JP4753912B2

JP4753912B2 - 慣性感知入力装置および方法

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Publication number: JP4753912B2
Application number: JP2007144536A
Authority: JP
Inventors: 勝文鄭; 順男劉; 明杰蔡
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: US20080134783A1; US7830360B2; TWI317898B; TW200825866A; JP2008146620A

Description

本発明は慣性感知入力装置および方法に関し、特に、加速度計およびジャイロから構成され、入力装置を選択的に二次元モードまたは三次元モードで操作することによって平面および自由空間のいずれでも操作することができ、二次元モードの場合、ジャイロが起動されて入力装置が動かされることにより入力装置の回転を検出し、それに応じた角速度信号を生成して人間の無意識の操作による回転を補償し、また、加速度計または電気回路が生成する電気ノイズによる干渉が閾値および反復平均アルゴリズムによって除去されるので、加速度計のみを使用した従来技術による慣性感知入力装置のような欠点がなく、スムーズ且つ自然に使用することができる慣性感知入力装置および方法に関する。

現在、多くの種類のマウスが市場にあふれており、それらはコンピュータで使用されるカーソルコントロール装置として最も一般的なヒューマンマシンインターフェイスである。基本的に検出方法の違いから機械式マウス、ＬＥＤマウスおよびレーザーマウスが存在する。上述のマウスは操作表面の状態に大きな影響を受け、操作表面が平面でない場合、機械マウスのボールの回転や上記二種の光マウスの陰が影響を受けて正確な検出が行われないので、平面および自由空間での使用が求められる現在のビデオゲームやマルチメディアアプリケーションの要求を満たすことができない。プレゼンテーション装置の場合、通常、スライドを循環表示させることができるリモコン装置であって、スイッチのオン／オフ、スクロールアップ／ダウンおよびページ移動を制御するボタンや回路が設けられる。しかし、現在多くの人が自分のコンピュータを使用してプレゼンテーションを行っており、プレゼンテーション装置をコンピュータと接続してプレゼンテーションの準備を行うのが一般化しており、それによってプレゼンテーション装置とコンピュータマウスとが同時に同じ場所に存在するのでケーブルが整理されない状況が発生する。

コンピュータマウスの機能とプレゼンテーション装置の機能とを総合させたカーソルコントロール装置がすでに幾つか存在する。しかし、そのコントロール方法は従来のコンピュータマウスと類似するので同様の制限がある。慣性／重力マウスは積極的に研究がされたが、多くの技術的困難があり、改善が期待されていた。

図１は特許文献１の“Inertial Mouse System”を示す上面図である。特許文献１ではコンピュータ用のハンドヘルド型慣性マウス１０が開示されている。マウス１０は加速度計１４、１６、１８を備え、図１の加速度計の両頭の矢印によって示される二つの垂直方向におけるマウス１０の加速度（または減速度）に比例する大きさの出力信号をそれぞれ生成できる。上記三つの加速度計の中の加速度計１４、１８は加速度計１６の両隣に設けられ、例えばＸ、Ｙ軸からなる二次元のデカルト座標のＹ軸といったような一つの軸に沿って加速度を検出する。回転のＹ軸に関するマウス１０の角加速度は二つの加速度計１４、１８の出力信号の大きさにおいて代表差分を発生させ、加速度計１４、１８の出力信号の大きさの差分は、Ｙ軸のマウス１０の角加速度に比例し、Ｙ軸のマウス１０の角変位はこの大きさの差分の第２積分に比例する。それゆえにマウス１０の並進速度および変位は加速度計出力信号およびマウス１０の角速度の積分によって判定され、マウス１０の変位は加速度計１４、１８の出力信号間の差分の積分によって判定される。しかし、マウス１０の角変位は加速度計１４と加速度計１８との間の差分の二回積分によって間接的に取得されるので誤差は大きくなる。更に、加速度計１４、１６、１８は二つの垂直方向（即ちＸ軸およびＹ軸）においてマウス１０の加速度（または減速度）を測定するために設置されるので、慣性マウスは平面上で操作されるときのみ移動を判定できる。

図２は特許文献２の“Gyroscopic Pointer and Method”を示す立体分解図である。ハンドヘルド型入力装置は内部に慣性ジャイロ素子１１０が設けられ、自由空間で使用することができ、慣性ジャイロ素子１１０によって使用者の手の角速度を検出し、インターフェイス１８０の信号伝達によって、インタラクティブコンピュータの画面上のカーソルの動きを定義する。図２の構造において、ハンドヘルド型入力装置の内部に配置された慣性ジャイロ素子１１０は、アダプター１９０からの電力によって回転し、同軸ジンバル１１５、１２０によって内部フレーム１７０と枢動可能に接続され、同時に、ジンバル１１５、１２０の軸と垂直な他の同軸ジンバル１４０、１４５によって外部フレーム１６０と枢動可能に接続されている。ハンドヘルド型入力装置には一つのジャイロ素子１１０しかないので、自由空間のみに適用され、平面では操作ができない。更に、参照されたマウスは非常に大きく、ジャイロ素子１１０がハンドヘルド型入力装置内に機械的に接続されているので誤差が大きい。

図３は特許文献３の“Electronic Pointing Apparatus and Method”を示す断面図である。このポインティング装置１００は平面での操作でも自由空間での操作でもコンピュータ画面上のカーソルの移動およびエレメントの選択を行うことができる。ジャイロプリント基板４５２にそれぞれ接続された二つのジャイロエレメントが設けられ、自由空間でのポインティング装置の揺れおよび高さの移動を示し、マウスボール２６０およびマウスボールに関連するエンコーダが設けられ、平面上におけるポインティング装置の動きを示す。ポインティング装置１００の二次元モードと三次元モードの切り替えはボールロック機構によって行われ、ボールロック機構はレバー４７２およびレバー４７２に接続されたピストン２７０を備える。ポインティング装置１００が平面において動かされたとき、ハウジングの開口に延伸したピストン２７０が開口を通過してハウジング底面まで押され、レバー４７２を持ち上げてマウスボール２６０を開放し、ポインティング装置１００は二次元モードで操作することができる。ポインティング装置１００が持ち上げられて自由空間で動かされるとき、ピストン２７０が下がってレバー４７２が引かれて下がり、同時に、凸部５０６がマウスボール２６０を押圧して自由に転がらないようにするので、ポインティング装置１００は三次元モードで操作することができる。上述のポインティング装置は平面でも自由空間でも操作可能であるが、ポインティング装置１００が持ち上げられて自由空間を動くとき、レバー４７２および凸部５０６がマウスボール２６０を正確に保持できずにマウスボール２６０が動いてしまい、ポインティング装置１００が必要ない信号を生成してスクリーンのカーソルの動きが干渉を受ける可能性が十分ある。

図３に示すポインティング装置に類似する製品が幾つか存在する。それは通常のＬＥＤマウスにジャイロを加えたものであり、図３に示すものとの違いはマウスボール２６０の代わりにオプティカルモジュールを設け、それによってマウスボールの予期せぬ回転による問題の発生を防ぐものである。しかし、このオプティカルジャイロマウスはただ二つの異なる独立したモジュールを一つのハウジングに適用しただけのものであり、平面上にあるときは光マウスが機能し、自由空間での操作時には回転の角速度を検出するジャイロエレメントが機能し、ＬＥＤオプティカルモジュールの回路はジャイロ回路と無関係である。従って、このようなオプティカルジャイロマウスは普通のＬＥＤマウスとジャイロとを合わせたという基本的な機能しか提供できないのでデザイン上の優越性がないだけでなく、重量および体積が大きく、複雑である。

図４は特許文献４の重力マウスを示す。重力マウスはパーソナルコンピュータのモニター上に示されたカーソルの動きを制御するのに操作される装置であり、位置エネルギ測定能力を備えた重力センサ（即ちＧセンサ）によって重力マウスが動くことによる重力マウスの位置エネルギの種類を検出することができ、それに対応して生成された信号をＭＣＵに送信して処理を行う。ＭＣＵは動いている期間を検出でき、動きによる加速度を受信できるので、期間および加速度に関するカーソルの動きを制御するための制御信号を生成できる。カーソルの動きが重力マウスの二つの垂直軸に構成された少なくとも二つの加速度計の検出に基づいた積分によって決定されることは周知のことである。カーソルの動きはエラーが累積する傾向のある積分によって定義されるので、カーソルのポジショニングは正確でない恐れがある。

従って、正確で操作に便利で平面でも自由空間でも使用することができ、人間の無意識の操作による回転を補償でき、加速度計が生成した電気ノイズによる干渉を防ぐことができ、加速度計のみを使用した従来技術による慣性感知入力装置のような欠点がない慣性感知入力装置が必要であった。
米国特許４，７８７，０５１号米国特許５，８９８，４２１号米国特許５，８２５，３５０号台湾専利９０２２１０１０号

本発明の目的は、加速度計およびジャイロから構成され、入力装置を選択的に二次元モードまたは三次元モードで操作することによって平面および自由空間のいずれでも操作することができ、二次元モードの場合、ジャイロが起動されて入力装置が動かされることによる入力装置の回転を検出し、それに応じた角速度信号を生成して人間の無意識の操作による回転を補償し、また、加速度計または電気回路が生成する電気ノイズによる干渉が閾値および反復平均アルゴリズムによって除去されるので、加速度計のみを使用した従来技術による慣性感知入力装置のような欠点がなく、スムーズ且つ自然に使用することができる慣性感知入力装置および方法を提供することにある。

上記目的を解決するために、本発明による慣性感知入力装置は、加速度計モジュールおよびジャイロを備え、加速度計モジュールは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなるデカルト座標系(Carteian coordinate system:直交座標系)の三つの垂直方向の加速度を検出する少なくとも三つの加速度計から構成される。ジャイロは、Ｚ軸において測定される回転を検出するのに使用され、回転の角度は、ジャイロによって検出される回転の角速度の積分によって取得され、回転の瞬間の遠心力および慣性感知入力装置に出力される求心力を計算し、それらをＸ軸およびＹ軸に沿って測定される加速度信号の補償に使用し、その後、補償された後の加速度信号を使用して対話方式コンピュータ(interactive computer)インタラクティブコンピュータの画面上に表示される対象の動きを定義する。

好ましくは、加速度モジュールの一加速度計（以下Ｚ軸加速度計と称す）は、慣性感知入力装置が上下移動されているときのＺ軸における加速度を検出し、それに対応する慣性感知入力装置の操作モードを選択する。

好ましくは、慣性感知入力装置はＺ軸に沿った加速度変化がないとき、二次元操作モードに入り、加速度モジュールの二つの加速度計（以下Ｘ軸加速度計およびＹ軸加速度計と称す）が起動されてＸ軸加速度およびＹ軸加速度をそれぞれ検出し、Ｘ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を生成する。

好ましくは、加速度モジュールは、モジュール構造、空間の三軸をそれぞれ独立して測定する加速度計で構成された結合構造、またはそれらを組み合わせた装置である。

上記目的を達成するために、本発明はさらに慣性感知入力方法を提供する。本方法は下記ステップを含む。
（ａ）感知エレメントに関するベース信号（ＢＶｓ）を定義するために、静止状態における慣性感知入力装置のＸ軸加速度計、Ｙ軸加速度計、Ｚ軸加速度計およびジャイロの目盛りをゼロにする。したがって、この静止状態での感知エレメントの信号がベース信号（ＢＶｓ）として定義付けられる。慣性感知入力装置の加速度を検出するためにＸ軸加速度計、Ｙ軸加速度計およびＺ軸加速度計がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなるデカルト座標系の三つの垂直方向に配置される。
（ｂ）Ｚ軸加速度計を使用してデカルト座標系のＺ軸に沿って測定された慣性感知入力装置のＺ軸加速度が所定時間内で変化しているかどうかを検出して判断する。

（ｃ）Ｚ軸に沿った加速度変化が検出されないとき、慣性感知入力装置を二次元モードにし、Ｘ軸加速度計およびＹ軸加速度計が起動されてＸ軸加速度およびＹ軸加速度をそれぞれ検出し、それに対応するＸ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を生成する。
（ｄ）Ｚ軸に沿った加速度変化が検出されているとき、慣性感知入力装置を三次元モードにし、慣性感知入力装置の回転を検出するためにジャイロが起動され、それに対応する角速度信号を生成し、慣性感知入力装置の高さを検出するためにＹ軸加速度計が起動され、それに対応するＹ軸加速度信号を生成する。

好ましくは、本方法のステップ（ｂ）はさらに下記のステップを含む。
Ｚ軸に沿って測定される慣性感知入力装置のＺ軸加速度を移動信号として定義し、Ｚ軸に沿って測定される慣性感知入力装置の加速度が所定の時間内において変化しているかを判断するために移動信号とＺ軸加速度計のＢＶｚとを比較する。

好ましくは、慣性感知入力装置における本方法のステップ（Ｃ）は二次元モードで操作でき、更に下記ステップを含む。
（ｃ１）人間の手によって慣性感知入力装置が平面上で動かされるとき、ジャイロを使用して人間の無意識の操作による回転を検出し、それに対応する角速度信号を生成し、角信号を使用してＸ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を補償する。

好ましくは、ステップ（ｃ１）のＸ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号の補償はさらに下記のステップを含む。
（ｃ１１）角速度信号に関する慣性感知入力装置の角速度を積分し、回転角を取得する。
（ｃ１２）回転の瞬間のタンジェント方向の遠心力および慣性感知入力装置に出力される求心力を検出する。

好ましくは、遠心力は、Ｘ軸加速度計によって検出され、Ｘ軸における位置移動と共にＸ軸加速度信号を生成し、求心力は、Ｙ軸加速度計によって検出され、Ｙ軸における位置移動と共にＹ軸加速度信号を生成する。

好ましくは、ジャイロによって取得される回転角、遠心力および求心力は、Ｘ軸およびＹ軸の加速度信号の積分である合成加速度信号に含まれる回転誤差を除去する計算に使用され、計算によって人間の無意識の操作による回転誤差が補償される。

好ましくは、Ｘ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号の補償ステップは更に下記のステップを含む。
Ｘ軸加速度計によって検出された加速度から遠心力を減算することによってＸ軸における慣性感知入力装置の位置移動によるＸ軸加速度を計算する。
Ｙ軸加速度計によって検出された加速度から求心力を減算することによってＹ軸における慣性感知入力装置の位置移動によるＹ軸加速度を計算する。
Ｘ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を補償する。

好ましくは、Ｘ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号の補償は下記公式によって達成される。

（数式２）

ｇ_cxは補償後のＸ軸に沿って測定された加速度である。
ｇ_cyは補償後のＹ軸に沿って測定された加速度である。
θは回転角度である。
ｇ_rxは慣性感知入力装置のＸ軸での位置移動によるＸ軸加速度である。
ｇ _ryは慣性感知入力装置のＹ軸での位置移動によるＹ軸加速度である。

好ましくは、ステップ（ｃ１）後、更に下記ステップを含む。
補償後のＸ軸およびＹ軸加速度信号を二重積分し、対話方式コンピュータの画面上に表示される対象の動きを定義する位置移動を取得する。

好ましくは、慣性感知入力装置における本方法のステップ（ｃ）は二次元モードにおいて操作され、更に下記のステップを含む。
（ｃ１３）ステップ（ａ）の目盛りのゼロ化に基づく検出を停止し、予め慣性感知入力装置に保存された複数の連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号が閾値範囲内であるかどうかを調査する。
（ｃ１４）すべての連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号が閾値範囲内であるとき、複数の連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号を平均し、ベース信号（ＢＶｓ）を平均化されたＸ軸およびＹ軸加速度信号にそれぞれ置換する。
（ｃ１５）すべての連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号が閾値範囲内でないとき、如何なる動作も行わない。

好ましくは、慣性感知入力装置内に保存される連続するＸ軸およびＹ軸加速度信号の数量は装置のサイズおよび実際の要求に基づいて設定される。

好ましくは、閾値は装置のサイズおよび実際の要求に基づいて設定される。

本発明のその他の長所などは発明を実施するための最良の形態で図に沿って詳細に説明を行う。

本発明による慣性感知入力装置および方法は、加速度計およびジャイロから構成され、入力装置を選択的に二次元モードまたは三次元モードで操作することによって平面および自由空間のいずれでも操作することができ、二次元モードの場合、ジャイロが起動されて入力装置が動かされることによる入力装置の回転を検出し、それに応じた角速度信号を生成して人間の無意識の操作による回転を補償する。また、加速度計または電気回路が生成する電気ノイズによる干渉が閾値および反復平均アルゴリズムによって除去されるので、加速度計のみを使用した従来技術による慣性感知入力装置のような欠点がなく、スムーズ且つ自然に使用することができる。

本発明の達成される機能および構造的な特徴を明らかにするために、その実施例を図に沿って下記に示す。

図５、６は本発明を示し、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなるデカルト座標系の三つの垂直方向で定義される慣性感知入力装置および方法である。図５に示すように、本発明による慣性感知入力装置１０は、加速度計モジュール１１およびジャイロ１２を備える。加速度計モジュール１１は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなるデカルト座標系の三つの垂直方向の加速度を検出する少なくとも三つの加速度計から構成され、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の加速度信号をそれぞれ生成する。ジャイロ１２は、Ｚ軸において測定される慣性感知入力装置１０の回転を検出するのに使用され、それに対応して角速度信号を生成する。加速度モジュール１１は、モジュール構造、空間の三軸をそれぞれ独立して測定する加速度計で構成された結合構造、またはそれらを組み合わせた装置である。図６に示すように、本発明の慣性感知入力方法は下記のステップを含む。

（ａ）感知エレメント（即ちＢＶｘ、ＢＶｙ、ＢＶｚ、ＢＶｗ）に関するベース信号（ＢＶｓ）を定義するために、平均化することによって静止状態における慣性感知入力装置のＸ軸加速度計、Ｙ軸加速度計、Ｚ軸加速度計およびジャイロの目盛りをゼロにする。慣性感知入力装置の加速度を検出するためにＸ軸加速度計、Ｙ軸加速度計およびＺ軸加速度計がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなるデカルト座標系の三つの垂直方向に配置される。ＢＶｘはＸ軸加速度計によって検出された多くの連続した加速度信号の平均として定義され、同様に、ＢＶｙ、ＢＶｚおよびＢＶｗはＹ軸加速度計、Ｚ軸加速度計およびジャイロにそれぞれ対応する。

（ｂ）Ｚ軸加速度計を使用してデカルト座標系のＺ軸に沿って測定された慣性感知入力装置のＺ軸加速度が所定時間内で変化しているかどうかを検出して判断する。Ｚ軸に沿って測定された慣性感知入力装置のＺ軸加速度を動作信号Ｚと定義し、動作信号ＺとＺ軸加速度計のＢＶｚとを比較し、Ｚ軸に沿って測定された慣性感知入力装置のＺ軸加速度が所定時間内で変化しているかどうかを判断する。使用者が慣性感知入力装置を平面から持ち上げたとき、定義される（ｚ―ＢＶｚ）値は予め定義されていた閾値を超えるので、慣性感知入力装置は三次元モードとなり、ポインタまたはプレゼンテーション装置として使用できる。

（ｃ）Ｚ軸に沿った加速度変化が検出されないとき（即ち、（ｚ―ＢＶｚ）の絶対値が予め定義された閾値よりも小さい）、慣性感知入力装置は二次元モードとなり、Ｘ軸加速度計およびＹ軸加速度計が起動されてＸ軸加速度およびＹ軸加速度をそれぞれ検出し、それに対応するＸ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を生成する。

（ｃ１）人間の手によって慣性感知入力装置が平面上で動かされるとき、ジャイロを使用して人間の無意識の操作による回転を検出し、それに対応する角速度信号ｗを生成し、角信号を使用してＸ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を補償する。Ｘ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を補償した後、補償されたＸ軸加速度信号とＹ軸加速度信号とを二重積分して対話方式コンピュータ(interactive computer)の画面上に表示される対象の動きを定義する位置移動を取得する。

（ｄ）Ｚ軸に沿った加速度変化が検出されているとき、慣性感知入力装置は三次元モードとなり、慣性感知入力装置の回転を検出するためにジャイロが起動され、それに対応する角速度信号を生成し、慣性感知入力装置の高さを検出するためにＹ軸加速度計が起動され、それに対応するＹ軸加速度信号を生成する。

平面上での操作におけるＸ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号の検出時には必ずエラーおよびノイズが発生し、対象の動きは正確に定義されない。従って、Ｘ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号の補償が必要であり、そのステップの詳細を下記に示す。

（ｃ１１）角速度信号における慣性感知入力装置の角速度を積分し、回転角θを取得し、それによって慣性感知入力装置が回転しているかどうかを判断する。

（数式３）

・・・（１）

（ｃ１２）回転の瞬間のタンジェント方向の遠心力ｇ_ｔおよび慣性感知入力装置に出力される求心力ｇ_ｒを検出する。

（数式４）

・・・（２）

（数式５）

・・・（３）

Ｒは回転中心と加速度計との間の距離である。
ｄｔはランダムに定義されるサンプリング間隔である。
Ｘ軸加速度計によって検出される加速度ｇ_ｘはＸ軸での慣性感知入力装置の位置移動によるＸ軸加速度ｇ_rxと遠心力ｇ_ｔとの総数である。

（数式６）
ｇ_ｘ＝ｇ_rx＋ｇ_ｔ・・・（４）

Ｘ軸での慣性感知入力装置の位置移動によるＸ軸加速度ｇ_rxはＸ軸加速度計によって検出される加速度ｇ_ｘから遠心力ｇ_ｔを減算することによって取得される。
同様に、Ｙ軸加速度計によって検出される加速度ｇ_ｙはＹ軸での慣性感知入力装置の位置移動によるＹ軸加速度ｇ_ryと遠心力ｇ_ｒとの総数式である。

（数式７）
ｇ_ｙ＝ｇ_ry＋ｇ_ｒ・・・（５）

Ｙ軸での慣性感知入力装置の位置移動によるＹ軸加速度ｇ_ryはＹ軸加速度計によって検出される加速度ｇ_ｙから遠心力ｇ_ｒを減算することによって取得される。

上記の公式（２）〜（５）によって位置移動による加速度（ｇ_rx、ｇ_ry）が取得され、人間の無意識の操作による回転によるエラーを修正するために下記の公式によって補償がされる。

（数式８）

・・・（６）

ステップＣに示す二次元操作モードを操作できるとき、閾値手順が慣性感知入力装置において行われ、下記のステップを含む。
（ｃ１３）ステップ（ａ）の目盛りのゼロ化に基づく検出を停止し、予め慣性感知入力装置に保存された複数の連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号が閾値範囲内であるかどうかを調査する。
（ｃ１４）すべての連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号が閾値範囲内であるとき、複数の連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号を平均し、ベース信号（ＢＶｓ）を平均化されたＸ軸およびＹ軸加速度信号にそれぞれ置換する。
（ｃ１５）すべての連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号が閾値範囲内でないとき、如何なる動作も行わない。

慣性感知入力装置内に保存される連続するＸ軸およびＹ軸加速度信号の数量は装置のサイズおよび実際の要求に基づいて設定される。例えば、慣性感知入力装置は上述の閾値手順を行うように定義され、１０の連続したＸ軸信号および１０の連続したＹ軸信号が検出されて保存された後、閾値範囲は[−３、＋３]と定義される。すべての１０のＸ軸信号および１０のＹ軸信号が閾値範囲[−３、＋３]であるとき、平均化され、平均値がＢＶｓにそれぞれ取って代わり、人間の手が慣性感知入力装置を平面上動かすことによる無意識の操作による回転および慣性感知入力装置が生成した電気ノイズによる干渉を取り除くことができる。

Ｘ軸およびＹ軸の加速度信号（g_cx， g_cy）は二重積分されて座標値が取得され、コンピュータ画面にカーソルが表示される。

本発明は加速度計およびジャイロから構成され、入力装置を選択的に二次元モードまたは三次元モードで操作することによって平面および自由空間のいずれでも操作することができ、二次元モードの場合、ジャイロが起動されて入力装置が動かされることによる入力装置の回転を検出し、それに応じた角速度信号を生成して人間の無意識の操作による回転を補償し、また、加速度計または電気回路が生成する電気ノイズによる干渉が閾値および反復平均アルゴリズムによって除去されるので、加速度計のみを使用した従来技術による慣性感知入力装置のような欠点がなく、スムーズ且つ自然に使用することができる慣性感知入力装置および方法である。

上述の詳細な説明は本発明の実施例を示したものであり、本発明の実施範囲を制限するものではなく、本発明の特許請求の範囲に基づく変更または修飾は全て本発明に含まれる。

従来技術である特許文献１の慣性マウスを示す図である。従来技術である特許文献２の入力装置を示す立体分解図である。従来技術である特許文献３のポインティング装置を示す断面図である。従来技術である特許文献４の重力マウスを示すブロック図である。本発明による慣性感知入力装置を示す模式図である。本発明による慣性感知入力装置の処理ステップを示す流れ図である。

符号の説明

１０慣性感知入力装置
１１加速度モジュール
１２ジャイロ

Claims

加速度計モジュールおよびジャイロを備える慣性感知入力装置であり、
前記加速度計モジュールは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなるデカルト座標系の三つの垂直方向の加速度を検出する少なくとも三つの加速度計から構成され、
前記加速度モジュールは、モジュール構造、空間の三軸をそれぞれ独立して測定する加速度計で構成された結合構造、またはそれらを組み合わせた装置であり、
前記ジャイロは、Ｚ軸において測定される回転を検出するのに使用され、回転の角度は、前記ジャイロによって検出される回転の角速度の積分によって取得され、回転の瞬間の遠心力および慣性感知入力装置に出力される求心力を計算し、それらをＸ軸およびＹ軸に沿って測定される加速度信号の補償に使用し、
前記加速度モジュールの一つの加速度計であるＺ軸加速度計は、慣性感知入力装置が上下移動されているときのＺ軸における加速度を検出し、それに対応する慣性感知入力装置の操作モードを選択することができ、
前記慣性感知入力装置は更に、前記加速度モジュールの二つの加速度計であるＸ軸加速度計およびＹ軸加速度計が起動されてＸ軸加速度およびＹ軸加速度をそれぞれ検出し、Ｘ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を生成する二次元モードと、
前記慣性感知入力装置の回転を検出するためにジャイロが起動され、それに対応する角速度信号を生成し、慣性感知入力装置の高さを検出するためにＹ軸加速度計が起動され、それに対応するＹ軸加速度信号を生成する三次元モードとを備え、
前記慣性感知入力装置が三次元モードのとき、前記Ｘ軸加速度計は機能が無効とされ、
二次元モードまたは三次元モードの加速度を選択して操作することができるモジュールを備え、
その後、補償された後の加速度信号を使用して対話方式コンピュータの画面上に表示される対象の動きを定義し、
二次元モードの場合、ジャイロが起動されて入力装置が動かされることにより入力装置の回転を検出し、それに応じた角速度信号を生成して、Ｘ軸加速度およびＹ軸加速度を補償し人間の無意識の操作による回転を補償することを特徴とする慣性感知入力装置。
（ａ）感知エレメントに関するベース信号（ＢＶｓ）を定義するために、静止状態における慣性感知入力装置のＸ軸加速度計、Ｙ軸加速度計、Ｚ軸加速度計およびジャイロの目盛りをゼロにし、慣性感知入力装置の加速度を検出するためにＸ軸加速度計、Ｙ軸加速度計およびＺ軸加速度計がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなるデカルト座標系の三つの垂直方向に配置されるステップと、
（ｂ）Ｚ軸加速度計を使用してデカルト座標系のＺ軸に沿って測定された慣性感知入力装置のＺ軸加速度が所定時間内で変化しているかどうかを検出して判断するステップと、
（ｃ）Ｚ軸に沿った加速度変化が検出されないとき、慣性感知入力装置を二次元モードを選択し、Ｘ軸加速度計およびＹ軸加速度計が起動されてＸ軸加速度およびＹ軸加速度をそれぞれ検出し、それに対応するＸ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を生成するステップと、該(ｃ)ステップは、二次元モードで操作され、更に、
（ｃ１）人間の手によって慣性感知入力装置が平面上で動かされるとき、ジャイロを使用して人間の無意識の操作による回転を検出し、それに対応する角速度信号を生成し、角信号を使用してＸ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を補償するステップを含み、更に、該(ｃ１)ステップのＸ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号の補償は、更に、
（ｃ１１）角速度信号に関する慣性感知入力装置の角速度を積分し、回転角を取得するステップと、
（ｃ１２）回転の瞬間のタンジェント方向の遠心力および慣性感知入力装置に出力される求心力を検出するステップとを含み、
（ｄ）Ｚ軸に沿った加速度変化が検出されているとき、慣性感知入力装置を三次元モードにし、慣性感知入力装置の回転を検出するためにジャイロが起動され、それに対応する角速度信号を生成し、慣性感知入力装置の高さを検出するためにＹ軸加速度計が起動され、それに対応するＹ軸加速度信号を生成するステップとを含み、
二次元モードまたは三次元モードの加速度を選択して操作することを特徴とする慣性感知入力方法。
前記ステップ（ｂ）は更に、
Ｚ軸に沿って測定される慣性感知入力装置のＺ軸加速度を移動信号として定義し、Ｚ軸に沿って測定される慣性感知入力装置の加速度が所定の時間内において変化しているかを判断するために移動信号とＺ軸加速度計のベース信号（ＢＶｓ）とを比較するステップを含むことを特徴とする請求項２記載の慣性感知入力方法。
前記ジャイロによって取得される回転角、遠心力および求心力は、Ｘ軸およびＹ軸の加速度信号の積分である合成加速度信号に含まれる回転誤差を除去する計算に使用され、計算によって人間の無意識の操作による回転誤差が補償されることを特徴とする請求項２記載の慣性感知入力方法。
前記Ｘ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号の補償ステップは、更に、
Ｘ軸加速度計によって検出された加速度から遠心力を減算することによってＸ軸における慣性感知入力装置の位置移動によるＸ軸加速度を計算するステップと、
Ｙ軸加速度計によって検出された加速度から求心力を減算することによってＹ軸における慣性感知入力装置の位置移動によるＹ軸加速度を計算するステップと、
Ｘ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号を補償するステップと
を含むことを特徴とする請求項４記載の慣性感知入力方法。
前記Ｘ軸加速度信号およびＹ軸加速度信号の補償は下記公式によって達成され、
（数式１）

ｇ_cxは補償後のＸ軸に沿って測定された加速度であり、
ｇ_cyは補償後のＹ軸に沿って測定された加速度であり、
θは回転角度であり、
ｇ_rxは慣性感知入力装置のＸ軸での位置移動によるＸ軸加速度であり、
ｇ_ryは慣性感知入力装置のＹ軸での位置移動によるＹ軸加速度であることを特徴とする請求項５記載の慣性感知入力方法。
前記ステップ（ｃ１）後、更に、
補償後のＸ軸およびＹ軸加速度信号を二重積分し、対話方式コンピュータの画面上に表示される対象の動きを定義する位置移動を取得するステップを含むことを特徴とする請求項２記載の慣性感知入力方法。
前記慣性感知入力装置における前記方法のステップ（ｃ）は二次元モードにおいて操作され、更に、
（ｃ１３）前記ステップ（ａ）の目盛りのゼロ化に基づく検出を停止し、予め慣性感知入力装置に保存された複数の連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号が閾値範囲内であるかどうかを調査するステップと、
（ｃ１４）すべての連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号が閾値範囲内であるとき、複数の連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号を平均し、ベース信号（ＢＶｓ）を平均化されたＸ軸およびＹ軸加速度信号にそれぞれ置換するステップと、
（ｃ１５）すべての連続したＸ軸およびＹ軸加速度信号が閾値範囲内でないとき、如何なる動作も行わないステップと
を含むことを特徴とする請求項４記載の慣性感知入力方法。
前記慣性感知入力装置内に保存される連続するＸ軸およびＹ軸加速度信号の数量は、装置のサイズおよび実際の要求に基づいて設定されることを特徴とする請求項８記載の慣性感知入力方法。
前記閾値範囲は、装置のサイズおよび実際の要求に基づいて設定されることを特徴とする請求項８記載の慣性感知入力方法。