專利名稱：自由空間定位裝置和方法
相關(guān)申請
本申請與2004年4月30日遞交的題為“自由空間定位裝置”的第60/566,444號美國臨時專利申請相關(guān)并要求其優(yōu)先權(quán)，該申請的內(nèi)容通過引用并入本文。本申請還與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號美國臨時專利申請相關(guān)并要求其優(yōu)先權(quán)，該申請的內(nèi)容通過引用并入本文。本申請還與2005年1月5日遞交的題為“用于去除自由空間定位裝置的無意運動”的第60/641,383號美國臨時專利申請相關(guān)并要求其優(yōu)先權(quán)，該申請的內(nèi)容通過引用并入本文。本申請還與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號美國臨時專利申請相關(guān)并要求其優(yōu)先權(quán)，該申請的內(nèi)容并入本文作為參考。本申請還與2005年1月5日遞交的題為“手持遙控裝置”的第60/641,405號美國臨時專利申請相關(guān)并要求其優(yōu)先權(quán)，該申請的內(nèi)容通過引用并入本文。本申請還涉及與本申請同時遞交的題為“用于去除自由空間定位裝置的無意運動的方法和裝置”、“具有傾斜補(bǔ)償和改進(jìn)的可用性的自由空間定位裝置”和“基于抖動識別用戶的方法和裝置”的三個美國專利申請(申請?zhí)栁粗?，上述所有申請的內(nèi)容通過引用并入本文。
背景技術(shù)：
本發(fā)明描述自由空間定位技術(shù)、系統(tǒng)和裝置，以及一些可用于其他類型手持裝置的技術(shù)和裝置。
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)相結(jié)合，將消費者淹沒在可用信息和娛樂選擇中。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)、按次計費電影和視頻點播。二十世紀(jì)六十年代的電視收看者通常可在其電視機(jī)上接收約4個或5個無線電視頻道，然而當(dāng)今的電視觀眾則有機(jī)會從數(shù)以百計、數(shù)以千計甚至可能數(shù)以百萬計的節(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播技術(shù)提供了從數(shù)以千計的電影標(biāo)題中進(jìn)行家庭娛樂選擇的可能性。
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)計者和服務(wù)提供商帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。一個挑戰(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，但是這通常會與其希望選擇過程又快速又簡單相沖突。不幸的是，最終用戶訪問媒體項目的系統(tǒng)和界面的開發(fā)導(dǎo)致選擇過程既不快速又不簡單。再次以電視節(jié)目為例。當(dāng)電視在起步階段時，確定觀看哪個節(jié)目是相對簡單的過程，這主要是由于選擇數(shù)目較小造成的。人們參考經(jīng)過編排的印制節(jié)目表，例如，具有顯示以下項目的對應(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)日期和時間。通過調(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頻道上播出的較短片斷，以快速地確定任何給定時間的可看節(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、控制裝置選項和框架并沒有明顯變化。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)計及實施人員，對于此問題的反應(yīng)是直接擴(kuò)充現(xiàn)有的選擇方式及接口對象。因此，增加印制節(jié)目表的行數(shù)來容納更多的頻道。增加遙控裝置上的按鈕數(shù)目來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間和執(zhí)行選擇所需動作的復(fù)雜性。由此看來，現(xiàn)有接口復(fù)雜的特性妨礙了某些服務(wù)的商業(yè)實施，比如說視頻點播。消費者會抵觸新的服務(wù)因為那樣將會使接口(消費者認(rèn)為這些接口已經(jīng)過于緩慢和復(fù)雜)更加復(fù)雜。
除了帶寬和內(nèi)容的增加之外，用戶界面瓶頸問題還由于技術(shù)的集合而得以加劇。消費者更傾向于選擇購買集成系統(tǒng)而不是多個可分離的組件。這一趨勢的一個示例是電視/VCR/DVD的組合，三個之前獨立的組件在當(dāng)今經(jīng)常作為一個集成單元出售。這一趨勢可能會繼續(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)購買單獨組件的人們也可能希望得到對于單獨組件的無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，這些通用遙控單元上的按鈕數(shù)目通常大于單獨的電視遙控單元或者單獨的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的最簡單方面之外的任何事。通常，這些通用遙控并沒有提供足夠的按鈕來實現(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題，還需要使用原遙控單元，并無法減少原本使用多個遙控的麻煩。為了解決此問題，有些遙控單元增加了能夠用專用命令編程的“軟”按鈕。有時這些軟按鈕會附帶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缺陷表現(xiàn)在這些遙控以“模式”的方法來減少按鈕數(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題，包括，把命令傳送給錯誤的裝置，使用戶不得不看著遙控以確保處于正確模式，還有它本身并沒對多裝置集合一體的遙控進(jìn)行任何簡化。最先進(jìn)的通用遙控單元通過允許用戶將多種裝置的命令序列編程設(shè)置到遙控單元而實現(xiàn)一定的集成。但是，這是一項困難的工作，很多用戶雇請專業(yè)安裝人員來設(shè)置他們的通用遙控單元。
也進(jìn)行了一些嘗試來改進(jìn)終端用戶與媒體系統(tǒng)之間的屏幕界面。但是，除了其它缺點之外，這些嘗試一般都無法在較大的媒體項目集合與較小媒體項目集合之間容易地調(diào)節(jié)(scale)。例如，基于項目列表的界面適用于小媒體項目集合，但要閱覽大的媒體項目集合時則變得乏味冗長。而基于分級導(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目集合，但并不適用于小媒體項目集合。此外，當(dāng)選擇的過程需要穿過樹型結(jié)構(gòu)的三層或三層以上時，用戶會對選擇過程失去興趣。對于所有上述例子，現(xiàn)在的遙控單元使用戶不得不反復(fù)的按上下按鈕來操作列表或分級導(dǎo)航，使得選擇過程更加的乏味冗長。盡管提供了跳躍控制如上一頁，下一頁，用戶一般要看著遙控單元或經(jīng)過訓(xùn)練才知道它們的存在。因此，于2004年1月30日提交的美國專利申請?zhí)枮?0/768,432，名稱為“帶有用于組織、選擇、啟動媒體項目的可縮放圖形用戶接口的控制框架”的申請?zhí)岢隽诉@樣一種組織框架、技術(shù)和系統(tǒng)，其能夠簡化用戶和媒體系統(tǒng)之間的控制及屏幕界面并加快選擇過程，同時允許服務(wù)提供商利用終端用戶裝置的可用帶寬的增長來促進(jìn)為用戶提供大量的媒體項目和新服務(wù)。其公開的內(nèi)容通過引用并入本申請。
本申請說明書特別關(guān)注的是可用來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“自由空間定位”在本說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)行移動的能力，以及相應(yīng)地用戶界面把那些動作直接轉(zhuǎn)換成用戶界面命令(例如，光標(biāo)在顯示屏的移動)的能力。自由空間定位裝置的數(shù)據(jù)傳遞可以無線地實現(xiàn)、或通過將自由空間定位裝置與其它裝置連接的有線來實現(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)在其上的移動被轉(zhuǎn)換為電腦顯示屏上的光標(biāo)移動)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例可以從美國專利5,440,326里找到。
在美國專利5,440,326專利中描述了將垂直的陀螺儀改裝用來控制計算機(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)通過兩對垂直的萬向接頭而懸掛于手持控制器裝置，并標(biāo)稱地通過懸垂裝置使該電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸垂直。當(dāng)用戶在操作控制器時電光桿角編碼器感測手持控制器的方位，并且得到的電子輸出被轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可用的形式以控制電腦顯示屏上光標(biāo)的移動。
然而，在手持裝置設(shè)計領(lǐng)域，以及更具體地，在自由空間定位器設(shè)計領(lǐng)域，存在顯著的改進(jìn)空間。


發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法針對上述和其它需求，提供了一種手持裝置，例如，自由空間定位裝置，該裝置使用至少一個傳感器來檢測手持裝置的運動。所檢測的運動然后可被映射為期望的輸出，例如光標(biāo)運動。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方案，一種定位裝置包括第一轉(zhuǎn)動傳感器，用于確定所述定位裝置關(guān)于第一軸線的轉(zhuǎn)動并生成與其相關(guān)的第一轉(zhuǎn)動輸出；第二轉(zhuǎn)動傳感器，用于確定所述定位裝置關(guān)于第二軸線的轉(zhuǎn)動并生成與其相關(guān)的第二轉(zhuǎn)動輸出；加速度計，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，用于基于所述加速度而修改所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出，以及基于所述修改的第一和第二轉(zhuǎn)動輸出而生成輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，一種用于控制自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟檢測是否不存在與所述自由空間定位裝置相關(guān)的運動；以及根據(jù)所述檢測步驟的結(jié)果，將所述自由空間定位裝置設(shè)置為功率降低狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施方案，一種用于控制系統(tǒng)的方法，所述方法包括以下步驟檢測與裝置相關(guān)的運動；確定所述運動是否代表所述裝置目前被用戶所持有；以及基于所述確定步驟的結(jié)果，控制所述系統(tǒng)。



附圖描述了本發(fā)明的示例性的實施方式，其中 圖1顯示了娛樂系統(tǒng)的常規(guī)遙控單元； 圖2顯示了本發(fā)明可實施的示例性實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，包括兩個轉(zhuǎn)動傳感器及一個加速器； 圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的、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)明的示例性實施方式的自由空間定位裝置的硬件結(jié)構(gòu)； 圖8是說明本發(fā)明的示例性實施方式的靜態(tài)檢測機(jī)制的狀態(tài)圖； 圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施方案的、基于檢測到的手持裝置的手部抖動來識別用戶的方法的流程圖； 圖10(a)-10(d)是根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施方案的、作為基于手部抖動識別用戶的示例性方法和裝置的測試一部分而收集的頻域抖動數(shù)據(jù)的曲線圖； 圖11是描繪了根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施方案的、與基于手部抖動識別用戶的方法相關(guān)的特征值的圖； 圖12是示出了根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施方案的、與基于手部抖動識別用戶的示例性方法相關(guān)的等級劃分結(jié)果的圖； 圖13是示出了根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施方案的、將檢測的運動數(shù)據(jù)由第一坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為第二坐標(biāo)系的方框圖； 圖14用圖表的方式示出了根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施方案的、將檢測的運動數(shù)據(jù)由第一坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為第二坐標(biāo)系的過程； 圖15是示出了根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施方案的、用于從檢測到的運動中去除無意運動的系統(tǒng)的方框圖；以及 圖16示出了檢測到的、與精細(xì)的按鈕點擊和粗略的按鈕點擊相關(guān)的運動的各種實施例。

具體實施例方式 下面將參考附圖對本發(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)明可實施的一個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代表用于對媒體系統(tǒng)部件間的信號進(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，對音頻信號進(jìn)行路由的獨立音頻“插接(patch)”電纜，對視頻信號進(jìn)行路由的同軸線纜，對控制信號進(jìn)行路由的雙線式串行線或者紅外或射頻收發(fā)器，以及對其他類型的信號進(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、DVD216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和無線I/O控制裝置226。根據(jù)本發(fā)明示例性的實施方式，無線I/O控制裝置226為自由空間定位裝置，其相關(guān)的示例性的具體實施方式
將在下文描述。無線I/O控制裝置226可通過紅外線(IR)或射頻(RF)發(fā)射器或收發(fā)器與娛樂系統(tǒng)200進(jìn)行通信。作為一種選擇，I/O控制裝置經(jīng)由電線連接到娛樂系統(tǒng)200。
娛樂系統(tǒng)200還包括系統(tǒng)控制器228。根據(jù)本發(fā)明示例性的實施方式，系統(tǒng)控制器228操作以儲存并顯示來自多個娛樂系統(tǒng)數(shù)據(jù)源的可用娛樂系統(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I/O總線210直接或間接地連接各個系統(tǒng)部件(如果需要)。在一個示例性的實施方式中，除了I/O總線210外(或者作為替代)，系統(tǒng)控制器228還裝備有無線通信發(fā)射器(或收發(fā)器)，其能夠通過IR信號或RF信號與系統(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被配置為通過如下描述的圖形用戶界面來控制對媒體系統(tǒng)200的媒體部件。
如圖2進(jìn)一步所示，媒體系統(tǒng)200可配置為接收來自不同的媒體源和服務(wù)提供商的媒體項目。在本示例性的實施方式中，媒體系統(tǒng)200從以下來源之一或全部接收媒體輸入，以及可選地向以下來源之一或全部發(fā)送信息有線廣播230，衛(wèi)星廣播232(例如，通過圓盤式衛(wèi)星電視天線)，甚高頻(VHF)或超高頻(UHF)無線電頻率通信(比如，通過天線)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)容的來源)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些參考圖2說明和描述的媒體部件和媒體來源僅為舉例的作用，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)于這個示例性的娛樂系統(tǒng)及其相關(guān)的框架的更多細(xì)節(jié)可以從上面提到的、并通過引用并入本文的美國發(fā)明申請“帶有用于組織、選擇、啟動媒體項目的可縮放圖形用戶接口的控制框架”中看出?；蛘撸景l(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、處理器和存儲系統(tǒng)或其他系統(tǒng)和應(yīng)用程序計算機(jī)系統(tǒng)。
如背景技術(shù)中已經(jīng)提到的，本說明書特別關(guān)注可以作為自由空間定位的遙控裝置。這些裝置可以將姿勢類動作為轉(zhuǎn)換為對用戶界面發(fā)出的命令。圖3描述了一個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作可以被定義為自由空間定位裝置400在x-軸高度(滾動)，y-軸仰角(斜度)和/或z-軸去向(偏航)或其結(jié)合上的運動。另外，本發(fā)明的一些示例性實施方式還可以測量自由空間定位裝置400沿x軸、y軸和z軸上的直線運動，以產(chǎn)生光標(biāo)的移動或其他用戶界面的命令。在圖3中的示例性實施方式中，自由空間定位裝置400包括兩個按鈕402和404以及滾輪406(其他的示例性實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將其運動轉(zhuǎn)換為可用來與顯示在顯示器408上的信息相互作用的輸出(例如在顯示器408上移動光標(biāo)410)。例如，自由空間定位裝置400感測其關(guān)于y軸的轉(zhuǎn)動并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可用的輸出，以沿顯示器408的y2軸移動光標(biāo)410。同理，自由空間定位裝置400感測其關(guān)于z軸的轉(zhuǎn)動并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可用的輸出，以沿著顯示器408的x2軸移動光標(biāo)410?？梢岳斫?，除了移動光標(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)移動外，輸入命令可以包括例如對顯示器的特定區(qū)域進(jìn)行縮放的操作。光標(biāo)可以是可見或不可見的。同樣，自由空間定位裝置400感測到的其沿x軸的轉(zhuǎn)動可被作為y軸和/或z軸以外(或附加于y軸和/或z軸)的轉(zhuǎn)動，以提供用戶界面的輸入。
根據(jù)本發(fā)明示例性的一個實施方式，如圖4所示，自由空間定位裝置400采用兩個轉(zhuǎn)動傳感器502及504和一個加速度計506作為傳感器。轉(zhuǎn)動傳感器502和504可以例如使用由模擬器件制造的ADXRS150傳感器或ADXRS401傳感器來實現(xiàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，其他類型的轉(zhuǎn)動傳感器也可以作為傳感器502和504使用，所提ADXRS150和ADXRS401只是為了用來說明的實施例。不同于傳統(tǒng)的陀螺儀，這些轉(zhuǎn)動傳感器使用微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，提供附在框架上的共振物質(zhì)，以使其只能沿一個方向共振。當(dāng)附著有傳感器的本體沿傳感器的感測軸線轉(zhuǎn)動時，該共振物質(zhì)將會移位?？梢酝ㄟ^科里奧利(Coriolis)加速度效應(yīng)來測量出該移位，以確定與沿感測軸轉(zhuǎn)動相關(guān)的角速度。如果轉(zhuǎn)動傳感器502和504有一個感測軸線(如ADXRS150一樣)，那么他們將被安裝在自由空間定位裝置400上使得他們的感測軸與待測的旋轉(zhuǎn)對齊。在本發(fā)明的示例性的實施方式中，這就意味著轉(zhuǎn)動傳感器504被安裝以使其感測軸線與y軸平行，轉(zhuǎn)動傳感器502被安裝以使其感測軸線與z軸平行，如圖4所示。但是，應(yīng)當(dāng)注意，由于本發(fā)明示例性的實施方式中提供了用于對軸線間偏移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，所與并不是必須要求轉(zhuǎn)動傳感器502和504的感測軸線與其期望的測量軸線平行。
根據(jù)本發(fā)明的示例性的自由空間定位裝置400的實施所面臨的挑戰(zhàn)是，使用不太貴的部件(比如，轉(zhuǎn)動傳感器502和504)，但同時又要提供自由空間定位裝置400的運動、用戶期望用戶界面對自由空間定位裝置的特定動作做出何種反應(yīng)、以及響應(yīng)于該動作的實際用戶界面執(zhí)行之間的高度相關(guān)性。例如，如果自由空間定位裝置400沒有移動，用戶將會認(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)動自由空間定位裝置400，他/她將不期望看見在顯示器408上的光標(biāo)移動有任何明顯的x2軸分量。為實現(xiàn)這些及其他本發(fā)明示例性的實施方式，手持裝置400將執(zhí)行各種測量和計算，這些測量和計算被用來調(diào)整傳感器502，504和506中的一個或多個的輸出，和/或作為處理器的輸入的一部分根據(jù)傳感器502，504和506的輸出來確定用戶界面的適當(dāng)?shù)妮敵?。這些測量和計算是用來補(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。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)動傳感器502和504以及加速度計506產(chǎn)生模擬信號，這些模擬信號將被周期性(例如，200采樣/秒)地采樣。為了便于討論，通過符號(x，y，x，αy，αz)來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是來自轉(zhuǎn)動傳感器502的、與自由空間定位裝置關(guān)于y軸轉(zhuǎn)動相關(guān)的采樣輸出值，αz是來自轉(zhuǎn)動傳感器504的、與自由空間定位裝置400關(guān)于z軸轉(zhuǎn)動相關(guān)的采樣輸出值。
提供了加速度計506的輸出。如果加速度計506提供的是模擬輸出，則通過模擬/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。對加速度計輸出602的校準(zhǔn)例如包括，對與加速度計506相關(guān)的標(biāo)度、偏移和軸偏誤差中的一個或多個進(jìn)行補(bǔ)償。使用以下的公式來執(zhí)行對于加速度計數(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3x1的列向量，其中，P是3x1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)動補(bǔ)償?shù)?x3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506具有示例的全部范圍+/-2g。當(dāng)加速度計的測量值為0g時，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，任何給定加速度計傳感器的實際標(biāo)度可能會偏離那些標(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506的標(biāo)度和偏移的偏離可以通過如下方式測量，例如，沿一個軸施加1g的力并得到測量結(jié)果R1。然后，施加一個-1g的力并得到測量結(jié)果R2。通過以下的公式可以算出單軸的標(biāo)度s和單軸的偏移p 在這個簡單的例子中，P是由每個軸的p組成的列向量，S是由每個軸的1/s組成的對角矩陣。
但是，除標(biāo)度和偏移外，加速度計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齊軸(例如，當(dāng)將加速度計506安裝在自由空間定位裝置400中時，加速度計506的一個或多個感測軸與相應(yīng)的參考慣性系中的軸未對齊)或與加速度計506本身的加工相關(guān)的機(jī)械誤差(例如，即使軸對齊了，但是單純的y軸加速度力有可能造成傳感器沿加速度計506的z軸的讀數(shù))。這兩種影響都可以測量并加入到功能模塊606執(zhí)行的校準(zhǔn)中。
加速度計506在根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的示例性自由空間定位裝置中起到多個作用。例如，如果使用如上所述的示例性科里奧利效應(yīng)轉(zhuǎn)動傳感器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動傳感器502和504，則轉(zhuǎn)動傳感器502和504的輸出將基于每個轉(zhuǎn)動傳感器所經(jīng)歷的線性加速度而變化。因此，加速度計506的一個示例性用途在于對轉(zhuǎn)動傳感器502和504產(chǎn)生的讀數(shù)的波動(其由線性加速度的變化而引起)進(jìn)行補(bǔ)償。這可通過以下運算來實現(xiàn)對經(jīng)增益矩陣610變換的加速度計讀數(shù)進(jìn)行乘法操作，然后用相應(yīng)的采樣轉(zhuǎn)動傳感器數(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)動傳感器數(shù)據(jù)612相加。例如，來自轉(zhuǎn)動傳感器502的采樣轉(zhuǎn)動數(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是由對于沿每個軸線的線性加速度的、以/g為單位的轉(zhuǎn)動傳感器敏感度構(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處對來自于轉(zhuǎn)動傳感器504的采樣轉(zhuǎn)動數(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)動傳感器變化?？墒褂枚鄠€轉(zhuǎn)動傳感器的平均值來計算C，或者可為每個轉(zhuǎn)動傳感器定制C。
如加速度計數(shù)據(jù)一樣，然后在功能模塊616處將采樣轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)612從采樣單位值變換為與角轉(zhuǎn)動速率相關(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，可使用以下公式來實現(xiàn)對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表示動態(tài)偏移值。公式(5)可實現(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)動偏移因數(shù)。下面將更詳細(xì)討論這些變量中的每一個。
偏移值offset(T)和dOffset可通過多種方式來確定。例如，當(dāng)自由空間定位裝置400沒有在y軸方向上轉(zhuǎn)動，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態(tài)學(xué)習(xí)。為了實現(xiàn)動態(tài)的偏移補(bǔ)償，在轉(zhuǎn)動校準(zhǔn)功能模塊618中使用來自溫度傳感器619的輸入，以計算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)漂移的零運動(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，可動態(tài)計算另外的因數(shù)dOffset。靜態(tài)檢測功能模塊608確定手持裝置何時最可能為靜態(tài)以及何時應(yīng)該計算偏移。執(zhí)行靜態(tài)檢測功能模塊608的示例性技術(shù)及其其他用途如下所述。
dOffset計算的一種示例性實現(xiàn)采用經(jīng)過低通濾波的、校準(zhǔn)的傳感器輸出。靜態(tài)輸出檢測功能模塊608向轉(zhuǎn)動校準(zhǔn)功能模塊618提供指示(indication)，以觸發(fā)對例如低通濾波器輸出的平均值的計算。靜態(tài)輸出檢測功能模塊608也可控制何時將最新計算的平均值計算在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(包括但不限于簡單平均、低通濾波和卡爾曼濾波)計算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)，可使用兩個以上偏移補(bǔ)償值，和/或可計算/使用單個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，來自轉(zhuǎn)動傳感器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)動到慣性系中，從而對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)明的一些示例性實施方案的另一個顯著的方面，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)明示例性實施方案的傾斜修正旨在對以下事實進(jìn)行補(bǔ)償，即，用戶以不同的x軸轉(zhuǎn)動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的方式無關(guān)，例如，以通常對應(yīng)于顯示器508的水平維度(x2軸)的方式前后轉(zhuǎn)動自由空間定位裝置400應(yīng)該導(dǎo)致光標(biāo)沿x2軸平移，以通常對應(yīng)于顯示器508的垂直維度(y2軸)的方式上下轉(zhuǎn)動自由空間定位裝置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的方位無關(guān)。
為了更好地理解根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的傾斜補(bǔ)償?shù)谋匾?，考慮如圖6(a)所示的實施例。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)動值。慣性系可與如圖6(a)所示的方位相對應(yīng)(僅作為實施例)，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)動將分別由轉(zhuǎn)動傳感器502和504檢測。例如，如圖6(b)所示，自由空間定位裝置400繞z軸轉(zhuǎn)動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，相對于慣性系具有一定量的x軸轉(zhuǎn)動)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(缺少傾斜補(bǔ)償)對用戶的故意界面動作提供準(zhǔn)確的表述。例如，參照圖6(c)，考慮用戶以相對于如圖6(a)所示的示例性慣性系具有45度的x軸轉(zhuǎn)動而持有自由空間定位裝置400的情況。假設(shè)用戶同時繞z軸轉(zhuǎn)動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)動傳感器502的傳感軸線的方位正處于y軸與z軸之間(因為位于用戶手中的裝置的方位而導(dǎo)致)。類似地，轉(zhuǎn)動傳感器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)運動的信息的一部分處理。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案，回到圖5，上述處理可通過在功能模塊622處使用從加速度計506接收的輸入y和z確定自由空間定位裝置400的傾斜來實現(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中計算傾斜θ 值θ可被數(shù)值地計算為atan2(y，z)，以避免除以零并給出正確符號。然后，功能模塊620可使用如下公式對變換的/校準(zhǔn)的輸入αy和αz執(zhí)行轉(zhuǎn)動R 從而使得變換的/校準(zhǔn)的輸入αy和αz轉(zhuǎn)動以補(bǔ)償傾斜θ。在本示例性實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，該技術(shù)在以上并入本文作為參考的名為“具有傾斜補(bǔ)償和改進(jìn)的可用性的自由空間定位裝置”的專利申請中進(jìn)一步描述。
在對校準(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)動的讀數(shù)、以及對其進(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。雖然可使用幾種不同方法來去除抖動，但是一種去除抖動的方法是通過使用滯后現(xiàn)象。由轉(zhuǎn)動功能模塊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上的運動)。
在對本發(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光電探測器810、轉(zhuǎn)動傳感器812、加速度計814以及收發(fā)器816。滾輪802是使得用戶能夠通過順時針或逆時針轉(zhuǎn)動滾輪802來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在例如按下按鈕時為用戶提供視覺反饋。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)動的讀數(shù)。加速度計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(例如)執(zhí)行傾斜補(bǔ)償、以及對線性加速度給轉(zhuǎn)動傳感器812產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動讀數(shù)引入的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。收發(fā)器816用來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或與計算機(jī)相關(guān)的處理器。收發(fā)器816可為無線收發(fā)器(例如按照用于短程無線通信的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)來工作)或者紅外收發(fā)器。作為一種選擇，自由空間定位裝置400可通過有線線路連接與系統(tǒng)通信。
在圖4的示例性實施方案中，自由空間定位裝置400包括兩個轉(zhuǎn)動傳感器502和504以及加速度計506。然而作為一種選擇，根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施方案，自由空間定位裝置可僅包括一個轉(zhuǎn)動傳感器(例如，用于測量z軸方向上的角速度)以及加速度計。對于這種示例性實施方案而言，可通過使用加速度計確定沿著軸線的角速度(其不由轉(zhuǎn)動傳感器檢測)而提供如上所述相似的功能。例如，繞y軸的轉(zhuǎn)動速度可使用加速度計所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及以下公式來計算 另外，還應(yīng)該去除轉(zhuǎn)動傳感器未測量到的寄生加速度效應(yīng)。這些效應(yīng)包括實際的線性加速度、由于轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動加速度而測量到的加速度、以及由于人的抖動而測量到的加速度。
上面簡要提及的靜態(tài)檢測功能模塊608可操作用來確定自由空間定位裝置400是否為例如靜態(tài)或動態(tài)(運動)。這一分類可通過多種不同方法來進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案，一種方法是(例如)每四分之一秒計算一次在預(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)或動態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的另一靜態(tài)檢測技術(shù)包括通過例如對輸入數(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方法來分析數(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，可通過檢測由用戶的手部抖動引入自由空間定位裝置400的細(xì)微運動來從靜態(tài)(未持有)和動態(tài)中區(qū)分出這一第三種類。峰值檢測也可被靜態(tài)檢測功能模塊608使用來進(jìn)行這一確定。人的抖動頻率范圍內(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)和未被持有時所經(jīng)歷的噪聲)約20dB。
在前述實施例中，頻域中的變化在特定頻率范圍內(nèi)被檢測，然而，待監(jiān)測和用來對自由空間定位裝置400的狀態(tài)進(jìn)行特征化的實際頻率范圍可能變化。例如，標(biāo)稱抖動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)明的另一個示例性實施方案，靜態(tài)檢測機(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，在該實施例中，“活動”狀態(tài)是默認(rèn)狀態(tài)，自由空間定位裝置400在該狀態(tài)下是運動的，并用來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”狀態(tài)。如果自由空間定位裝置400停止運動，則其可隨之進(jìn)入“非活動”狀態(tài)。如圖8所示的各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換可通過多種不同準(zhǔn)則中的任一種來觸發(fā)，所述準(zhǔn)則包括但不限于轉(zhuǎn)動傳感器502和504的一個或兩個數(shù)據(jù)輸出，加速度計506的數(shù)據(jù)輸出，時域數(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”來表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。例如，當(dāng)“條件活動→非活動”發(fā)生時，自由空間定位裝置400將從“活動”狀態(tài)轉(zhuǎn)換為“非活動”狀態(tài)。為了單純的說明目的，考慮在示例性的自由空間定位裝置400中，“條件活動→非活動”可在轉(zhuǎn)動傳感器和加速度計二者的平均和/或標(biāo)準(zhǔn)偏差值在第一預(yù)定時期內(nèi)降到第一預(yù)定閾值之下時發(fā)生。當(dāng)處于“活動”狀態(tài)時，可使用一個或多個處理技術(shù)(例如線性濾波、卡爾曼濾波、卡爾曼平滑、狀態(tài)空間估算、預(yù)期-最大化(Expectation-Maximization)或者其它基于模式的技術(shù))，將從運動傳感器(例如轉(zhuǎn)動傳感器和/或加速度計)接收到的數(shù)據(jù)分為與用戶引入的故意運動相關(guān)的第一數(shù)據(jù)以及與用戶引入的無意運動(抖動)相關(guān)的第二數(shù)據(jù)。然后可對第一數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，以生成與手持裝置的故意運動相關(guān)的輸出，而可將第二數(shù)據(jù)作為用于例如用戶識別的抖動輸入來使用，下面將更詳細(xì)描述。
狀態(tài)轉(zhuǎn)換可基于解釋(interpret)的傳感器輸出，通過多個不同條件來確定。示例性的條件規(guī)則包括使用以下的值來觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換解釋的指定信號在時間窗口上的變化，基準(zhǔn)值與解釋的信號之間在時間窗口上的閾值，基準(zhǔn)值與濾波后的解釋的信號之間在時間窗口上的閾值，以及基準(zhǔn)值與開始時的指定信號之間的閾值。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)明的一個示例性實施方案，從“非活動”狀態(tài)向“活動”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換在滿足以下條件之一時發(fā)生(1)傳感器輸出的在時間窗口上的平均值大于預(yù)定的閾值；(2)傳感器輸出在時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增量大于預(yù)定值。
“非活動”狀態(tài)使得靜態(tài)檢測機(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無意地執(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→非活動”發(fā)生時(例如，如果在“非活動”狀態(tài)下的第二預(yù)定時期過去之前，自由空間定位裝置400再次開始運動，從而使得由轉(zhuǎn)動傳感器和加速度計測量的輸出超過了第一閾值)，自由空間定位裝置400將轉(zhuǎn)換回到“活動”狀態(tài)。
在第二預(yù)定時期過去之后，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動的特性，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)定時期過去之后，如果出現(xiàn)與手部抖動相關(guān)的最小運動，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但未使其運動的時間，因此該裝置在處于“穩(wěn)定”狀態(tài)時可例如通過在該狀態(tài)時存儲轉(zhuǎn)動傳感器和/或加速度計的輸出來記錄自由空間定位裝置400的運動。這些存儲的測量值可用來確定與一個或多個特定用戶相關(guān)的抖動模式，如下所述。同樣，在處于“靜態(tài)”狀態(tài)時，自由空間定位裝置400可從轉(zhuǎn)動傳感器和/或加速度計獲取讀數(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)下開始運動，則可觸發(fā)回到“活動”狀態(tài)。否則，在進(jìn)行測量之后，該裝置可轉(zhuǎn)換到“睡眠”狀態(tài)。在處于睡眠狀態(tài)時，裝置可進(jìn)入省電(powerdown)模式，這時，自由空間定位裝置的功率消耗降低，并且例如轉(zhuǎn)動傳感器和/或加速度計的采樣速率也降低。也可通過外部命令進(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，或者如果自由空間定位裝置400開始運動時，該裝置可從“睡眠”狀態(tài)轉(zhuǎn)換至“蘇醒”狀態(tài)。與“非活動”狀態(tài)類似，“蘇醒”狀態(tài)為裝置提供了能對向“活動”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是否適當(dāng)?shù)拇_認(rèn)機(jī)會，例如，自由空間定位裝置400未受到無意的推擠。
狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件可以是對稱的，也可以是不同的。因此，與“條件活動→非活動”相關(guān)的閾值可以同與“條件非活動→活動”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)實施的示例性實施方案尤其使得轉(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)入或離開一個狀態(tài)也可用來觸發(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”狀態(tài)而對用戶界面上電。相反，當(dāng)自由空間定位裝置從“活動”或“穩(wěn)定”向“靜態(tài)”或“非活動”轉(zhuǎn)換時，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。
抖動 如上所述，手持裝置處于“穩(wěn)定”狀態(tài)的持續(xù)時間可例如用來記憶與特定用戶相關(guān)的抖動數(shù)據(jù)。通常，每個用戶會表現(xiàn)出不同的抖動模式。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案，用戶抖動的這一性質(zhì)可用來識別當(dāng)前哪個用戶正在持有該手持裝置，而無需用戶部分執(zhí)行任何其它動作(例如，輸入口令)。例如，在用戶被要求盡可能穩(wěn)定地持有自由空間定位裝置例如10秒的初始化期間，用戶的抖動模式可被手持裝置或系統(tǒng)記憶(例如，存儲于自由空間定位裝置400中或傳輸至系統(tǒng))。
這一模式可被用作用戶執(zhí)行多種用戶界面功能的唯一(或準(zhǔn)唯一)簽名。例如，用戶界面和/或手持裝置可通過將當(dāng)前抖動模式與存儲于存儲器中的抖動模式進(jìn)行比較而從一組用戶(例如，家庭)中識別用戶。該識別可隨后用來例如檢索與被識別的用戶相關(guān)的偏好設(shè)置。例如，如果自由空間定位裝置與以上通過引用并入本申請作的媒體系統(tǒng)一起使用，則可在系統(tǒng)經(jīng)由抖動模式比較而辨別出用戶之后，啟動與用戶相關(guān)的媒體選擇項目顯示偏好。也可使用抖動辨別而實現(xiàn)系統(tǒng)安全，例如，可在用戶拾取自由空間定位裝置400之后執(zhí)行的用戶識別基礎(chǔ)上，禁止或限制對系統(tǒng)的訪問。
可采取多個不同方法來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的抖動模式檢測、分類和存儲的方案。現(xiàn)在將參照圖9-12描述一個示例性的實施方案。劃分抖動模式的完整方法在圖9的流程圖中示出。其中，在步驟900收集來自多個用戶的數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集的收集可以是訓(xùn)練/初始化處理(其中，要求用戶在預(yù)定時間內(nèi)(例如5-15秒)以不引入故意運動的方式持有定位裝置)的一部分，或者可在手持裝置的使用期間同步地(on-the-fly)執(zhí)行數(shù)據(jù)集的收集。此外，數(shù)據(jù)收集可在以預(yù)定方位持有手持裝置時執(zhí)行。圖10(a)-10(d)中示出的純示例性的頻譜數(shù)據(jù)是從以四個不同方位持有自由空間定位裝置400的特定用戶收集到的。
回到圖9，收集的數(shù)據(jù)可隨后進(jìn)行處理，以識別各自與手持裝置400的不同用戶相關(guān)的類別。例如，可從各個收集的數(shù)據(jù)集合中提取出一個或多個特征集合，以在步驟902的分類處理中使用。一個或多個特定的特征集合(被選擇出來以在步驟902中使用)被選擇用來對抖動數(shù)據(jù)進(jìn)行良好的類別劃分，并且可根據(jù)與經(jīng)由抖動過程的用戶識別相關(guān)的實施參數(shù)(例如包括分類池中待辨別的用戶數(shù)目，在步驟900中收集的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型，裝置特性，例如參照圖8所述的狀態(tài)信息以及相關(guān)的貝葉斯用戶信息(例如時刻))而變化?？稍诓襟E902中采用的特征集合的一個示例性列表在表1中提供。
表1 關(guān)于這些特征集合的信息和相應(yīng)的測試可在J.Jakubowski、K.Kwiatos、A.Chwaleba和S.Osowski的文章“用于抖動識別的較高級別的統(tǒng)計和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Higher Order Statistics and Neural Network ForTremor Recognition)”(IEEE生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(IEEE Transactionson Biomedical Engineering)，2002年2月第2期第49卷152-159頁)中找到，該文章的內(nèi)容通過引用并入本文。根據(jù)下面將更加詳細(xì)描述的本發(fā)明一個純示例性的實施方案，收集的數(shù)據(jù)的功率譜密度(PSD)的低頻頻譜在步驟902中被用作特征集合。除了以上列出的域、變換等之外，特征集合也可基于在要進(jìn)行抖動檢測/識別的手持裝置中可用的傳感器的數(shù)目和類型而變化。例如，在先前的示例性實施方案中描述的手持的自由空間定位裝置400中，可從一個或兩個轉(zhuǎn)動傳感器、加速度計或其任意組合處收集抖動數(shù)據(jù)。
在從收集的數(shù)據(jù)提取了特征集合之后，可在步驟904中減小特征集合。更具體地，可在步驟904中將特征集合減小為能夠最佳地表述用于區(qū)分類別(用戶)的特征集合。例如，可從減小的特征集合中省略用戶抖動數(shù)據(jù)的DC值，而該減小的特征集合可包括9Hz的用戶抖動數(shù)據(jù)值，這是由于后者可用于區(qū)分不同用戶的手部抖動。該減小的特征集合例如可以是采用主成分分析(PCA)算法確定的最富表現(xiàn)力的特征(MEF，Most Expressive Feature)集合。PCA算法對特征集合進(jìn)行奇異值分解，以自動找出能最佳表達(dá)特征向量的適當(dāng)基向量集合(以最小均方差(MMSE)的方式)。應(yīng)用PCA技術(shù)的示例可在P.Navarrete和J.Ruiz-del Solar所著的“人臉的基于本征空間的識別比較和新方法(Eigenspace-Based Recognition of FacesComparisons and aNew Approach)”(圖像分析和處理(Image Analysis and Processing)，2001)中找到，該文章的全部內(nèi)容通過引用并入本文。
然后，在步驟908用減小的特征集合識別群集(cluster)，這一處理可采用監(jiān)督學(xué)習(xí)(其中，該處理基于那個用戶貢獻(xiàn)了那些數(shù)據(jù)集的先驗知識進(jìn)行操作)或者無監(jiān)督學(xué)習(xí)(其中，處理不具有任何先驗信息)來執(zhí)行?？蓱?yīng)用各種技術(shù)來確定與根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的抖動數(shù)據(jù)相關(guān)的群集，這些技術(shù)例如包括K-平均聚類(K-meansclustering)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類。在識別了群集后，在步驟910，與被識別的群集相關(guān)的估算統(tǒng)計(例如，平均和/或協(xié)方差)可用來將新的特征向量區(qū)別為位于某些群集內(nèi)或某些群集外，即，基于當(dāng)前的傳感器輸出對當(dāng)前持有手持裝置400的用戶進(jìn)行識別?？赏ㄟ^在最初的用戶/群集實例化之后，在傳感器工作期間提煉群集中心，使得所述通過使用傳感器狀態(tài)信息(例如，如上參照圖8所述)的學(xué)習(xí)方法得以改進(jìn)。通過這種方式，最大數(shù)量的可用數(shù)據(jù)被用來(以監(jiān)督的方式)提煉群集，以支持進(jìn)一步的非監(jiān)督學(xué)習(xí)。
為了測試上述基于檢測的手部抖動來識別用戶的示例性技術(shù)，利用如上參照圖9的流程圖所述的一般方式，對與四個其他用戶相關(guān)的數(shù)據(jù)集合(除了圖10(a)-10(d)中所述的數(shù)據(jù)之外)進(jìn)行收集和分析，以證明手部抖動分析可用來區(qū)別/識別不同用戶。這些數(shù)據(jù)集合中的兩個從持有手持裝置的同一個人處收集，而另外三個數(shù)據(jù)集合從持有手持裝置的不同人處收集。在該測試中，在步驟900中，從兩個轉(zhuǎn)動傳感器812處收集用于五個數(shù)據(jù)集合中每一個的數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)集合被處理為均值為0和單位方差(unit variance)。為了這一示例性測試，在步驟902中，來自PSD估算的低頻頻譜(例如峰值頻率)被用于特征集合提取，并在數(shù)據(jù)收集時間上進(jìn)行平均。更具體地，使用256點FFT，并且在0-30Hz的頻率范圍內(nèi)，在N＝2048點上平均具有75％的交疊。被提取的特征集合使用PCA算法從38×20矩陣減小為20×20矩陣，PCA算法適當(dāng)?shù)乇鎰e與提取的特征集合相關(guān)的某些特征向量與其它特征向量相比表現(xiàn)力較弱，因此可將其丟棄。圖11示出了在本實施例中作為步驟904一部分生成的特征向量。其中，線1100表示與特征集合2(從轉(zhuǎn)動傳感器504收集的數(shù)據(jù)，z軸轉(zhuǎn)動)相關(guān)的特征向量，而線1102表示與特征集合1(從轉(zhuǎn)動傳感器502收集的數(shù)據(jù)，y軸轉(zhuǎn)動)相關(guān)的特征向量。
在這一測試情況下，群集步驟是基于那個用戶產(chǎn)生那些數(shù)據(jù)集合的先驗知識(監(jiān)督學(xué)習(xí))來執(zhí)行的。在實際的實施中，在步驟906，可能采用如上所述的其中之一的自動群集技術(shù)。對于這一純粹示例性的測試，為從轉(zhuǎn)動傳感器502和504接收到的數(shù)據(jù)單獨識別群集，以限定出與每個數(shù)據(jù)集合相關(guān)的兩類質(zhì)心(centroid)。然后，計算兩類質(zhì)心和數(shù)據(jù)集合中的每個向量之間的距離(在本實施例中為歐幾里得距離)總和。這一過程的結(jié)果如圖12所示。其中，x軸表示減小的數(shù)據(jù)集合向量，y軸表示到不同類別(用戶)質(zhì)心的距離以及垂線分區(qū)距離(partition distance)?？梢钥闯?，在每個分區(qū)內(nèi)，相關(guān)類別的向量到質(zhì)心的距離明顯小于其它類別的向量到質(zhì)心的距離，這顯示了良好的類別分隔和在用戶引入手持裝置的手部抖動基礎(chǔ)上區(qū)分/識別用戶的能力。進(jìn)行一些特定的選擇(例如，選擇特征集合等)，以執(zhí)行上述示例性測試，但是本文中所述的這些選擇僅作為示例。
可根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案采用多種變形。例如，在步驟908中識別群集之后，可執(zhí)行群集辨別步驟以強(qiáng)調(diào)每個群集的區(qū)別特征。群集判別式操作用以向提供集合內(nèi)的最小分組以及集合間具有最大距離的數(shù)據(jù)應(yīng)用變換矩陣。給定一個描述了總協(xié)方差的集合的矩陣，和另一個描述了每個群集的協(xié)方差總和的矩陣，線性判別式的任務(wù)在于推導(dǎo)出能夠同時最大化類別之間距離和最小化類別內(nèi)散布(scatter)的線性變換。雖然在模式識別的一般領(lǐng)域中具有多種眾所周知的判別式，例如費希爾線性判別式(FLD)，但是并非所有都適合于本文描述的基于手部抖動來識別用戶的具體問題。在前述實施例中使用的一個具體判別式稱作EFM-1判別式，其在C.Liu和H.Wechsler所著的題為“用于人臉識別的增強(qiáng)費希爾線性判別式模型”的文章(第14屆模式識別國際會議論文集(Proc.14th International Conference onPattern Recognition)，澳大利亞昆世蘭州，1998年8月17-20日)中進(jìn)行描述，該文章的內(nèi)容通過引用并入本文。
此外，雖然上述測試是采用根據(jù)本發(fā)明的上述示例性實施方案描述的手持定位裝置來執(zhí)行的，但是基于抖動的用戶識別并不受此限制。實際上，基于抖動的識別可在具有能夠生成抖動數(shù)據(jù)的任何類型的運動傳感器(包括陀螺儀)的任何其他類型的自由空間定位裝置中使用。此外，根據(jù)本發(fā)明的基于抖動的識別也并不局限于定位裝置，而是可在并入了一個或多個運動傳感器或具有測量與之相關(guān)的手部抖動的其它機(jī)制的任何手持裝置(例如，蜂窩電話、PDA等)中使用?？墒褂貌?zhí)行訓(xùn)練過程，例如步驟900-908，隨后，手持裝置可執(zhí)行這樣的方法，即簡單地收集與當(dāng)前用戶的手部抖動相關(guān)的數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)與之前設(shè)立的用戶類別相比較，以識別當(dāng)前用戶。這一身份信息可隨后在多種不同應(yīng)用中使用，上面已經(jīng)描述了這些應(yīng)用的示例。
例如，(通過基于抖動的識別或另一識別技術(shù)辨別的)用戶的身份可用來解釋用戶做出的姿勢，從而向用戶界面發(fā)送命令，例如以上通過引用并入本文的專利申請所述。例如，在基于姿勢的命令系統(tǒng)中，時間上的運動模式與特定的界面命令相關(guān)聯(lián)，不同的用戶可采用手持裝置在時間上稍微不同的運動模式，以發(fā)啟相同的界面命令(與不同人具有不同的筆跡式樣非常類似)。提供用戶識別的能力可隨后映射為不同的姿勢模式，例如，存儲于手持裝置中或系統(tǒng)中，從而系統(tǒng)作為整體能夠適當(dāng)?shù)貙⒚恳粫r間上的運動模式識別為用戶發(fā)起的命令姿勢。
參考系映射 如上所述，本發(fā)明的示例性實施方案處理從自由空間定位裝置中的傳感器接收到的運動數(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。無論如何，通過形成來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使其手部在顯示器前方從左向右移動時，不論自由空間裝置的方位如何，左邊的光標(biāo)均會將向右運動。
為了簡化這一討論，圖13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)使用一個或多個傳感器1301(例如，轉(zhuǎn)動傳感器、陀螺儀、加速度計、磁強(qiáng)計、光學(xué)傳感器、照相機(jī)或它們的任意組合)來檢測運動。然后，在模塊1302中對傳感器進(jìn)行解釋，以對發(fā)生的運動進(jìn)行估算。處理模塊1303然后將測量的運動從自然(本體)參考系轉(zhuǎn)換至用戶的參考系中。該運動然后被映射1304為預(yù)期義的動作，該動作在模塊1305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)，例如移動屏幕上的光標(biāo)。
模塊1303將檢測的運動轉(zhuǎn)換到用戶的參考系中而不是裝置的參考系中?？赏ㄟ^多種不同的數(shù)學(xué)上類似的方法來表述方位，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于坐標(biāo)系原點的偏移，所述一致單位包括但不限于米、厘米、英尺、英寸和英里。在上述的一個示例性實施方案中，自由空間定位裝置測量包括加速度和轉(zhuǎn)動速度的慣性力。這些力被安裝在裝置中的傳感器相對于裝置的本體而測量。為了將測量的數(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)可容易地擴(kuò)展到用戶參考系是非靜止的情況(通過直接變換到時變系，或者首先變換到靜止系然后變化到運動系)。對于靜止、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使用以下公式來計算 Pu＝Rotate(Pb，Q)+Pdelta Pu’＝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、用戶參考系的原點與本體參考系的原點之間的差值； Q是規(guī)一化的轉(zhuǎn)動四元數(shù)，其表示從本體參考系到用戶參考系的轉(zhuǎn)動。由于從用戶參考系到本體參考系轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動四元數(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。注意，可使用多種等價形式(包括歐拉角和方向余弦矩陣(DCM))來表示Q，上面的公式可根據(jù)Q的不同表述而在其等價形式上略有變化。圖14圖解示出了從本體參考系到用戶的參考系的轉(zhuǎn)換。
在操作過程中，定位裝置以實施獨立的方式估算Q，以執(zhí)行這一轉(zhuǎn)換。上述的一個示例性實施包括補(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軸滾動上的變化)。通過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計算方位。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)，所以使用本體參考系來估算方向。因此，轉(zhuǎn)動四元數(shù)具有在z＝0平面上的轉(zhuǎn)動軸線。下面是計算轉(zhuǎn)動四元數(shù)的幾個數(shù)學(xué)等價方法中的一種 V＝‖Ab‖x‖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以上的Q轉(zhuǎn)動到用戶參考系中的本體參考系的加速度。通常，在裝置第一次啟動時假設(shè)原點為0，但在正常的人工或自動操作期間可將原點復(fù)位。
通常，當(dāng)裝置未運動時，Pu’、Pu”、Wu’和Wu”都為0。在該示例性實施方案中，測量Pb”和Wb。雖然存在無限多個轉(zhuǎn)動Q，但可基于Wb來從可用集合中選擇最小轉(zhuǎn)動并用該最小轉(zhuǎn)動來估算Wu。作為一種選擇，可使用假設(shè)的啟動偏移方位Qo，通過在時間上對Wb積分來計算Q，所述積分使用如下的離散時間積分來進(jìn)行 WbAngle＝|Wb|*時期 QDELTA＝[‖Wb‖sin(WbAngle)，cos(WbAngle)] QNEXT＝Q0**QDELTA其中，*表示乘法，**表示四元數(shù)乘法。通過恒定場向量(包括重力和地球磁場)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)合可通過使用幾種數(shù)值和濾波方法(包括但不限于卡爾曼濾波)來獲得。
可采用多個不同傳感器，只要它們能夠測量相對于裝置本體的運動即可。示例性的傳感器包括加速度計、轉(zhuǎn)動傳感器、陀螺儀、磁力計和攝像機(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，則定位裝置將僅對腕部和手指運動進(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)運算的順序可被改變，而不會對本文描述的本發(fā)明造成實質(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，可等價地對參考系運用許多運動處理算法。
除了提供使用方便性之外，根據(jù)本發(fā)明這一示例性實施方案的參考系變換也可用來針對手持裝置實施中的其它挑戰(zhàn)。例如，如果傳感器(例如加速度計)沒有精確位于本體參考系的轉(zhuǎn)動中心處，則測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)動而引起的加速度。因此，測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’xR+ωx(ωxR) 其中，R是從加速度計到目標(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計算裝置在用戶參考系中的運動。這將對加速度計與本體參考系中心之間的預(yù)期或無意的失準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償。另外，對重力向量的估算將變得簡單得多，這是因為在轉(zhuǎn)動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參考系的轉(zhuǎn)動。
不幸的是，不同的用戶具有不同的R值。例如，一個用戶可通過轉(zhuǎn)動其肘部而使用手持裝置，而另一個用戶可通過轉(zhuǎn)動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施方案動態(tài)地計算R，并移動本體原點以使其由于角運動而引起的加速度分量最小。該示例性實施方案將R定義為[Rx，0，0]，使用并最小化Abody-Rotate[Ag，Q]來求出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)明描述了將檢測的手持裝置的運動從一個參考系(例如，本體參考系)映射到另一個參考系(例如，用戶參考系)的多種技術(shù)。這些映射可獨立于其它與手持裝置的使用相關(guān)的映射(例如，將檢測到的運動映射為光標(biāo)運動)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，以從運動方程的輸入端或輸出端的角度，對在所有三個維度上檢測的運動(平移運動和轉(zhuǎn)動運動或其任意子集)進(jìn)行變換。另外，可通過多種不同方法來選擇將檢測的運動映射或轉(zhuǎn)換到其中的參考系。以上提供一個實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)定可存儲在手持裝置中作為多個用戶偏好的其中之一，并被用來執(zhí)行變換。其他實施例包括用戶識別和顯式命令(例如，按鈕或用戶界面選擇)作為選擇第二參考系的技術(shù)。
另外，雖然一些示例性實施方案描述了對速度域中數(shù)據(jù)的以上運算，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動和/或轉(zhuǎn)動運動。同樣，處理的順序并不重要。例如，如果手持裝置用來輸出姿勢命令，可首先執(zhí)行映射然后確定姿勢，或者也可首先確定姿勢，然后執(zhí)行映射。
去除無意運動 根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案，用于對檢測的運動進(jìn)行處理的技術(shù)去除由于例如其它用戶裝置的交互(例如按鈕啟動，和/或抖動)而引起的不期望的效應(yīng)。通常，如圖15所示，系統(tǒng)的輸入是握持手持自由空間定位裝置的人的運動。該運動由自由空間定位裝置檢測(模塊1510)并被處理為代表性運動(例如在模塊1512)，其詳細(xì)實施例已在上面描述。但是應(yīng)該注意，本發(fā)明的這些示例性實施方案并未局限于以上描述的示例性的手持自由空間定位裝置400，而是可明顯地包括其它手持裝置，例如，使用其它類型運動傳感器的自由空間定位裝置。然后，所述代表性運動被轉(zhuǎn)換為預(yù)期義的表述(模塊1514)，該表述在模塊1516由根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的“人為因數(shù)(humanfactor)”技術(shù)處理。在本文描述的示例性實施方案中，人為因數(shù)處理1516的輸出隨后被映射為例如2D定位器(pointer)運動。被處理的運動然后由手持裝置輸出，該輸出的一個實施例是能夠用來控制屏幕上定位器運動的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的這一示例性實施方案包括用于在用戶啟動的事件(包括按鈕點擊)期間處理運動的多種不同技術(shù)。根據(jù)第一示例性實施方案，在用戶動作(例如按鈕點擊)發(fā)生之后，采用距離閾值和時間閾值來處理運動傳感器(例如，轉(zhuǎn)動傳感器、磁力計、攝像機(jī)及其組合等)生成的運動信息。僅有距離可能不足以在按鈕點擊期間形成穩(wěn)定和響應(yīng)性的定位器。當(dāng)手持裝置檢測出按鈕按壓時，來自1516的輸出定位器運動被抑止，直到距離超過距離閾值或者經(jīng)受的時間超過時間閾值。對于例如按鈕按壓動作和按鈕釋放動作，距離和時間閾值的一個或兩個可以是不同的?？呻S意地通過向手持裝置發(fā)送命令來使示例性的按鈕處理無效。
不同的按鈕還可具有彼此不同的閾值。手持裝置在按鈕點擊期間所經(jīng)歷的運動量取決于多個因數(shù)，包括但不限于用戶、按鈕啟動力、按鈕移動以及按鈕相對于手持裝置的支撐中心(通常位于用戶手部)的位置。按鈕運動處理參數(shù)可單獨進(jìn)行設(shè)置，以優(yōu)化每個按鈕的性能。另外，可基于會話歷史學(xué)習(xí)參數(shù)，或者如果系統(tǒng)能夠識別用戶的話，基于該用戶進(jìn)行學(xué)習(xí)。
另外，人為因數(shù)處理功能模塊1516可存儲和追蹤手持裝置的以往運動歷史。例如，當(dāng)手持裝置檢測到已經(jīng)按壓按鈕時，則該手持裝置中的處理單元可倒退到用戶啟動該按鈕的事件之前的時刻。實際上啟動按鈕花費了非限定(non-finite)的大小可測量的時間，該時間可由心理測試和動態(tài)裝置測量來確定。當(dāng)按鈕被啟動時，通過刪除在按鈕啟動發(fā)生期間/之后由運動傳感器獲取的數(shù)據(jù)樣本，裝置可回復(fù)到發(fā)生按鈕啟動之前的狀態(tài)。因此，在按鈕按壓期間發(fā)生的錯誤運動可被忽略和“擦除”。例如，響應(yīng)于檢測的按鈕按壓，模塊1516的輸出可由檢測位置P1(在按鈕按壓動作之后)改變?yōu)榛叵?recalled)位置P2，位置P2已由模塊1516在按鈕按壓動作檢測之前的預(yù)定時間內(nèi)被預(yù)先輸出。如果裝置已在處理一個按鈕動作并仍然抑止另一按鈕動作發(fā)生時的運動時，人為因數(shù)處理功能模塊1516可不必反復(fù)進(jìn)行倒退處理過程。
在用戶界面中，可發(fā)生至少兩種典型的按鈕啟動。在如圖16中所示的第一類型(精確模式點擊)中，用戶想要在較小目標(biāo)上進(jìn)行精確啟動，仔細(xì)對準(zhǔn)該裝置，停止運動，然后按壓按鈕。在第二類型(粗略模式點擊)中，目標(biāo)較大，用戶期待進(jìn)行下一次動作，即，用戶可僅使得定位器減速而并未停止或懸停在目標(biāo)上方，可在運動過程中對目標(biāo)進(jìn)行點擊。對于精確模式點擊，運用上述的處理技術(shù)以從來自手持裝置中的運動傳感器的組合數(shù)據(jù)輸出流中精確去除無意運動。但是，對于第二類型的運動，可能需要進(jìn)一步的增強(qiáng)來改進(jìn)性能。
為了針對粗略模式點擊所造成的附加挑戰(zhàn)，人為因數(shù)處理單元1516可采用第二種選擇性或補(bǔ)充性的技術(shù)。根據(jù)第二示例性實施方案，從運動傳感器接收的運動數(shù)據(jù)被處理為運動向量，并假設(shè)用戶可在按鈕啟動期間光標(biāo)或與定位裝置的輸出相關(guān)的其他裝置進(jìn)行某些運動改變。如根據(jù)牛頓第一定律所知，“運動中的物理傾向于保持運動”。因此，當(dāng)手持裝置上的按鈕被按壓時，手持裝置產(chǎn)生偏離路徑的高頻運動。使用運動向量和經(jīng)濾波的運動信息，定位裝置的輸出可以通過與之前運動歷史相一致的方式在用戶啟動時間期間和之后繼續(xù)保持。這可通過為處理鏈增加濾波器來實現(xiàn)。該濾波器被設(shè)計為在用戶啟動的事件期間或之后允許預(yù)期運動，同時排除與該事件本身相關(guān)的高頻運動。諸如低通濾波的許多處理方法能夠去除高頻分量，但卻增加了等待時間。由于等待時間(裝置的運動與定位器運動時刻之間的時間)對于用戶而言可能很重要，因此本發(fā)明的示例性實施方案可使用自適應(yīng)濾波器，該自適應(yīng)濾波器在檢測到用戶啟動的事件時切換到信號處理路徑中(例如基于手持裝置將用戶事件傳送到用戶界面所使用的相同信號)。該自適應(yīng)濾波器被配置為低通濾波器，其衰減迅速的(sharp)高頻按鈕按壓。到自適應(yīng)濾波模塊的另一輸入是任選的預(yù)先按鈕活動警告，其在按鈕被完全防反跳(debounce)之前發(fā)生。預(yù)先按鈕活動警告使得能夠比沒有該警告的情況下更早地向處理通知按鈕事件，從而降低了濾波器等待時間需求。具有預(yù)先按鈕活動警告的自適應(yīng)濾波器使得預(yù)期運動與等待時間之間的工程折衷最小化。
根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施方案，由于自由空間定位裝置的設(shè)計者通常在設(shè)計時就知道不期望的運動方向，因此，可基于人類工程學(xué)和裝置的預(yù)期使用而獲知運動擾動的方向。例如，設(shè)計者知道相對于裝置的按鈕啟動方向。主要的運動包括平行于按鈕移動向量的線性運動、或由于繞用戶把手(grip)的轉(zhuǎn)矩而形成的轉(zhuǎn)動運動。這一知識使得能夠?qū)嵤┓较蚱脼V波器(其包括按鈕啟動運動的知識)。例如，濾波器設(shè)計可包括狀態(tài)空間濾波器，例如卡爾曼濾波器和自適應(yīng)濾波器。這種濾波器在按鈕啟動期間從公知方向的預(yù)期路徑中檢測到不期望的偏離，然后在按鈕啟動期間加入期望的運動路徑。這種優(yōu)先的濾波使得能夠獲得在預(yù)期的方向變化期間具有更好響應(yīng)(同時仍然能去除無意的按鈕運動)的定位器。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，狀態(tài)空間濾波器可被擴(kuò)展為在正常使用期間對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。
根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的人為因數(shù)處理功能模塊916可以實施以上描述的一種或兩種技術(shù)，如果使用兩種技術(shù)，則提供分類器來在兩種技術(shù)之間切換。例如，當(dāng)檢測到第一種精確類型的按鈕點擊時，可是用第一技術(shù)。當(dāng)檢測到第二種、較不精確類型的按鈕點擊時，則可使用第二技術(shù)。在兩種技術(shù)之間切換的一個分類器可使用手持裝置在按鈕啟動時刻(或恰好在按鈕啟動之前的時刻)時的速度。例如，如果(a)手持裝置的速度低于預(yù)定的速度閾值時，則采用第一技術(shù)，拋棄檢測事件之后生成的運動數(shù)據(jù)，直到運動傳感器檢測的運動表示手持裝置已經(jīng)運動超過了預(yù)定的距離閾值或經(jīng)過了預(yù)定的時間；或者(b)如果手持裝置的速度高于預(yù)定的速度，則采用第二技術(shù)，對檢測事件之后生成的運動數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。
如在以上的示例性實施方案中所提及的按鈕點擊或按壓包括但不限于按鈕按壓和按鈕釋放。所有的上述技術(shù)可應(yīng)用于形成不期望運動的任何公知的裝置交互作用，而并不局限于按鈕點擊。例如，上述技術(shù)可應(yīng)用于滾輪啟動、觸摸板使用或者電容帶使用。因此，本發(fā)明的示例性實施方案描述了用于消除在啟動或無效另一事件基礎(chǔ)上發(fā)生的無用運動的方法和裝置。
用于以上描述的方法的參數(shù)可適于支持事件的期望運動特性。在該示例性實施方案中，用于按鈕按壓的參數(shù)可不同于用于按鈕釋放的參數(shù)。除了運動消除之外，用戶界面可在根據(jù)本發(fā)明的用戶事件操縱上應(yīng)用或建議附加的約束條件。例如，在Microsoft WindowsTM操作系統(tǒng)中，如果光標(biāo)在按鈕按下時運動，則會啟動“拖(drag)”動作。因此，與響應(yīng)于用戶的按鈕按壓動作的運動數(shù)據(jù)處理相關(guān)的參數(shù)可具有這樣的值，該值傾向于在按鈕啟動期間約束定位器的運動，以避免無用的拖事件。相反，在Microsoft WindowsTM操作系統(tǒng)中的按鈕釋放之后的光標(biāo)運動對用戶界面中的對象影響較小，因此，根據(jù)本發(fā)明的示例性運動數(shù)據(jù)處理可采用這樣的參數(shù)(例如事件和/或距離閾值，濾波器系數(shù)等)，該參數(shù)同與在按鈕按壓之后的運動數(shù)據(jù)處理相關(guān)的相應(yīng)參數(shù)相比，對定位器運動的響應(yīng)較弱。
運動可通過多種不同方式在速度或位置域中進(jìn)行處理，以幫助去除無用的按鈕運動。可使用速度域中的簡單濾波。濾波器可以是FIR或IIR濾波器，但是這些濾波器可引入不期望的處理延遲量?？沙晒κ褂米赃m應(yīng)濾波器而不會引入太多延遲。
本發(fā)明的示例性實施方案也可實施為卡爾曼濾波器(或擴(kuò)展的卡爾曼濾波器)?？柭鼮V波器可選擇最有可能的使用情況(靜止的或運動的)，并應(yīng)用適當(dāng)?shù)倪\動。還可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來獲得相同效果。因此可以理解，本發(fā)明進(jìn)一步提供了這樣一種方法，用于(a)檢測事件已經(jīng)發(fā)生，(b)推斷用戶的預(yù)期運動以及(c)解釋用戶的預(yù)期運動而不是手持裝置的實際運動。運動可在6DOF自由空間域中或者在映射的2DOF定位域中。6DOF自由空間域可以是裝置的本體參考系，也可以是用戶的參考系。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施方案，與用戶啟動的事件相關(guān)的運動可被模型化并顯式地包含在運動方程中，該運動方程在從運動傳感器收集的運動數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提供了來自手持裝置的輸出。更具體地，使用用戶啟動事件的按鈕按壓的實施例，由按鈕按壓導(dǎo)致的運動可被模型化為先驗知識，以確定一個或多個示例性的運動幅度和與按鈕按壓動作相關(guān)的方向，這些值可隨后被存儲在手持裝置的存儲單元中。然后，當(dāng)檢測到按鈕按壓時，手持裝置的處理單元可在運動方程中使用上述模型化的運動，以得出能夠反映出用戶預(yù)期運動而不是由運動傳感器檢測到的、與按鈕按壓相關(guān)的運動的輸出。處理單元可通過多種不同方式來使用模型化的值，例如，從檢測的運動值中減去這些值，在與特定用戶啟動事件相關(guān)的模型化值的基礎(chǔ)上衰減檢測的運動值，調(diào)節(jié)與手持裝置的輸出相關(guān)的語義圖等。
因此可以看出，本發(fā)明的示例性實施方案描述了實施用于多種用途(包括控制電視)的手持遙控的創(chuàng)新方法。該裝置還可用于其它應(yīng)用，例如，作為個人計算機(jī)的輸入裝置以及對象控制。
遙控器不再必須與小型按鈕鍵盤(當(dāng)今典型的IR遙控器具有40個按鈕)類似。相反地，根據(jù)本發(fā)明的遙控裝置與鼠標(biāo)非常類似，即，定位行動還傳送除了按壓按鈕之外的信息。結(jié)果是形成了用于遙控裝置和應(yīng)用的非常強(qiáng)大的用戶環(huán)境?，F(xiàn)在，設(shè)想向電視添加類似鼠標(biāo)的功能，其結(jié)果是大大地改進(jìn)了用戶經(jīng)驗。所有必需的是能夠允許定位以及按鈕啟動的無線手持裝置。本發(fā)明恰好描述了這種裝置。這一設(shè)計相對于傳統(tǒng)遙控器的一個有益效果在于，其除了使得用戶能夠檢測按鈕啟動之外，還使得用戶能夠?qū)ζ聊簧系墓鈽?biāo)進(jìn)行位置設(shè)置。其結(jié)果是除了使得姿勢識別成為可能之外，還使得屏幕敏感的按鈕和控制成為可能。從而相比于增加功能需要增加新的按鈕的傳統(tǒng)遙控器而言，形成了非常強(qiáng)大、靈活和可擴(kuò)展的用戶界面。本發(fā)明的示例性實施方案通過采用例如基于MEMS轉(zhuǎn)動傳感器(其測量裝置的角速度)的手持遙控裝置來提供這些能力。另外，示例性實施方案提供了對本體參考系調(diào)節(jié)、校準(zhǔn)和后處理的教導(dǎo)，以去除無意運動。其結(jié)果是提供了完全獨一無二的實施，該實施與傳統(tǒng)手持遙控裝置相比，能更好地執(zhí)行，并較便宜以及較小。
這些示例性技術(shù)使用MEMS傳感器來測量轉(zhuǎn)動角速度和線性加速度。然后，使用校準(zhǔn)并結(jié)合靜態(tài)檢測，以調(diào)節(jié)和縮放原始讀數(shù)。之后，整合線性加速度并將其用來確定手持裝置本體參考系的方位。這一方位數(shù)據(jù)然后用來將轉(zhuǎn)動速度讀數(shù)映射到適當(dāng)?shù)膮⒖枷抵?。最后的步驟是對所有運動的讀數(shù)進(jìn)行后處理，從而過濾掉例如人為抖動的無意運動。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的用戶處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法可通過一個或多個處理器運行包含在存儲裝置中的指令序列來執(zhí)行。所述指令可從其它計算機(jī)可讀介質(zhì)(例如輔助數(shù)據(jù)存儲裝置)讀到存儲裝置中。包含在存儲裝置中的指令序列的執(zhí)行使得處理器能夠如上所述操作。在可選的實施方案中，硬布線電路可用來代替軟件指令或與軟件指令相結(jié)合，以實現(xiàn)本發(fā)明。
上述的示意性實施方案在各個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明書推導(dǎo)出本發(fā)明在具體實現(xiàn)方面的多種變化。例如，雖然前述示例性實施方案尤其描述了使用慣性傳感器來檢測裝置的運動，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)來代替結(jié)合有前述信號處理的慣性傳感器或附加到結(jié)合有前述信號處理的慣性傳感器。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)。若無明確說明，本申請說明書中使用的元素、動作或指令對本發(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)”旨在包括一個或多個項目。
權(quán)利要求
1.一種定位裝置，包括
第一轉(zhuǎn)動傳感器，用于確定所述定位裝置關(guān)于第一軸線的轉(zhuǎn)動并生成與其相關(guān)的第一轉(zhuǎn)動輸出；
第二轉(zhuǎn)動傳感器，用于確定所述定位裝置關(guān)于第二軸線的轉(zhuǎn)動并生成與其相關(guān)的第二轉(zhuǎn)動輸出；
加速度計，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，用于基于所述加速度而修改所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出，以及基于經(jīng)過修改的所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出而生成輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的定位裝置，其中，所述第一轉(zhuǎn)動傳感器進(jìn)一步包括
第一諧振塊，其附接至第一框架，其中所述第一轉(zhuǎn)動傳感器中的所述第一諧振塊沿著所述第一軸線諧振；
其中，所述第一轉(zhuǎn)動傳感器利用科里奧利加速度效應(yīng)來測量所述第一諧振塊沿所述第一軸線的位移，以生成所述第一轉(zhuǎn)動輸出。
3.如權(quán)利要求2所述的定位裝置，其中，所述第二轉(zhuǎn)動傳感器進(jìn)一步包括
第二諧振塊，其附接至第二框架，其中所述第二轉(zhuǎn)動傳感器中的所述第二諧振塊沿著所述第二軸線諧振；
其中，所述第二轉(zhuǎn)動傳感器利用科里奧利加速度效應(yīng)來測量所述第二諧振塊沿所述第二軸線的位移，以生成所述第二轉(zhuǎn)動輸出。
4.如權(quán)利要求1所述的定位裝置，其中，所述處理單元修改所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出，以補(bǔ)償所述定位裝置的線性加速度。
5.如權(quán)利要求4所述的定位裝置，其中，所述處理單元將所述加速度計沿所述第一軸線檢測的第一加速度與第一增益矩陣相乘，并將第一結(jié)果與所述第一轉(zhuǎn)動輸出相結(jié)合；以及
所述處理單元將所述加速度計沿所述第二軸線檢測的第二加速度與第二增益矩陣相乘，并將第二結(jié)果與所述第二轉(zhuǎn)動輸出相結(jié)合。
6.如權(quán)利要求1所述的定位裝置，其中，所述處理單元修改所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出，以補(bǔ)償所述定位裝置的傾斜。
7.如權(quán)利要求6所述的定位裝置，其中，所述處理單元通過將所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出轉(zhuǎn)動到所述定位裝置的慣性參考系中來補(bǔ)償所述傾斜。
8.如權(quán)利要求7所述的定位裝置，其中，所述處理單元通過以下公式的計算來將所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出轉(zhuǎn)動到所述慣性參考系中
其中，θ是所述傾斜，αy是所述第一轉(zhuǎn)動輸出，αz是所述第二轉(zhuǎn)動輸出。
9.如權(quán)利要求4所述的定位裝置，其中，所述處理單元還修改所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出，以補(bǔ)償所述定位裝置的傾斜。
10.如權(quán)利要求9所述的定位裝置，其中，在對所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出進(jìn)行了線性加速度補(bǔ)償之后，所述處理單元通過將所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出轉(zhuǎn)動到所述定位裝置的慣性參考系中而補(bǔ)償所述傾斜。
11.如權(quán)利要求10所述的定位裝置，其中，在對所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出進(jìn)行了線性加速度補(bǔ)償之后，所述處理單元通過以下公式的計算來將所述第一和第二轉(zhuǎn)動輸出轉(zhuǎn)動到所述慣性參考系中
其中，θ是所述傾斜，αy是進(jìn)行了線性加速度補(bǔ)償?shù)乃龅谝晦D(zhuǎn)動輸出，αz是進(jìn)行了線性加速度補(bǔ)償?shù)乃龅诙D(zhuǎn)動輸出。
12.如權(quán)利要求1所述的定位裝置，其中，所述加速度計沿著至少兩個不同軸線測量所述定位裝置的加速度。
13.一種定位裝置，包括
至少一個傳感器，用于檢測所述定位裝置的運動；以及
處理單元，用于將所述定位裝置的運動轉(zhuǎn)換為表示所述運動的輸出，并基于所述至少一個傳感器的輸出來確定所述定位裝置是否為靜態(tài)。
14.如權(quán)利要求13所述的定位裝置，其中，所述至少一個傳感器進(jìn)一步包括
第一轉(zhuǎn)動傳感器，用于確定所述定位裝置關(guān)于第一軸線的轉(zhuǎn)動，并生成與其相關(guān)的第一轉(zhuǎn)動輸出；
第二轉(zhuǎn)動傳感器，用于確定所述定位裝置關(guān)于第二軸線的轉(zhuǎn)動，并生成與其相關(guān)的第二轉(zhuǎn)動輸出；以及
加速度計，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。
15.如權(quán)利要求13所述的定位裝置，其中，所述處理單元將所述至少一個傳感器的所述輸出變換到頻域中，并在預(yù)定的頻率范圍內(nèi)分析頻率響應(yīng)的振幅，以確定所述定位裝置是否為靜態(tài)。
16.如權(quán)利要求15所述的定位裝置，其中，所述處理單元基于在所述預(yù)定的頻率范圍內(nèi)對所述頻率響應(yīng)的分析，將所述定位裝置分類為處于靜態(tài)、穩(wěn)定和活動的其中之一。
17.如權(quán)利要求13所述的定位裝置，其中，當(dāng)所述定位裝置已被確定為在預(yù)定時期內(nèi)處于靜態(tài)時，所述處理單元更新與所述至少一個傳感器相關(guān)的校準(zhǔn)信息。
18.如權(quán)利要求17所述的定位裝置，其中，當(dāng)所述定位裝置已被確定為在預(yù)定時期內(nèi)處于靜態(tài)時，所述處理單元對與一個或多個轉(zhuǎn)動傳感器相關(guān)的偏移值進(jìn)行更新。
19.一種用于控制自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟
檢測是否不存在與所述自由空間定位裝置相關(guān)的運動；以及
根據(jù)所述檢測步驟的結(jié)果，將所述自由空間定位裝置設(shè)置為功率降低狀態(tài)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟
檢測與所述自由空間定位裝置相關(guān)的運動；以及
退出所述功率降低狀態(tài)。
21.一種用于控制系統(tǒng)的方法，所述方法包括以下步驟
檢測與裝置相關(guān)的運動；
確定所述運動是否代表所述裝置目前被用戶所持有；以及
基于所述確定步驟的結(jié)果，控制所述系統(tǒng)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟
基于與所述運動相關(guān)的抖動模式識別所述用戶。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟
基于所述識別步驟，選擇性地啟動所述系統(tǒng)。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟
如果所述裝置目前被用戶所持有，則啟動所述系統(tǒng)。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟
基于所述用戶的身份，限制對所述系統(tǒng)的訪問。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述系統(tǒng)是媒體系統(tǒng)，所述的限制對所述系統(tǒng)的訪問進(jìn)一步包括
基于所述身份，選擇性地允許所述用戶訪問媒體項目。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟
通過將所述抖動模式與多個存儲的抖動模式進(jìn)行比較，確定所述用戶的身份。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述抖動模式和所述多個存儲的抖動模式是頻域的形式。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述抖動模式和所述多個存儲的抖動模式是時域的形式。
30.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，如果所述抖動模式與所述多個存儲的抖動模式不匹配，則存儲所述抖動模式。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，如果所述抖動模式與所述多個存儲的抖動模式不匹配，則為所述用戶分配默認(rèn)的系統(tǒng)訪問許可集合。
32.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟
響應(yīng)于所述識別步驟，檢索與所述用戶相關(guān)的偏愛設(shè)置。
33.一種定位裝置，包括
至少一個傳感器，用于輸出與所述裝置關(guān)于至少一個相應(yīng)軸線的角速度相關(guān)的數(shù)據(jù)；以及
處理單元，用于將所述數(shù)據(jù)映射為光標(biāo)運動。
34.如權(quán)利要求33所述的定位裝置，其中，所述至少一個傳感器是MEMS傳感器。
35.一種用于自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟
檢測自由空間定位裝置關(guān)于至少一個軸線的角速度；
輸出與所述角速度相關(guān)的數(shù)據(jù)；以及
處理所述數(shù)據(jù)，以提供相關(guān)的光標(biāo)運動輸出。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，通過使用MEMS傳感器來執(zhí)行所述檢測步驟。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法針對需求，提供了一種例如自由空間定位裝置的手持裝置，其使用至少一個傳感器來檢測該手持裝置的運動。然后，可將被檢測的運動映射為期望的輸出，例如，光標(biāo)運動。
文檔編號H04N7/025GK101427570SQ200580021162
公開日2009年5月6日 申請日期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, 丹尼爾·S·辛普金斯, 查爾斯·W·K·格里東, 馬克·特納, 弗蘭克·A·亨萊特 申請人:希爾克瑞斯特實驗室公司