, 43), ovvero l'intensit? di oscillazione Ishake stimata ? al di sotto di una data soglia (nell'esempio, la varianza delle componenti di segnale di accelerazione Accx, Accy, Accz e quella delle componenti di segnale giroscopico Gyrox, Gyroy, Gyroz lungo i tre assi x, y, z sono al di sotto di una rispettiva soglia), il valore del coefficiente di peso Kacc non viene modificato, essendo impostato ad un valore predefinito utilizzato in condizioni di funzionamento standard (per esempio, come discusso in precedenza, il valore predefinito del coefficiente di peso Kacc pu? essere compreso tra 0,01 e 0,02, nel caso di un'implementazione di filtro complementare dello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5).
Diversamente, se il dispositivo elettronico di puntamento 1 oscilla (fasi 42, 44), ovvero l'intensit? di oscillazione Ishake stimata ? superiore, o uguale, alla data soglia (nell'esempio, la varianza delle componenti di segnale di accelerazione Accx, Accy, Accz e quella delle componenti di segnale giroscopico Gyrox, Gyroy, Gyroz lungo i tre assi x, y, z sono superiori o uguali alla rispettiva soglia), il valore del coefficiente di peso Kacc ? modificato dinamicamente in funzione della stessa intensit? di oscillazione Ishake stimata:
Kacc = f(Ishake).
In una possibile forma di realizzazione, il coefficiente di peso Kacc ? incrementato (rispetto a un valore predefinito) in base all'intensit? di oscillazione Ishake stimata, per consentire un recupero pi? rapido dell'errore di stima di rollio (per esempio, il valore del coefficiente di peso Kacc ? aumentato fino a un valore compreso tra 0,07 e 0,08, in caso dell'implementazione di filtro complementare dello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5).
Dopo un dato intervallo temporale a seguito dell'avvio dell'operazione di puntamento (fase 45), per esempio uguale ad alcuni secondi (per esempio uguale a 5 s), il suddetto recupero dell'errore di stima di rollio ? disabilitato e il coefficiente di peso Kacc ? di nuovo impostato (fase 46) al valore predefinito utilizzato nelle condizioni di funzionamento standard (per esempio, come discusso in precedenza, il valore del coefficiente di peso Kacc ? nuovamente diminuito al valore compreso tra 0,01 e 0,02, nel caso dell'implementazione di filtro complementare dello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5); successivamente, viene implementato il normale funzionamento dello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5.
La Richiedente ha constatato che l'incremento dinamico discusso in precedenza del coefficiente di peso Kacc assegnato al segnale di accelerazione Acc nell'algoritmo di fusione di sensori implementato dallo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 consente vantaggiosamente di conseguire un recupero pi? rapido dell'errore di stima di rollio (dato che il segnale di accelerazione Acc ha un peso maggiore nella determinazione della quantit? di stima di rollio ?' in uscita). Per esempio, con le stesse condizioni di funzionamento, ? possibile conseguire un tempo di recupero di soltanto 3 secondi, al posto dei 20 secondi necessari per le soluzioni note.
Tuttavia, la Richiedente ha anche constatato un possibile inconveniente dell'incremento del coefficiente di peso Kacc, ovvero una certa instabilit? del valore della quantit? di stima di rollio ?' in uscita, per via del fatto che le accelerazioni lineari che hanno origine dall'oscillazione non sono correttamente filtrate dallo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 (nuovamente poich? il segnale di accelerazione Acc ha un peso maggiore nella determinazione della quantit? di stima di rollio ?' in uscita). La conseguenza di questa instabilit? pu? essere una corrispondente deviazione del cursore 12 o dell'oggetto visualizzato simile sulla cornice di schermo 10 dell'apparecchio host.
Secondo una possibile forma di realizzazione, come mostrato nella Figura 8, viene pertanto introdotto un blocco di filtraggio 24, all'uscita dello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5, configurato per filtrare la quantit? di stima di rollio ?' emessa prima che la stessa quantit? di stima di rollio ?' sia utilizzata nello stadio di determinazione di puntamento 8.
In particolare, il blocco di filtraggio 24 ? configurato in modo da implementare un filtraggio passabasso della quantit? di stima di rollio ?', che consente di evitare l'instabilit? del valore della stessa quantit? di stima di rollio ?' emessa e la corrispondente deviazione del cursore o dell'oggetto visualizzato simile sulla cornice di schermo dell'apparecchio host.
Il blocco di filtraggio 24 ? vantaggiosamente abilitato durante l'intervallo temporale in cui il valore del coefficiente di peso Kacc ? modificato (si veda la fase 44 di cui sopra) e nuovamente disabilitato al termine del dato intervallo temporale dopo l'avvio dell'operazione di puntamento (si veda la fase 45 di cui sopra), dopodich? il recupero dell'errore di stima di rollio ? disabilitato e il coefficiente di peso Kacc ? nuovamente impostato al valore predefinito utilizzato nelle condizioni di funzionamento standard.
La Figura 9 mostra schematicamente il dispositivo elettronico di puntamento 1, del tipo portatile o impugnabile, per esempio una penna o uno stilo intelligente, accoppiato in comunicazione ad un apparecchio host 50, per esempio uno smartphone, un phablet o un tablet.
Il dispositivo elettronico di puntamento 1 comprende, all'interno di un suo involucro o alloggiamento, un modulo di misura inerziale 51, in particolare un modulo hardware includente (in una modalit? non mostrata in dettaglio) il sensore accelerometrico 2, il sensore giroscopico 4, e, in una possibile forma di realizzazione, lo stadio a fusione di sensori 5 (entrambi i sensori accelerometrico e giroscopico 2, 4 e lo stadio a fusione di sensori 5, per esempio realizzato come un ASIC - circuito integrato per applicazioni specifiche, Application Specific Integrated Circuit, possono essere integrati in uno stesso chip incapsulato).
Secondo una possibile forma di realizzazione, lo stadio di determinazione di puntamento 8 pu? essere implementato in un'unit? di controllo principale 52 del dispositivo elettronico di puntamento 1, avente un microcontrollore (o unit? di calcolo o elaborazione simile) e una memoria non volatile che memorizza istruzioni di calcolo per eseguire l'algoritmo di puntamento e generare in uscita informazioni di spostamento che vengono ricevute dall'apparecchio host 50 accoppiato per implementare un'interfaccia utente (per esempio per spostare il cursore 12 o un elemento visualizzato simile sulla cornice di schermo 10 dello stesso apparecchio host 50 accoppiato). L'unit? di controllo principale 52 che implementa lo stadio di determinazione di puntamento 8 pu? essere un'unit? di controllo dedicata o pu? anche avere altre funzioni, per esempio per controllare il funzionamento generale del dispositivo elettronico di puntamento 1.
In questa forma di realizzazione, lo stadio di determinazione di puntamento 8 costituisce un software aggiuntivo (add-on), oltre al modulo hardware 6, che prevede un uso minimo di risorse.
Il dispositivo elettronico di puntamento 1 pu? comprendere inoltre: una batteria 53, che fornisce alimentazione elettrica al modulo hardware 6 (inclusi il sensore accelerometrico 2, il sensore giroscopico 4 e lo stadio a fusione di sensori 5) e all'unit? di controllo 52 (che implementa lo stadio di determinazione di puntamento 8); e un'unit? di interfaccia di comunicazione 54, progettata per la comunicazione senza fili verso l'apparecchio host 50. L'unit? di interfaccia di comunicazione 54 pu? essere implementata da un'unit? di controllo BLE (Bluetooth a bassa energia, Bluetooth Low Energy) che implementa una comunicazione senza fili Bluetooth a bassa energia tra il dispositivo elettronico di puntamento 1 e l'apparecchio host 50 accoppiato.
Lo stesso apparecchio host 50 pu? comprendere: una rispettiva unit? di interfaccia di comunicazione 55, per comunicare con l'unit? di interfaccia di comunicazione 54 del dispositivo elettronico di puntamento 1; un controllore principale 56, per esempio un'unit? a microprocessore; e un display 58, che definisce la cornice di schermo 10, su cui il movimento del cursore 12 o di un altro elemento visualizzato simile viene controllato dal controllore principale 56 sulla base delle informazioni di spostamento fornite dal dispositivo elettronico di puntamento 1 (si evidenzia che, oltre alle informazioni di spostamento, qualsiasi tipo di ulteriori informazioni pu? essere comunicato tra il dispositivo elettronico 1 e l'apparecchio host 50).
In particolare, il primo e il secondo blocco di elaborazione aggiuntivi 20, 22 discussi in precedenza (e il blocco di filtraggio 24) possono in alternativa essere implementati: nel modulo di misura inerziale 51 (in tal caso, con i blocchi di elaborazione hardware); nell'unit? di controllo principale 52; o nell'unit? di controllo BLE (Bluetooth a bassa energia) dell'unit? di interfaccia di comunicazione 54.
I vantaggi della soluzione proposta sono evidenti dalla precedente descrizione.
In ogni caso, si sottolinea nuovamente che la soluzione proposta consente di conseguire un consumo energetico molto basso, mantenendo al contempo elevate prestazioni del puntatore.
In particolare, in caso di oscillazione del dispositivo elettronico di puntamento 1 all'avvio delle operazioni di puntamento, sono garantiti una precisione e un'esperienza utente migliorate.
Il primo e il secondo blocco di elaborazione aggiuntivi 20, 22 introdotti comportano minimi costi computazionali, portando ad un'esperienza utente ottimale all'avvio in presenza di oscillazione mantenendo al contempo un consumo di corrente molto basso.
Si evidenzia che, sebbene l'uso in combinazione dei due blocchi di elaborazione aggiuntivi 20, 22 sia particolarmente vantaggioso, ogni blocco fornisce vantaggi specifici che migliorano le prestazioni del dispositivo elettronico di puntamento 1.
In particolare, il primo blocco di elaborazione aggiuntivo 20 garantisce una rapida stima all'avvio nel caso in cui il dispositivo elettronico di puntamento 1 non stia oscillando e una stima preliminare migliorata dell'orientamento del dispositivo in caso di oscillazione.
Il secondo blocco di elaborazione aggiuntivo 22 garantisce un recupero molto rapido dell'errore di stima di rollio, preservando allo stesso tempo l?accuratezza dell'esperienza utente (in una forma di realizzazione possibile grazie anche all'uso del filtraggio all'uscita dello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 da parte del blocco di filtraggio 24).
Infine, ? evidente che ? possibile apportare modifiche e variazioni a quanto ? stato descritto e illustrato qui, senza in ogni caso uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, si sottolinea nuovamente che la quantit? di stima di rollio ?' all'uscita dello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 pu? essere una stima di angolo di rollio o una quantit? diversa indicativa dello stesso angolo di rollio, per esempio una stima di vettore di gravit?. Come ? noto, il vettore di gravit?, indicato generalmente con g, ? un vettore di tre valori [gx,gy,gz], che corrispondono alle rispettive proiezioni dell'accelerazione di gravit? sui tre assi X, Y, Z del sistema di riferimento associato al dispositivo elettronico di puntamento 1. Il vettore di gravit? ? normalizzato rispetto al valore dell'accelerazione di gravit? (circa 9,8 m/s<2>), avendo cos? un modulo unitario.
Si sottolinea anche che lo stadio di elaborazione a fusione di sensori 5 pu? implementare qualsiasi generico algoritmo di filtraggio con fusione di sensori adatto, per combinare il segnale di accelerazione Acc e il segnale giroscopico Gyro e per generare all'uscita la quantit? di stima di rollio ?' (si sottolinea nuovamente che la presente descrizione non ? limitata a una particolare implementazione dello stadio di elaborazione a fusione di sensori 5).
Inoltre, si evidenzia che lo stadio di determinazione di puntamento 8 pu? anche essere implementato come modulo hardware ed essere integrato nello stesso chip incapsulato con i sensori inerziali MEMS (i sensori accelerometrico e giroscopico 2, 4 e possibilmente ulteriori sensori, quale un magnetometro) e con il circuito di elaborazione associato.
Inoltre, si sottolinea nuovamente che il dispositivo elettronico 1 pu? essere un dispositivo puntatore dedicato o pu? anche avere funzioni aggiuntive, oltre all'implementazione dell'algoritmo di puntamento (come avviene per una penna intelligente o un dispositivo elettronico impugnabile simile).
Claims (18)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo elettronico di puntamento (1), comprendente: un sensore accelerometrico (2), configurato in modo da generare un segnale di accelerazione (Acc), indicativo di accelerazioni che agiscono sul dispositivo elettronico di puntamento (1); un sensore giroscopico (4), configurato in modo da generare un segnale giroscopico (Gyro), indicativo di velocit? angolari di rotazione del dispositivo elettronico di puntamento (1); uno stadio di elaborazione a fusione di sensori (5), accoppiato al sensore accelerometrico (2) e al sensore giroscopico (4), configurato in modo da generare una quantit? di stima di orientamento ( ?') indicativa di un orientamento del dispositivo elettronico di puntamento (1) intorno ad un asse longitudinale (Y) in base a un algoritmo di fusione di sensori che prevede l'elaborazione congiunta del segnale di accelerazione (Acc) e del segnale giroscopico (Gyro); e uno stadio di determinazione di puntamento (8) configurato in modo da implementare una compensazione di orientamento del segnale giroscopico (Gyro) in funzione della quantit? di stima di orientamento ( ?'), determinare un segnale giroscopico compensato e generare dati di spostamento su una cornice di schermo corrispondenti a movimenti in uno spazio 3D del dispositivo elettronico di puntamento (1) sulla base del segnale giroscopico a orientamento compensato, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre: un primo blocco di elaborazione (20) configurato in modo da migliorare un valore iniziale della quantit? di stima di rollio ( ?') dopo che ? stata abilitata l'operazione di puntamento del dispositivo puntatore elettronico (1) e diminuire quindi un errore di stima di rollio iniziale; in cui il primo blocco di elaborazione (20) ? configurato in modo da: memorizzare valori precedenti del segnale di accelerazione (Acc), durante un intervallo temporale che precede l'avvio; e, all'avvio, recuperare ed elaborare i valori precedenti memorizzati del segnale di accelerazione (Acc) per generare dati di accelerazione elaborati, da utilizzare da parte dello stadio di elaborazione a fusione di sensori (5) per inizializzare l'algoritmo di fusione di sensori e generare il valore iniziale della quantit? di stima di rollio ( ?').
- 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il primo blocco di elaborazione (20) comprende un'unit? di memorizzazione hardware (21), per memorizzare i valori precedenti del segnale di accelerazione (Acc).
- 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il primo blocco di elaborazione (20) ? configurato in modo da generare i dati di accelerazione elaborati, determinando una media dei valori precedenti memorizzati del segnale di accelerazione (Acc); o implementando un filtraggio passabasso dei valori precedenti memorizzati del segnale di accelerazione (Acc).
- 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il primo blocco di elaborazione (20) ? configurato in modo da: determinare una condizione di oscillazione del dispositivo elettronico di puntamento (1), sulla base dell'elaborazione dei valori precedenti memorizzati del segnale di accelerazione (Acc); e fare in modo che lo stadio di elaborazione a fusione di sensori (5) inizializzi l'algoritmo di fusione di sensori in base al segnale di accelerazione (Acc), se non ? stata determinata l'occorrenza della condizione di oscillazione, o in base ai dati di accelerazione elaborati se ? stata determinata l'occorrenza della condizione di oscillazione.
- 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui il primo blocco di elaborazione (20) ? configurato in modo da determinare la condizione di oscillazione calcolando una varianza del segnale di accelerazione (Acc) e determinare l'occorrenza della condizione di oscillazione se la varianza calcolata ? superiore a una data soglia.
- 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre un secondo blocco di elaborazione (22), configurato in modo da aumentare la velocit? di recupero dell'errore di stima di orientamento iniziale in un intervallo temporale che segue l'avvio; in cui il secondo blocco di elaborazione (22) ? configurato in modo da modificare il valore di un coefficiente di peso (Kacc) assegnato al segnale di accelerazione (Acc) nello stadio di elaborazione a fusione di sensori (5) e quindi l'importanza assegnata allo stesso segnale di accelerazione (Acc) nella determinazione della quantit? di stima di rollio ( ?').
- 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui il secondo blocco di elaborazione (22) ? configurato in modo da: stimare un'intensit? di oscillazione (Ishake) associata a una condizione di oscillazione del dispositivo elettronico di puntamento (1), in base all'elaborazione sia del segnale di accelerazione (Acc) sia del segnale giroscopico (Gyro); e modificare il valore del coefficiente di peso (Kacc) in funzione dell'intensit? di oscillazione (Ishake) stimata.
- 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui il coefficiente di peso (Kacc) ? incrementato sulla base dell'intensit? di oscillazione (Ishake) stimata rispetto a un valore predefinito per condizioni di funzionamento standard, in modo da consentire un recupero pi? rapido dell'errore di stima di orientamento iniziale.
- 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui il secondo blocco di elaborazione (22) ? configurato in modo da modificare il valore del coefficiente di peso (Kacc) nel caso in cui l'intensit? di oscillazione (Ishake) stimata sia superiore o uguale a una soglia; e per impostare il coefficiente di peso (Kacc) al valore predefinito, nel caso in cui l'intensit? di oscillazione (Ishake) stimata sia inferiore alla soglia.
- 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui il secondo blocco di elaborazione (22) ? configurato in modo da impostare nuovamente il coefficiente di peso (Kacc) al valore predefinito dopo un dato intervallo temporale dopo l'avvio.
- 11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 10, comprendente inoltre un blocco di filtraggio (24), all'uscita dello stadio di elaborazione a fusione di sensori (5), configurato per filtrare la quantit? di stima di rollio ( ?') prima che la stessa quantit? di stima di rollio ( ?') sia utilizzata nello stadio di determinazione di puntamento (8), durante un intervallo temporale successivo all'avvio in cui il valore del coefficiente di peso (Kacc) ? modificato.
- 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui il blocco di filtraggio (24) ? configurato in modo da implementare un filtraggio passa-basso della quantit? di stima di rollio ( ?').
- 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre un'unit? di interfaccia di comunicazione (54) configurata in modo da trasmettere i dati di spostamento sulla cornice di schermo ad un apparecchio host (50) avente un display (58); in cui i dati di spostamento sulla cornice di schermo sono configurati per controllare il movimento di un elemento visualizzato (12) su una cornice di schermo del display (58).
- 14. Sistema elettronico comprendente il dispositivo elettronico di puntamento (1) secondo la rivendicazione 13 e l'apparecchio host (50) accoppiato; in cui l'apparecchio host (50) comprende una rispettiva interfaccia di comunicazione (55), per comunicare con il dispositivo elettronico di puntamento (1) e ricevere i dati di spostamento sulla cornice di schermo; un controllore principale (56); e il display (58) che definisce la cornice di schermo; in cui il controllore principale (56) ? configurato in modo da controllare il movimento dell'elemento visualizzato (12) secondo i dati di spostamento sulla cornice di schermo ricevuti dal dispositivo elettronico di puntamento (1).
- 15. Metodo per generare dati di spostamento su una cornice di schermo in base a movimenti in uno spazio 3D di un dispositivo elettronico di puntamento (1), comprendente: generare una quantit? di stima di orientamento ( ?') indicativa di un orientamento del dispositivo elettronico di puntamento (1) attorno a un asse longitudinale (Y) in base a un algoritmo di fusione di sensori che prevede l'elaborazione congiunta di un segnale di accelerazione (Acc), indicativo di accelerazioni che agiscono sul dispositivo elettronico di puntamento (1), e di un segnale giroscopico (Gyro), indicativo di velocit? angolari di rotazione del dispositivo elettronico di puntamento (1); implementare una compensazione di orientamento del segnale giroscopico (Gyro) in funzione della quantit? di stima di orientamento ( ?') per determinare un segnale giroscopico compensato; e generare i dati di spostamento sulla cornice di schermo corrispondenti ai movimenti nello spazio 3D del dispositivo elettronico di puntamento (1) in base al segnale giroscopico a orientamento compensato, caratterizzato dal comprendere inoltre migliorare un valore iniziale della quantit? di stima di rollio ( ?') all'avvio, dopo che ? stata abilitata l'operazione di puntamento del dispositivo puntatore elettronico (1), diminuendo cos? un errore di stima di rollio iniziale, mediante: memorizzare valori precedenti del segnale di accelerazione (Acc), durante un intervallo temporale che precede l'avvio; e all'avvio, recuperare ed elaborare i valori precedenti memorizzati del segnale di accelerazione (Acc) per generare dati di accelerazione elaborati, da utilizzare per inizializzare l'algoritmo di fusione di sensori e generare il valore iniziale della quantit? di stima di rollio ( ?').
- 16. Metodo secondo la rivendicazione 15, comprendente inoltre aumentare la velocit? di recupero dell'errore di stima di orientamento iniziale in un intervallo temporale che segue immediatamente l'avvio, modificando il valore di un coefficiente di peso (Kacc) assegnato al segnale di accelerazione (Acc) nell'algoritmo di fusione di sensori e quindi l'importanza assegnata allo stesso segnale di accelerazione (Acc) nella determinazione della quantit? di stima di rollio ( ?').
- 17. Metodo secondo la rivendicazione 16, in cui modificare il valore del coefficiente di peso (Kacc) comprende incrementare il coefficiente di peso (Kacc) in base all'intensit? di oscillazione (Ishake) stimata rispetto a un valore predefinito per condizioni di funzionamento standard, in modo da consentire un recupero pi? rapido dell'errore di stima di orientamento iniziale.
- 18. Metodo secondo la rivendicazione 17, in cui modificare il valore del coefficiente di peso (Kacc) comprende impostare nuovamente il coefficiente di peso (Kacc) al valore predefinito dopo un dato intervallo temporale successivo all'avvio.
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