KR20100004112A - 이동체의 회전 반경을 결정하는 힘감지 장치 및 방법 - Google Patents

이동체의 회전 반경을 결정하는 힘감지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

정렬된 감도 축에 대하여 두 개 또는 그 이상의 동일한 가속도계에 관한 배치를 포함하는 장치가 개시된다. 가속도계의 각각은 적어도 하나의 축 상에서 모션을 감지한다. 상기 가속도계 수치는 상기 배치에서의 각 가속도계에 대하여 동일한 중력에 해당되는 성분을 포함한다. 상기 가속도계에 연결된 논리회로는 가속도계 신호와 모션 변수를 계산하는 프로세서를 링크시킨다.
Figure P1020097023783
자이로스코프, 중력 오차 보상, 회전 방경, 각도 파라미터, 방위 각도

Description

이동체의 회전 반경을 결정하는 힘감지 장치 및 방법{A Force Sensing Apparatus and Method to Determine The Radius of Rotation of a Moving Object}
본 발명은 모션 입력에 상응하는 디바이스의 회전 및 병진 운동을 감지하는 장치를 개시한다. 두 개 이상의 가속도계에 관한 배치가 상기 디바이스 내에 집적되어 있고, 상기 가속도계는 공간적으로 분리되고 정렬된 감도 축을 갖는다. 상기 가속도계에 연결된 논리 회로는 가속도계 신호와 모션 변수를 산출하는 프로세서를 링크한다.
관련 출원에 대한 교차 레퍼런스
본 출원은 "이동체의 회전 반경을 결정하는 힘감지 장치 및 방법"이란 발명의 명칭으로 2007년 4월 13일 에 출원된 미국 특허 가출원 번호 60/911,745와, "이동체의 회전 반경을 결정하는 힘감지 장치 및 방법"이란 발명의 명칭으로 2008년 24월 8일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 60/911,745의 출원일에 대한 이익을 수반하는 정규출원이다.
다수의 상이한 타입의 센서가 이동체의 모션을 감지하는데 채용될 수 있다. 상기 모션은 외부 또는 내부 기준점에 연관되어 검출될 수 있다. 본 발명은 레퍼런스로서 정지 내부 질량(suspended proof mass)의 관성에 의존하는 모션 센서인 가 속도계를 이용한다. 또 다른 관성 모션 센서로는 자이로스코프가 있다. 자이로스코프는 각 운동량 보존 법칙에 기초하여 회전을 측정하고 유지하는 디바이스이다. 자이로스코프는 회전 운동에 민감하고, 동시에 간섭(interference)에 잘 견딘다. 자이로스코프는 가속도계와는 다르게 크고 더욱 비싸며, 작동을 위하여 더 많은 전력이 요구된다. 가속도계는 선형 가속도를 측정하고, 진동 또는 중력 벡터에 대하여 회전을 감지하고 측정하는 디바이스이다. 가속도계는 중력 및 간섭에 영향을 받는다.
모션 센서가 부착된 이동체의 가속도, 속도, 변이 및/또는 전자기장의 직교 성분의 변화를 감지하도록 설정하는 것은 관련기술분야에서 알려져 있다. 상기 가속도계와 연결된 프로세서는 상기 센서에 의하여 전달된 데이터에 기초하여 시스템 모션의 특성을 계산하도록 프로그램되는 것이 가능하다. 선형 가속도계를 이용하여 회전 강체의 각속도, 선속도 및 위치를 유도하는 일반적인 하나의 방법은 수학적 적분 계산을 이용하는 것이다. 첫째, 상기 각 가속도는 다수의 가속도계로부터의 입력을 이용하는 선형 미분 방정식을 풀어서 유도되고, 상기 각 가속도를 적분한 값은 상기 각속도가 되고, 상기 각 가속도를 두 번 적분한 값은 외부 기준 프레임에 대한 상기 물체의 상대적인 위치가 된다. 상기의 방법을 이용하는 시스템은 대용량의 소프트웨어 공간과 높은 처리 능력을 요구하는 복잡한 수학적 계산을 포함하는 몇 가지의 단점이 있다. 상기의 복잡한 계산은 모션 신호 처리와 같은 실시간 응용에서는 채택될 수 없는 상당한 대기 시간을 수반한다.
휴대용 디바이스에서 하나 이상의 모션 센서를 채용하는 것은 관련 기술분야에서 알려져 있다. 일종의 모션 센서를 채용하고 있는 휴대용 연산 디바이스의 예들이 미국 특허 번호 7,180,500, 7,180,501, 및 7,180,502에 포함되어 있다. 상기 특허의 각각은 세 개의 단일 축 가속도계를 포함하는 모션 센서를 채용하고 있다. 바꾸어 말하면, 제1 가속도계는 x축 상에서 모션을 감지하고, 제2 가속도계는 y축 상에서 모션을 감지하고, 제3 가속도계는 z축 상에서 모션을 감지한다. 세 개의 가속도계로부터의 데이터가 조합되면, 모션 입력에 일어나는 디바이스의 병진 운동과 회전 운동을 감지할 수 있다.
모션 감지기로서 가속도계를 채용하고 있는 대부분의 디바이스는 중력에 민감하다. 예를 들면, 카프란(Kaplan)의 미국 특허 공개 번호 2002/0093483 및 노구에라(Noguera)의 미국 특허 공개 번호 2004/023626에서는 중력에 상응하는 신호를 제공하는 가속도계가 채용되어 있다. 중력 신호가 제공되는 경우에는, 상기 디바이스의 현재 방위는 연속적으로 추적되어야 한다. 다수의 디바이스에서, 중력은 불필요한 간섭 요소로서 중요한 역할을 한다. 더욱 상세하게는, 가속도 데이터에 대한 중력의 기여는 디바이스 공간 위치에 의해 제한된다. 가속도계는 사용자에 의하여 제공된 힘과 중력을 동시에 측정한다. 패턴으로서 사용자의 모션 입력을 해석하기 위하여, 중력의 간섭을 걸러내는 것이 필요하다. 제시간 내에 복잡한 계산을 수반하여 연속적으로 상기 디바이스 방위를 추적하는 경우에는, 가속도계 수치에 대한 중력의 기여는 추정될 수 있다. 그러나, 상기 계산은 복잡하고, 시간에 따른 계산 부정확도가 누적되는 경향이 있다. 다수의 경우에 작업을 어렵게 하는 것은 올바른 모션 입력이 간섭에 의하여 방해받는 것이다. 의도하지 않는 사용자의 입력 및 외력의 간섭으로부터 의도적인 사용자의 입력을 분리하는 문제는 휴대용 디바이스에 대한 큰 과제이다. 두 세트의 모션 센서를 갖는 활성 키보드가 시콜니코프(Shkolnikov)의 미국 특허 등록 번호 7,002,553에 개시되어 있다. 상기 7,002,553 특허에서는, 신호가 일치되고 적절하게 정렬되며 분리된 모션 센서로부터 수신된다. 상기 신호는 휴대용 디바이스가 놓여있는 운반체의 움직임과 연관된 외력 등의 외력의 영향을 없애는 모션 필터 소프트웨어에 의해 처리된다. 스텝 모션 소프트웨어 지시는 연속적으로 상기 디바이스 방위를 추적하고, 중력을 없애는 모션 입력을 갖는 시콜니코프(Shkolnikov) ‘028의 단일 모션 센서를 구비한 초기 휴대용 디바이스에 사용된다. 따라서, 종래 기술은 중력과 관련해서는 부족하게 기술하고 있다.
그러므로, 중력 및 다른 모션 간섭을 걸러내고 기준 기울기를 계산하는 상기 디바이스 방위의 추적을 요구하지 않고, 디바이스 회전 반경 및 다른 모션 변수를 계산하는 모션 센서 시스템 및 방법이 필요하다. 수치 계산을 최소하고, 그래서 요구되는 처리 능력을 줄이는 해결책이 더욱 바람직하다.
본 발명의 일측면에 따르면, 내부에 적어도 두 개의 가속도계가 형성된탑재된 본체를 구비한 장치가 제공된다. 상기 가속도계는 상기 본체 내부에서 공간적으로 분리되고, 적어도 하나의 감도 축 상에서 움직임을 감지하는 기능을 한다. 또한 상기 장치는 상기 가속도계와 연결된통신하는 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는 상기 가속도계 수치로부터 수신된 감지 모션 데이터를 수신하고, 상기 모션 데이터로부터 상기 본체의 모션을 계산하도록 형성된다. 상기 프로세서는 상기 가속도계 데이터에 기초하여 회전 반경 및 상기 본체의 회전축에 대한 방향을 계산하는 지시를 실행한다. 상기 지시는 기하학적 원리를 실시간 가속도계 수치와 상기 본체에 대한 상기 가속도계의 고정 방위 및 위치에 적용한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 적어도 하나의 감도 축 상에서 움직임을 감지하도록 배치되어 적어도 하나의 형성된 가속도계를 갖는가 탑재된 본체를 구비한 장치가 제공된다. 컴퓨터 가독 캐리어는 상기 가속도계로부터 수신한 감지된 움직임을 명령으로 번역하는 모션 입력 알고리즘을 제공받는다. 또한, 상기 컴퓨터 가독 캐리어는 상기 명령을 처리하도록 설정된 스텝 모션 입력 알고리즘을 포함한다. 상기 스텝 모션 알고리즘은 상기 모션 입력 알고리즘으로부터 명령을 실행하는 지시, 상기 명령이 실행된 후에 상기 모션 입력 알고리즘에 대한 휴지 명령을 전송하는 지시, 및 기설정된 시간 경과 후에 상기 휴지 명령으로부터 상기 모션 감지 알고리즘을 재 활성하는 지시를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본체의 움직임을 감지하는 방법이 제공된다. 적어도 두 개의 가속도계가 본체에 형성탑재된다. 상기 가속도계는 적어도 하나의 감도 축 상에서 움직임을 감지하도록 배치설정된다. 상기 가속도계와 연결된통신하는 프로세서는 가속도계 데이터로부터 감지된 모션 데이터를 수신한다. 상기 프로세서는 상기 모션 데이터로부터 상기 본체의 모션을 계산한다. 상기 프로세서는 회전 반경 및 상기 본체의 회전 축에 대한 방향을 계산하는 지시를 실행하고, 기하학적 원리를 실시간 가속도계 수치 및 상기 가속도계의 고정 방위와 위치에 적용한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 관한 이하의 상세한 설명으로부터 자명할 것이다.
도 1은 시간축 상에서 접선력 및 구심력을 도시한 것이다.
도 2는 회전축 상에 위치한 두 개의 단일 축 가속도계를 도시한 것이다.
도 3은 회전축에 대하여 직교하는 평면에서 회전하는 두 개의 2축 가속도계를 도시한 것이다.
도 4는 가속도계와 동일한 평면 위에서 회전하는 두 개의 3축 가속도계를 도시한 것이다.
도 5는 3차원에서 독립축(free standing axis)의 둘레를 회전하는 두 개의 3축 가속도계를 도시한 것이다.
도 6은 시간에 따른 접선력 및 구심력의 변화, 및 중력에 기인한 오차의 효 과를 도시한 것이다.
도 7은 일반화된 모션 입력 알고리즘을 설명하는 순서도이다.
도 8은 양자 비교(Pair Comparison) 모션 입력에 대한 알고리즘을 설명하는 순서도이다.
도 9는 휴대용 컴퓨터 내에 위치한 두 개의 3축 가속도계를 도시한 것이다.
도 10은 가속도계의 배치를 도시한 이동체의 도형이다.
도 11은 전역 위치 시스템(GPS) 수신기와 연결된 가속도계의 배치를 갖는 휴대용 디바이스의 도형이다.
도 12는 단순 스텝 모션(Simple Step Motion) 알고리즘을 설명하는 순서도이다.
개관
본 모션 센서 시스템은 정렬된 감도 축을 갖는 두개 이상의 동일한 가속도계를 새롭게 배치함으로써 중력 및 모션 간섭의 문제를 처리한다. 가속도계의 각각은 적어도 두개의 축에 걸쳐 모션을 감지한다. 상기 가속도계 수치는 상기 배치된 각 가속도계에 대하여 동일하게 중력에 상응하는 성분을 포함한다. 가속도계 수치에서 차이가 발생하는 경우에, 중력 간섭, 및 시스템 내가속도계의 각각에 대하여 동일하게 작용하는 외력에 의하여 발생된 간섭은 제거되거나 저감될 수 있다. 가속도계 배치와 연결된 논리 회로는 가속도계 신호와 모션 변수를 계산하는 프로세서를 링크한다.
기술 설명
가속도계와 같은 관성 모션 센서의 다양한 배치 및 그것에 의하여 생성된 데이터가 이하에서 묘사된 도면에 상세하게 도시되어 있다. 상세한 설명과 결부된 이하의 도면의 각각에서, 전체를 통관하여 사용되는 3개의 용어가 있고, 그 각각은 구심 가속도, 접선 가속도, 및 각 가속도이다. 구심 가속도는 구심 속도의 시간 변화율로 정의 된다. 접선 가속도는 모션 경로에 대하여 유도된 접선도로서 정의된다. 속도가 모션 경로에 무관하기 때문에 접선 모션은 속도의 방향에서 유도된다. 접선 방향의 가속도 성분은 속도의 크기 변화를 표현한다. 각 가속도는 시간에 걸친 각 속도의 변화율로서 정의된다. 그것은 자승 시간에 대한 라디안으로 나타내는 것이 일반적이며, 이하에서는 그리스 문자 오메가(Ω)로서 표시된다.
일실시예에 따르면, 상기 접선 가속도와 구심 가속도의 계산은 시간에 대하여 측정된다. 부등속 원 운동(가속된 회전)은 접선 가속도 및 구심 가속도로서 가속도계에 의하여 감지되는 힘을 생성한다. 더욱 상세하게는, 총 가속도(A)는 접선 가속도 및 구심 가속도의 합이다. 두개 또는 세개의 가속도계 수치를 취하고 그 수치를 시간에 걸쳐 계산하면, 접선력 및 구심력이 분리될 수 있다. 제시간 내의 계산은 가속도계 배치의 능력을 더욱 증가시킬 수 있다. 도 1은 초기 위치(104)로부터 시작해서 최종 위치(112)에서 종료하는 시간에 대한 가속도의 변화를 설명하는 도형(100)이다. 상기 수평축(110)은 시간에 해당하고, 상기 수직축(120)은 접선 가 속도에 해당하고, 상기 직교축(130)은 구심 가속도에 해당한다. 이하에서 T로 지칭되는 접선 가속도와 C로 지칭되는 구심 가속도는 공간적으로 직교하고, 시간적으로 동기된다. 예를 들면, 회전하는 동안에 상기 가속도 벡터(A)는 실질적으로 접선 방향에서 구심 방향으로 변화해서, 접선 방향으로 되돌아 갈 것이다. 접선 가속도와 구심 가속도에 대한 수평축, 수직축 및 직교축 상의 투영은 회전축에 대한 가속도계의 방위에 종속된다.
접선 가속도와 구심 가속도의 양자는 회전 반경에 비례한다. 강체 내부에서의 가속도의 기여는 선형적이다. 가속도에 대한 전체 벡터 표시는 중력장을 포함하며 아래와 같다.
A = G+ T + C
여기서, G는 중력이고, T는 접선 가속도이고, C 및 T는 아래와 같이 표현되는 A의 두 성분이다.
C = w^2R = |A| cos δ
T = Ω R = |A| sin δ
여기서, w는 각속도의 측정값이다. 각속도에 대한 전체 벡터를 표현하는 또 다른 형태는 아래와 같다.
A = G + (Ω x R) + w x (w x R)
A = G + M x R
여기서, M은 접선 및 방사(radial) 성분을 갖는 각 회전 벡터이고, x는 벡터 외적에 대한 표기이다. 더욱 상세하게는, M은 아래와 같이 표현된다.
M = (Ω + w^2)
여기서, 오메가는 상기 각 가속도이다. 오메가와 w는 각도 값이므로, 그 값들은 선형 값을 갖는 R에 의하여 곱해지는 것이 필요하다. 상기 선속도는 시간에 대하여 각도의 거리를 나타내고, w는 회전하는 각도를 나타낸다. M은 접선 및 방사 성분을 갖는 각 회전 벡터이다. 기하학적인 표기에서, M x R은 i|M||R|sin δ과 등가 표현이다. 여기서, 델타는 시간에 대해서는 변하고 있으나, 매 시간 거리 동안 물체 내의 위치로부터는 변하지 않는다.
전술되고 당해 기술분야에서 알려진 바와 같이, 상기 벡터 가속도 장(field)은 회전하는 물체의 내부에서는 선형이다. 그러므로 방사선 또는 회전 궤적과 정렬되지 않은 포인터(point)에서 상기 벡터 값을 안다면 물체의 특정 부분에서 상기 가속도 벡터를 계산하는 것이 가능하다. 중력이 가속도계에 영향을 미치지 않을 때, 상기 본체 내부에서 방사 기울기 및 접선 기울기가 서로 상이한 두 개의 포인터를 구비하는 것은 충분할 것이다. 유사하게 중력이 가속도계에 영향을 미칠 때, 상기 본체의 세 개 또는 네 개의 포인터에서 가속도 벡터를 아는 것이 필요할 것이 다.
도 2는 회전축(230) 상에 놓여있는 두 개의 3축 가속도계 A1(210) 및 A2(220)의 배치에 대한 도형(200)이다. 상기 제1 가속도계, A1(210)와 일시적인 회전축(230) 사이에는 고정 거리, R1(212)가 있다. 유사하게, 상기 제2 가속도계, A2(220) 및 상기 회전 축 사이에 고정 거리(R1 + r)가 있으며, 여기서 r(215)는 두 개의 가속도계(210, 230) 사이의 고정 거리이다. 또 다른 형태로 표현하면, 상기 제1 가속도계, A1(210) 및 상기 제2 가속도계, A2(220) 사이의 거리는 r로서 정의된다. 상기 두 가속도계의 가속도 벡터 및 회전축에 대한 각각의 상대적인 거리는 아래와 같이 정의된다.
A2/(R1 + r) = A1/R1
R1은 상기 제1 및 제2 가속도계(210, 220)의 수치에 기초하여 각각 아래와 같이 표현될 수 있다.
R1 = (A1r) / (A2-A1)
그리고 R1은 X 또는 Y, 또는 상기 제1 및 제2 가속도계(210, 220)의 A의 결합된 X 및 Y 성분에 기초하여 각각 아래와 같이 표현될 수 있다.
R1 = (Y1r)/ (Y2-Y1)
따라서 상술된 바와 같이 상기 가속도계가 선형적으로 배치되었을 때, 회전 반경은 두 개의 단일 축 가속도계를 이용하여 결정될 수 있다.
도 3은 회전축에 대하여 직교하는 평면에서 회전하는 두 개의 2축 가속도계에 대한 블록도(300)이다. 더욱 상세하게는, 도시된 바와 같이 제1 가속도계(310) 및 제2 가속도계(320)가 대상체(미도시)에 내장(embedded)되어 있다. 상기 제1 및 제2 가속도계(310,320)의 사이의 거리는 각각 고정되고, r(315)로서 정의된다. 상기 양자의 가속도계는 회전 포인터(330)의 둘레를 회전한다. 더욱이, 상기 제1 가속도계(310)의 회전 벡터 반경은 R1(312)로서 정의되고, 상기 제2 가속도계(320)의 회전 벡터 반경은 R2(322)로서 정의된다. 상기 제1 가속도계(310)의 가속도 벡터는 A1로서 정의되고, 상기 제2 가속도계(320)의 벡터 가속도는 A2로서 정의된다. 회전 벡터 반경(R1, R2) 및 상기 가속도계 사이의 고정 거리(r)는 가상 삼각형(340)을 형성한다. 상기 가상 삼각형(340)에 의해서 형성된 각은 α(342), β(344), 및 γ(346)로서 정의된다. 유사하게, δ(348)는 각회전 벡터인 A1 또는 A2 및 회전에 관련된 반경 사이의 각도로서 정의된다.
도시된 바와 같이, 고정 거리로 분리되고 동일하게 방위된 두 개의 2축 가속 도계(310,320)가 평면 공간의 한 점 위에서 회전하고 있다. 상기 배치에 대하여 알고 있는 파라미터는 가속도계 수치와 상기 고정 거리(r)이다. 상기 회전 평면이 중력에 직교하고, 상기 가속도계 수치가 중력에 영향을 받지 않는다면, 상기 가속도계 수치는 아래와 같이 정의 될 수 있다.
A1 = M R1
A2 = M R2
상기 벡터 가속도인 A와 이에 상응하는 반경인 R 사이의 각인 델타는 회전하는 물체의 모든 점에서 일정하다.
기하의 원리에 기초하면, 상기 반경과 상기 각 사이의 관계는 아래와 같다.
r/sin α = |R1| / sin γ = |R2| / sin β
상기 변수, r은 고정 값으로 정의된다. 그러므로 벡터 R1과 R2는 아래와 같이 계산될 수 있다.
|R1| = r sin γ / sin α
|R2| = r sin β / sin α
상기 벡터(A1, A2)로 이루어진 상기 삼각형과 상기 벡터의 차(A1 - A2)는 R1, R2 및 r에 의하여 구성된 상기 삼각형과 유사하므로, 상기 각도에 사인 함수를 적용한 값은 벡터 외적 공식을 적용하여 아래와 같이 구해질 수 있다.
sin α = |A1 x A2| / (|A1||A2|)
sin β = |A1 x (A1-A2)| / (|A1||A1-A2|)
sin γ = |A2 x (A1-A2)| / (|A2||(A1-A2|)
상기 제공된 벡터 R1 및 R2에 대한 정의에 기초하면, 상기 벡터의 각각은 가속도계의 수치로서 아래와 같이 표현될 것이다.
|R1| = r (|A2 x (A1-A2)||A1| / (|A1-A2||A1 x A2|)
|R2| = r (|A1 x (A1-A2)||A2| / (|A1-A2||A1 x A2|)
상기는 아래와 같이 더욱 간단하게 될 수 있다.
|R1|= r|A1|/|A1 - A2| 및
|R2|= r|A2|/|A1 - A2|
벡터 R1 및 R2를 알면, 상기 모션의 각회전 파라미터는 아래와 같이 구해질 수 있다.
M = A1/R1 = A2/R2
Cos δ = (A1.R1) / (|A1| |R1|)
w = ((|A1| cos δ) / R1)의 자승근 = ((|A2| cos δ) / R2)의 자승근
Ω = |A2| sin δ / R2
따라서 기하학 및 선형 대수학의 원리에 기초하면, 상기 각 가속도, 속도 및 각 가속도계의 회전 반경은 상기 가속도계 수치에 근거한 측정치에 의하여 정의될 수 있다.
도 4는 상기 가속도계를 갖는 축 공면(co-planar) 위에서 회전하는 두 개의 3축 가속도계의 블록도(400)이다. 더욱 상세하게는, 도시된 바와 같이, 제1가속도계(410) 및 제2 가속도계(420)가 대상체(미도시)에 내장(embedded)되어 있다. 상기 제1 및 제2 가속도계(410,420) 사이의 거리는 고정되고, r(412)로서 정의된다. 상기 가속도계의 양자는 회전축(445) 및 상기 회전축과 양 가속도계의 연결선 상의 교차점 상에 위치한 포인터(440)의 둘레를 회전한다. 상기 제1 가속도계(410)의 회전 벡터 반경은 R1(414)로서 정의되고, 상기 제2 가속도계(420)의 회전 벡터 반경은 R2(416)로서 정의된다. 상기 제1 가속도계(410)의 가속도 벡터는 A1로서 정의되고, 상기 제2 가속도계(420)의 가속도 벡터는 A2로서 정의된다. 상기 알려진 파라미터는 상기 가속도계 수치 A1 및 A2와, r(412) 사이의 상기 고정 거리이다. 상기 가속도계가 중력에 의하여 영향을 받지 않는다고 가정하면, 아래의 원리가 유지된다.
AN = M x RN
또한, 각도는 아래와 같이 정의된다.
α(442)는 상기 회전축(445) 및 상기 가속도계의 연결선에 의하여 형성된 각도이다.
δ(444)는 상기 각 가속도 벡터 M 및 회전 R에 상응하는 반경 사이의 시변각도에 대한 순시값이다.
기하 원리에 기초하면, 아래는 가속도계와 그것에 결합된 반경 사이의 관계이다.
A2 / A1 = (|Ro| + r) / |Ro|
그리고 Ro에 대하여 풀면, 상기는 아래와 같이 표현된다.
|Ro| = r A1/(A2 - A1)
상기 회전 모션의 성질로 인하여, AN 및 RN는 항상 상기 회전축에 직교하는 평면에 있고, 아래의 원리가 유지된다.
cos (β) = Axy/|A|
|R1| = |R0| cos (β) = |R0| sin α
|R2| = (|R0| + r) cos (β) = (|R0| + r) sin α
R1 및 R2가 알려졌을 때, 상기 모션의 각회전 파라미터는 아래와 같이 구해진다.
cos δ = |A2.R2|/(|A2||R2|)
w = ((|A2| / |R2|) cos δ)의 자승근
Ω = (|A2|/|R2|) sin δ
따라서 기하학 및 선형 대수학의 원리 근거하면, 각 가속도, 속도, 및 가속도계의 각각의 거리는 상기 가속도계 수치에 근거한 측정치에 의하여 정의될 수 있 다
도 5는 3차원에서 독립축(free standing axis)의 둘레를 회전하는 두 개의 3축 가속도계에 관한 블록도(500)이다. 더욱 상세하게는, 도시된 바와 같이, 제1 가속도계(510) 및 제2 가속도계(520)가 대상체(미도시)에 내장되어 있다. 상기 가속도계(510, 520)의 위치 및 방위는 고정되어 있고, 알려져 있다. 상기 제1 및 제2 가속도계(510,520) 사이의 거리는 고정되어 있고, r(515)로서 정의된다. 상기 가속도계(510, 520)의 양자는 상기 포인터(540)에서 평면, P(550)와 교차하는 회전축(545)의 둘레를 회전한다. 상기 제1 가속도계(510)에 대한 회전 벡터 반경은 R1(512)로서 정의되고, 상기 제2 가속도계(520)에 대한 회전 벡터 반경은 R2(522)로서 정의된다. 상기 제1 가속도계(510)의 가속도 벡터는 A1(514)로서 정의되고, 상기 제2 가속도계(520)의 가속도 벡터는 A2(524)로서 정의된다. 상기 알려진 파라미터는 가속도계 수치 A1 및 A2와, r(515) 사이의 고정 거리이다. 상기 제1 가속도계(510)와 상기 제2 가속도계(520)에 대한 연결선의 투영은 포인터(540)와 상기 제1 가속도계(520)를 연결하는 상기 라인과 각도, α(522)를 이룬다. 유사하게, 상기 제2 가속도계(520)와 상기 제1 가속도계(510)를 연결하는 라인은 상기 평면 (550)과 각도, β(524)를 이룬다. 각도, α(522) 및 β (524)는 상기 회전축(545)에 대한 상기 가속도계(510,520)의 방향 및 방위를 나타낸다. 아래는 상기 가속도계의 수치를 참조하여 각도, α(522)를 정의한다.
sin α = ((A1 x A2) / (|A1||A2|))
도 4에 도시된 가속도계의 배치에 사용된 것과 동일한 논리를 적용하면, 각도 β(524)는 어느 하나의 가속도계의 수치에 기초하여 아래와 같이 유도될 수 있다.
cos (β) = Axy/|A|
여기서 Z2는 상기 직교 방향에서 상기 제2 가속도계의 수치이고, X2는 상기 수평방향에서 상기 제2 가속도계의 수치이다. β는 상기 제2 가속도계(520)의 수치를 참조하여 정의되더라도, 상기 제1 가속도계(510)의 수치에 적용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 각도 β는 더 강한 신호를 갖는 상기 가속도계의 수치에 기초하여 계산된다. 예를 들면, 상기 가속도계의 각각의 신호는 읽혀져서, 계산을 위하여 선택된 더 강한 신호와 비교될 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, R2, A1", A2에 의하여 형성된 제1 가상 삼각형(560)과, A1, A2, 및 (A2-A1)에 의하여 형성된 제2 가상 삼각형(570)이 있다. 상기 제1 가상 삼각형(560)은 기하학적으로 상기 제2 가상 삼각형(570)과 유사하다. 상 기 제2 가상 삼각형에서 형성된 세 개의 각도가 존재하고, α(572), ε(574), and γ(576)를 포함한다.
전술한 상기 미분에 근거하면, 유사 삼각형에 관한 기하학적인 원리가 벡터와 각도 사이의 관계를 아래에서와 같이 증명하기 위하여 채용된다.
r / sin α = |R1|/sin ε= |R2| / sin γ
상기 각도와 벡터 사이의 기하학적인 관계에 근거하면, 벡터 |R1| 및 |R2|은 상기 두 개의 가속도계(510,520)와, 상기 유사 삼각형(560,570) 사이의 거리 r에 기초하여 아래와 같이 정의될 수 있다.
|R1| = r sin ε / sin α
|R2| = r sin γ / sin α
더욱이, 기하학 및 선형 대수학의 원리에 기초하면, 상기 각도의 사인함수 값은 상기 가속도계 수치의 벡터에 대하여 상기 외적 공식을 사용하여 구할 수 있다.
sin α = |A1 x A2| / (|A1||A2|)
sin ε = |A1 x (A1 - A2)| / (|A1||A1-A2|)
sin γ = |A2 x (A1 - A2)| / (|A2||A1-A2|)
도시된 바와 같이, 상기 벡터 R1(512) 및 R2(522)는 상기 유사 삼각형(560, 570)의 각도에 대한 사인 함수값에 기초하여 정의된다. 상기 벡터 R1(512) 및 R2(522)은 상기 정의식에서 각도의 각각의 사인 함수값을 아래와 같이 대체함으로써, 상기 가속도계의 수치에 기초하여 풀려질 수 있다.
|R1| = r cosβ (|A2 x (A1-A2)||A1| / (|A1-A2| |A1 x A2|)
|R2| = r cosβ (|A1 x (A1-A2)||A2| / (|A1-A2| |A1 x A2|)
상기 수식은 아래와 같이 간단하게 될 수 있다.
|R1|= r cosβ |A1|/|A1 - A2| 및
|R2|= r cosβ |A2|/|A1 - A2|
벡터 R1 및 R2를 알면, 상기 모션의 각회전 파라미터는 상기 2축 가속도계의 배치에 적용된 것과 같이 아래의 계산식을 이용하여 구해질 수 있다.
cos δ = |A2.R2| / (|A2|| R2|)
w = ((|A2| / |R2| ) cos δ)의 자승근
Ω = ( |A2|/|R2|) sin δ
상기 도시된 도 1은 시간에 따른 구심 및 접선 가속도에서의 변화를 설명하지만, 중력의 영향을 상세하게 설명하지는 않는다. 일실시예에 따르면, 상기 가속도계의 감도축은 중력 및/또는 일정한 측면 가속도에 의해서는 영향을 받지 않는다. 도 6은 시간에 따른 위치의 변화 및 중력과 결부된 오차의 영향을 설명하는 블록도(600)이다. 여기서, 수평축(610), 수직축(620) 및 직교축(630)의 세 개의 축이 도시되어 있다. 상기 수평축(610)은 시간축을 표현한다. 유사하게, 상기 수직축(620)은 상기 접선 가속도를 표현하고, 상기 직교축은 상기 구심 가속도를 표현한다. 상기 수평축(610) 상에 도시된 바와 같이, 초기적에는 상기 가속도계를 수용하는 본체는 움직이지 않고 정지 상태(630)에 있다. 시간의 여정에 따라, 상기 본체(632)의 회전 시작, 등록된 가속(634), 상기 가속의 감속(636) 및 상기 회전의 종료(638)가 일어난다. 상기 중력에 관련된 오차를 보상하기 위하여, 시간 미분 신호가 상기 가속도계로부터 획득된다. 바꾸어 말하면, 상기 가속도계의 각각은, 단 일의 때 맞은 시간 포인터에서 상기 가속도계로부터 신호를 측정하는 대신, 시간축 상의 두 포인터에서 비교된다. 예를 들면, 신호의 시간 미분은 아래와 같이 반영된다.
AN (XNt1 - XNt2, YNt1 - YNt2)
일 실시예에 따르면, 상기 시간 구간, t1-t2는 물체의 방위 변화를 무시할 수 있도록 짧아야 한다. 더욱이, 일실시예에 따르면, 상기 시간 구간은 상기 접선 성분이 상기 제로 라인과 교차하고, 상기 구심 성분이 최대값 또는 그 근방일 때, 상기 회전의 중도에 근접하도록 선택된다.
상기 중력에 관련된 오차는 아래와 같이 계산된 보상값을 가산함으로써 더욱 줄일 수 있다.
오차 보상 = ((Ginitial - Gending) / (tstart - tend)) * (t1 - t2)
여기서, Ginitial 및 Gending는 상기 회전의 시작과 종료에서 측정된 중력 벡터이다.
명백하게 후자의 계산은 회전이 끝나고 나서야 수행된다. 이것은 GPS 시스 템의 추측 항법과 같은 어플리케이션에 대한 모든 문제를 나타내지 않을 수 있지만, 그것은 실시간 또는 거의 실시간으로 어플리케이션하기 위한 불필요한 대기시간을 수반한다. 이 경우에, 계산된 오류는 무시되거나 경험적으로 결정되어 테이블화된 데이터로 대체될 수 있다. 일반적으로, 실시간 그리고 거의 실시간 어플리케이션이 보다 적은 정확성을 요구하기 때문에 이것은 문제를 야기하지 않는다. 시간 미분 신호가, 오차를 유발하는 중력을 무시할 수 있는 수준까지 줄이기에 충분한 수 밀리세컨트 정도의 짧은 기간 동안에 획득될 수 있음을 주목하기 바란다.
전통적인 모션 센서 어플리케이션들과 달리, 제안된 모션 입력 알고리즘은 회전 반경, 각 가속도 또는 계산된 회전율, 및 회전 반경에 대한 가속도계 배치의 방위를 보여주는 오프셋 각도를 포함하는 세 개의 파라미터에 기초하여 결정할 수 있다. 도 7은 위에서 언급한 상기 파라미터들 및 가속도계의 배치에 기초하여 모션을 감지하는 과정을 설명하는 흐름도(700)이다 여기서 도시된 과정은 시각 디스플레이를 구비한 휴대용 계산 디바이스를 위해 기술된다. 일 실시예에서, 상기 시각 디스플레이와 통신하는 커서는 감지된 모션에 대한 응답으로 상기 디스플레이 상에서 가로질러 이동된다. 그러나 본 발명은 시각 디스플레이와 통신하는 커서에 한정되지 않지 않아야 한다. 예를 들어, 일 실시예로, 시각 디스플레이에 도시된 데이터는 감지된 모션에 반응하여 변경된다. 다른 실시예에서, 모션은 디스플레이 상에 아이템을 하이라이트하거나 선택하기 위해 이용될 수 있다. 커서의 이동 또는 시각 디스플레이의 변화 또는 이미 프로그램된 특징을 활성화 또는 비활성화하는 또 다른 명령은 가속도계로부터의 데이터에 민감하다. 먼저, 상기 휴대용 디바이스가 막 이동할 때, 상기 센서 수치가 획득된다.(702) 그러한 센서 수치가 획득된 데이터와 연관된 노이즈를 포함할 수 있다는 것은 업계에 알려져 있다. 그리하여, 센서의 신호는 상기 노이즈와 가속도계 파라미터의 분산을 수용하도록 조건화되어 있다(704). 그러한 조건은 노이즈 필터링, 교정, 및/또는 중력 에러 보상을 포함할 수 있다. 단계 704의 다음으로, 수신된 신호가 처리된다(706). 일 실시예에서, 디지털 신호 프로세서는 단계 706에서 계산을 위해 사용될 수 있다. 단계(706)에서 계산된 상기 세 개의 요소는 회전 반경, R(706a), Ω 및 w(706b)와 같은, 각도 파라미터, 및 α 및 β(706c)와 같은, 방위 각도를 포함한다. 위와 같이 계산된 후에, 신호 형태 분석을 위한 자료 기록이 수행된 후(708) 규칙과 기준값을 데이터에 적용한다(710). 단계 710에서의 어플리케이션은 때 맞은 시간의 신호 형태뿐만 아니라 회전 반경, 회전율, 및/또는 오프셋 각도에 기초하여 신호를 필터링하는 추가적인 성능을 제공한다. 단계 710의 계산 다음으로, 가속도계로부터의 데이터는 특정 모션 신호에 할당된 명령으로 변환된다(712). 일 실시예에서, 명령은 시각 디스플레이상에서 커서의 시계 방향, 시계 반대 방향, 왼쪽, 오른쪽, 위, 및 아래의 이동에 대응되는 피치, 롤, 및/또는 요(yaw) 신호의 형태이거나, 위에서 설명된 바와 같이, 상기 시각 디스플레이 상에 표시된 데이터의 변경 또는 기정의된 기능의 실행일 수 있다. 따라서 상기 가속도계에 의해 수집된 데이터는 휴대용 계산 디바이스의 시각 디스플레이와의 통신을 제어하기 위해 사용된다.
신호 처리 식은 모션 센서의 형태, 센서의 기하학적 배치, 및 분석된 모션의 본질적인 특징에 의존한다. 종래 해결책은 신호 강도 또는 형상에만 기초하여 모션 간섭을 필터링할 수 있다. 후자는 시간에 맞춰야 하는 복잡한 계산을 요구한다. 본 제안된 해결책은 이러한 힘으로부터 야기된 회전 반경에 기초하여 간섭 힘의 영향을 여과시키는 성능을 추가한다. 시스템은 특정 회전 반경의 위, 아래 또는 내의 회전을 야기하는 힘을 무시하기 위해 설정될 수 있다. 예를 들면, 팔목을 구부림으로써 야기되는 것과 같은, R 보다 작은 반경을 가지는 신호는 모션 입력으로 진행되는 반면, R 보다 큰 반경을 가지는 신호는 차단될 것이다. 회전 반경과 동일하게, 시스템은 오프셋 각도 α 및 β에 의해 결정된 회전축의 방향에 기초한 신호를 무시하거나 처리하도록 설정될 수 있다. 이것은 외력에 의해 야기되는 간섭없이 이동하는 차량 내부에서 시스템이 동작하는 것을 가능하게 한다. 다른 이점은 시스템이 중력으로 혼동되지 않고 그리하여 시스템이 지구 중심에 대하여 임의의 위치에서 홀딩될 수 있다는 것이다. 따라서 사용자는 가장 편안한 자세 및 최고의 가능한 시야 각도를 발견하여 유지하는데 자유롭다.
휴대용 디바이스의 모션 입력은 회전 반경 또는 오프셋 각도에 대한 정확한 지식을 요구하지 않는다. 휴대용 디바이스에 대해, 회전 반경 및 오프셋 반경이 정의된 범위 내에 있다고 검증하는 것으로 충분하다. 이러한 어플리케이션을 위해, 모션이 사용자의 손으로부터 야기되고 환경에 의해서 만들어지는 간섭이 아님을 검증하는 것으로 충분하다. 수직방향 축에 대한 휴대용 디바이스의 회전을 수평방향 축의 그것과 구별하는 것으로 충분하다.
도 8은 가속도계의 모든 쌍으로부터 미분 모션 신호의 강도를 비교함으로써 널리 보급되어 있는 회전축을 결정하는 양자 비교 모션 입력 알고리즘(a Pair Comparison Motion Input algorithm)을 증명하는 흐름도이다(800). 최강 신호를 생산하는 가속도계의 쌍과 연관된 축은 사용자에 의해 선택된 방향으로 고려된다. 먼저, 휴대용 디바이스가 이동하고자 할 때, 센서 수치가 획득된다.(802) 그러한 센서 수치는 획득된 데이터와 연관된 노이즈를 포함할 수 있다는 것은 업계에 알려져 있다. 그리하여, 센서의 신호는 조건이 설정된다(804). 상기 조건은 교정, 필터링 노이즈, 및 중력 오차 보상을 포함할 수 있다. 단계 804 다음으로, 가속 양자 분석(the acceleration pair analysis)은 일반적인 형태로 A1-A2, A2-A3, 및 A1-A3 과 같이 표현될 수 있는, 가속 성분에 대한 미분 신호를 발견함으로써 수행된다(806). 세 개의 3축 가속도계의 배치에 관하여, 806a에서 반영된 [X1-X2, Y1-Y2, Z1-Z2], 806b에서 반영된 [X1-X3, Y1-Y3, Z1-Z3] 및 806c에서 반영된 [X2-X3, Y2-Y3, Z2-Z3]와 같은 쌍이 분석된다. 여기서 숫자 1, 2, 3은 세 개의 가속도계 배치내의 특정 가속도계에 대응되고, X, Y, Z는 각각 수평, 수직 및 직교 축에 대한 개별적인 가속도계의 측정값에 대응된다. 예를 들어, X1, Y1, Z1 각각은 수평, 수직 및 직교 축을 따라 획득된 제1 가속도계의 수치이고, X2,Y2, Z2 각각은 수평, 수직 및 직교 축에 따라 획득된 제2 가속도계의 수치이고, X3, Y3, Z3 각각은 수평, 수직 및 직교 축에 따라 취득된 제3 가속도계의 수치이다. 단계 806에서 쌍 분석 다음으로, 가속도계 쌍의 비교 및 정규화가 수행된다(808). 이 단계에서 단계 806의 미분 신호는 A1+A2, A1+A3, A2+A3 와 같이 쌍을 이루는 가속도계로부터 합 신호에 의해 나누어짐으로써 정규화된다. 상기 계산 다음으로, 규칙 및 임계값이 데이터에 적용되고(810) 및 피치, 롤, 또는 요의 명령은 가속도계가 장착된 디바이스에 적용된다(812). 예를 들어, 시각 디스플레이를 구비한 휴대용 계산 디바이스에 가속도계를 장착하는 경우에, 시각 디스플레이상에 존재하는 데이터의 변화가 발생할 수 있다. 상기 디바이스에 적용되는 명령은 측면의 푸시 및 풀 뿐만 아니라 시계방향, 반시계 방향, 왼쪽, 오른쪽, 위에 대응되는 피치, 롤, 및/ 또는 요 신호의 형태일 수 있다. 신호는 디스플레이상에서 커서의 이동을 제어할 수 있고, 스크린에 디스플레이되는 것을 변경 또는 변형시킬 수 있다. 따라서 그것의 연관된 분석과 결합된 가속도계의 수치는 외부 장치로부터 입력되는 요구와 상관없이 명령의 방출에 대응된다.
도 9는 휴대용 계산 디바이스의 블록도이다(900). 적어도 두 개의 가속도계(910, 920)는 디바이스 내에서 평면 배치로 장착된다. 일 실시예에서, 상기 디바이스는 그리드(미도시)로 실질적으로 나누어지고, 상기 그리드 내에서 다중의 박스가 형성된 시각 디스플레이(902)를 갖는다. 상기 그리드 내의 각 박스는 커서가 이동될 수 있는 부근의 위치를 나타낸다. 게다가, 그리드 내의 하나 또는 그 이상의 박스는 프로그램의 선택을 표현하는 아이콘으로 표현될 수 있다. 각 프로그램은 외부 장치의 적용 없이 휴대용 디바이스의 이동으로 선택될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 디바이스가 회전하는 동안, 센서 수치는 수집되고 수집된 수치가 분석된다. 일 실시예에서, 논리 회로(미도시)는 가속도계(910, 920)의 각각으로부터 신호를 수신하는 기능을 하며, 수신된 신호를 상기 디바이스(900)내에 장착된 프로세서(미도시)에 제공한다. 프로세서는 도 7 또는 8에서 설명된 바와 같이 모션 변수를 계산한다. 수집된 수치에 적용되는 임계값 및 규칙에 기초하여, 프로세서는 시각 디스플레이와 통신하여 그리드의 박스 상에 표현되어 표시된 아이콘의 선택을 위해 커서를 그리드를 가로질러 소정 박스로 선택적으로 이동하도록 한다. 따라서, 관련 프로세서를 함께 구비한 가속도계는 커서와 통신하고 시각 디스플레이에서 커서의 이동을 제어한다.
이전의 설명이 휴대용 디바이스에 적용다 할지라도 본 발명은 가속도계의 적용 및 간편한 휴대용 디바이스 상의 가속도계의 배치에 한정되지 않아야 한다. 가속도계의 배치는 가상 자이로스코프처럼 기능하고, 거기에서 모션 감지에 유용할 수 있는 다양한 객체에 적용될 수 있다. 도 10은 가속도계 배치가 적용될 수 있는 차량 본체의 블럭도이다.(1000) 도시된 바와 같이, 본 예에서 차량은 네 개의 휠(1002), (1004), (1006), 및 (1008)를 구비한 주행차이다. 이 예에서, 두 개의 가속도계(1010) 및 (1020)은 차량 본체 내부에 장착된다. 여기서 도시된 예에서, 가속도계의 각각은 세 개의 축, 롤, 피치, 및 요에 대한 모션을 감지한다. 일 실시 예에서, 두 개의 가속도계(1010, 1020)는 롤 및 피치 축에 대한 모션을 단지 감지하는 2축 가속도계일 수 있다. 유사하게, 일 실시예에서, 제3 가속도계는 도 10에 도시된 배치에 추가될 수 있다. X축은 원심 가속도를 감지한다. Y축은 접선 가속도를 감지한다. Z축은 롤오버(rollover) 가속도를 감지한다. 가속도계의 위치는 한 세트의 휠 축에 평행하게 도시되어 있으나, 여기서 도시된 배치에 한정되지 않는다. 가속도계에 의해 감지된 모션은 도 7 및 8에 도시된 방법과 비교될 수 있다. 그러나 주행 차량의 경우에, 기준값을 초과하는 감지된 모션은 차량의 제어를 위한 알람 또는 차량 안정 디바이스와 통신한다. 여기서 도시된 주행 차량은 4개의 휠(1002, 1004, 1006 및 1008)를 포함한다. 그러나 일 예에서, 차량은 세 개의 휠에 한정되는 모든 범위의 차량일 수 있다. 유사하게, 가속도계의 배치는 주행 차량의 다른 형태에 적용될 수 있다. 일 예에서, 가속도계의 배치는, 보트 또는 비행체와 같은, 비-주행 차량에도 적용될 수 있다. 여기서, 가속도계의 배치는 각각의 유체 매체에서 차량의 구부러짐(curvature) 또는 궤적을 결정하기 위해 적용될 수 있다. 따라서 가속도계의 배치는 6자유도까지 모션을 감지하기 위해 이동 물체에 적용될 수 있다.
휴대용 디바이스 및 차량에 적용되는 것과 같이 가속도계의 배치는 본체 내부 또는 본체 내의 기판 상에 장착된 다중 가속도계에 적용된다. 가속도계가 장착된 본체는 전역 위치 시스템(여기서 이후 GPS라고 한다)을 포함할 수 있다. GPS 시스템은, 자신의 장소 및 위치 정보를 위성 시스템과 통신하는 수신기를 채용한다. 일반적으로, GPS 수신기는 위성에 의해 수신된 주파수에 튜닝되는 안테나를 포함한다. GPS 수신기가 주행 차량, 모바일 휴대폰, 시계 등에 결합된다는 것은 업계에 알려져 있다. 또한, GPS 수신기가 위치 및 속도 정보를 사용자에게 제공하기 위해 디스플레이를 포함할 수 있다는 것도 업계에 알려져 있다. GPS 수신기를 가속도계 배치가 구비된 디바이스의 본체에 결합함으로써, 가속도계 배치의 기능은 강화된다. 도 11은 가속도계(1110, 1120 및 1130)의 배치가 구비된 휴대용 디바이스(1102)의 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 가속도계는 프로세서(1140), GPS 수신기(1150) 및 전송기(1160)와 통신한다. 가속도계(1110, 1120 및 1130)의 배치에 의해 감지된 모션에 기초하여, 프로세서는 GPS 수신기에 전원 전달을 제어할 수 있다. 예를 들어, 정지 상태에서 이동 상태로 변경되는 디바이스(1102)에 대하여, 배치된 가속도계는 관련 GPS 수신기(1150)을 켜기 위해 프로세서(1140)와 통신할 수 있다. 반대로, 디바이스(1102)가 이동하다가 이동을 중단하면, 가속도계는 프로세서(1140)에 모션에 대한 변경을 통신할 수 있고, 순차대로 프로세서는 관련된 GPS 수신기(1150)의 전원을 제거한다. GPS 수신기(1140)가 가속도계의 배치와 함께 기능성을 강화하는 다른 방법이 있고, 본 발명은 여기서 보여준 특정 모션 예에 한정되지 않아야 한다. GPS 수신기의 적용은 수신기가 장착된 상기 디바이스의 위치를 정확하게 결정할 수 있다. 따라서, GPS 수신기를 포함시키기 위한 가속도계 배치의 증가는 위치와 관련하여 디바이스의 기능을 확대한다.
일 실시예에서, 도 11에 도시된 가속도계 및 GPS 수신기 배치는 차량에 통합 될 수 있다. 여기서, 가속도계들의 배치는 GPS 수신기와 통신된다. 가속도계들에 의해 감지되는 차량의 모션은, 도8에서의 기준치 및 룰셋(rule set)의 관점에서, GPS 수신기(1150)와 통신하기 위하여 증대될 수 있다. 예를 들어, 차량은 경보 컴포넌트(미도시)를 포함할 수 있다. 만일 차량이 점화 장치 내의 키 없이 움직이게 된다면, 경보 컴포넌트는 GPS 데이터를 포함하는 GPS 수신기와 통신할 수 있다. 예를 들어, 만일 자동차가 끌려가거나 도난당하고 있는 과정에 있다면, GPS 수신기에서 제공되는 것과 같이, 경보가 차량의 위치를 전달한다. 위에 기술된 바와 같이, 가속도계의 배치는 모션을 감지한다. 그것은, 장치의 위치를 전달함으로써 디바이스의 기능성을 증가시키는, 경보 및/또는 GPS 수신기와 결합된 룰 및 기준치의 사용이다. 따라서, 모션에 적용된 룰 및 기준치를 만족하거나 초과하는 모션이 조건일 때, GPS 수신기는 장치의 위치를 전달한다. GPS 시스템에서 가속도계의 매우 중요한 어플리케이션은, GPS 신호를 잃었을 때 추측 항법을 위한 데이터를 제공한다. 이 실시예에서, 본 발명은 알려진 회전 반경 및 경과 시간을 계산함으로써 움직임의 궤도를 복구할 수 있다.
스텝 모션은 격자 셀 위에서의 포인터의 이동과 같이 사용자 의도를 정확한 명령으로 변환하고 스텝 사이에서 시스템의 재조정을 허용하기 위한 코드로서 정의된다. 인용된 상기 종래 기술(Shkolnikov '028 및 `533)에서 기술된 슬라이딩 제로 코드는 중력 벡터에 관하여 디바이스의 방향을 점검하는 데 도움이 되고 디바이스를 작동시키는 동안 사용자로 하여금 그의 위치를 변화시키는 것을 허용한다. 제안 된 해결책에 있는 간단한 스텝 모션은 동일한 목적을 제공하지만, 슬라이딩 제로 코드 없이 동작한다. 그것은 도 7 및 8에 도시된 것과 같은 모션 입력 프로세스 상에서 동작한다. 간단한 스텝 모션은, 단일 가속도계를 가지는 시스템과 마찬가지로 본 발명에서 기술된 것처럼 다중 센서들의 배치를 가지고 동작한다. 그것은 무시될 되돌아오는 모션에 의해 유발되는 힘을 허용하는 계산을 단순화한다. 간단한 스텝 모션 코드는 사용자로 하여금 가장 좋은 가능한 디스플레이의 시야각을 유지하도록 하여 준다. 어떤 모션 입력 명령 후에, 사용자는 디바이스를 이전 위치로 회복시키거나(종래 기술이 요구하듯이) 또는 방향을 사용자가 원하는 임의의 방향으로 변화시킬 수 있다. 그것은 또한 사용자로 하여금 그의 위치를 변화시키도록 허용한다. 간단한 스텝 모션 알고리즘은, 모션 센서들의 어떤 배치와 함께, 단일 센서와도 함께, 그리고 아래에 있는 어떤 모션 입력 알고리즘의 실행과 함께 동작하는 휴지 기간(sleep period)으로도 알려진, 둔감도(insensitivity) 타임아웃에 기초한 추가적인 특징을 가지고 있다. 간단한 스텝 모션 알고리즘은 시콜니코프(Shkolnikov)의 미국 특허 등록 번호 7,002,553에서 개시된 이전 알고리즘의 슬라이딩 제로 컴포넌트를 불필요하게 만든다. 보다 상세하게는, 둔감도(insensitivity) 기간 동안에, 시스템은 중력과 다른 외력을 향한 방향에 있어서의 변화를 보상하기 위해 자동적으로 그 자체를 균형화한다. "휴지” 기간 동안에, 사용자는 시야각을 복원하거나 편안한 상태로 있도록 위치를 변화시키기 위해 휴대용 디바이스를 되돌려 놓을 수 있다.
도 12는 도 7과 8의 모션 입력 알고리즘 상에서 구현되는 단순한 스텝 모션 알고리즘을 설명하는 흐름도(1200)이다. 모션 입력 알고리즘으로부터의 명령이 받아들여지고(1202), 실행된다(1204). 상기 명령의 처리는 도 7 및 8을 참조하면 상세히 도시되고 기술되어 있다. 단계 1204에서의 상기 명령의 실행 다음에, 휴지 명령이 모션 입력 알고리즘으로 보내진다(1206). 휴지 명령은 모션 입력 알고리즘으로부터의 모든 새로운 명령을 차단한다. 그러나 일 실시예에서, 모션 파라미터의 계산은 백그라운드에서 계속될 수 있다. 단계 1206의 완료 후에, 모션 입력 알고리즘은 웨이크업(Wake up) 명령을 받아들이고(1208), 다음 모션 입력에 대해 접근 가능 상태로 된다. 도 9에 도시된 예에서, 커서가 휴대용 컴퓨팅 디바이스의 시각 디스플레이의 가상 격자를 가로질러 이동한다. 디바이스의 움직임에 기초하여, 커서가 가상 격자 내의 선택 박스로 이동한다. 스텝 모션 알고리즘은, 격자 내의 커서의 초기 위치로 커서를 되돌리는 것을 요구하지 않고, 커서의 움직임이 발생하고 다음 움직임에 대하여 격자 상에서 커서의 현재 위치로부터 커서를 접근하는 것을 가능케 한다. "휴지” 기간이 경과한 후에, 간단한 스텝 모션 알고리즘은, 현재의 위치를 기준 원점으로 하여 모션 입력 명령을 보내는 것을 계속하기 위해, 웨이크업(Wake up) 명령을 모션 입력 알고리즘으로 보낸다(1208). 따라서 가속도계에 의해 감지되는 모든 움직임은 웨이크업(Wake up) 명령으로부터 결정되는 것과 같은 가장 최근의 기준 원점에 기초하게 될 것이다.
일 실시예에서, 본 발명은 소프트웨어에서 구현되고, 소프트웨어는 펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로코드 등을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 본 발명은 컴퓨터 또는 임의의 명령 수행 시스템에 의한 사용을 위해 프로그램 코드를 제공하는 컴퓨터에서 사용 가능한 또는 컴퓨터에서 판독 가능한 매체로부터 접근 가능한 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 가질 수 있다. 이 설명을 위해서, 컴퓨터에서 사용 가능한 또는 컴퓨터에서 판독 가능한 매체는 명령 수행 시스템, 장치 또는 디바이스에 의한 사용을 위한 또는 그와 연결된 프로그램을 포함하거나, 저장하거나, 통신하거나, 전파하거나, 또는 운반하는 임의의 장치일 수 있다.
본 발명의 범위 내에 있는 실시예들은 또한 부호화된 프로그램 코드를 가지는 프로그램 저장 수단을 포함하는 제품을 포함할 수 있다. 그러한 프로그램 저장 수단은 범용 또는 전용 컴퓨터에 의해 접근될 수 있는 임의의 사용 가능한 매체일 수 있다. 한 예를 들면, 여기에 제한되지는 않고, 그러한 프로그램 저장 수단은, 바람직한 프로그램 코드 수단을 저장하는 데 사용될 수 있고, 범용 또는 전용 컴퓨터에 의해 접근될 수 있는, RAM, ROM, EPROM, CD-ROM 또는 다른 광 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 저장 장치 또는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 상기된 것의 조합은 또한 프로그램 저장 수단의 범위에 포함된다.
상기 매체는 전기적, 자기적, 광학적, 전자기적, 적외선 또는 반도체 시스템(또는 장치 또는 디바이스) 또는 전파 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예는 반도체 또는 고체 상태 메모리 또는 자기 테이프, 제거 가능한 컴퓨터 디스 켓, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 리드-온리-메모리(ROM), 단단한 마그네틱 디스크와 광학 디스크를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 광학 디스크의 현재 예는 컴팩트 디스크 B 리드-온리(CD-ROM), 컴팩트 디스크 B 리드-라이트(CD-R/W) 및 DVD를 포함한다.
프로그램 코드를 저장 및/또는 실행하는데 적합한 데이터 처리 시스템은 시스템 버스을 통하여 메모리 요소에 직접적으로 또는 간접적으로 커플링된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 메모리 요소는, 프로그램 코드의 실제 실행 동안에 사용되는 로컬 메모리, 대용량 스토리지, 그리고 실행 동안에 대용량 스토리지로부터 되돌아와야 하는 코드의 횟수를 감소시키기 위하여 적어도 일부의 프로그램 코드의 임시적인 저장소를 제공하는 캐시 메모리를 포함한다.
입력/출력 또는 I/O 디바이스(키보드, 디스플레이, 포인팅 장치 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는)는 직접적으로 또는 중간의 I/O 컨트롤러를 통하여 시스템에 결합될 수 있다. 또한 중간의 사설 또는 공용 네트워크를 통하여 데이터 처리 시스템을 다른 데이터 처리 시스템 또는 원격 프린터 또는 저장 장치와 결합되게 하기 위하여 네트워크 어댑터가 시스템에 결합될 수 있다.
소프트웨어 구현은 컴퓨터 또는 임의의 명령 수행 시스템에 의한 또는 이와 연결되는 사용을 위한 프로그램 코드를 제공하는 컴퓨터-이용가능 또는 컴퓨터-판 독가능 매체로부터 접근 가능한 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 가질 수 있다.
종래 기술 우위의 장점
종래 기술에서 설명된 휴대용 디바이스와 비교할 때, 본 발명에 따른 휴대용 디바이스는, 배치의 지오미트리를 규정하는 가속도계 판독과 파라미터의 실시간 또는 거의 실시간 기능으로 모션 변수의 계산을 지원하는, 다중 가속도계의 다른 배치를 사용한다. 디바이스는 또한 중력의 방해에 대하여 민감하지 않다. 따라서, 실시간으로 모션 변수를 계산하기 위하여 디바이스의 각도 위치를 추적할 필요가 없다. 방해력이 초래하고 있는 회전의 반경에 기초한 방해력의 효과를 제거하는 추가적인 성능은 또한 본 발명의 장점 중의 하나이다.
시스템은 회전의 포인트에 대한 방향과 마찬가지로, 위에, 아래에, 또는 어떤 범위 내에서 반경을 가지는 회전을 유발하는 힘을 무시하도록 설정될 수 있다. 게다가, 스텝 모션 알고리즘 내에서의 둔감도(insensitivity) 타임아웃의 도입은 본 발명에 따른 휴대용 디바이스를 그것 자체의 위치 및 사용자의 위치의 변화에 민감하지 않도록 만든다. 이것은 사용자로 하여금 디스플레이의 가장 좋은 시야각 및 편안한 자세를 유지할 수 있게 해 준다.
적어도 두 개의 2축 또는 3축 가속도계의 배치는 결합된 자이로스코프 및 보통 모션 센서로서 기능을 한다. 보다 구체적으로, 여기서 기술되는 가속도계의 배 치는 가속도계가 탑재된 장치의 회전의 각도 비율, 병진 가속, 그리고 회전의 반경을 결정하는 것을 가능하게 한다. 달리 말하면, 가속도계의 배치는 자이로스코프처럼 롤, 피치, 그리고 요(yaw) 회전을 감지하고, 가속도계처럼 측면 이동을 감지한다. 상기 배치는 6 자유도까지의 회전과 병진을 감지한다. 나아가, 물체의 회전 반경을 계산하는 능력은, 시간 내에서의 진폭 및 패턴과 마찬가지로, 모션 신호가 회전의 포인트로의 거리 및 방향에 의해 필터링되도록 허용한다. 일 실시예에서, 모션 신호의 필터링은 가속도계 배치를 가지는 휴대용 디바이스가 움직이는 차량 내에서 제어되는 것을 가능하게 한다. 사람 손목으로부터의 모션 신호는 스티어링, 가속, 충돌, 그리고 다른 형태의 교란으로부터 구별될 수 있다. 따라서, 위에서 상세히 기술된 것과 같은 가속도계의 배치는 자이로스코프 및 가속도계가 현재 존재하는 어떤 디바이스에서도 사용될 수 있다.
대안적 실시예
비록 구체적인 본 발명의 실시예가 도해의 목적을 위하여 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변형이 만들어질 수 있다. 특히, 둘 또는 그 이상의 2축 또는 3축 가속도계의 배치가 휴대용 컴퓨팅 디바이스 내에 어떻게 장착될 수 있는지 설명되었다. 듀얼 가속도계 배치는 가속도계를 연결하는 라인이 회전축에 평행일 때 회전 반경의 결정과 관련하여 제한을 가지고 있다. 따라서, 일 실시예에서, 이 제한은 듀얼 가속도계 배치에 하나 또는 그 이상의 가속 도계를 추가하고 가속도계들을 비선형 형태로 배치함으로써 극복될 수 있다. 예를 들면, 세 가속도계들은, 가속도계들의 적어도 하나가 회전축에 평행하지 않게 위치하도록 삼각형 형태로 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 상기된 기하학적 배치를 가지는 가속도계들은 집적 회로 내에 마운트된 실리콘 기판 내에 장착될 수 있다. 이것은 가속도계를 디바이스의 전기적 하드웨어의 한 부분이 되고, 섀시, 즉 본체로부터 분리되는 것을 가능하게 한다. 또한, 가속도계들은, 그들의 출력이 조정될 수 있고 또는 수학적으로 그들이 동일한 것처럼 보이도록 변환될 수 있는 한 동일하거나 유사하게 맞춰질 필요가 없다.
일 실시예에서, 가속도계들의 배치는 확장되고 다른 카테고리의 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 배치는 스틸 카메라와 비디오 카메라를 포함하는 카메라, 쌍안경, 망원경, 현미경 등에 사용될 수 있다. 각 디바이스에서의 상기 배치는 렌즈, 영상 수신기, 및/또는 영상 안정화 소프트웨어에 교정된 신호를 제공함으로써 영상을 안정화하는 데 사용될 수 있다. 도 8 및 9에 도시된 바와 같이, 기준치 및 룰은 가속도계의 신호 판독을 분석하는 데 사용될 수 있다. 상기 룰 및 기준치는, 이미지 안정화 소프트웨어와 같은 특정 디바이스 어플리케이션을 위하여 프로그램될 수 있다. 따라서, 본 발명의 보호의 범위는 다음의 청구항들 및 그들의 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims (26)

  1. 내부에 형성되어 공간적으로 분리되어 있고, 적어도 하나의 감도 축 상에서 움직임을 감지하는 적어도 두 개의 가속도계를 구비하는 본체; 및
    상기 가속도계로부터 감지된 모션 데이터를 수신하고, 상기 모션데이터로부터 상기 본체의 모션을 산출하기 위하여 상기 가속도계와 연결된 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 본체의 회전 반경 및 회전축의 방향을 산출하는 명령을 수행하고, 상기 명령은 기하학적 원리가 실시간 가속도계 수치(readings)와, 상기 본체에 대한 상기 가속도계의 고정 방향 및 위치에 적용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 명령은 기준치을 초과하는 증가 데이터로 제한되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    각 가속도 및 각속도는 상기 회전에 대한 가속도계 수치 및 산출된 회전 반 경으로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가속도계는 정렬된 민감도 축과 실질적으로 일치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가속도계의 각각은 두 개의 직교(orthogonal) 축 상에서 모션을 감지하는 2축 가속도계인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    삼각 배치로 상기 본체에 형성된 세 개의 가속도계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가속도계의 각각은 3축 가속도계이고, 세 개의 직교 축 상에서 모션을 감지하는 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 본체 내부에 형성된 기판을 더 포함하며,
    상기 가속도계는 정렬된 감도 축과 함께 상기 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기판은 마이크로 칩인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 본체는 시각 디스플레이와 연결된 휴대용 디바이스이고,
    상기 시각 디스플레이에 표시된 이미지는 문턱값을 초과하는 상기 감지된 모션에 응답하여 변경되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 본체의 회전 반경을 실시간으로 산출하는 상기 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서에 연결되어 상기 산출된 회전 반경에 기초하여 신호를 분석하는 필터 시스템을 더 포함하고,
    상기 필터 시스템은 모션입력으로 기설정된 값보다 작은 회전 반경을 갖는 신호는 처리하고, 기설정된 값보다 큰 회전 반경을 갖는 신호는 차단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서에 연결되어 상기 회전축의 방향에 기초하여 신호를 분석하는 필터 시스템을 더 포함하고,
    상기 필터 시스템은 상기 회전축의 특정 방향을 갖는 모션 입력 신호는 처리하고, 상기 회전축의 다른 방향을 갖는 신호는 차단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서에 연결되어 각 가속도와 각속도에 기초하여 신호를 분석하는 필터 시스템을 더 포함하고,
    상기 필터 시스템은 모션 입력으로서 기설정된 값보다 큰 각 가속도 및 각속도를 갖는 신호는 처리하고, 기설정된 값보다 작은 각 가속도 및 가속도를 갖는 신호는 차단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서와 통신하는 전역 위치 시스템(GPS) 수신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전역 위치 시스템 수신기(GPS)는 기준치를 초과하는 상기 감지된 모션에 대하여 위치 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 3각 측량법을 사용하여 상기 본체의 회전축에 대한 거리와 방향을 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 실시간으로 미분(differential) 데이터를 이용하여 중력에 의해 유발된 오차를 줄이는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 본체의 회전 전후에 상기 가속도계 데이터에 기초하여 중력에 의하여 유발된 계산 오차의 보정을 더 포함하는 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    저장된 실험적인 중력 보상값을 가산하거나 감산함으로써, 중력에 의하여 유발된 오차의 보정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 적어도 하나의 감도 축 상에서 움직임을 감지하도록 배치되는 적어도 하나의 가속도계를 구비하는 본체; 및
    적어도 하나의 가속도계로부터 수신된 상기 감지된 움직임을 명령어로 번역 하는 모션 입력 알고리즘과, 상기 명령을 처리하는 스텝 모션 알고리즘을 구비하는 컴퓨터 가독 캐리어
    를 포함하고,
    상기 스텝 모션 알고리즘은, 상기 모션 입력 알고리즘으로부터 명령을 실행하는 명령 지시와, 상기 명령이 실행된 후에 휴지(sleep) 명령을 상기 모션 입력 알고리즘으로 전송하는 전송 지시와, 기설정된 시간 경과 후에 상기 휴지 명령으로부터 상기 모션 감지 알고리즘을 재 활성화시키는 재활성 지시를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 슬립 통신 지시는 상기 모션 감지 알고리즘으로부터의 새로운 명령에 대한 실행을 일시적으로 차단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 휴지 명령은 상기 본체의 연속적인 움직임 사이에서 상기 모션 입력 알고리즘의 재조정하게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 재활성 지시는 초기 레퍼런스 포인트로서 상기 본체의 현재 변위에 대하여 모션 입력 명령을 보내는 것을 재개하기 위하여 상기 모션 감지 알고리즘으로 활성 명령을 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제21항에 있어서,
    모션 입력으로서 기설정된 최소값보다 작은 회전 반경에 대하여 신호를 분석하고, 기설정된 최대값보다 큰 회전 반경에 대하여 신호를 차단하는 지시를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 적어도 하나의 감도 축 상에서 움직임을 감지하도록 배치되고, 본체에 적어도 두 개의 가속도계를 탑재하는 단계;
    가속도계와 연결되어 가속도계 데이터로부터 감지된 모션 데이터를 수신하는 프로세서;
    상기 모션 데이터로부터 상기 본체의 모션을 산출하는 상기 프로세서; 및
    회전 반경 및 상기 모체의 회전축에 대한 방향을 산출하고, 기하학적 원리를 실시간 가속도계 데이터와 상기 가속도계의 고정 방향 및 위치에 적용하는 상기 프로세서 실행 지시를 포함하는 것을 특징으로 하는 본체의 움직임을 감지하는 방법.
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