本發(fā)明涉及一種空鼠筆的實現(xiàn)方法，具體涉及一種基于三維超聲波定位的低功耗空鼠筆的實現(xiàn)方法，可實現(xiàn)空鼠筆空間軌跡到平面軌跡的映射，符合人機(jī)交互操作習(xí)慣，可應(yīng)用于三維筆式人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鼠標(biāo)是一種計算機(jī)的周邊輸入設(shè)備，傳統(tǒng)的鼠標(biāo)可分為機(jī)械式鼠標(biāo)、光電鼠標(biāo)和激光鼠標(biāo)。機(jī)械式鼠標(biāo)一般包括滾球、輥柱和光柵信號傳感器，當(dāng)拖動鼠標(biāo)時，帶動滾球轉(zhuǎn)動，滾球又帶動輥柱轉(zhuǎn)動，裝在輥柱端部的光柵信號傳感器產(chǎn)生的光電脈沖信號反映出鼠標(biāo)器在垂直和水平方向的位移變化，再通過電腦程序的處理和轉(zhuǎn)換來控制屏幕上的光標(biāo)移動。光電鼠標(biāo)是通過檢測鼠標(biāo)器的位移，將位移信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，再通過程序的處理和轉(zhuǎn)換來控制屏幕上的光標(biāo)移動。但是這三類鼠標(biāo)都必須放在平面上操作，而且應(yīng)用平面也有一定的限制，例如，機(jī)械式鼠標(biāo)需要在有一定摩擦力的平面上使用，而光電鼠標(biāo)不能在透光率小的平面上使用，比如玻璃平面就不行。隨著人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，大屏幕智能終端在生活和工作中日益普及，其應(yīng)用場景也變得多樣化。如在家庭影院、多媒體教育、媒體會議等場合，人們可能需要以躺著、站著或移動等方式對媒體終端交互，在這種場景下，傳統(tǒng)的二維鼠標(biāo)沒有桌面的輔助，會使人機(jī)交互變得非常不便，人們迫切希望一種能夠在三維空間內(nèi)對媒體終端進(jìn)行交互的方式來適應(yīng)這些新型交互場合，空中鼠標(biāo)應(yīng)運而生。

空中鼠標(biāo)采用的技術(shù)大致有紅外線技術(shù)、光電傳感技術(shù)、加速度傳感器和陀螺儀等。采用紅外線技術(shù)的空中鼠標(biāo)，使用有效距離只有1.5m，且需要點對點通信，方向性很強(qiáng)；采用光電傳感技術(shù)的空中鼠標(biāo)，使用有效距離更廣，沒有方向限制，但是不能脫離平面而工作；采用加速度傳感器和陀螺儀的空中鼠標(biāo)難以準(zhǔn)確定位，而且操作不直觀，不適用于電子白板。

目前已有一些關(guān)于空中鼠標(biāo)的介紹。

中國專利“空中鼠標(biāo)、空中鼠標(biāo)控制系統(tǒng)及實現(xiàn)控制的方法”(申請?zhí)?01110299730.2)提供了一種空中鼠標(biāo)和含有這種鼠標(biāo)的控制系統(tǒng)，利用紅外攝像定位模塊實現(xiàn)對空中鼠標(biāo)的定位，并基于紅外或無線發(fā)射將狀態(tài)信息發(fā)送至主機(jī)；中國專利“簡易空中鼠標(biāo)的實現(xiàn)方法、視頻終端及系統(tǒng)”(申請?zhí)?01110444085.9)提供了一種簡易空中鼠標(biāo)的實現(xiàn)方法、視頻終端及系統(tǒng)，通過攝像裝置獲取空中鼠標(biāo)相對初始位置的偏轉(zhuǎn)角度和方向，并以此偏轉(zhuǎn)角度和方向及預(yù)設(shè)的比例參數(shù)確定視頻終端上的光標(biāo)位置；中國專利“一種應(yīng)用于互交式電子白板的空中鼠標(biāo)”(申請?zhí)?01610229694.5)公開了一種多媒體教學(xué)設(shè)備中應(yīng)用于互交式電子白板的空中鼠標(biāo)，利用攝像器檢測鼠標(biāo)坐標(biāo)，利用無線信號接收機(jī)接收信號，并與相應(yīng)的軟件結(jié)合實現(xiàn)鼠標(biāo)的功能。但是此類方法需要特定的攝像裝置對空中鼠標(biāo)進(jìn)行定位，成本較高，且受環(huán)境干擾嚴(yán)重，不適用于三維大空間人機(jī)交互。

中國專利“空中鼠標(biāo)及控制鼠標(biāo)指針移動的方法與裝置”(申請?zhí)?01110250670.5)提供了一種空中鼠標(biāo)及控制鼠標(biāo)指針移動的方法與裝置，利用重力加速度傳感器確定空中鼠標(biāo)的空間坐標(biāo)，將所確定的空間坐標(biāo)或其變化量相應(yīng)轉(zhuǎn)換為鼠標(biāo)指針的坐標(biāo)或其變化量，以控制鼠標(biāo)指針的移動；中國專利“空中鼠標(biāo)系統(tǒng)”(申請?zhí)?01120259995.5)提供了一種空中鼠標(biāo)系統(tǒng)，利用重力加速度傳感器、陀螺儀、地磁傳感器等實現(xiàn)空中鼠標(biāo)的定位，通過無線接口向計算機(jī)傳送信息；中國專利“一種空中鼠標(biāo)遙控器及其控制方法”(申請?zhí)?01210138313.4)提供了一種空中鼠標(biāo)遙控器及其控制方法，通過陀螺儀、加速度傳感器產(chǎn)生鼠標(biāo)的控制信息，并由無線傳輸模塊發(fā)送至控制設(shè)備；中國專利“獲取空中鼠標(biāo)位移的方法、空中鼠標(biāo)及空中鼠標(biāo)控制系統(tǒng)”(申請?zhí)?01210248683.3)提供了一種獲取空中鼠標(biāo)位移的方法，通過陀螺儀和加速度計分別獲得空中鼠標(biāo)當(dāng)前的角速率和加速度，并分別轉(zhuǎn)換為空中鼠標(biāo)控制面轉(zhuǎn)過旋轉(zhuǎn)軸的角度和控制面與水平面之間的偏移角度，從而得到空中鼠標(biāo)的位移；中國專利“一種空中鼠標(biāo)遙控器”(申請?zhí)?01210589495.7)公開了一種空中鼠標(biāo)遙控器，通過加速度傳感器采集遙控器的運動情況，然后計算出水平方向上、垂直方向的左右、上下轉(zhuǎn)動位移，然后通過轉(zhuǎn)換得到光標(biāo)偏移，通過無線傳輸方式不斷地發(fā)送給智能終端設(shè)備，實現(xiàn)對智能終端設(shè)備的控制；中國專利“空中鼠標(biāo)”(申請?zhí)?01220113628.9)通過陀螺儀的運動控制光標(biāo)運動及滾輪控制；中國專利“一種手指式空中鼠標(biāo)”(申請?zhí)?01310312502.3)公開了一種手指式空中鼠標(biāo)，通過慣性傳感器進(jìn)行動作感知，并通過對食指的動作識別區(qū)分光標(biāo)移動、左單擊、雙擊、右單擊、滾動、拖動等動作，通過無線發(fā)射模塊將結(jié)果發(fā)送給pc端的無線接收模塊，從而實現(xiàn)鼠標(biāo)功能；中國專利“觸控式空中鼠標(biāo)的控制方法”(申請?zhí)?01310318782.9)通過感測陀螺儀的空間坐標(biāo)信號及觸摸感應(yīng)單元識別的鼠標(biāo)左鍵手勢，實時輸出顯示器件顯示的鼠標(biāo)坐標(biāo)信號及觸控式空中鼠標(biāo)左鍵觸發(fā)信號；中國專利“遙控器空中鼠標(biāo)操控系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法”(申請?zhí)?01310376317.0)公開了一種遙控器空中鼠標(biāo)操控系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，通過陀螺儀和加速度傳感器實現(xiàn)對空中鼠標(biāo)的定位，控制射頻發(fā)送模塊向外發(fā)射射頻信號，通過無線通信連接主機(jī)的射頻接收模塊；中國專利“空中鼠標(biāo)系統(tǒng)及其操控方法”(申請?zhí)?01410502213.4)公開了一種空中鼠標(biāo)系統(tǒng)及其操控方法，利用加速度計及陀螺儀對空中鼠標(biāo)進(jìn)行定位。但是此類方法需要利用慣性器件(如陀螺儀傳感器、加速度傳感器等)實現(xiàn)對空中鼠標(biāo)的跟蹤，然而陀螺儀傳感器技術(shù)及加速度傳感器技術(shù)都存在運動物體姿態(tài)與運動狀態(tài)很難完全體現(xiàn)的不足，因此不適用于三維大空間人機(jī)交互。

中國專利“帶空中鼠標(biāo)的手機(jī)”(申請?zhí)?01020583117.4)提供了一種帶空中鼠標(biāo)的手機(jī)，通過手機(jī)上的紅外接收感應(yīng)器與紅外發(fā)射管形成紅外信號的接收和發(fā)射過程，實現(xiàn)空中鼠標(biāo)對光標(biāo)的定位，但是紅外光易受陽光、燭光或燈光的干擾，會對最終控制的屏幕光標(biāo)有嚴(yán)重影響。中國專利“一種控制空中鼠標(biāo)的方法，空中鼠標(biāo)以及機(jī)頂盒”(申請?zhí)?01210479353.5)提供了一種控制空中鼠標(biāo)的方法，利用接收機(jī)頂盒發(fā)送的控制模式和空中鼠標(biāo)在各方向的角速度，確定空中鼠標(biāo)在各方向的速度，計算空中鼠標(biāo)在各方向的位移，并將位移發(fā)送給機(jī)頂盒，以控制屏幕光標(biāo)進(jìn)行移動，但是該空中鼠標(biāo)需要額外添加機(jī)頂盒，成本較高。中國專利“一種基于磁定位技術(shù)的空中鼠標(biāo)及方法”(申請?zhí)?01310473339.9)提供了一種基于磁定位技術(shù)的空中鼠標(biāo)及方法，在電感線圈產(chǎn)生的磁場或者永磁鐵產(chǎn)生的磁場中可以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，但是該技術(shù)對環(huán)境要求較高，不適用于人機(jī)交互。中國專利“一種低功耗的空中鼠標(biāo)”(申請?zhí)?01410213109.3)公開了一種低功耗的空中鼠標(biāo)，將空中鼠標(biāo)的空間姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光標(biāo)位移信息，并通過無線發(fā)射單元發(fā)射出去，設(shè)置閾值控制電源在工作狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，以此來降低功耗，但是該方法涉及無線發(fā)射，成本較高。中國專利“三維空中鼠標(biāo)以及與其一起使用的顯示器”(申請?zhí)?01510542367.0)描述了一種空中鼠標(biāo)系統(tǒng)，通過超聲發(fā)射機(jī)發(fā)射超聲信號，超聲接收機(jī)接收超聲信號，基于超聲發(fā)射機(jī)發(fā)射的超聲信號到達(dá)超聲接收機(jī)的時間差來計算空中鼠標(biāo)相對于超聲發(fā)射機(jī)的位置，并且無線地將空中鼠標(biāo)的運動軌跡發(fā)射到主機(jī)，但是該方法要利用超聲信號的反射時間差來實現(xiàn)定位，并需要無線發(fā)射，定位較為復(fù)雜，功耗高。

中國專利“一種三維大空間多通道筆式交互系統(tǒng)”(申請?zhí)?01611157044.0)提出了一種基于超聲波無線定位技術(shù)的多通道三維筆式交互系統(tǒng)及方法，可實現(xiàn)智能筆的三維實時定位、姿態(tài)獲取等信號提取，本發(fā)明參考該系統(tǒng)提出了一種基于三維超聲波定位的低功耗空鼠筆的實現(xiàn)方法，由于本發(fā)明的實際功能類似于空中鼠標(biāo)，外形與筆形相似，故取名空鼠筆。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于三維超聲波定位的低功耗空鼠筆的實現(xiàn)方法，通過坐標(biāo)變換將空鼠筆的三維空間運動軌跡轉(zhuǎn)化為平面軌跡，以解決空鼠操控時由三維運動軌跡造成的投影軌跡重疊的問題，可實現(xiàn)任意位置及角度下的空鼠操作，同時引入不同的紅外編碼方式發(fā)送按鍵信息，大大降低了空鼠筆的功耗。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：系統(tǒng)包括電子白板和空鼠筆，電子白板集成超聲三維定位模塊，空鼠筆集成pvdf壓電薄膜、紅外發(fā)射管、微處理器及按鍵傳感器件，具體的空鼠筆實現(xiàn)方法包括如下步驟：

1)觸發(fā)按鍵，空鼠筆發(fā)射超聲波及紅外信號；

2)電子白板接收空鼠筆發(fā)射的超聲波信號及紅外信號，采用超聲波三維高精度無線定位技術(shù)獲得空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)，一系列的空鼠筆位置形成空鼠筆的三維空間運動軌跡，所述空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)是以電子白板的物理坐標(biāo)系xyz為參考；

3)經(jīng)坐標(biāo)變換將空鼠筆的三維空間運動軌跡轉(zhuǎn)化為平面軌跡，電子白板將平面軌跡轉(zhuǎn)換為屏幕上的光標(biāo)軌跡，以依靠空鼠筆的運動實現(xiàn)對電子白板屏幕上的光標(biāo)進(jìn)行控制；

4)觸發(fā)不同按鍵，以不同的紅外編碼方式發(fā)射紅外信號，對應(yīng)于不同的按鍵操作，實現(xiàn)空鼠筆的不同按鍵功能。

本發(fā)明所述步驟2)中所述電子白板的物理坐標(biāo)系xyz是以電子白板所在平面為xy平面，垂直于電子白板指向用戶的方向為z軸方向。

本發(fā)明所述步驟2)中空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)的計算方法如下：

(x-xb)²+(y-yb)²+(z-zb)²＝l1²

(x-xc)²+(y-yc)²+(z-zc)²＝l2²

(x-xd)²+(y-yd)²+(z-zd)²＝l3²

z≥0

其中，b＝(xb,yb,zb)、c＝(xc,yc,zc)、d＝(xd,yd,zd)分別為電子白板上三個超聲波傳感器所在的位置坐標(biāo)，l1、l2、l3分別為空鼠筆到三個超聲波傳感器的距離。

本發(fā)明所述步驟3)中經(jīng)坐標(biāo)變換將空鼠筆的三維空間運動軌跡轉(zhuǎn)化為平面軌跡的步驟如下：

以電子白板的物理坐標(biāo)系xyz為參考,獲取前后兩個采樣時刻下空鼠筆的位置坐標(biāo)a1＝(x1,y1,z1)和a2＝(x2,y2,z2)，將空鼠筆的三維運動軌跡轉(zhuǎn)化為二維的平面軌跡，計算兩個采樣時刻間空鼠筆在虛擬平面坐標(biāo)系xy中的位移變化量：

△y＝△y

其中，△x＝x2-x1、△y＝y(tǒng)2-y1、△z＝z2-z1分別表示兩個采樣時刻間空鼠筆在xyz坐標(biāo)系中三個坐標(biāo)軸上的變化量，所述虛擬平面坐標(biāo)系xy是以兩個采樣時刻間空鼠筆運動軌跡在xz平面上的投影向量的方向為虛擬平面坐標(biāo)系的x軸正方向，電子白板物理坐標(biāo)系xyz的y軸正方向為虛擬平面坐標(biāo)系的y軸正方向。

本發(fā)明所述步驟3)中所述將平面軌跡轉(zhuǎn)換為屏幕上的光標(biāo)軌跡由空鼠筆的移動方向以及空鼠筆的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度的轉(zhuǎn)換函數(shù)決定，所述空鼠筆的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中，v1是空鼠筆的移動速度，v2是屏幕光標(biāo)的移動速度，a、b為經(jīng)驗值，可根據(jù)實際系統(tǒng)中空鼠筆的最大速度與屏幕光標(biāo)的最大速度及空鼠筆的最小速度與屏幕光標(biāo)的最小速度這兩對數(shù)值代入上式求得，進(jìn)而可以得到鼠標(biāo)的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其中，a＝0.04，b＝0.06，k滿足一個半三角的隸屬度函數(shù)，其表達(dá)式為：

k＝0；|v1|≤0.12

k＝1；|v1|≥12。

本發(fā)明所述步驟4)中所述不同按鍵是空鼠筆的上、下按鍵及按鍵之間的不同組合形式，包括單按上鍵、單按下鍵、同時按上下鍵、連按兩次上鍵、長按上鍵。

本發(fā)明所述步驟4)中所述不同的編碼方式是空鼠筆的紅外發(fā)射管在不同按鍵組合情況下發(fā)射不同波形的紅外信號，以對應(yīng)不同的按鍵操作。

本發(fā)明具有以下的優(yōu)點：

1)空鼠筆系統(tǒng)可以實現(xiàn)筆與電子白板的遠(yuǎn)距離非接觸控制，以更加自然、流暢的方式進(jìn)行空中鼠標(biāo)操作；

2)通過坐標(biāo)變換空鼠筆在不同位置處的任一相同操作均可實現(xiàn)相同效果的控制，解決了空鼠操控時由三維運動軌跡造成的投影軌跡重疊的問題，更加符合人機(jī)交互習(xí)慣；

3)采用不同的紅外編碼方式實現(xiàn)不同的按鍵功能，大大降低了空鼠筆的功耗。

附圖說明

圖1是發(fā)明電子白板組成框圖；

圖2是發(fā)明空鼠筆結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是發(fā)明獲得空鼠筆三維軌跡的方法框圖；

圖4是發(fā)明超聲定位方法原理圖；

圖5是發(fā)明空鼠筆坐標(biāo)變換原理圖；

圖6是發(fā)明空鼠筆在虛擬平面坐標(biāo)系上的位移變化原理圖；

圖7是發(fā)明空鼠筆的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖；

圖8是發(fā)明k的隸屬度函數(shù)示意圖；

圖9是發(fā)明同時按空鼠筆上下鍵的紅外信號編碼方式示意圖；

圖10是發(fā)明按空鼠筆上鍵的紅外信號編碼方式示意圖；

圖11是發(fā)明按空鼠筆下鍵的紅外信號編碼方式示意圖；

圖12是發(fā)明連按空鼠筆上鍵兩次的紅外信號編碼方式示意圖；

圖13是發(fā)明長按空鼠筆上鍵的紅外信號編碼方式示意圖。

具體實施方式

系統(tǒng)包括電子白板和空鼠筆，電子白板集成超聲三維定位模塊，空鼠筆集成pvdf壓電薄膜、紅外發(fā)射管、微處理器及按鍵傳感器件，具體的空鼠筆實現(xiàn)方法包括如下步驟：

1)觸發(fā)按鍵，空鼠筆發(fā)射超聲波及紅外信號；

2)電子白板接收空鼠筆發(fā)射的超聲波信號及紅外信號，采用超聲波三維高精度無線定位技術(shù)獲得空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)，一系列的空鼠筆位置形成空鼠筆的三維空間運動軌跡，所述空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)是以電子白板的物理坐標(biāo)系xyz為參考；

3)經(jīng)坐標(biāo)變換將空鼠筆的三維空間運動軌跡轉(zhuǎn)化為平面軌跡，電子白板將平面軌跡轉(zhuǎn)換為屏幕上的光標(biāo)軌跡，以依靠空鼠筆的運動實現(xiàn)對電子白板屏幕上的光標(biāo)進(jìn)行控制；

4)觸發(fā)不同按鍵，以不同的紅外編碼方式發(fā)射紅外信號，對應(yīng)于不同的按鍵操作，實現(xiàn)空鼠筆的不同按鍵功能。

本發(fā)明所述步驟2)中所述電子白板的物理坐標(biāo)系xyz是以電子白板所在平面為xy平面，垂直于電子白板指向用戶的方向為z軸方向。

本發(fā)明所述步驟2)中空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)的計算方法如下：

(x-xb)²+(y-yb)²+(z-zb)²＝l1²

(x-xc)²+(y-yc)²+(z-zc)²＝l2²

(x-xd)²+(y-yd)²+(z-zd)²＝l3²

z≥0

其中，b＝(xb,yb,zb)、c＝(xc,yc,zc)、d＝(xd,yd,zd)分別為電子白板上三個超聲波傳感器所在的位置坐標(biāo)，l1、l2、l3分別為空鼠筆到三個超聲波傳感器的距離。

本發(fā)明所述步驟3)中經(jīng)坐標(biāo)變換將空鼠筆的三維空間運動軌跡轉(zhuǎn)化為平面軌跡的步驟如下：

以電子白板的物理坐標(biāo)系xyz為參考,獲取前后兩個采樣時刻下空鼠筆的位置坐標(biāo)a1＝(x1,y1,z1)和a2＝(x2,y2,z2)，將空鼠筆的三維運動軌跡轉(zhuǎn)化為二維的平面軌跡，計算兩個采樣時刻間空鼠筆在虛擬平面坐標(biāo)系xy中的位移變化量：

△y＝△y

其中，△x＝x2-x1、△y＝y(tǒng)2-y1、△z＝z2-z1分別表示兩個采樣時刻間空鼠筆在xyz坐標(biāo)系中三個坐標(biāo)軸上的變化量，所述虛擬平面坐標(biāo)系xy是以兩個采樣時刻間空鼠筆運動軌跡在xz平面上的投影向量的方向為虛擬平面坐標(biāo)系的x軸正方向，電子白板物理坐標(biāo)系xyz的y軸正方向為虛擬平面坐標(biāo)系的y軸正方向。

本發(fā)明所述步驟3)中所述將平面軌跡轉(zhuǎn)換為屏幕上的光標(biāo)軌跡由空鼠筆的移動方向以及空鼠筆的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度的轉(zhuǎn)換函數(shù)決定，所述空鼠筆的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中，v1是空鼠筆的移動速度，v2是屏幕光標(biāo)的移動速度，a、b為經(jīng)驗值，可根據(jù)實際系統(tǒng)中空鼠筆的最大速度與屏幕光標(biāo)的最大速度及空鼠筆的最小速度與屏幕光標(biāo)的最小速度這兩對數(shù)值代入上式求得，進(jìn)而可以得到鼠標(biāo)的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其中，a＝0.04，b＝0.06，k滿足一個半三角的隸屬度函數(shù)，其表達(dá)式為：

k＝0；|v1|≤0.12

k＝1；|v1|≥12。

本發(fā)明所述步驟4)中所述不同按鍵是空鼠筆的上、下按鍵及按鍵之間的不同組合形式，包括單按上鍵、單按下鍵、同時按上下鍵、連按兩次上鍵、長按上鍵。

本發(fā)明所述步驟4)中所述不同的編碼方式是空鼠筆的紅外發(fā)射管在不同按鍵組合情況下發(fā)射不同波形的紅外信號，以對應(yīng)不同的按鍵操作。

采用超聲波三維高精度無線定位技術(shù)獲得空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)的方法如下：

超聲三維定位模塊采用三個超聲波傳感器和兩個紅外傳感器構(gòu)成無線定位陣列，被固定安裝在電子白板周圍。電子白板接收空鼠筆發(fā)射的超聲波信號及紅外信號，紅外信號為超聲波接收器提供時間基準(zhǔn)，通過超聲信號到達(dá)超聲接收機(jī)的時間來計算空鼠筆相對于電子白板的位置。

空中鼠標(biāo)與傳統(tǒng)鼠標(biāo)最大的不同在于，傳統(tǒng)鼠標(biāo)的運動軌跡可以直接作為識別器的輸入，而空中鼠標(biāo)的運動軌跡是一條空間曲線，需要先投影成平面軌跡再作識別，如果投影平面選取不當(dāng)，則得到的軌跡可能跟書寫者的意圖差距很大?？紤]書寫者使用空鼠筆操控電子白板上光標(biāo)的意圖，我們將空鼠筆的三維運動軌跡轉(zhuǎn)化為二維的平面軌跡，具體的實現(xiàn)方法是保持空鼠筆的運動軌跡在y軸上的變化量不變，即空鼠筆在y軸上的變化量等同于空鼠筆在虛擬平面坐標(biāo)系xy中y軸上的變化量；然后將空鼠筆的運動軌跡在xz平面上的投影量映射成空鼠筆在虛擬平面坐標(biāo)系xy中x軸上的變化量，使空鼠筆的三維空間運動軌跡轉(zhuǎn)化為平面軌跡。

電子白板將平面軌跡轉(zhuǎn)換為屏幕上的光標(biāo)軌跡，以依靠空鼠筆的運動實現(xiàn)對電子白板屏幕上的光標(biāo)進(jìn)行控制時，空鼠筆的移動速度v1(單位：米/秒)與屏幕上光標(biāo)的移動速度v2(單位：像素/秒)之間存在一個轉(zhuǎn)換關(guān)系，此轉(zhuǎn)換關(guān)系可保證鼠標(biāo)的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度在保持同比變化的同時控制速度的變化保持在一定的范圍內(nèi)，保證用戶的體驗感。

以不同的紅外編碼方式選擇按鍵方式的具體方法如下：基于傳統(tǒng)鼠標(biāo)的單擊左鍵、右鍵，雙擊左鍵和長按左鍵等按鍵操作，對應(yīng)于空鼠筆的不同按鍵操作時，設(shè)置紅外信號以不同的波形發(fā)射，當(dāng)紅外接收機(jī)接收到不同編碼方式的紅外信號時，電子白板將響應(yīng)對應(yīng)的操作命令。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

1、圖1和圖2為本發(fā)明應(yīng)用的三維大空間人機(jī)交互系統(tǒng)的組成示意圖，包括電子白板100和空鼠筆200兩部分，電子白板100主要由白板101和超聲三維定位模塊102組成，超聲三維定位模塊102包括3個不在一條直線上的超聲傳感器1021構(gòu)成的三維超聲定位陣列及2個紅外傳感器1022?？帐蠊P200主要包括筆尖201、pvdf超聲薄膜202、紅外發(fā)射管203、按鍵204和微處理器205等。具體的空鼠筆三維軌跡的獲得方法可參考圖3(300)，觸發(fā)空鼠筆的按鍵204時，pvdf超聲薄膜202及紅外發(fā)射管203分別發(fā)射超聲信號及紅外信號，通過按鍵204和筆尖201在三維空間內(nèi)無需接觸板面即可觸發(fā)超聲波和紅外信號，以紅外信號作為測距同步信號，通過三維超聲定位技術(shù)對空鼠筆進(jìn)行三維實時定位301，進(jìn)而判斷是否獲得空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)302，若沒有獲得則重復(fù)上述過程，若已獲得位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)，則進(jìn)行超聲三維筆跡跟蹤303，獲得空鼠筆的三維運動軌跡304。所述空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)是以電子白板的物理坐標(biāo)系xyz為參考，其中x、y、z分別為空鼠筆在三維坐標(biāo)系xyz中x軸、y軸、z軸方向的坐標(biāo)。

2、首先參照圖4，圖4是超聲定位方法原理圖400。觸發(fā)空鼠筆的按鍵204時，pvdf超聲薄膜202及紅外發(fā)射管203分別發(fā)射超聲信號及紅外信號，紅外信號的傳播速度遠(yuǎn)大于超聲信號，可以為超聲信號提供時間基準(zhǔn)，且被發(fā)射到不同位置的紅外信號的時間差相對于被發(fā)射到不同位置的超聲波信號的時間差是可以忽略的，可以假定由空鼠筆發(fā)射的紅外信號同時到達(dá)不同的紅外傳感器1022。具體的空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)401的計算方法如下：

計算空鼠筆的三維坐標(biāo)a＝(x,y,z)401，需要用到如下參數(shù)：三路超聲信號各自與紅外信號到達(dá)電子白板的時間差τb、τc、τd；超聲信號的傳播速度v；三個超聲傳感器的物理坐標(biāo)b(xb,yb,zb)402、c(xc,yc,zc)403、d(xd,yd,zd)404；空鼠筆到三個超聲傳感器的距離l1(405)、l2(406)、l3(407)。空鼠筆的位置坐標(biāo)a＝(x,y,z)(401)的計算步驟如下：

1)計算空鼠筆到三個超聲傳感器的距離：

l1＝v·τb

l2＝v·τc

l3＝v·τd

2)計算空鼠筆的三維坐標(biāo)a＝(x,y,z)：

(x-xb)²+(y-yb)²+(z-zb)²＝l1²

(x-xc)²+(y-yc)²+(z-zc)²＝l2²

(x-xd)²+(y-yd)²+(z-zd)²＝l3²

z≥0

3、空中鼠標(biāo)與傳統(tǒng)鼠標(biāo)最大的不同在于，傳統(tǒng)鼠標(biāo)的運動軌跡可以直接作為識別器的輸入，而空中鼠標(biāo)的運動軌跡是一條空間曲線，需要先投影成平面軌跡再作識別，如果投影平面選取不當(dāng)，則得到的軌跡可能跟書寫者的意圖差距很大，參考傳統(tǒng)鼠標(biāo)的控制模式及書寫者的書空習(xí)慣可以看出，當(dāng)保持空鼠筆的運動軌跡在y軸上的變化量不變，即空鼠筆在y軸上的變化量等同于空鼠筆在虛擬平面坐標(biāo)系xy中y軸上的變化量，然后將空鼠筆的運動軌跡在xz平面上的投影量映射成空鼠筆在虛擬平面坐標(biāo)系xy中x軸上的變化量，空鼠筆的操控模式與傳統(tǒng)鼠標(biāo)大致相同。

參照圖5的坐標(biāo)變換原理圖500，當(dāng)以電子白板100的物理坐標(biāo)系xyz為參考,空鼠筆從位置a1＝(x1,y1,z1)[501]移到位置a2＝(x2,y2,z2)(502)時，相對于電子白板，空鼠筆的運動軌跡是三維的，空鼠筆在xyz坐標(biāo)系中三個坐標(biāo)軸上的變化量分別為△x＝x2-x1(506)、△y＝y(tǒng)2-y1(503)、△z＝z2-z1(505)，考慮用戶的操作意圖及光標(biāo)的操控效果，空鼠筆的操作結(jié)果應(yīng)是控制電子白板的光標(biāo)實現(xiàn)同向且同比例的位移變換。結(jié)合圖6空鼠筆在虛擬平面坐標(biāo)系上的位移變化原理圖(600)，保持空鼠筆的運動軌跡在y軸上的變化量△y(503)不變，將空鼠筆的運動軌跡在xz平面上的投影量(504)映射成空鼠筆在虛擬平面坐標(biāo)系xy中x軸上的變化量△x(5072)，則空鼠筆在虛擬平面坐標(biāo)系上的變化量分別為△y＝△y(5071)。

電子白板100將二維平面軌跡的坐標(biāo)變化轉(zhuǎn)換為屏幕上的光標(biāo)軌跡508，從而實現(xiàn)依靠空鼠筆的運動對電子白板屏幕上的光標(biāo)進(jìn)行控制，在此過程中，空鼠筆的移動速度v1(單位：米/秒)與屏幕上光標(biāo)的移動速度v2(單位：像素/秒)之間存在一個轉(zhuǎn)換關(guān)系，考慮電子白板的尺寸及用戶的操作習(xí)慣，我們根據(jù)系統(tǒng)實際情況給出一個空鼠筆的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度的轉(zhuǎn)換函數(shù)，具體可參考圖7。系統(tǒng)采用的超聲波頻率為40khz，紅外信號波長為850nm，空鼠筆的工作頻率為62.5hz(即每16ms發(fā)射一次超聲和紅外信號)，接收系統(tǒng)的時鐘分辨率為10ns，屏幕光標(biāo)移動的速度范圍為(-127,+128]像素/s，“+”表示向坐標(biāo)軸正方向移動，“-”表示向坐標(biāo)軸負(fù)方向移動，實際當(dāng)中，我們設(shè)定屏幕光標(biāo)移動的最大速度為±120像素/s，超聲波的傳播速度為340m/s，則空鼠筆在x軸方向的速度為在y軸方向的速度為實測的空鼠筆最大速度為12m/s(需要說明，對空鼠筆來說這個速度是非常快的，多數(shù)情況空鼠筆的速度在1～5m/s之間)，對應(yīng)屏幕光標(biāo)的移動速度為120像素/秒，空鼠筆的最小速度為0.12m/s，對應(yīng)屏幕光標(biāo)的移動速度為3像素/秒，此轉(zhuǎn)換函數(shù)可保證鼠標(biāo)的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度在保持同比變化的同時控制速度的變化保持在一定的范圍內(nèi)，保證用戶的體驗感，同時可以看出，本發(fā)明中的空鼠筆比傳統(tǒng)鼠標(biāo)的分辨率要低，適用于書空操控等非精準(zhǔn)操控的場合，但也具有傳統(tǒng)鼠標(biāo)不具備的便捷性。具體的轉(zhuǎn)換函數(shù)表達(dá)式為：

其中，a、b為經(jīng)驗值，可根據(jù)實際系統(tǒng)中空鼠筆的最大速度與屏幕光標(biāo)的最大速度及空鼠筆的最小速度與屏幕光標(biāo)的最小速度這兩對數(shù)值代入上式求得，進(jìn)而可以得到鼠標(biāo)的移動速度與屏幕光標(biāo)的移動速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在此實際系統(tǒng)中，a＝0.04，b＝0.06。k滿足一個半三角的隸屬度函數(shù)，具體可參照圖8，其表達(dá)式為：

k＝0；|v1|≤0.12

k＝1；|v1|≥12

4、采用不同的紅外編碼方式實現(xiàn)不同的按鍵功能，具體的實現(xiàn)方法為：將空鼠筆的按鍵204操控方式分為五種，分別為：同時按兩個按鍵、按上鍵、按下鍵、連續(xù)按上鍵兩次、長按上鍵，對每種操控方式進(jìn)行不同的紅外編碼，電子白板100識別紅外傳感器1022接收到的紅外信息，對應(yīng)為五種不同的操作：第一，啟動超聲定位；第二，模擬鼠標(biāo)單擊左鍵的操作；第三，模擬鼠標(biāo)單擊右鍵的操作；第四，模擬鼠標(biāo)雙擊左鍵的操作；第五，模擬鼠標(biāo)長按左鍵的操作。

圖9～圖13示意性地給出本發(fā)明的一個實施例的紅外編碼方式。紅外編碼信息由6個周期的信號組成，每個周期的信號包含一個高電平或一個低電平，為了避免信號脈沖寬度太小，選擇每2個周期信號代表一個符號數(shù)，即每種按鍵操作對應(yīng)3個符號數(shù)。如圖9所示，當(dāng)同時按下空鼠筆的上下鍵204時，紅外發(fā)射管203以001的編碼方式發(fā)射紅外信號，即發(fā)射4個周期的低電平信號和2個周期的高電平信號[900，電子白板上的紅外傳感器1022接收到以900方式編碼的紅外信號時，啟動超聲定位，空鼠筆開始對電子白板上的光標(biāo)進(jìn)行操控，即光標(biāo)開始隨著空鼠筆的位置變化而移動；如圖10所示，當(dāng)按下空鼠筆的上鍵2041時，紅外發(fā)射管203以010的編碼方式發(fā)射紅外信號，即發(fā)射2個周期的低電平信號、2個周期的高電平信號，再發(fā)射2個周期的低電平信號1000，電子白板上的紅外傳感器1022接收到以1000方式編碼的紅外信號時，進(jìn)行與傳統(tǒng)鼠標(biāo)單擊左鍵相同的命令操作，即實現(xiàn)光標(biāo)定位、執(zhí)行菜單的命令或選中對話框中的按鈕和選項等功能；如圖11所示，當(dāng)按下空鼠筆的下鍵2042時，紅外發(fā)射管203以011的編碼方式發(fā)射紅外信號，即發(fā)射2個周期的低電平信號和4個周期的高電平信號1100，電子白板上的紅外傳感器1022接收到以1100方式編碼的紅外信號時，進(jìn)行與傳統(tǒng)鼠標(biāo)單擊右鍵相同的命令操作，即實現(xiàn)顯示快捷菜單等功能；如圖12所示，當(dāng)連按兩次空鼠筆的上鍵2041時，紅外發(fā)射管203]以100的編碼方式發(fā)射紅外信號，即發(fā)射2個周期的高電平信號和4個周期的低電平信號1200，電子白板上的紅外傳感器1022接收到以1200方式編碼的紅外信號時，進(jìn)行與傳統(tǒng)鼠標(biāo)雙擊左鍵相同的命令操作，即實現(xiàn)打開文件夾或程序等功能；如圖13所示，當(dāng)長按空鼠筆的上鍵2041時，紅外發(fā)射管203以101的編碼方式發(fā)射紅外信號，即發(fā)射2個周期的高電平信號、2個周期的低電平信號，再發(fā)射2個周期的高電平信號1300，電子白板上的紅外傳感器1022接收到以1300方式編碼的紅外信號時，進(jìn)行與傳統(tǒng)鼠標(biāo)長按左鍵相同的命令操作，即選中光標(biāo)劃過的內(nèi)容等功能。

上文的描述針對特定的實施例，在實際的實現(xiàn)過程中，可以對描述的實施例進(jìn)行其他的變形和修改，以實現(xiàn)更多的按鍵操作或更方便的控制方式。由此，這些描述應(yīng)該被理解為僅對各種原理進(jìn)行說明，而非對本發(fā)明進(jìn)行限制。