[发明专利]用于在固定参照系中感测物体在空间中的取向的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及能够向电子设备发送命令的人机界面。更具体地，其提高了空中指向器的对光标在显示器上的移动进行控制的能力。显示器可以是计算机显示器、连接到机顶盒的电视屏幕、游戏控制台等等。空中指向器可以是3D鼠标、装备有运动传感器的智能电话或平板电脑、或者甚至是用户的装备有传感器/处理组件的手指或肢体。

背景技术

空中指向器在许多不同情形下都可以用作遥控器，并且可以具有多种功能。例如，视听装置(电视、盘的读取器/记录器、高保真系统)的遥控器可以用于从菜单中选定程序或选择功能。家用装置的遥控器可以用于指向装置以命令特定功能的执行。当空中指向器用作计算机遥控器时，指向器可以被编程为由计算机执行的应用程序的函数。在电子游戏界面中，取决于游戏，指向器可以模仿由用户操控的物体(高尔夫球杆、网球拍、保龄球、手枪等等)。空中指向器还可以为人机界面提供辅助或者用作旨在用于行动不便的人的遥控器：例如，空中指向器可以被固定于头部、眼镜、耳机或与头部的移动相关联的任何其它部分，以便帮助具有运动缺陷或者不能使用传统手持式鼠标的人。通常，空中指向器装备有允许对命令进行选择的按钮，或者空中指向器可以被编程为执行功能(或服务)。按钮还可以用于通过从一些特性特征中识别姿态和/或与特定姿态的数据库相匹配来在指向姿态期间将不同的指向器状态相关联。

指向器在空间中的移动包括旋转和平移。它们可以由各种类型的传感器来测量。例如，相机或图像传感器可以通过比较连续图像并使用几何变换来同时测量旋转和平移。替代地，磁力计、加速度计和/或陀螺测试仪的组合可以测量空中指向器围绕几个轴的平移和旋转。包括一个或多个相机以及几个磁力计、加速度计和/或陀螺仪传感器的组合的系统可以用于提高测量准确度和冗余度。

运动感测指向器的这些应用必须解决的普遍问题是考虑用户握持指向器的方式，特别是指向器在空间中的取向。如果指向器已经在用户的手中沿着其纵轴旋转并且在例如45°被握持，则指向器的水平或垂直运动将导致指向器正指向的屏幕上的对角运动。该现象被称为“倾斜”或扭转。因此，为了使指向器更加用户友好，应当对其进行校正。

用于解决该问题的第一种选择是提供机械单元，以使得当用户对指向器实施扭转运动时，传感器在屏幕的参照系中保持在大体上固定的位置中。因此，有可能提供以钟摆方式在指向器内移动的传感器或多个传感器，传感器的基座具有足够的惯性以大体上保持固定，尽管对指向器实施了扭转运动。这种设备由美国专利5,453,758公开。还有可能将所述传感器封装在由通过旋转轴连接到指向器的一对球体组成的稳定设备中，正如在船上或飞机上的罗盘中的情形。这种设备由美国专利5,440,326公开。用于补偿指向器扭转的这些机械设备的第一个缺点是它们受限于扭转角度和位移速率的受限的范围。第二个缺点是这些设备是笨重的。第三个缺点在于这些设备的机械惯性以及所诱导的水平对准中的延迟，因此阻碍了它们的实时指向应用。

用于补偿指向器的扭转的第二种选择在于通过使用嵌入在指向器上的传感器中的一些(尤其是加速度计)的测量值来计算扭转角度。所计算的扭转角度随后用于通过向所述测量值施加一个或多个旋转矩阵来对传感器的测量值执行从指向器的参照系到屏幕的参照系的变换，所述旋转矩阵的系数取决于所计算的扭转角度。这种过程尤其是由以下文件所公开：i)专利US 5,902,968，其中，主传感器是陀螺测试仪，并且用于计算扭转角度的传感器是加速度计，ii)专利申请US 2004/0075650，其中，主传感器是耦合到加速度计的相机，该组合允许倾斜校正，iii)专利申请US 2002/0140745，其中，主传感器是GPS接收机，并且倾斜校正传感器是一组加速度计，以及iv)专利US 7,158,118，其中，主传感器由一个或多个陀螺测试仪组成，并且倾斜校正传感器由一个或多个加速度计组成。只要通过使用三角函数计算来计算扭转角度，这些过程将具有提供含噪声且不准确的结果的缺点，所述三角函数计算不适合于优选用于低成本空中指向设备中的定点/小型存储处理器。

已经由被转让给本申请的受让人的美国专利8,010,313公开了校正倾斜的新方式。根据该发明，代替利用正则三角函数公式来计算倾斜角度，加速度计的测量值直接用于校正陀螺仪传感器的测量值。