[发明专利]一种基于惯性传感器的人机交互输入技术

说明书

技术领域

本发明涉及惯性传感器技术领域、人机交互技术领域。

背景技术

微电子学起源于上世纪五十年代初，科学家当时发明了人类史上的第一个晶体管。集成电路(IC)技术经过半个多世纪的迅猛发展，以及硅加工技术的不断改进使电子元器件体积变得越来越小，微机电系统(MEMS)作为惯性系统一个重要的分支得到了极大发展。微传感器，即所谓的微型传感器，基本上使用的都是体微机械加工技术和表面微机械加工技术。

人们常称的惯性传感器一般包括加速度计和陀螺仪。因此，通过微机电工艺制造出的惯性传感器就是人们熟知的MEMS惯性传感器。人们之所以称加速度计和陀螺仪为惯性传感器的主要原因是它们的主要工作原理符合牛顿第二定律和动量矩理论，这就是我们常说的惯性定理。

微加速度传感器的原理基于悬臂梁理论，即末端质量块(或移动结构)在惯性力的作用下产生位移。这样，动态装置可以简单地用质量弹簧阻尼器的二阶系统来描述。在市面上常见的MEMS加速度主要包括：电容式、压阻式、隧道电流式和谐振式。电容式加速度传感器的敏感元件为固定电极和可动电极之间的电容器；压阻式加速度计的敏感器件通常采用压敏电阻；压电式加速度传感器的敏感元件是压电材料；隧道电流式的工作原理是将加速度转换为相应质量块的相对位移，再将相对位移转换为隧道电流的变化，最后将检测出的电流变化量转化为加速度值；谐振式加速度计的工作原理是利用加速度改变加速度计的谐振频率，然后通过谐振频率的变化值计算出物体的加速度值。

陀螺仪又被称为角速率计，主要用来检测旋转物体的角速度。MEMS陀螺仪采用的主要原理是科力奥利力效应，市面上主流的MEMS陀螺仪基本都采用了该原理。而传统的陀螺仪利用的是角动量守恒定理，简单而言就是一个绕着一个固定轴不停旋转的物体，它的轴心存在着稳定性。在实际的MEMS陀螺仪中，通常通过电机驱动部分使驱动电路前后震荡产生谐振，然后通过传感部分来测量电容变化量，最后得到科里奥利力在感应支点上产生的位移。通过得到的位移可以得到与角速度成正比的模拟或数字信号。

MEMS传感器具有广泛地应用领域，它的应用领域主要分为工业生产、军事方面和消费级产品当中。MEMS惯性传感器在工业方面的应用主要在于汽车、航天、煤炭、和地震预测等方向。MEMS惯性传感器在军事方面的应用主要在于巡航导弹、航天飞机、航空母舰、坦克、自行火炮等装备系统以及个人单兵作战系统。MEMS惯性传感器在消费者产品方面的应用主要包括智能手机和平板电脑等。

人机交互技术(Human-Computer Interaction Techniques)是指通过输入和输出设备，以有效的方式实现用户与系统信息交换的技术。理想状态下，人机交互将不再需要依赖机器语言，在没有键盘、鼠标以及触摸屏等中间设备的情况下，实现人机随时随地自由交流，从而实现用户的物质世界和虚拟网络的最终融合。

人机交互的模式主要经历了5个重要的发展时期，每个时期都有对应的里程碑，分别是键盘、鼠标、触控技术、多媒体技术和虚拟现实技术。1868年美国人克里斯托夫·拉森·肖尔斯获打字机模型专利并取得经营权经营，设计出沿用至今的“QWERTY”键盘。计算机键盘的出现，将计算机带入了字符用户界面的时代，可将键盘称为第一代人机交互技术的里程碑。1960年美国人道格·恩格尔巴特发明了鼠标，1984年苹果公司推出Macintosh，用户可以随意点击屏幕的任何地方，有效地提升体验感受和数据处理的效率，可将鼠标称为第二代人机交互技术的里程碑。键盘与鼠标的交互方式，从PC时代一直延续到互联网时代，直到智能手机和多点触控技术的出现，为人机交互领域带来了新一轮变革，触控技术的发展使得人能够直接操纵用户界面，高效地辅助人与机之间进行信息交流，可将触控技术称为第三代人机交互的里程碑。第四代交互技术，人机交互的工具除了键盘和鼠标外，还包括话筒、摄像机及喇叭等多媒体输入输出设备，交互的内容也变得比较丰富，用户能以声、像、图、文等多种媒体信息与计算机进行信息交流，交互过程比较灵活。第五代人机交互技术，虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的，具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，从而产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。

发明内容

为了解决传统键盘鼠标体积较大不便携带、操作单一，本发明提出一种基于惯性传感器的人机交互输入技术。本发明分为键盘输入和鼠标输入两部分。