專利名稱：具有傾斜補(bǔ)償和改進(jìn)的可用性的自由空間定位裝置的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)與2004年4月30日遞交的題為“自由空間定位裝置”的第60/566,444號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)相關(guān)并要求其優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。本申請(qǐng)還與2004年9月23日遞交的題為“自由空間定位裝置和方法”的第60/612,571號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)相關(guān)并要求其優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。本申請(qǐng)還與2005年1月5日遞交的題為“自由空間定位裝置及其使用方法”的第60/641,410號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)相關(guān)并要求其優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的內(nèi)容并入本文作為參考。本申請(qǐng)還涉及與本申請(qǐng)同時(shí)遞交的題為“用于去除自由空間定位裝置的無(wú)意運(yùn)動(dòng)的方法和裝置”、“基于抖動(dòng)識(shí)別用戶的方法和裝置”、和“自由空間定位裝置和方法”的三個(gè)美國(guó)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)栁粗?，上述所有申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及手持定位裝置，尤其涉及自由空間定位裝置以及與其相關(guān)的傾斜補(bǔ)償和改進(jìn)的可用性技術(shù)。
在最近幾十年內(nèi)，與信息交換相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)得到快速發(fā)展。電視、蜂窩電話技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和光通信技術(shù)(僅例舉出幾個(gè))相結(jié)合，將消費(fèi)者淹沒(méi)在可用信息和娛樂(lè)選擇中。以電視為例，在最近三十年內(nèi)已經(jīng)引入了有線電視服務(wù)、衛(wèi)星電視服務(wù)、按次計(jì)費(fèi)電影和視頻點(diǎn)播。二十世紀(jì)六十年代的電視收看者通?？稍谄潆娨暀C(jī)上接收約4個(gè)或5個(gè)無(wú)線電視頻道，然而當(dāng)今的電視觀眾則有機(jī)會(huì)從數(shù)以百計(jì)、數(shù)以千計(jì)甚至可能數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的節(jié)目和信息頻道中進(jìn)行選擇。當(dāng)前主要用于旅館等的視頻點(diǎn)播技術(shù)提供了從數(shù)以千計(jì)的電影標(biāo)題中進(jìn)行家庭娛樂(lè)選擇的可能性。
為最終用戶提供如此大量信息和內(nèi)容的技術(shù)能力為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和服務(wù)提供商帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。一個(gè)挑戰(zhàn)是，雖然最終用戶通常更希望具有較多選擇而不是較少選擇，但是這通常會(huì)與其希望選擇過(guò)程又快速又簡(jiǎn)單相沖突。不幸的是，最終用戶訪問(wèn)媒體項(xiàng)目的系統(tǒng)和界面的開發(fā)導(dǎo)致選擇過(guò)程既不快速又不簡(jiǎn)單。再次以電視節(jié)目為例。當(dāng)電視在起步階段時(shí)，確定觀看哪個(gè)節(jié)目是相對(duì)簡(jiǎn)單的過(guò)程，這主要是由于選擇數(shù)目較小造成的。人們參考經(jīng)過(guò)編排的印制節(jié)目表，例如，具有顯示以下項(xiàng)目的對(duì)應(yīng)信息的行和列(1)附近的電視頻道，(2)這些頻道上傳輸?shù)墓?jié)目以及(3)日期和時(shí)間。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)諧鈕將電視調(diào)到期望的頻道，觀看者就能觀看選定的節(jié)目。然后，出現(xiàn)了遙控裝置，其使得觀看者能夠在較遠(yuǎn)距離外調(diào)諧電視頻道。這種對(duì)用戶電視界面的增加產(chǎn)生了被稱作“頻道沖浪(channel surfing)”的現(xiàn)象，從而觀看者能夠快速查看在多個(gè)頻道上播出的較短片斷，以快速地確定任何給定時(shí)間的可看節(jié)目。
雖然頻道數(shù)目和可看內(nèi)容的數(shù)量急劇增加，但是在最近30年間，用于電視的廣泛可用的用戶界面、控制裝置選項(xiàng)和框架并沒(méi)有明顯變化。印制節(jié)目表仍然是傳遞節(jié)目信息的最盛行方式。具有上下箭頭的多按鈕遙控器仍然是最盛行的頻道/內(nèi)容選擇方式。那些為增加電視用戶界面的媒體內(nèi)容選擇的設(shè)計(jì)及實(shí)施人員，對(duì)于此問(wèn)題的反應(yīng)是直接擴(kuò)充現(xiàn)有的選擇方式及接口對(duì)象。因此，增加印制節(jié)目表的行數(shù)來(lái)容納更多的頻道。增加遙控裝置上的按鈕數(shù)目來(lái)支持附加的功能和內(nèi)容操作，例如，如圖1所示。但是，這一方法顯著增加了觀看者查看可用信息所需的時(shí)間和執(zhí)行選擇所需動(dòng)作的復(fù)雜性。由此看來(lái)，現(xiàn)有接口復(fù)雜的特性妨礙了某些服務(wù)的商業(yè)實(shí)施，比如說(shuō)視頻點(diǎn)播。消費(fèi)者會(huì)抵觸新的服務(wù)因?yàn)槟菢訉?huì)使接口(消費(fèi)者認(rèn)為這些接口已經(jīng)過(guò)于緩慢和復(fù)雜)更加復(fù)雜。
除了帶寬和內(nèi)容的增加之外，用戶界面瓶頸問(wèn)題還由于技術(shù)的集合而得以加劇。消費(fèi)者更傾向于選擇購(gòu)買集成系統(tǒng)而不是多個(gè)可分離的組件。這一趨勢(shì)的一個(gè)示例是電視/VCR/DVD的組合，三個(gè)之前獨(dú)立的組件在當(dāng)今經(jīng)常作為一個(gè)集成單元出售。這一趨勢(shì)可能會(huì)繼續(xù)，其最終結(jié)果可能是，當(dāng)今家庭中具有的大多數(shù)(如果不是所有的話)通信設(shè)備將被包裝到一起作為集成單元，例如，電視VCR/DVD/互聯(lián)網(wǎng)接入/收音機(jī)/立體音響單元。即使那些繼續(xù)購(gòu)買單獨(dú)組件的人們也可能希望得到對(duì)于單獨(dú)組件的無(wú)縫控制及其之間的相互配合。上述集合的增加可能使用戶界面的復(fù)雜性進(jìn)一步增加。例如，當(dāng)引入所謂的“通用”遙控單元以例如結(jié)合電視遙控單元和VCR遙控單元的功能時(shí)，這些通用遙控單元上的按鈕數(shù)目通常大于單獨(dú)的電視遙控單元或者單獨(dú)的VCR遙控單元上的按鈕數(shù)目。按鈕數(shù)目和功能的增加使得如果沒(méi)有正確搜尋遙控器上的適當(dāng)按鈕的話將很難控制除了電視或VCR的最簡(jiǎn)單方面之外的任何事。通常，這些通用遙控并沒(méi)有提供足夠的按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)多層控制或某些電視機(jī)的特定功能。在這種情況下，由于集合的復(fù)雜造成的用戶接口問(wèn)題，還需要使用原遙控單元，并無(wú)法減少原本使用多個(gè)遙控的麻煩。為了解決此問(wèn)題，有些遙控單元增加了能夠用專用命令編程的“軟”按鈕。有時(shí)這些軟按鈕會(huì)附帶LCD顯示屏以指示軟按鈕的功能。這些遙控單元的缺陷是如果不把視線從電視轉(zhuǎn)到遙控器將很難進(jìn)行遙控。這些遙控單元的另一項(xiàng)缺陷表現(xiàn)在這些遙控以“模式”的方法來(lái)減少按鈕數(shù)量。在這些“模式”通用遙控單元上，存在特定的按鈕以選擇遙控與電視機(jī)、DVD機(jī)、有線電視機(jī)頂盒、VCR還是其他裝置通信。這造成了很多使用問(wèn)題，包括，把命令傳送給錯(cuò)誤的裝置，使用戶不得不看著遙控以確保處于正確模式，還有它本身并沒(méi)對(duì)多裝置集合一體的遙控進(jìn)行任何簡(jiǎn)化。最先進(jìn)的通用遙控單元通過(guò)允許用戶將多種裝置的命令序列編程設(shè)置到遙控單元而實(shí)現(xiàn)一定的集成。但是，這是一項(xiàng)困難的工作，很多用戶雇請(qǐng)專業(yè)安裝人員來(lái)設(shè)置他們的通用遙控單元。
也進(jìn)行了一些嘗試來(lái)改進(jìn)終端用戶與媒體系統(tǒng)之間的屏幕界面。但是，除了其它缺點(diǎn)之外，這些嘗試一般都無(wú)法在較大的媒體項(xiàng)目集合與較小媒體項(xiàng)目集合之間容易地調(diào)節(jié)(scale)。例如，基于項(xiàng)目列表的界面適用于小媒體項(xiàng)目集合，但要閱覽大的媒體項(xiàng)目集合時(shí)則變得乏味冗長(zhǎng)。而基于分級(jí)導(dǎo)航(樹型結(jié)構(gòu))的界面與列表界面相比，能夠更快地遍歷大的媒體項(xiàng)目集合，但并不適用于小媒體項(xiàng)目集合。此外，當(dāng)選擇的過(guò)程需要穿過(guò)樹型結(jié)構(gòu)的三層或三層以上時(shí)，用戶會(huì)對(duì)選擇過(guò)程失去興趣。對(duì)于所有上述例子，現(xiàn)在的遙控單元使用戶不得不反復(fù)的按上下按鈕來(lái)操作列表或分級(jí)導(dǎo)航，使得選擇過(guò)程更加的乏味冗長(zhǎng)。盡管提供了跳躍控制如上一頁(yè)，下一頁(yè)，用戶一般要看著遙控單元或經(jīng)過(guò)訓(xùn)練才知道它們的存在。因此，于2004年1月30日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?0/768,432，名稱為“帶有用于組織、選擇、啟動(dòng)媒體項(xiàng)目的可縮放圖形用戶接口的控制框架”的申請(qǐng)?zhí)岢隽诉@樣一種組織框架、技術(shù)和系統(tǒng)，其能夠簡(jiǎn)化用戶和媒體系統(tǒng)之間的控制及屏幕界面并加快選擇過(guò)程，同時(shí)允許服務(wù)提供商利用終端用戶裝置的可用帶寬的增長(zhǎng)來(lái)促進(jìn)為用戶提供大量的媒體項(xiàng)目和新服務(wù)。其公開的內(nèi)容通過(guò)引用并入本申請(qǐng)。
本申請(qǐng)說(shuō)明書特別關(guān)注的是可用來(lái)與上述框架以及其它應(yīng)用和系統(tǒng)進(jìn)行交互的遙控裝置。如以上并入本文的申請(qǐng)所提及，可以在該框架下使用不同類型的遙控裝置，比如跟蹤球(trackball)，“鼠標(biāo)”類型的定位裝置，光筆等。但是，可以在該框架(以及其他應(yīng)用)下使用的另一種遙控裝置是自由空間定位裝置。短語(yǔ)“自由空間定位”在本說(shuō)明書中代表輸入裝置在例如顯示屏前的三維(或更多維)空間進(jìn)行移動(dòng)的能力，以及相應(yīng)地用戶界面把那些動(dòng)作直接轉(zhuǎn)換成用戶界面命令(例如，光標(biāo)在顯示屏的移動(dòng))的能力。自由空間定位裝置的數(shù)據(jù)傳遞可以無(wú)線地實(shí)現(xiàn)、或通過(guò)將自由空間定位裝置與其它裝置連接的有線來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，“自由空間定位”不同于例如需要使用平面(例如，桌面或鼠標(biāo)墊，該平面用作代理平面，鼠標(biāo)在其上的移動(dòng)被轉(zhuǎn)換為電腦顯示屏上的光標(biāo)移動(dòng))的常規(guī)電腦鼠標(biāo)定位技術(shù)。這樣的自由空間定位裝置的實(shí)例可以從美國(guó)專利5,440,326里找到。
在美國(guó)專利5,440,326專利中描述了將垂直的陀螺儀改裝用來(lái)控制計(jì)算機(jī)顯示屏上光標(biāo)的位置的定位裝置。位于該陀螺儀核心處的電機(jī)通過(guò)兩對(duì)垂直的萬(wàn)向接頭而懸掛于手持控制器裝置，并標(biāo)稱地通過(guò)懸垂裝置使該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸垂直。當(dāng)用戶在操作控制器時(shí)電光桿角編碼器感測(cè)手持控制器的方位，并且得到的電子輸出被轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可用的形式以控制電腦顯示屏上光標(biāo)的移動(dòng)。
但是，自由空間定位的相應(yīng)的自由度引出了新的挑戰(zhàn)。比如，總的來(lái)說(shuō)并沒(méi)有一個(gè)代理平面來(lái)放置自由空間定位裝置，控制裝置的方位會(huì)因使用人的不同(甚至每次使用)而明顯不同。如果一種自由空間定位裝置用來(lái)例如控制在屏幕上顯示的光標(biāo)的移動(dòng)，那么需要在探測(cè)到的手持裝置的移動(dòng)和屏幕上光標(biāo)的移動(dòng)之間執(zhí)行某種映射。
一種執(zhí)行這種映射的方法是，將裝置的本體系作為用于把探測(cè)到的自由空間定位裝置的移動(dòng)映射為光標(biāo)的期望移動(dòng)的參考系。術(shù)語(yǔ)“本體系”是指與移動(dòng)的對(duì)象的本體相關(guān)一組軸，下文將會(huì)詳細(xì)描述。但是用作為參考的本體系來(lái)映射也有它的缺點(diǎn)。例如，它需要用戶以特定方位來(lái)持握裝置以得到他/她想要的光標(biāo)移動(dòng)。當(dāng)用戶橫著拿裝置，并左右移動(dòng)它，屏幕上的光標(biāo)會(huì)上下而不是左右移動(dòng)。
因此，本發(fā)明將會(huì)描述以這樣一種方式來(lái)處理從傳感器接收的數(shù)據(jù)的方法和裝置，其能夠解決常規(guī)自由空間定位裝置所面對(duì)的這樣和那樣的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，描述了一種自由空間定位裝置，通過(guò)將感測(cè)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從第一參考系(例如，自由空間定位裝置的本體)轉(zhuǎn)換到第二參考系(例如，用戶參考系)來(lái)提高其可用性。本發(fā)明示例性的實(shí)施方式去除了與使用者持握自由空間定位裝置的傾斜方位相關(guān)的影響。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案，一種手持定位裝置，包括第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，用于確定所述定位裝置關(guān)于第一軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)并生成與其相關(guān)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)輸出；第二轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，用于確定所述定位裝置關(guān)于第二軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)并生成與其相關(guān)的第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出；加速度計(jì)，用于確定所述定位裝置的加速度并輸出與其相關(guān)的加速度輸出；以及處理單元，接收所述第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出以及所述加速度輸出，并用于(a)將所述第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出以及所述加速度輸出從與所述手持定位裝置相關(guān)的本體參考系轉(zhuǎn)換到用戶參考系，從而去除與使用者持握所述手持定位裝置方式相關(guān)的傾斜影響；以及(b)確定與X和Y坐標(biāo)相關(guān)并因此與屏幕光標(biāo)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)基于所述轉(zhuǎn)換后的第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出以及所述轉(zhuǎn)換后的加速度輸出，其中所述轉(zhuǎn)換步驟使得所述屏幕光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)與用戶持握所述手持裝置的方位基本無(wú)關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，一種使用自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟檢測(cè)所述自由空間定位裝置的運(yùn)動(dòng)；通過(guò)將所述檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)從與所述自由空間定位裝置相關(guān)的本體參考系轉(zhuǎn)換到慣性參考系，而對(duì)所述檢測(cè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方案，一種自由空間手持裝置，包括至少一個(gè)傳感器，檢測(cè)所述自由空間定位裝置的運(yùn)動(dòng)；以及處理單元，通過(guò)將所述檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)從與所述自由空間定位裝置相關(guān)的本體參考系轉(zhuǎn)換到慣性參考系，而對(duì)所述檢測(cè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。


附圖描述了本發(fā)明的示例性的實(shí)施方式，其中圖1顯示了娛樂(lè)系統(tǒng)的常規(guī)遙控單元；圖2顯示了本發(fā)明可實(shí)施的示例性實(shí)施方式的一種示例性的媒體系統(tǒng)；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的自由空間定位裝置；圖4顯示了自由空間定位裝置的剖面圖，包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器及一個(gè)加速器；圖5是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的、用于處理與自由空間定位裝置有關(guān)的數(shù)據(jù)的方框圖；圖6(a)-6(d)顯示了傾斜的影響；圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的自由空間定位裝置的硬件結(jié)構(gòu)；圖8是說(shuō)明本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的靜態(tài)檢測(cè)機(jī)制的狀態(tài)圖；圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的、將檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)由第一坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為第二坐標(biāo)系的方框圖；以及圖10用圖表的方式示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的、將檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)由第一坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為第二坐標(biāo)系的過(guò)程。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。相同的附圖標(biāo)記在不同的附圖里表示同樣或相似的元件。應(yīng)當(dāng)理解，下面詳細(xì)的描述不是對(duì)本發(fā)明的限制。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書來(lái)限定。
為了為以下討論提供一些背景，先參考圖2描述本發(fā)明可實(shí)施的一個(gè)示例性的集合媒體系統(tǒng)200。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明并不局限于這類媒體系統(tǒng)的實(shí)施，而是可以在其中添加或減少部件。其中，輸入/輸出(I/O)總線210將媒體系統(tǒng)200的各系統(tǒng)部件連接到一起。I/O總線210代表用于對(duì)媒體系統(tǒng)部件間的信號(hào)進(jìn)行路由的多種不同機(jī)制和技術(shù)中的一種。例如，I/O總線210可以包括適當(dāng)數(shù)量的，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行路由的獨(dú)立音頻“插接(patch)”電纜，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行路由的同軸線纜，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行路由的雙線式串行線或者紅外或射頻收發(fā)器，以及對(duì)其他類型的信號(hào)進(jìn)行路由的光纖或任何其他路由機(jī)制。
在該示例性的實(shí)施方式中，媒體系統(tǒng)200包括連接到I/O總線210的電視機(jī)/顯示屏212、盒式磁帶錄象機(jī)(VCR)214、數(shù)據(jù)視頻碟(DVD)錄制/重放裝置216、音頻/視頻調(diào)諧器218和壓縮光盤播放器220。VCR214、DVD 216和壓縮光盤播放器220可為單碟或單磁帶裝置，或多碟或多磁帶裝置。他們可以視為獨(dú)立的單元也可以是集成一體的。另外，媒體系統(tǒng)200包括麥克風(fēng)/揚(yáng)聲器系統(tǒng)222、攝影機(jī)224和無(wú)線I/O控制裝置226。根據(jù)本發(fā)明示例性的實(shí)施方式，無(wú)線I/O控制裝置226為自由空間定位裝置，其相關(guān)的示例性的具體實(shí)施方式

將在下文描述。無(wú)線I/O控制裝置226可通過(guò)紅外線(IR)或射頻(RF)發(fā)射器或收發(fā)器與娛樂(lè)系統(tǒng)200進(jìn)行通信。作為一種選擇，I/O控制裝置經(jīng)由電線連接到娛樂(lè)系統(tǒng)200。
娛樂(lè)系統(tǒng)200還包括系統(tǒng)控制器228。根據(jù)本發(fā)明示例性的實(shí)施方式，系統(tǒng)控制器228操作以儲(chǔ)存并顯示來(lái)自多個(gè)娛樂(lè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)源的可用娛樂(lè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并控制與各系統(tǒng)部件有關(guān)的大量功能。如圖2顯示，系統(tǒng)控制器228通過(guò)I/O總線210直接或間接地連接各個(gè)系統(tǒng)部件(如果需要)。在一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，除了I/O總線210外(或者作為替代)，系統(tǒng)控制器228還裝備有無(wú)線通信發(fā)射器(或收發(fā)器)，其能夠通過(guò)IR信號(hào)或RF信號(hào)與系統(tǒng)部件進(jìn)行通信。不管采用何種控制媒體，系統(tǒng)控制器228被配置為通過(guò)如下描述的圖形用戶界面來(lái)控制對(duì)媒體系統(tǒng)200的媒體部件。
如圖2進(jìn)一步所示，媒體系統(tǒng)200可配置為接收來(lái)自不同的媒體源和服務(wù)提供商的媒體項(xiàng)目。在本示例性的實(shí)施方式中，媒體系統(tǒng)200從以下來(lái)源之一或全部接收媒體輸入，以及可選地向以下來(lái)源之一或全部發(fā)送信息有線廣播230，衛(wèi)星廣播232(例如，通過(guò)圓盤式衛(wèi)星電視天線)，甚高頻(VHF)或超高頻(UHF)無(wú)線電頻率通信(比如，通過(guò)天線)的廣播電視網(wǎng)絡(luò)234，電話網(wǎng)236和有線調(diào)制調(diào)解器238(或其他網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的來(lái)源)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些參考圖2說(shuō)明和描述的媒體部件和媒體來(lái)源僅為舉例的作用，媒體系統(tǒng)200可以包括更多或更少的媒體部件和媒體來(lái)源。比如，系統(tǒng)的其他輸入種類包括AM/FM收音機(jī)和衛(wèi)星收音機(jī)。
關(guān)于這個(gè)示例性的娛樂(lè)系統(tǒng)及其相關(guān)的框架的更多細(xì)節(jié)可以從上面提到的、并通過(guò)引用并入本文的美國(guó)發(fā)明申請(qǐng)“帶有用于組織、選擇、啟動(dòng)媒體項(xiàng)目的可縮放圖形用戶接口的控制框架”中看出。或者，本發(fā)明的遙控裝置可以結(jié)合其他系統(tǒng)使用，比如，包括例如顯示器、處理器和存儲(chǔ)系統(tǒng)或其他系統(tǒng)和應(yīng)用程序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
如
背景技術(shù)：
中已經(jīng)提到的，本說(shuō)明書特別關(guān)注可以作為自由空間定位的遙控裝置。這些裝置可以將手勢(shì)類動(dòng)作為轉(zhuǎn)換為對(duì)用戶界面發(fā)出的命令。圖3描述了一個(gè)示例性的自由空間定位裝置400。其中自由空間定位的用戶動(dòng)作可以被定義為自由空間定位裝置400在x-軸高度(滾動(dòng))，y-軸仰角(斜度)和/或z-軸去向(偏航)或其結(jié)合上的運(yùn)動(dòng)。另外，本發(fā)明的一些示例性實(shí)施方式還可以測(cè)量自由空間定位裝置400沿x軸、y軸和z軸上的平移運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生光標(biāo)的移動(dòng)或其他用戶界面的命令。在圖3中的示例性實(shí)施方式中，自由空間定位裝置400包括兩個(gè)按鈕402和404以及滾輪406(其他的示例性實(shí)施方式可以包括其他的物理設(shè)置)。根據(jù)本發(fā)明示例性的實(shí)施方式，可以預(yù)料，使用者將在顯示器408前持握自由空間定位裝置400，并且自由空間定位裝置400將其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為可用來(lái)與顯示在顯示器408上的信息相互作用的輸出(例如在顯示器408上移動(dòng)光標(biāo)410)。例如，自由空間定位裝置400感測(cè)其關(guān)于y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可用的輸出，以沿顯示器408的y2軸移動(dòng)光標(biāo)410。同理，自由空間定位裝置400感測(cè)其關(guān)于z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可用的輸出，以沿著顯示器408的x2軸移動(dòng)光標(biāo)410?？梢岳斫猓艘苿?dòng)光標(biāo)以外(或者作為替代)，自由空間定位裝置400的輸出還可以其他方法與顯示器408進(jìn)行交互，比如自由空間定位裝置可以控制光標(biāo)亮度強(qiáng)弱、音量或媒體的傳遞(播放、暫定、快進(jìn)、倒回)。除光標(biāo)移動(dòng)外，輸入命令可以包括例如對(duì)顯示器的特定區(qū)域進(jìn)行縮放的操作。光標(biāo)可以是可見(jiàn)或不可見(jiàn)的。同樣，自由空間定位裝置400感測(cè)到的其沿x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可被作為y軸和/或z軸以外(或附加于y軸和/或z軸)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以提供用戶界面的輸入。
根據(jù)本發(fā)明示例性的一個(gè)實(shí)施方式，如圖4所示，自由空間定位裝置400采用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502及504和一個(gè)加速度計(jì)506作為傳感器。轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504可以例如使用由模擬器件制造的ADXRS150傳感器或ADXRS401傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，其他類型的轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器也可以作為傳感器502和504使用，所提ADXRS150和ADXRS401只是為了用來(lái)說(shuō)明的實(shí)施例。不同于傳統(tǒng)的陀螺儀，ADXRS150轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器使用微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，提供附在框架上的共振物質(zhì)，以使其只能沿一個(gè)方向共振。當(dāng)附著有傳感器的本體沿傳感器的感測(cè)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該共振物質(zhì)將會(huì)移位?？梢酝ㄟ^(guò)科里奧利(Coriolis)加速度效應(yīng)來(lái)測(cè)量出該移位，以確定與沿感測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的角速度。如果轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504有一個(gè)感測(cè)軸線(如ADXRS150一樣)，那么他們將被安裝在自由空間定位裝置400上使得他們的感測(cè)軸與待測(cè)的旋轉(zhuǎn)對(duì)齊。在本發(fā)明的示例性的實(shí)施方式中，這就意味著轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器504被安裝以使其感測(cè)軸線與y軸平行，轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502被安裝以使其感測(cè)軸線與z軸平行，如圖4所示。但是，應(yīng)當(dāng)注意，由于本發(fā)明示例性的實(shí)施方式中提供了用于對(duì)軸線間偏移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，所與并不是必須要求轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504的感測(cè)軸線與其期望的測(cè)量軸線平行。
根據(jù)本發(fā)明的示例性的自由空間定位裝置400的實(shí)施所面臨的挑戰(zhàn)是，使用不太貴的部件(比如，轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504)，但同時(shí)又要提供自由空間定位裝置400的運(yùn)動(dòng)、用戶期望用戶界面對(duì)自由空間定位裝置的特定動(dòng)作做出何種反應(yīng)、以及響應(yīng)于該動(dòng)作的實(shí)際用戶界面執(zhí)行之間的高度相關(guān)性。例如，如果自由空間定位裝置400沒(méi)有移動(dòng)，用戶將會(huì)認(rèn)為光標(biāo)不應(yīng)該在顯示屏上飄移。同樣，如果用戶只沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由空間定位裝置400，他/她將不期望看見(jiàn)在顯示器408上的光標(biāo)移動(dòng)有任何明顯的x2軸分量。為實(shí)現(xiàn)這些及其他本發(fā)明示例性的實(shí)施方式，手持裝置400將執(zhí)行各種測(cè)量和計(jì)算，這些測(cè)量和計(jì)算被用來(lái)調(diào)整傳感器502，504和506中的一個(gè)或多個(gè)的輸出，和/或作為處理器的輸入的一部分根據(jù)傳感器502，504和506的輸出來(lái)確定用戶界面的適當(dāng)?shù)妮敵觥＿@些測(cè)量和計(jì)算是用來(lái)補(bǔ)償以下兩種因素的(1)自由空間定位裝置400的固有因素，例如，與裝置400中使用的特定傳感器502，504和506相關(guān)的誤差，或者與傳感器在裝置400中安裝方式相關(guān)的誤差，以及(2)自由空間定位裝置400的非固有因素，即與用戶使用自由空間定位裝置400的方式相關(guān)的因素，例如，線性加速度、傾斜和抖動(dòng)。下面將描述用于處理上述各因素的示例性技術(shù)。
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的處理模型600，其描述了自由空間定位裝置的常規(guī)操作。轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504以及加速度計(jì)506產(chǎn)生模擬信號(hào)，這些模擬信號(hào)將被周期性(例如，200采樣/秒)地采樣。為了便于討論，通過(guò)符號(hào)(x，y，x，αy，αz)來(lái)表示一組這樣的輸入，其中，x，y，z是示例性的三軸加速度計(jì)506的采樣輸出值(分別與自由空間定位裝置在x軸，y軸和z軸方向的加速度相關(guān))，αy是來(lái)自轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502的、與自由空間定位裝置關(guān)于y軸轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的采樣輸出值，αz是來(lái)自轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器504的、與自由空間定位裝置400關(guān)于z軸轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的采樣輸出值。
提供了加速度計(jì)506的輸出。如果加速度計(jì)506提供的是模擬輸出，則通過(guò)模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器(未示出)將該輸出采樣并數(shù)字化以產(chǎn)生采樣的加速度計(jì)輸出602。如轉(zhuǎn)換功能模塊604所示，將采樣的輸出值從原始單位轉(zhuǎn)換為加速度單位，例如，重力(g)。加速度校準(zhǔn)模塊606提供轉(zhuǎn)換功能模塊604所用數(shù)值。對(duì)加速度計(jì)輸出602的校準(zhǔn)例如包括，對(duì)與加速度計(jì)506相關(guān)的標(biāo)度、偏移和軸偏誤差中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行補(bǔ)償。使用以下的公式來(lái)執(zhí)行對(duì)于加速度計(jì)數(shù)據(jù)的示例性的轉(zhuǎn)換A＝S*((M-P).*G(T))(1)其中M為由采樣的輸出值(x，y，z)組成的3×l的列向量，其中，P是3×1的傳感器偏移列向量，S是包括標(biāo)度、軸偏、以及傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)?×3的矩陣。G(T)是增益系數(shù)，其為溫度的函數(shù)。操作符“*”代表矩陣的相乘，操作符“.*”代表元素相乘。示例性的加速度計(jì)506具有示例的全部范圍+/-2g。當(dāng)加速度計(jì)的測(cè)量值為0g時(shí)，傳感器偏移P就是傳感器輸出M。標(biāo)度是指采樣的單位值與g之間的轉(zhuǎn)換因數(shù)。由于例如制造差異的原因，任何給定加速度計(jì)傳感器的實(shí)際標(biāo)度可能會(huì)偏離那些標(biāo)稱的標(biāo)度值。因此上述公式中的標(biāo)度因數(shù)與該偏離成比例。
加速度計(jì)506的標(biāo)度和偏移的偏離可以通過(guò)如下方式測(cè)量，例如，沿一個(gè)軸施加1g的力并得到測(cè)量結(jié)果R1。然后，施加一個(gè)-1g的力并得到測(cè)量結(jié)果R2。通過(guò)以下的公式可以算出單軸的標(biāo)度s和單軸的偏移pS=(R1-R2)2---(2)]]>P=(R1+R2)2---(3)]]>在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，P是由每個(gè)軸的p組成的列向量，S是由每個(gè)軸的1/s組成的對(duì)角矩陣。
但是，除標(biāo)度和偏移外，加速度計(jì)506生成的讀出值也可能受到交叉軸(cross-axes)的影響。交叉軸影響包括未對(duì)齊軸(例如，當(dāng)將加速度計(jì)506安裝在自由空間定位裝置400中時(shí)，加速度計(jì)506的一個(gè)或多個(gè)感測(cè)軸與相應(yīng)的參考慣性系中的軸未對(duì)齊)或與加速度計(jì)506本身的加工相關(guān)的機(jī)械誤差(例如，即使軸對(duì)齊了，但是單純的y軸加速度力有可能造成傳感器沿加速度計(jì)506的z軸的讀數(shù))。這兩種影響都可以測(cè)量并加入到功能模塊606執(zhí)行的校準(zhǔn)中。
加速度計(jì)506在根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的示例性自由空間定位裝置中起到多個(gè)作用。例如，如果使用如上所述的示例性科里奧利效應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504，則轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504的輸出將基于每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器所經(jīng)歷的線性加速度而變化。因此，加速度計(jì)506的一個(gè)示例性用途在于對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504產(chǎn)生的讀數(shù)的波動(dòng)(其由線性加速度的變化而引起)進(jìn)行補(bǔ)償。這可通過(guò)以下運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)增益矩陣610變換的加速度計(jì)讀數(shù)進(jìn)行乘法操作，然后用相應(yīng)的采樣轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)612減去上述結(jié)果或者將上述結(jié)果與相應(yīng)的采樣轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)612相加。例如，來(lái)自轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502的采樣轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)αy可在模塊614處根據(jù)如下公式被線性加速度補(bǔ)償αy′＝αy-C*A (4)其中，C是由對(duì)于沿每個(gè)軸線的線性加速度的、以/g為單位的轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器敏感度構(gòu)成的1×3的行向量，而A是經(jīng)校準(zhǔn)的線性加速度。類似地，還可在模塊614處對(duì)來(lái)自于轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器504的采樣轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)αz的線性加速度進(jìn)行補(bǔ)償。增益矩陣C由于制造差別而根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器變化?？墒褂枚鄠€(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器的平均值來(lái)計(jì)算C，或者可為每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器定制C。
如加速度計(jì)數(shù)據(jù)一樣，然后在功能模塊616處將采樣轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)612從采樣單位值變換為與角轉(zhuǎn)動(dòng)速率相關(guān)的值，例如弧度/秒。這一變換步驟也可包括由功能模塊618提供的校準(zhǔn)，以向采樣轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)補(bǔ)償例如標(biāo)度和偏移。例如，可使用以下公式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)αy和αz的變換/校準(zhǔn)αrad/s＝(α′-offset(T))*scale+dOffset (5)其中，α′表示被變換/校準(zhǔn)的值，offset(T)表示與溫度相關(guān)的偏移值，scale表示采樣單位值與rad/s(弧度/秒)之間的變換因數(shù)，dOffset表示動(dòng)態(tài)偏移值。公式(5)可實(shí)現(xiàn)為矩陣方程，這種情況下除了scale之外所有變量都是向量。在矩陣方程形式中，scale修正軸線失準(zhǔn)和轉(zhuǎn)動(dòng)偏移因數(shù)。下面將更詳細(xì)討論這些變量中的每一個(gè)。
偏移值offset(T)和dOffset可通過(guò)多種方式來(lái)確定。例如，當(dāng)自由空間定位裝置400沒(méi)有在y軸方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，則傳感器502應(yīng)該輸出其偏移值。然而，偏移可能很大程度上受到溫度的影響，從而使得該偏移值發(fā)生變化。偏移溫度校準(zhǔn)可在工廠中執(zhí)行，這種情況下值offset(T)的值被編程到手持裝置400中，或者作為一種選擇，偏移溫度校準(zhǔn)也可在該裝置的使用期限中動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的偏移補(bǔ)償，在轉(zhuǎn)動(dòng)校準(zhǔn)功能模塊618中使用來(lái)自溫度傳感器619的輸入，以計(jì)算offset(T)的當(dāng)前值。offset(T)系數(shù)從傳感器讀數(shù)中去除了大部分偏移傾向(bias)。然而，取消(negate)幾乎所有的光標(biāo)漂移的零運(yùn)動(dòng)(zeromovement)，有利于形成高性能的定位裝置。因此，當(dāng)自由空間定位裝置400在使用時(shí)，可動(dòng)態(tài)計(jì)算另外的因數(shù)dOffset。靜態(tài)檢測(cè)功能模塊608確定手持裝置何時(shí)最可能為靜態(tài)以及何時(shí)應(yīng)該計(jì)算偏移。執(zhí)行靜態(tài)檢測(cè)功能模塊608的示例性技術(shù)及其其他用途如下所述。
dOffset計(jì)算的一種示例性實(shí)現(xiàn)采用經(jīng)過(guò)低通濾波的、校準(zhǔn)的傳感器輸出。靜態(tài)輸出檢測(cè)功能模塊608向轉(zhuǎn)動(dòng)校準(zhǔn)功能模塊618提供指示(indication)，以觸發(fā)對(duì)例如低通濾波器輸出的平均值的計(jì)算。靜態(tài)輸出檢測(cè)功能模塊608也可控制何時(shí)將最新計(jì)算的平均值計(jì)算在dOffset的現(xiàn)有值內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可使用多種不同技術(shù)從dOffset的現(xiàn)有值和新的平均值(包括但不限于簡(jiǎn)單平均、低通濾波和卡爾曼濾波)計(jì)算dOffset的新值。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可使用轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504的偏移補(bǔ)償?shù)亩喾N變化。例如，offset(T)函數(shù)可具有恒定值(例如，不隨溫度變化)，可使用兩個(gè)以上偏移補(bǔ)償值，和/或可計(jì)算/使用單個(gè)的偏移值用于偏移補(bǔ)償。
在模塊616處進(jìn)行了變換/校準(zhǔn)之后，來(lái)自轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504的輸入可在功能模塊620處被進(jìn)一步處理，以將這些輸入轉(zhuǎn)動(dòng)到慣性系中，從而對(duì)與用戶握持自由空間定位裝置400的方式相關(guān)的傾斜進(jìn)行補(bǔ)償。傾斜修正是本發(fā)明的一些示例性實(shí)施方案的另一個(gè)顯著的方面，其旨在補(bǔ)償根據(jù)本發(fā)明的自由空間定位裝置的使用模式(usagepattern)的差別。更具體地，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的傾斜修正旨在對(duì)以下事實(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，即，用戶以不同的x軸轉(zhuǎn)動(dòng)位置在其手中持有定位裝置，但是自由空間定位裝置400中的轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504的傳感軸線卻是固定的。理想的情況是，光標(biāo)在顯示器408上的平移基本與用戶抓握自由空間定位裝置400的方式無(wú)關(guān)，例如，以通常對(duì)應(yīng)于顯示器508的水平維度(x2軸)的方式前后轉(zhuǎn)動(dòng)自由空間定位裝置400應(yīng)該導(dǎo)致光標(biāo)沿x2軸平移，以通常對(duì)應(yīng)于顯示器508的垂直維度(y2軸)的方式上下轉(zhuǎn)動(dòng)自由空間定位裝置400應(yīng)該導(dǎo)致光標(biāo)沿y2軸平移，而與用戶持有自由空間定位裝置400的方位無(wú)關(guān)。
為了更好地理解根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的傾斜補(bǔ)償?shù)谋匾?，考慮如圖6(a)所示的實(shí)施例。其中，用戶在示例性慣性系中持有自由空間定位裝置400，所述慣性系可定義為具有0度的x軸轉(zhuǎn)動(dòng)值，例如在慣性系中，自由空間定位裝置的底部與房屋的地板(例如，電視放置于其上)基本平行。慣性系可與如圖6(a)所示的方位相對(duì)應(yīng)(僅作為實(shí)施例)，或者可定義為任何其他方位。自由空間定位裝置400在y軸或z軸方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)將分別由轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504檢測(cè)。例如，如圖6(b)所示，自由空間定位裝置400繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)Δz將使光標(biāo)在顯示器408的x2軸線維度上相應(yīng)平移Δx2(即，光標(biāo)410的虛線部分與實(shí)線部分之間的距離)。
另一方面，如果用戶以不同方位(例如，相對(duì)于慣性系具有一定量的x軸轉(zhuǎn)動(dòng))握持自由空間定位裝置400，則傳感器502和504提供的信息將不會(huì)(缺少傾斜補(bǔ)償)對(duì)用戶的故意界面動(dòng)作提供準(zhǔn)確的表述。例如，參照?qǐng)D6(c)，考慮用戶以相對(duì)于如圖6(a)所示的示例性慣性系具有45度的x軸轉(zhuǎn)動(dòng)而持有自由空間定位裝置400的情況。如圖6(b)所示，假設(shè)用戶將自由空間定位裝置400同時(shí)繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)Δz，則光標(biāo)410將變?yōu)樵趚2軸方向上和y2軸方向上平移，如圖6(d)所示，這是由于轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502的傳感軸線的方位正處于y軸與z軸之間(因?yàn)槲挥谟脩羰种械难b置的方位而導(dǎo)致)。類似地，轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器504的傳感軸線的方位也在y軸與z軸之間(雖然在不同象限)。為了向用戶提供在如何持有自由空間定位裝置400方面透明的界面，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的傾斜補(bǔ)償將傳感器502和504的讀數(shù)輸出轉(zhuǎn)換回慣性系中，作為將這些傳感器的讀數(shù)處理為表示自由空間定位裝置400的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的信息的一部分處理。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，回到圖5，上述處理可通過(guò)在功能模塊622處使用從加速度計(jì)506接收的輸入y和z確定自由空間定位裝置400的傾斜來(lái)實(shí)現(xiàn)。更具體地，在如上所述加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行了變換和校準(zhǔn)之后，在LPF 624處進(jìn)行低通濾波，以向傾斜確定功能模塊622提供平均加速度(重力)值。然后，在功能模塊622中計(jì)算傾斜θθ=tan-1(yz)---(7)]]>值θ可被數(shù)值地計(jì)算為atan2(y，z)，以避免除以零并給出正確符號(hào)。然后，功能模塊620可使用如下公式對(duì)變換的/校準(zhǔn)的輸入αy和αz執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)RR=cosθsinθ-sinθcosθ·αyαz---(8)]]>從而使得變換的/校準(zhǔn)的輸入αy和αz轉(zhuǎn)動(dòng)以補(bǔ)償傾斜θ。根據(jù)如下所述的本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方案，在本示例性實(shí)施方案中如上所述的傾斜補(bǔ)償是用于將傳感器讀數(shù)從物體參考系轉(zhuǎn)換為用戶的參考系的較普通技術(shù)的子集。
在對(duì)校準(zhǔn)的傳感器讀數(shù)進(jìn)行線性加速度補(bǔ)償、并將其處理為表示自由空間定位裝置400的角轉(zhuǎn)動(dòng)的讀數(shù)、以及對(duì)其進(jìn)行了傾斜補(bǔ)償之后，可在模塊626和628處執(zhí)行后處理。示例性的后處理可包括補(bǔ)償各種因數(shù)，例如人的抖動(dòng)。雖然可使用幾種不同方法來(lái)去除抖動(dòng)，但是一種去除抖動(dòng)的方法是通過(guò)使用滯后現(xiàn)象。由轉(zhuǎn)動(dòng)功能模塊620產(chǎn)生的角速度被結(jié)合以產(chǎn)生角位置。然后，將校準(zhǔn)幅度的滯后施加至該角位置。對(duì)滯后模塊的輸出求導(dǎo)數(shù)，從而再次生成角速度。所生成的輸出然后在功能模塊628處進(jìn)行標(biāo)度(例如，基于采樣周期)并用來(lái)在界面內(nèi)產(chǎn)生結(jié)果(例如，光標(biāo)410在顯示器408上的運(yùn)動(dòng))。
在對(duì)本發(fā)明的示例性自由空間定位裝置的處理進(jìn)行描述之后，圖7示出了示例性的硬件架構(gòu)。其中，處理器800與自由空間定位裝置的其它部件通信，包括滾輪802、JTAG 804、LED 806、開關(guān)矩陣808、IR光電探測(cè)器810、轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器812、加速度計(jì)814以及收發(fā)器816。滾輪802是使得用戶能夠通過(guò)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪802來(lái)向界面提供輸入的任選的輸入組件。JTAG 804向處理器提供編程和調(diào)試接口。LED 806在例如按下按鈕時(shí)為用戶提供視覺(jué)反饋。開關(guān)矩陣808接收輸入(例如在自由空間定位裝置400上的按鈕已被按下或釋放的指示)，然后，將該輸入傳遞至處理器800?？商峁㊣R光電探測(cè)器810以使得示例性的自由空間定位裝置能夠從其它遙控裝置學(xué)習(xí)IR編碼。轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器812為處理器800提供如上所述的例如涉及自由空間定位裝置的y軸和z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的讀數(shù)。加速度計(jì)814為處理器800提供涉及自由空間定位裝置400的線性加速度的讀數(shù)，以如上所述地用來(lái)(例如)執(zhí)行傾斜補(bǔ)償、以及對(duì)線性加速度給轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器812產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)引入的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。收發(fā)器816用來(lái)將信息傳送至自由空間定位裝置400以及將從自由空間定位裝置400接收的信息傳送至系統(tǒng)控制器228或與計(jì)算機(jī)相關(guān)的處理器。收發(fā)器816可為無(wú)線收發(fā)器(例如按照用于短程無(wú)線通信的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)來(lái)工作)或者紅外收發(fā)器。作為一種選擇，自由空間定位裝置400可通過(guò)有線線路連接與系統(tǒng)通信。
在圖4的示例性實(shí)施方案中，自由空間定位裝置400包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504以及加速度計(jì)506。然而作為一種選擇，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方案，自由空間定位裝置可僅包括一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器(例如，用于測(cè)量z軸方向上的角速度)以及加速度計(jì)。對(duì)于這種示例性實(shí)施方案而言，可通過(guò)使用加速度計(jì)確定沿著軸線的角速度(其不由轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器檢測(cè))而提供如上所述相似的功能。例如，繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可使用加速度計(jì)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及以下公式來(lái)計(jì)算ωY=∂θY∂t=∂∂ttan-1(xz)---(9)]]>另外，還應(yīng)該去除轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器未測(cè)量到的寄生加速度效應(yīng)。這些效應(yīng)包括實(shí)際的線性加速度、由于轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度而測(cè)量到的加速度、以及由于人的抖動(dòng)而測(cè)量到的加速度。
上面簡(jiǎn)要提及的靜態(tài)檢測(cè)功能模塊608可操作用來(lái)確定自由空間定位裝置400是否為例如靜態(tài)或動(dòng)態(tài)(運(yùn)動(dòng))。這一分類可通過(guò)多種不同方法來(lái)進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，一種方法是(例如)每四分之一秒計(jì)算一次在預(yù)定窗口的所有輸入(x，y，z，αy，αz)的采樣輸入數(shù)據(jù)的變化。然后將該變化與閾值進(jìn)行比較，從而將自由空間定位裝置劃分為靜態(tài)或動(dòng)態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的另一靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)包括通過(guò)例如對(duì)輸入數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)而將輸入轉(zhuǎn)換到頻域中。然后，可例如使用峰值檢測(cè)方法來(lái)分析數(shù)據(jù)，以確定自由空間定位裝置400是否為例如靜態(tài)或動(dòng)態(tài)。另外，可區(qū)分出第三種類，具體而言是用戶持有自由空間定位裝置400但卻并未移動(dòng)該裝置的情況(本文中也稱之為“穩(wěn)定”狀態(tài))。當(dāng)自由空間定位裝置400被用戶持有時(shí)，可通過(guò)檢測(cè)由用戶的手部抖動(dòng)引入自由空間定位裝置400的細(xì)微運(yùn)動(dòng)來(lái)從靜態(tài)(未持有)和動(dòng)態(tài)中區(qū)分出這一第三種類。峰值檢測(cè)也可被靜態(tài)檢測(cè)功能模塊608使用來(lái)進(jìn)行這一確定。人的抖動(dòng)頻率范圍內(nèi)的峰值(例如，標(biāo)稱為8-12Hz)通常超出裝置的噪聲水平(當(dāng)裝置處于靜態(tài)和未被持有時(shí)所經(jīng)歷的噪聲)約20dB。
在前述實(shí)施例中，頻域中的變化在特定頻率范圍內(nèi)被檢測(cè)，然而，待監(jiān)測(cè)和用來(lái)對(duì)自由空間定位裝置400的狀態(tài)進(jìn)行特征化的實(shí)際頻率范圍可能變化。例如，標(biāo)稱抖動(dòng)頻率范圍可例如基于自由空間定位裝置400的人類工程學(xué)和重量從8-12Hz轉(zhuǎn)移至例如4-7Hz。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方案，靜態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)608可包括狀態(tài)機(jī)。圖8示出了示例性的狀態(tài)機(jī)。其中，在該實(shí)施例中，“活動(dòng)”狀態(tài)是默認(rèn)狀態(tài)，自由空間定位裝置400在該狀態(tài)下是運(yùn)動(dòng)的，并用來(lái)例如為用戶界面提供輸入。自由空間定位裝置400可在該裝置上電(如復(fù)位輸入所示)后進(jìn)入“活動(dòng)”狀態(tài)。如果自由空間定位裝置400停止運(yùn)動(dòng)，則其可隨之進(jìn)入“非活動(dòng)”狀態(tài)。如圖8所示的各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換可通過(guò)多種不同準(zhǔn)則中的任一種來(lái)觸發(fā)，所述準(zhǔn)則包括但不限于轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器502和504的一個(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出，加速度計(jì)506的數(shù)據(jù)輸出，時(shí)域數(shù)據(jù)，頻域數(shù)據(jù)或以上數(shù)據(jù)的任意組合。本文中一般性地使用常規(guī)的“條件狀態(tài)A→狀態(tài)B”來(lái)表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。例如，當(dāng)“條件活動(dòng)→非活動(dòng)”發(fā)生時(shí)，自由空間定位裝置400將從“活動(dòng)”狀態(tài)轉(zhuǎn)換為“非活動(dòng)”狀態(tài)。為了單純的說(shuō)明目的，考慮在示例性的自由空間定位裝置400中，“條件活動(dòng)→非活動(dòng)”可在轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器和加速度計(jì)二者的平均和/或標(biāo)準(zhǔn)偏差值在第一預(yù)定時(shí)期內(nèi)降到第一預(yù)定閾值之下時(shí)發(fā)生。
狀態(tài)轉(zhuǎn)換可基于解釋(interpret)的傳感器輸出，通過(guò)多個(gè)不同條件來(lái)確定。示例性的條件規(guī)則包括使用以下的值來(lái)觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換解釋的指定信號(hào)在時(shí)間窗口上的變化，基準(zhǔn)值與解釋的信號(hào)之間在時(shí)間窗口上的閾值，基準(zhǔn)值與濾波后的解釋的信號(hào)之間在時(shí)間窗口上的閾值，以及基準(zhǔn)值與開始時(shí)的指定信號(hào)之間的閾值。這些條件規(guī)則的所有或者其中任意組合可用來(lái)觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。作為一種選擇，也可使用其它規(guī)則。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案，從“非活動(dòng)”狀態(tài)向“活動(dòng)”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換在滿足以下條件之一時(shí)發(fā)生(1)傳感器輸出的在時(shí)間窗口上的平均值大于預(yù)定的閾值；(2)傳感器輸出在時(shí)間窗口上的變化大于預(yù)定的閾值；(3)傳感器值之間的瞬時(shí)增量大于預(yù)定值。
“非活動(dòng)”狀態(tài)使得靜態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)608能夠在短暫停頓之間區(qū)分出自由空間定位裝置400仍然被使用(例如大約十分之一秒)還是實(shí)際轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定或靜態(tài)狀態(tài)。這避免了在使用自由空間定位裝置時(shí)無(wú)意地執(zhí)行在“穩(wěn)定”和“靜態(tài)”狀態(tài)下執(zhí)行的功能(如下所述)。當(dāng)“條件活動(dòng)→非活動(dòng)”發(fā)生時(shí)(例如，如果在“非活動(dòng)”狀態(tài)下的第二預(yù)定時(shí)期過(guò)去之前，自由空間定位裝置400再次開始運(yùn)動(dòng)，從而使得由轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器和加速度計(jì)測(cè)量的輸出超過(guò)了第一閾值)，自由空間定位裝置400將轉(zhuǎn)換回到“活動(dòng)”狀態(tài)。
在第二預(yù)定時(shí)期過(guò)去之后，自由空間定位裝置400將轉(zhuǎn)換至“穩(wěn)定”狀態(tài)或者“靜態(tài)”狀態(tài)。如上所述，“穩(wěn)定”狀態(tài)反映了自由空間定位裝置400由用戶持有但卻未運(yùn)動(dòng)的特性，而“靜態(tài)”狀態(tài)則反映了自由空間定位裝置未被用戶持有的特性。因此，根據(jù)本發(fā)明示例性的狀態(tài)機(jī)可提供在第二預(yù)定時(shí)期過(guò)去之后，如果出現(xiàn)與手部抖動(dòng)相關(guān)的最小運(yùn)動(dòng)，則轉(zhuǎn)換至“穩(wěn)定”狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)換至“靜態(tài)”狀態(tài)。
“穩(wěn)定”和“靜態(tài)”狀態(tài)限定了自由空間定位裝置400可在其間執(zhí)行各種功能的時(shí)間。例如，由于“穩(wěn)定”狀態(tài)旨在反映用戶持有自由空間定位裝置400但未使其運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，因此該裝置在處于“穩(wěn)定”狀態(tài)時(shí)可例如通過(guò)在該狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器和/或加速度計(jì)的輸出來(lái)記錄自由空間定位裝置400的運(yùn)動(dòng)。這些存儲(chǔ)的測(cè)量值可用來(lái)確定與一個(gè)或多個(gè)特定用戶相關(guān)的抖動(dòng)模式，如下所述。同樣，在處于“靜態(tài)”狀態(tài)時(shí)，自由空間定位裝置400可從轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器和/或加速度計(jì)獲取讀數(shù)，用于進(jìn)行如上所述的偏移補(bǔ)償。
如果自由空間定位裝置400在處于“穩(wěn)定”或“靜態(tài)”狀態(tài)下開始運(yùn)動(dòng)，則可觸發(fā)回到“活動(dòng)”狀態(tài)。否則，在進(jìn)行測(cè)量之后，該裝置可轉(zhuǎn)換到“睡眠”狀態(tài)。在處于睡眠狀態(tài)時(shí)，裝置可進(jìn)入省電(powerdown)模式，這時(shí)，自由空間定位裝置的功率消耗降低，并且例如轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器和/或加速度計(jì)的采樣速率也降低。也可通過(guò)外部命令進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)，使得用戶或其他裝置能夠控制自由空間定位裝置400進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)。
在收到另一命令時(shí)，或者如果自由空間定位裝置400開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，該裝置可從“睡眠”狀態(tài)轉(zhuǎn)換至“蘇醒”狀態(tài)。與“非活動(dòng)”狀態(tài)類似，“蘇醒”狀態(tài)為裝置提供了能對(duì)向“活動(dòng)”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是否適當(dāng)?shù)拇_認(rèn)機(jī)會(huì)，例如，自由空間定位裝置400未受到無(wú)意的推擠。
狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件可以是對(duì)稱的，也可以是不同的。因此，與“條件活動(dòng)→非活動(dòng)”相關(guān)的閾值可以同與“條件非活動(dòng)→活動(dòng)”相關(guān)的閾值相同(或不同)。這使得根據(jù)本發(fā)明的自由空間定位裝置能夠更精確地捕獲用戶輸入。例如，包括了狀態(tài)機(jī)實(shí)施的示例性實(shí)施方案尤其使得轉(zhuǎn)換至靜態(tài)狀態(tài)的閾值與從靜態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換出的閾值不同。
進(jìn)入或離開一個(gè)狀態(tài)也可用來(lái)觸發(fā)其他的裝置功能。例如，可基于從任何狀態(tài)轉(zhuǎn)換至“活動(dòng)”狀態(tài)而對(duì)用戶界面上電。相反，當(dāng)自由空間定位裝置從“活動(dòng)”或“穩(wěn)定”向“靜態(tài)”或“非活動(dòng)”轉(zhuǎn)換時(shí)，自由空間定位裝置和/或用戶界面可被關(guān)閉(或進(jìn)入睡眠模式)。作為一種選擇，光標(biāo)410可基于自由空間定位裝置400從靜態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換出或者轉(zhuǎn)換至靜態(tài)狀態(tài)而顯示在屏幕上或從屏幕上消失。
如上所述，本發(fā)明的示例性實(shí)施方案處理從自由空間定位裝置中的傳感器接收到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以將該數(shù)據(jù)從自由空間定位裝置本體的參考系轉(zhuǎn)換到另一參考系(例如用戶的參考系)中。在用于控制在屏幕(例如電視)上顯示的用戶界面的自由空間定位裝置的示例性應(yīng)用中，用戶的參考系可以是與電視屏幕相關(guān)的坐標(biāo)系。無(wú)論如何，通過(guò)形成來(lái)自用戶角度而不是空間定位裝置角度的操作，將數(shù)據(jù)從本體參考系轉(zhuǎn)換到另一參考系中將會(huì)改進(jìn)手持裝置的可用性。因此，當(dāng)用戶在持有自由空間定位裝置時(shí)使其手部在顯示器前方從左向右移動(dòng)時(shí)，不論自由空間裝置的方位如何，左邊的光標(biāo)均會(huì)將向右運(yùn)動(dòng)。
為了簡(jiǎn)化這一討論，圖9中示出了與自由空間定位裝置(例如，如上所述)相關(guān)的示例性處理系統(tǒng)。其中，手持系統(tǒng)使用一個(gè)或多個(gè)傳感器901(例如，轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器、陀螺儀、加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、光學(xué)傳感器、照相機(jī)或它們的任意組合)來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。然后，在模塊902中對(duì)傳感器進(jìn)行解釋，以對(duì)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行估算。處理模塊903然后將測(cè)量的運(yùn)動(dòng)從自然(本體)參考系轉(zhuǎn)換至用戶的參考系中。該運(yùn)動(dòng)然后被映射904為預(yù)期義的動(dòng)作，該動(dòng)作在模塊905處進(jìn)行解釋并發(fā)送至系統(tǒng)，以形成預(yù)期義的響應(yīng)，例如移動(dòng)屏幕上的光標(biāo)。
模塊903將檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換到用戶的參考系中而不是裝置的參考系中?？赏ㄟ^(guò)多種不同的數(shù)學(xué)上類似的方法來(lái)表述方位，這些方法包括歐拉角、方向余弦矩陣(DCM)或單位四元數(shù)(unit quaternion)。位置通常被表述為以一致單位表示的相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移，所述一致單位包括但不限于米、厘米、英尺、英寸和英里。在上述的一個(gè)示例性實(shí)施方案中，自由空間定位裝置測(cè)量包括加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的慣性力。這些力被安裝在裝置中的傳感器相對(duì)于裝置的本體而測(cè)量。為了將測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到用戶參考系中，定位裝置估算其位置和方位。
在該示例性實(shí)施方案中，假設(shè)用戶參考系是靜止的并且具有固定的方位，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，根據(jù)本發(fā)明的這種技術(shù)可容易地?cái)U(kuò)展到用戶參考系是非靜止的情況(通過(guò)直接變換到時(shí)變系，或者首先變換到靜止系然后變化到運(yùn)動(dòng)系)。對(duì)于靜止、固定方位的用戶參考系的示例，從本體參考系到用戶參考系的變換可通過(guò)使用以下公式來(lái)計(jì)算Pu＝Rotate(Pb，Q)+PdeltaPu’＝Rotate(Pb’，Q)Pu”＝Rotate(Pb”，Q)Wu＝Rotate(Wb，Q)Wu’＝Rotate(Wb’，Q)其中
Rotate表示四元數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)算子，Rotate(A，Q)等于Q*AQ，其中，Q*是四元數(shù)共軛，向量A是復(fù)數(shù)分量等于A而實(shí)數(shù)分量等于0的四元數(shù)；Pu是在用戶參考系中的位置；Pb是在裝置參考系中的位置；’表示求導(dǎo)。因此，Pu’是用戶參考系中的位置的導(dǎo)數(shù)，即，用戶參考系中的速度；Wu是在用戶參考系中的、裝置的本體角的角速度；Wb是在裝置的本體參考系中的、裝置的本體角的角速度；Pdelta是在用戶參考坐標(biāo)系中的、用戶參考系的原點(diǎn)與本體參考系的原點(diǎn)之間的差值；Q是規(guī)一化的轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)，其表示從本體參考系到用戶參考系的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于從用戶參考系到本體參考系轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)為Q*，因此我們可以用R*代替Q，其中，R是從用戶參考系到本體參考系的轉(zhuǎn)動(dòng)。注意，可使用多種等價(jià)形式(包括歐拉角和方向余弦矩陣(DCM))來(lái)表示Q，上面的公式可根據(jù)Q的不同表述而在其等價(jià)形式上略有變化。圖10圖解示出了從本體參考系到用戶的參考系的轉(zhuǎn)換。
在操作過(guò)程中，定位裝置以實(shí)施獨(dú)立的方式估算Q，以執(zhí)行這一轉(zhuǎn)換。上述的一個(gè)示例性實(shí)施包括補(bǔ)償傾斜(即，自由空間定位裝置基于其被用戶持有的方式在x軸滾動(dòng)上的變化)。通過(guò)首先估算由于本體參考系中的重力Ab引起的加速度分量來(lái)計(jì)算方位。根據(jù)定義，由于用戶參考系中的重力Ag而引起的加速度向量被設(shè)置為
。由于重力不能估算方向(heading)(繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng))，所以使用本體參考系來(lái)估算方向。因此，轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)具有在z＝0平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。下面是計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)的幾個(gè)數(shù)學(xué)等價(jià)方法中的一種V＝‖Ab‖×‖Ag‖ (單位向量的叉積)qV＝‖V‖α＝四元數(shù)[qV，α/2]＝[qV*sin(α/2)，cos(α/2)]然后計(jì)算位置作為用戶參考系中加速度的二重積分。用戶參考系中的加速度是通過(guò)以上的Q轉(zhuǎn)動(dòng)到用戶參考系中的本體參考系的加速度。通常，在裝置第一次啟動(dòng)時(shí)假設(shè)原點(diǎn)為0，但在正常的人工或自動(dòng)操作期間可將原點(diǎn)復(fù)位。
通常，當(dāng)裝置未運(yùn)動(dòng)時(shí)，Pu’、Pu”、Wu’和Wu”都為0。在該示例性實(shí)施方案中，測(cè)量Pb”和Wb。雖然存在無(wú)限多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)Q，但可基于Wb來(lái)從可用集合中選擇最小轉(zhuǎn)動(dòng)并用該最小轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)估算Wu。作為一種選擇，可使用假設(shè)的啟動(dòng)偏移方位Qo，通過(guò)在時(shí)間上對(duì)Wb積分來(lái)計(jì)算Q，所述積分使用如下的離散時(shí)間積分來(lái)進(jìn)行WbAngle＝|Wb|*時(shí)期QDELTA＝[‖Wb‖sin(WbAngle)，cos(WbAngle)]QNEXT＝Q0**QDELTA其中，*表示乘法，**表示四元數(shù)乘法。通過(guò)恒定場(chǎng)向量(包括重力和地球磁場(chǎng))可提供附加的穩(wěn)定性，該附加穩(wěn)定性可與上述結(jié)果相結(jié)合。所述結(jié)合可通過(guò)使用幾種數(shù)值和濾波方法(包括但不限于卡爾曼濾波)來(lái)獲得。
可采用多個(gè)不同傳感器，只要它們能夠測(cè)量相對(duì)于裝置本體的運(yùn)動(dòng)即可。示例性的傳感器包括加速度計(jì)、轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器、陀螺儀、磁力計(jì)和攝像機(jī)。用戶參考系并非必須是靜止的。例如，如果將用戶的參考系選為用戶的前臂，則定位裝置將僅對(duì)腕部和手指運(yùn)動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明描述的參考系變換具有交換性。因此，數(shù)學(xué)運(yùn)算的順序可被改變，而不會(huì)對(duì)本文描述的本發(fā)明造成實(shí)質(zhì)影響。另外，尤其是在用戶參考系被選為以恒定方位保持靜止時(shí)，可等價(jià)地對(duì)參考系運(yùn)用許多運(yùn)動(dòng)處理算法。
除了提供使用方便性之外，根據(jù)本發(fā)明這一示例性實(shí)施方案的參考系變換也可用來(lái)針對(duì)手持裝置實(shí)施中的其它挑戰(zhàn)。例如，如果傳感器(例如加速度計(jì))沒(méi)有精確位于本體參考系的轉(zhuǎn)動(dòng)中心處，則測(cè)量的加速度將包括該參考系的加速度以及由參考系的轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的加速度。因此，測(cè)量的加速度可首先使用以下關(guān)系被轉(zhuǎn)換為裝置的本體參考系內(nèi)的不同目標(biāo)位置Abody＝Aaccelerometer+ω’×R+ωx(ω×R)其中，R是從加速度計(jì)到目標(biāo)位置的向量，ω是本體參考系的角速度，而ω’是本體參考系的角加速度。如果裝置的本體參考系被構(gòu)建為位于距離加速度計(jì)R處，則其應(yīng)該具有零角加速度效應(yīng)，并且可更容易地用來(lái)計(jì)算裝置在用戶參考系中的運(yùn)動(dòng)。這將對(duì)加速度計(jì)與本體參考系中心之間的預(yù)期或無(wú)意的失準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償。另外，對(duì)重力向量的估算將變得簡(jiǎn)單得多，這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)動(dòng)中心處施加的力非常小。因此，Auser＝Rotate(Abody，Q)其中，Q是從本體參考系到加速度計(jì)參考系的轉(zhuǎn)動(dòng)。
不幸的是，不同的用戶具有不同的R值。例如，一個(gè)用戶可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)其肘部而使用手持裝置，而另一個(gè)用戶可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)其腕部而使用該裝置。另外，人們具有不同大小的腕部和前臂。為了改進(jìn)可用性，該手持裝置的示例性實(shí)施方案動(dòng)態(tài)地計(jì)算R，并移動(dòng)本體原點(diǎn)以使其由于角運(yùn)動(dòng)而引起的加速度分量最小。該示例性實(shí)施方案將R定義為[Rx，0，0]，使用并最小化Abody-Rotate[Ag，Q]來(lái)求出Rx，從而估算R。注意，存在許多數(shù)值方法可執(zhí)行最小化以計(jì)算Rx，包括遞歸最小二乘方和卡爾曼濾波。
根據(jù)以上所述可以理解，本發(fā)明描述了將檢測(cè)的手持裝置的運(yùn)動(dòng)從一個(gè)參考系(例如，本體參考系)映射到另一個(gè)參考系(例如，用戶參考系)的多種技術(shù)。這些映射可獨(dú)立于其它與手持裝置的使用相關(guān)的映射(例如，將檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)映射為光標(biāo)運(yùn)動(dòng))或者可以其相結(jié)合。此外，可執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的變換，以從運(yùn)動(dòng)方程的輸入端或輸出端的角度，對(duì)在所有三個(gè)維度上檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)(平移運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)或其任意子集)進(jìn)行變換。另外，可通過(guò)多種不同方法來(lái)選擇將檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)映射或轉(zhuǎn)換到其中的參考系。以上提供一個(gè)實(shí)施例示出了第二參考系是與裝置的傾斜相關(guān)的用戶的參考系，但是，許多其它變化也是可能的。例如，用戶可選擇其期望的參考系，這一設(shè)定可存儲(chǔ)在手持裝置中作為多個(gè)用戶偏好的其中之一，并被用來(lái)執(zhí)行變換?？梢曰诙喾N技術(shù)來(lái)選擇第二參考系。第二參考系的選擇可以基于顯式命令(例如，按鈕或用戶界面選擇)或者自動(dòng)地通過(guò)由裝置用戶模式、抖動(dòng)、以及其它生物統(tǒng)計(jì)確定的用戶識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)。
另外，雖然一些示例性實(shí)施方案描述了對(duì)速度域中數(shù)據(jù)的以上運(yùn)算，但本發(fā)明并不受限于此。作為一種選擇或者附加地，可對(duì)例如位置或加速度數(shù)據(jù)執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的映射或變換，或者可將根據(jù)本發(fā)明的映射或變換用于平移運(yùn)動(dòng)和/或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。同樣，處理的順序并不重要。例如，如果手持裝置用來(lái)輸出姿態(tài)命令，可首先執(zhí)行映射然后確定姿態(tài)，或者也可首先確定姿態(tài)，然后執(zhí)行映射。
上述的示意性實(shí)施方案在各個(gè)方面都是示意性而非限定性的。因此本領(lǐng)域技術(shù)人員能從本文包含的說(shuō)明書推導(dǎo)出本發(fā)明在具體實(shí)現(xiàn)方面的多種變化。例如，雖然前述示例性實(shí)施方案尤其描述了使用慣性傳感器來(lái)檢測(cè)裝置的運(yùn)動(dòng)，但是也可使用其他類型的傳感器(例如，超聲傳感器、磁性傳感器或光學(xué)傳感器)來(lái)代替結(jié)合有前述信號(hào)處理的慣性傳感器或附加到結(jié)合有前述信號(hào)處理的慣性傳感器。所有這些變化和修改都被視為位于由隨后的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)。若無(wú)明確說(shuō)明，本申請(qǐng)說(shuō)明書中使用的元素、動(dòng)作或指令對(duì)本發(fā)明而言并非不可缺少。此外，如本文中使用的那樣，冠詞“一(a)”旨在包括一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目。
權(quán)利要求
1.一種手持定位裝置，包括第一轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，用于確定所述定位裝置關(guān)于第一軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)并生成與其相關(guān)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)輸出；第二轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，用于確定所述定位裝置關(guān)于第二軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)并生成與其相關(guān)的第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出；加速度計(jì)，用于確定所述定位裝置的加速度并輸出與其相關(guān)的加速度輸出；以及處理單元，接收所述第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出以及所述加速度輸出，并用于(a)將所述第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出以及所述加速度輸出從與所述手持定位裝置相關(guān)的本體參考系轉(zhuǎn)換到用戶參考系，從而去除與使用者持握所述手持定位裝置方式相關(guān)的傾斜影響；以及(b)確定與X和Y坐標(biāo)相關(guān)并因此與屏幕光標(biāo)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)基于所述轉(zhuǎn)換后的第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出以及所述轉(zhuǎn)換后的加速度輸出，其中所述轉(zhuǎn)換步驟使得所述屏幕光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)與用戶持握所述手持裝置的方位基本無(wú)關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的手持定位裝置，其中，所述用戶參考系與電視屏幕相關(guān)。
3.如權(quán)利要求1所述的手持定位裝置，其中，所述轉(zhuǎn)換步驟進(jìn)一步包括通過(guò)以下公式的計(jì)算來(lái)將所述第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)到所述用戶參考系中R=cosθsinθ-sinθcosθ·αyαz]]>其中，θ是所述傾斜，αy是所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)輸出，αz是所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。
4.一種使用自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟檢測(cè)所述自由空間定位裝置的運(yùn)動(dòng)；以及通過(guò)將所述檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)從與所述自由空間定位裝置相關(guān)的本體參考系轉(zhuǎn)換到慣性參考系，而對(duì)所述檢測(cè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述補(bǔ)償步驟進(jìn)一步包括確定與持握所述自由空間定位裝置的方位有關(guān)的傾斜；以及補(bǔ)償所述檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)以校準(zhǔn)所述傾斜。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述補(bǔ)償所述檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)以校準(zhǔn)所述傾斜的步驟進(jìn)一步包括通過(guò)以下公式的計(jì)算來(lái)將第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)到所述慣性參考系中R=cosθsinθ-sinθcosθ·αyαz]]>其中，θ是所述傾斜，αy是所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)輸出，αy是所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括提供與所述補(bǔ)償?shù)?、檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息作為用戶界面的輸入。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)加速度計(jì)的輸出確定所述傾斜。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，檢測(cè)所述自由空間定位裝置的運(yùn)動(dòng)的步驟進(jìn)一步包括使用轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀，光學(xué)傳感器、磁力計(jì)和照相機(jī)中的至少一個(gè)檢測(cè)所述運(yùn)動(dòng)。
10.一種自由空間手持裝置，包括至少一個(gè)傳感器，檢測(cè)所述自由空間定位裝置的運(yùn)動(dòng)；以及處理單元，通過(guò)將所述檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)從與所述自由空間定位裝置相關(guān)的本體參考系轉(zhuǎn)換到慣性參考系，而對(duì)所述檢測(cè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
11.如權(quán)利要求10所述的自由空間手持裝置，其中，所述處理單元通過(guò)以下步驟補(bǔ)償所述檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)確定與持握所述自由空間定位裝置的方位有關(guān)的傾斜；以及補(bǔ)償所述檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)以校準(zhǔn)所述傾斜。
12.如權(quán)利要求11所述的自由空間手持裝置，其中，處理單元進(jìn)一步通過(guò)應(yīng)用以下公式的計(jì)算將第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)到所述慣性參考系中來(lái)補(bǔ)償所述檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)以校準(zhǔn)所述傾斜R=cosθsinθ-sinθcosθ·αyαz]]>其中，θ是所述傾斜，αy是所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)輸出，αz是所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。
13.如權(quán)利要求10所述的自由空間手持裝置，進(jìn)一步包括加速度計(jì)，檢測(cè)所述自由空間手持裝置的加速度，其中，所述處理單元使用所述加速度計(jì)的輸出來(lái)確定所述傾斜。
14.如權(quán)利要求10所述的自由空間手持裝置，其中，所述至少一個(gè)傳感器包括轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀，光學(xué)傳感器、磁力計(jì)和照相機(jī)中的至少一個(gè)。
15.一種操作自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟感測(cè)裝置在本體系中的運(yùn)動(dòng)；將所述運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為代表所述裝置的運(yùn)動(dòng)的信號(hào)；將所述信號(hào)從所述本體系轉(zhuǎn)換到其他參考系；以及用轉(zhuǎn)換的信號(hào)產(chǎn)生輸出。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述轉(zhuǎn)換步驟包括對(duì)所述自由空間定位裝置的傾斜校準(zhǔn)所述信號(hào)。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括計(jì)算在本體參考系和其他參考系之間的至少一個(gè)中間參考系。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述其他參考系是用戶參考系。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括將所述信號(hào)從感測(cè)參考系轉(zhuǎn)換到所述本體參考系。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述用轉(zhuǎn)換的信號(hào)產(chǎn)生輸出的步驟進(jìn)一步包括根據(jù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)產(chǎn)生光標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述輸出是一種姿勢(shì)。
22.一種自由空間定位裝置，包括檢測(cè)所述自由空間定位裝置的運(yùn)動(dòng)的裝置；以及補(bǔ)償檢測(cè)到的、由于傾斜帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)的裝置。
23.一種自由空間定位裝置，包括加速度計(jì)，測(cè)量所述自由空間定位裝置的加速度；以及處理單元，確定所述自由空間定位裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，并確定所述自由空間定位裝置在所述轉(zhuǎn)動(dòng)中心的加速度。
24.如權(quán)利要求23所述的自由空間定位裝置，其中，所述處理單元利用所述確定的所述自由空間定位裝置在所述轉(zhuǎn)動(dòng)中心的加速度來(lái)估計(jì)重力。
25.如權(quán)利要求23所述的自由空間定位裝置，其中，所述處理單元通過(guò)兩個(gè)加速度計(jì)之間的差異計(jì)算角運(yùn)動(dòng)的加速度。
26.如權(quán)利要求23所述的自由空間定位裝置，其中，所述處理單元通過(guò)直接測(cè)量本體的角速度計(jì)算角運(yùn)動(dòng)的加速度。
27.一種操作自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟感測(cè)所述自由空間定位裝置在第一參考系中的運(yùn)動(dòng)；將所述感測(cè)的運(yùn)動(dòng)從第一參考系轉(zhuǎn)換到其他參考系；以及用轉(zhuǎn)換的信號(hào)產(chǎn)生所述自由空間定位裝置的輸出。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟將所述感測(cè)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為代表所述自由空間定位裝置的運(yùn)動(dòng)的信號(hào)；以及將所述信號(hào)從所述第一參考系轉(zhuǎn)換到所述其他參考系。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述轉(zhuǎn)換步驟包括在x、y和z維上對(duì)平移運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。
30.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述轉(zhuǎn)換步驟包括在x、y和z維的子集上的轉(zhuǎn)換。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，其轉(zhuǎn)換步驟包括僅對(duì)平移運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的一種進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
32.如權(quán)利要求27所述的方法，進(jìn)一步包括執(zhí)行第二轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生所述輸出。
33.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述其他參考系是由用戶選擇的。
34.一種操作自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟感測(cè)所述自由空間定位裝置在第一參考系中的運(yùn)動(dòng)；將所述感測(cè)的運(yùn)動(dòng)從第一參考系轉(zhuǎn)換到其他參考系；以及識(shí)別與所述轉(zhuǎn)換的、感測(cè)的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的姿勢(shì)。
35.一種操作自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟感測(cè)所述自由空間定位裝置在第一參考系中的運(yùn)動(dòng)；識(shí)別與所述感測(cè)的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的姿勢(shì)；以及將所述姿勢(shì)從第一參考系轉(zhuǎn)換到其他參考系。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，描述了一種自由空間定位裝置，通過(guò)將感測(cè)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從第一參考系(例如，自由空間定位裝置的本體)轉(zhuǎn)換到第二參考系(例如，用戶參考系)來(lái)提高其可用性。本發(fā)明示例性的實(shí)施方式去除了與使用者持握自由空間定位裝置的傾斜方位相關(guān)的影響。
文檔編號(hào)G09G5/08GK1973316SQ200580021163
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月30日
發(fā)明者馬修·G·利伯蒂 申請(qǐng)人:希爾克瑞斯特實(shí)驗(yàn)室公司