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    重庆时时彩怎样看冷热: 确定移动物体的旋转半径的力传感设备和方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    CN200880019107.3

    申请日:

    2008.04.11

    公开号:

    CN101711364A

    公开日:

    2010.05.19

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G01P 15/08申请公布日:20100519|||实质审查的生效IPC(主分类):G01P 15/08申请日:20080411|||公开
    IPC分类号: G01P15/08 主分类号: G01P15/08
    申请人: 领航网络有限公司
    发明人: 马克·什科利尼科夫
    地址: 美国弗吉尼亚州
    优先权: 2007.04.13 US 60/911,745; 2008.02.08 US 61/027,118
    专利代理机构: 中国商标专利事务所有限公司 11234 代理人: 李宓
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN200880019107.3

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2012.11.14|||2010.07.07|||2010.05.19

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种包括两个或更多的具有对准感应轴的相同加速计配置的设备。每个加速计感应在至少一个轴上的运动。加速计读数包括与对于该配置内的每个加速计相同的重力对应的分量。与加速计配置通信的逻辑电路将加速计信号耦合至处理器以计算运动变量。

    权利要求书

    1: 一种设备,包括: 机体,在机体内安装有至少两个加速计的,该加速计在空间上分离,并感应在至少一个感应轴上的运动; 处理器,与加速计通信以接收来自所述加速计的感应运动数据和根据所述运动数据计算所述机体的运动;和 所述处理器执行指令以计算所述机体的旋转半径和旋转轴方向,所述指令将几何原理应用于实时加速计读数和加速计相对于机体的固定方向和位置。
    2: 权利要求1的设备,其中所述指令限制于超过阈值的递增数据。
    3: 权利要求1的设备,其中根据加速计读数和所计算的旋转半径推导角加速度和角速度。
    4: 权利要求1的设备,其中所述加速计具有基本上相同的对准感应轴。
    5: 权利要求1的设备,其中每个所述加速计是感应在两个正交轴上运动的双轴加速计。
    6: 权利要求1的设备,还包括在机体内安装的三角形配置的三个加速计。
    7: 权利要求1的设备,其中每个所述加速计是三轴加速计并且感应在三个正交轴上的运动。
    8: 权利要求1的设备,还包括在所述机体内安装的基片,所述加速计安装在所述基片上,具有对准的感应轴。
    9: 权利要求8的设备,其中所述基片是微芯片。
    10: 权利要求1的设备,其中所述机体是与可视显示器通信的手持式设备,其中在该可视显示器内显示的图像响应于所述感应到的超过阈值的运动而改变。
    11: 权利要求1的设备,还包括所述处理器用于实时计算所述机体的旋转半径。
    12: 权利要求11的设备,还包括与所述处理器通信的过滤器系统以根据所计算的旋转半径解析信号,包括将旋转半径低于预定值的信号处理为运动输入,和阻断旋转半径高于预定值的信号。
    13: 权利要求11的设备,还包括与所述处理器通信的过滤器系统以根据旋转轴方向解析信号,包括处理与旋转轴的某一方向相关联的运动输入信号,和阻断与旋转轴的另一方向相关联的信号。
    14: 权利要求11的设备,还包括与所述处理器通信的过滤器系统以根据角加速度和角速度解析信号,包括将角加速度和角速度超过预定值的信号处理为运动输入,和阻断角加速度和角速度低于预定值的信号。
    15: 权利要求1的设备,还包括与所述处理器通信的全球定位系统接收机。
    16: 权利要求15的设备,还包括所述全球定位系统接收机响应于所述感应到的超过阈值的运动发送位置数据。
    17: 权利要求1的设备,还包括处理器使用三角测量法计算到所述机体旋转轴的距离和方向。
    18: 权利要求1的设备,还包括处理器通过接近实时地差别读数减少重力引入的误差。
    19: 权利要求18的设备,还包括根据所述机体在旋转之前和之后的所述加速计读数校正重力引入误差计算。
    20: 权利要求18的设备,还包括通过添加或减去所存储的经验重力补偿值校正重力引入误差。
    21: 一种物品,包括: 具有至少一个安装加速计的机体,配置以感应在至少一个感应轴上的运动; 计算机可读载体,包括:运动输入算法,配置以将自至少一个加速计接收的感应运动转换成命令,和步进运动输入算法,用于处理命令,该步进运动算法包括指令,包括: 执行来自运动输入算法的命令的指令; 在执行命令之后将休眠命令发送给运动输入算法的指令;和 在所定义的时间周期过期之后自休眠命令重新启动运动感应算法的指令。
    22: 权利要求21的物品,其中休眠通信指令临时阻断来自运动感应算法的新命令的执行。
    23: 权利要求21的物品,其中休眠命令提供在机体连续运动之间运动输入算法的重新调整。
    24: 权利要求21的物品,其中重新启动指令将启动命令发送给运动输入算法以使用机体的当前位置作为参考原点恢复发送运动输入命令。
    25: 权利要求21的物品,还包括指令以将旋转半径低于预先确定最小值的信号解析为运动输入,和阻断旋转半径大于预先确定最大值的信号。
    26: 一种感应机体运动的方法,包括: 在机体内安装至少两个加速计,所述加速计配置以感应在至少一个感应轴上的运动; 与加速计通信的处理器用于自加速计数据接收感应的运动数据; 所述处理器根据所述运动数据计算所述机体的运动;和 所述处理器执行用于计算机体旋转半径和旋转轴方向的指令,以及将几何原理应用于实时加速计读数和加速计的固定方向和位置。

    说明书

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    确定移动物体的旋转半径的力传感设备和方法

        【相关申请的交叉引用】

        本申请是非临时专利申请,要求于2007年4月13日提交的标题为“AForce?Sensing?Apparatus?and?Method?to?Determine?the?Radius?of?Rotation?of?aMoving?Object”,序列号为60/911,745的美国临时专利申请和于2008年2月8日提交的标题为“A?Force?Sensing?Apparatus?and?Method?to?Determine?theRadius?of?Rotation?of?a?Moving?Object”,序列号为61/027118的美国临时专利申请的优先权,其在此引入作为参考。

        【技术领域】

        本发明公开了检测与运动输入对应的设备的旋转和平移运动的设备。将两个或更多加速计的配置集成在该设备内,其中加速计在空间上分离并具有对准的感应轴。与加速计配置通信的逻辑电路将加速计信号耦合至处理器以计算运动变量。

        背景技术

        存在若干不同类型的可用于感应运动物体运动的传感器??上喽杂谕獠炕蚰诓坎慰嫉慵觳飧迷硕?。本发明使用加速计,依赖于暂停检测质量的惯性作为参考的运动传感器。另一种惯性运动传感器是陀螺仪。陀螺仪是用于根据角动量守恒原理测量或维持方向的设备。陀螺仪敏感于旋转运动,同时容忍干扰。与加速计相比,陀螺仪更大、更贵和需要更大功率工作。加速计是用于测量线性加速、检测和测量振动或者相对于重力矢量的方向的设备。加速计受重力和干扰影响。实际上,与陀螺仪相比,加速计小、便宜并且消耗很少功率。

        在现有技术中公知配置运动传感器以感应附着了传感器的运动物体的加速度、速度、位移和/或电磁场的正交分量变化。与加速计通信的处理器可编程的根据传感器传送的数据计算系统运动特征。使用线性加速计推导旋转刚性物体的角度和线性速度以及位置的一种普通方法是通过数学积分计算。首先,通过求解使用多个加速计输入的微分方程的线性系统推导出角加速度,其积分提供角速度,第二次积分提供该物体相对于外部参考系的位置。使用该方法的系统存在若干缺点,包括复杂的数学计算,其要求重的软件足迹和高的处理能力。复杂计算还在运动信号处理中引入了通常在实时应用中不可接受的明显延迟。

        在现有技术中公知在手持式计算设备中使用一个或多个运动传感器。使用某种形式的运动传感器的此类手持式计算设备的例子包括美国专利7180500、7180501和7180502。上述每个专利使用包括三个单轴加速计的运动传感器?;痪浠八?,一个加速计感应在x方向内的运动,第二加速计感应在y方向内的运动,和第三加速计感应在z方向内运动。当组合时,来自三个加速计的数据能够检测用作运动输入的设备平移和旋转。

        使用加速计作为运动检测器的大部分设备敏感于重力。例如,Kaplan的美国专利公开文献2002/0093483和Noguera的美国专利公开文献2004/023626使用提供对应于重力的信号的加速计。通过提供重力信号,必需连续地跟踪设备的当前方向。在许多设备内,重力可以起到不期望干扰因素的作用。更具体地,重力对加速计读数的贡献由设备空间位置定义。加速计同时测量用户施加的力和重力。为了将用户的运动输入“解释”为模式,需要过滤出重力干扰。连续地跟踪设备方向结合及时的复杂计算,可以估计出重力对加速计读数的贡献。然而,这些计算很复杂,并且将在时间上累积计算错误。在许多情况下更糟糕的是,干扰遮盖了期望的运动输入。区分故意用户输入与意外用户运动和外力干扰的问题是手持式设备的极大挑战。在Shkolnikov地美国专利7002553中公开了具有两组运动传感器的主动键盘。在‘553专利中,从相同的、正确对准和分离的运动传感器接收信号。这些信号由运动过滤软件处理以消除外力影响,例如与该手持式设备所处车辆的运动相关的外力。在Shkolnikov的‘028的具有单个运动传感器的更早的手持式设备中使用步进运动软件指令,使用运动输入连续跟踪设备方向和考虑重力。因此,在现有技术中存在与重力相关的缺点。

        因此,需要一种计算设备运动半径和其它运动变量,并不需要跟踪设备方向以滤除重力和其它运动干扰和计算参考倾斜的运动传感器系统和方法?;蛊谕媒饩龇桨改茏钚』导扑?,进而降低所需的处理能力。

        【发明内容】

        在本发明的一个方面,提供一种在机体内安装有至少两个加速计的设备。加速计在机体内空间上分离,并用于感应在至少一个感应轴上的运动。该设备还包括与加速计通信的处理器。该处理器配置以接收自加速计读数的感应运动数据和根据运动数据计算机体运动。处理器执行指令以根据加速计数据计算机体的旋转半径和旋转轴方向。指令将几何原理应用于实时加速计读数和加速计相对于机体的固定方向和位置。

        在本发明的另一方面,提供一种在机体内安装至少一个加速计的物品,所述加速计配置以感应在至少一个感应轴上的运动。提供一种计算机可读载体,具有运动输入算法以将自加速计接收的感应运动转换成命令。此外,该计算机可读载体包括配置以处理命令的步进运动输入算法。该步进运动算法包括执行来自运动输入算法的命令的指令,在执行命令之后将休眠命令发送给运动输入算法的指令和在所定义的时间周期过期之后自休眠命令重新启动运动感应算法的指令。

        在本发明的又一方面,提供一种感应机体运动的方法。在机体内安装至少两个加速计。配置加速计以感应在至少一个感应轴上的运动。与加速计通信的处理器自加速计数据接收感应的运动数据。处理器根据运动数据计算机体运动。处理器执行用于计算机体旋转半径和旋转轴方向的指令,并将几何原理应用于实时加速计读数和加速计的固定方向和位置。

        结合附图,根据下述对本发明当前优选实施例的详细描述,本发明的其它特征和优点将变得显而易见。

        【附图说明】

        图1图示在时间线上的切线和向心力。

        图2图示位于旋转轴上的两个单轴加速计。

        图3是图示在与旋转轴正交的平面内旋转的两个双轴加速计的框图。

        图4是图示在与加速计共面的轴上旋转的两个三轴加速计的框图。

        图5是图示在三个维度内围绕自由竖轴旋转的两个三轴加速计的框图。

        图6图示切线力和向心力在时间上的改变和重力相关误差的影响。

        图7是图示普通运动输入算法的流程图。

        图8是图示用于成对比较运动输入的算法的流程图。

        图9图示位于手持式计算机内的两个三轴加速计。

        图10是图示加速计配置的车辆机体图。

        图11是具有与全球定位系统接收机通信的加速计配置的手持式设备。

        图12是图示简单步进运动算法的流程图。

        【具体实施方式】

        概述

        通过使用带有对准感应轴的两个或更多相同加速计的新颖的配置,本运动传感器系统解决了重力和运动干扰的问题。每个加速计感应在至少两个轴上的运动。加速计读数包括与重力对应的分量,其对于该配置内的每个加速计是相同的。采用在加速计读数中的不同,可以消除或降低重力干扰和由对于该系统内的每个加速计相同的外力所产生的干扰。与加速计配置通信的逻辑电路将加速计信号耦合至处理器以计算运动变量。

        技术细节

        在下文描述的附图中详细图示了惯性运动传感器如加速计的各种配置和由其生成的数据。在每幅图及其下文的相关描述中,存在全文使用的三个术语,它们包括向心加速度、切向加速度和角加速度。将向心加速度定义为向心速度改变的速度。将切向加速度定义为与运动路径成切向。因为速度也与运动路径成切向,切向运动处于速度方向内。在正切方向内的加速分量代表在速度量值上的改变。将角加速度定义为角速度随着时间改变的速度。通常用每平方秒的弧度来测量,在下文中用希腊字母欧米伽Ω表示。

        在一种实施例中,切向和向心加速度的计算根据时间进行测量。非均匀圆周运动(加速旋转)产生由加速计感应为切向和向心加速度的力。更具体地,总加速度A是切向加速度和向心加速度之和。读取两个或三个加速计的读数和随着时间予以计算,可以分离切向和向心力。及时地增加计算可以进一步提高加速计配置的性能。图1图示加速度随着时间的改变(100),开始于初始位置(104),然后是结束位置(112)。横轴(110)对应于时间,纵轴(120)对应于切向加速度,以及正交轴(130)对应于向心加速度。切向加速度,在此称作T,和向心加速度,在此称作C,在空间上正交并在时间上异步。例如,在旋转过程中,加速度矢量A将自基本上正切于向心力改变并返回正切。正切和向心加速度在横轴、纵轴和正交轴上的投影取决于加速计朝向旋转轴的方向。

        切向和正交加速度正比于旋转半径。加速度在刚性物体内的分布是线性的。包括重力场的加速度的完整矢量标记如下:

        A=G+T+C,

        其中G是重力,T是切向加速度,C和T都是A的分量,表示如下:

        C=wΛ2R=|A|cosδ

        T=ΩR=|A|sinδ,

        其中w是角速度的测量值。用于加速度的完整矢量标记的另一表示形式如下:

        A=G+(Ωx?R)+w?x(W?x?R)

        A=G+M?x?R,

        其中M是同时具有切向和径向分量的角度旋转矢量,和x是矢量交叉乘积的标记。更具体地,M表示如下:

        M=(Ω+wΛ2),

        其中欧米伽是角加速度。因为欧米伽和w是角度值,它们分别需要乘以R以获得线性值。线性速度表示与时间相关的角度距离,w表示旋转的度数。M是具有切向和径向分量的角度旋转矢量。在几何标记中,M?x?R等同于i|M||R|sinδ,其中δ随着时间改变但是在每个时间距离上自物体内的位置是不变的。

        如上文证明和在现有技术中已知的,在旋转物体内部的矢量加速度场是线性的。因此,如果我们获知与旋转的径线或轨线未对准的点的矢量值,则可能计算在该物体的任何部分内的加速度矢量。当重力未影响加速计时,拥有径向和切向梯度不同的本体内的两个点将是足够的。类似地,当重力影响加速计时,将需要获知在本体内的三个或四个点的加速度矢量。

        图2图示置于旋转轴(230)上的两个三轴加速计A1(210)和A2(220)的配置(200)图。存在第一加速计A1(210)和瞬时旋转轴(230)之间的固定距离R1(212)。类似地,存在第二加速计A2(220)和旋转轴之间的固定距离(R1+r),其中r(215)是在两个加速计(210)和(230)之间的固定距离。用另一种形式表示,将在第一加速计A1(210)和第二加速计A2(220)之间的距离定义为r。将两个加速计的加速度矢量和它们与旋转轴(230)的相应距离之间的数学关系定义如下:

        A2/(R1+r)=A1/R1

        可以根据第一和第二加速计(210)和(220)的各自的读数将R1表示如下:

        R1=(A1r)/(A2-A1)

        根据第一和第二加速计(210)和(220)各自的的X或Y分量或者组合的X和Y分量可以进一步表示如下:

        R1=(Y1r)/(Y2-Y1)

        因此,如在此所示,当线性设置加速计时,使用两个单轴加速计可以确定旋转半径。

        图3是在与旋转轴正交的平面内旋转的两个双轴加速计的框图(300)。更具体地,如图所示,存在嵌入于物体(未图示)内的第一加速计(310)和第二加速计(320)。第一和第二加速计(310)和(320)之间的距离是固定的,定义为r(315)。两个加速计围绕定义为(330)的旋转点旋转。此外,将第一加速计(310)的旋转矢量半径定义为R1(312),将第二加速计(320)的旋转矢量半径定义为R2(322)。将第一加速计(310)的加速度矢量定义为A1,将第二加速计(320)的矢量加速度定义为A2。旋转矢量半径R1、R2和加速计之间的固定距离r构成虚拟三角形(340)。将由虚拟三角形(340)构成的角度定义为α(342)、β(344)和γ(346)。类似地,将δ(348)定义为角度旋转矢量A1或A2与相应旋转半径之间的角度。

        如图所示,相距固定距离的两个相同的定向双轴加速计(310)和(320)在平面空间内的点上旋转。该配置的已知参数是加速计读数和固定距离r。如果假设旋转平面正交于重力,加速计读数不受重力影响,则可以将加速计读数定义如下:

        A1=MR1

        A2=MR2

        在矢量加速度A和相应半径R之间的角度δ在该旋转物体内的每个点上是恒定的。

        根据几何学原理,下式是在半径和角度之间的关系:

        r/sinα=|R1|/sinγ=|R2|/sinβ

        将变量r定义为固定值。因此,可以将矢量R1和R2计算如下:

        |R1|=rsinγ/sinα

        |R2|=rsinβ/sinα

        因为由矢量A1、A2和它们的距离(A1-A2)构成的三角形类似于由R1、R2和r构成的三角形,使用矢量交叉乘积公式可以计算出该角度的正弦值,如下:

        sinα=|A1xA2|/(|A1||A2|)

        sinβ=|A1x(A1-A2)|/(|A1||A1-A2|)

        sinγ=|A2x(A1-A2)|/(|A2||A1-A2|)

        根据上文提供的矢量R1和R2的定义,可以将这些矢量中的每个如下表示为加速计读数:

        |R1|=r(|A2x(A1-A2)||A1|/(|A1-A2||A1xA2|))

        |R2|=r(|A1x(A1-A2)||A2|/(|A1-A2||A1xA2|))

        可以将其进一步简化为:

        |R1|=r|A1|/|A1-A2|和

        |R2|=r|A2|/|A1-A2|

        一旦获知矢量R1和R2,可以发现运动的角度旋转参数如下:

        M=A1/R1=A2/R2

        Cosδ=(A1·R1)/(|A1||R1|)

        w=((|A1|cosδ)/R1)的平方根=((|A2|cosδ)/R2)的平方根

        Ω=|A2|sinδ/R2

        因此,根据几何学和线性代数原理,可以用来自加速计读数本身的测量值定义每个加速计的全部角加速度、速度和旋转半径。

        图4是在与加速计共平面的轴上旋转的两个三轴加速计的框图(400)。更具体地,如图所示,存在嵌入于物体(未图示)内的第一加速计(410)和第二加速计(420)。在第一和第二加速计(410)和420之间的距离是固定的,定义为r(412)。两个加速计围绕旋转轴(445)以及位于旋转轴和加速计连接线交叉点的点(440)旋转。将第一加速计(410)的旋转矢量半径定义为R1(414),将第二加速计(420)的旋转矢量半径定义为R2(416)。将第一加速计(410)的加速度矢量定义为A1,和将第二加速计(420)的矢量加速度定义为A2。已知参数是加速计读数A1和A2和其之间的固定距离r(412)。如果假设加速计不受重力影响,则下述规则成立:AN=MxRN。此外,定义下述角度:

        α(442)是由旋转轴(445)和加速计连接线形成的角度;

        δ(444)是在角加速度矢量M和相应旋转半径R之间的时变角度的瞬时值。

        根据几何学原理,下式是加速计及它们的相关半径之间的关系:

        A2/A1=(|Ro|+r)/|Ro|,

        求解Ro,将其表示如下:

        |Ro|=rA1/(A2-A1)

        由于旋转运动属性,AN和RN始终处于与旋转轴正交的平面内,下述规则成立:

        cos(β)=Axy/|A|

        |R1|=|R0|cos(β)=|R0|sinα

        |R2|=(|R0|+r)cos(β)=(|R0|+r)sinα

        一旦获知R1和R2,如下可以发现运动的角度旋转参数:

        cosδ=|A2·R2|/(|A2||R2|)

        w=((|A2|/|R2|)cosδ)的平方根

        Ω=(|A2|/|R2|)sinδ

        因此,根据几何学和线性代数原理,可以用来自加速计读数本身的测量值定义每个加速计的全部角加速度、速度和距离。

        图5是在三个维度内围绕自由竖轴旋转的两个三轴加速计的框图(500)。更具体地,如图所示,存在嵌入于物体(未图示)内的第一加速计(510)和第二加速计(520)。加速计(510)和(520)的位置和方向是固定和已知的。第一和第二加速计(510)和(520)之间的距离是固定的,定义为r(515)。两个加速计(510)和(520)围绕旋转轴(545)旋转,该轴在点(540)上与平面P(550)相交。将第一加速计(510)的旋转矢量半径定义为R1(512),将第二加速计(520)的旋转矢量半径定义为R2(522)。将第一加速计(510)的加速度矢量定义为A1(514),将第二加速计(520)的矢量加速度定义为A2(524)。已知参数是加速计读数A1和A2和具之间的固定距离r(515)。第一加速计(510)和第二加速计(520)的连接线的投影与点(540)和第一加速计(510)的连接线构成角度α(522)。类似地,第二加速计(520)和第一加速计(510)的连接线与平面(550)构成角度β(524)。角度α(522)和β(524)表示加速计(510)和(520)相对于旋转轴(545)的方向和定位。下式用加速计读数定义角度α(522):

        sinα=((A1xA2)/(|A1||A2|))

        使用与图4所示的加速计配置所用的相同逻辑,如下根据任一加速计的读数也可以推导出角度β(524):

        cos(β)=Axy/|A|

        其中Z2是第二加速计在正交方向内的读数,X2是第二加速计在水平方向内的读数。尽管用第二加速计(520)的读数定义β,它也可以应用于第一加速计(510)的读数。在一种实施例中,根据具有较强信号的加速计的读数计算角度β。例如,可以读取和比较每个加速计的信号,选择较强信号用于计算。

        如图5所示,存在由R2、A1”、A2形成的第一虚拟三角形(560)和由矢量A1、A2和(A2-A1)形成的第二虚拟三角形(570)。第一虚拟三角形(560)在几何学上类似于第二虚拟三角形(570)。存在在第二虚拟三角形内形成的三个角度,包括α(572)、ε(574)和γ(576)。

        根据上述推导,使用相似三角形的几何学原理说明在矢量和角度之间的关系,如下:

        r/sinα=|R1|/sinε=|R2|/sinγ

        根据角度和矢量的几何关系,根据两个加速计(510)和(520)之间的距离r和相似三角形(560)和(570)的角度,可以定义两个矢量|R1|和|R2|如下:

        |R1|=rsinε/sinα

        |R2|=rsinγ/sinα

        此外,根据几何学和线性代数原理,如下使用加速计读数矢量的交叉乘积公式可以发现角度的正弦值:

        sinα=|A1xA2|/(|A1||A2|)

        sinε=|A1x(A1-A2)|/(|A1||A1-A2|)

        sinγ=|A2x(A1-A2)|/(|A2||A1-A2|)

        如上所示,根据相似三角形(560)和(570)角度的正弦值定义矢量R1(512)和R2(522)。通过替代该定义中来自上式的每个正弦角度,根据加速计读数如下可以求解矢量R1(512)和R2(522):

        |R1|=rcosβ(|A2x(A1-A2)||A1|/(A1-A2||A1xA2|))

        |R2|=rcosβ(|A1x(A1-A2)||A2|/(A1-A2||A1xA2|))

        可以将其进一步简化为:

        |R1|=rcosβ|A1|/|A1-A2|和

        |R2|=rcosβ|A2|/|A1-A2|

        一旦获知矢量R1和R2,通过下述计算,使用双轴加速计配置,可以发现该运动的角度旋转参数:

        cosδ=|A2·R2|/(|A2||R2|)

        w=((|A2|/|R2|)cosδ)的平方根

        Ω=(|A2|/|R2|)sinδ

        上文描述的图1说明了向心和切向加速度随着时间改变,但是并没有详细说明重力的影响。在一种实施例中,加速计的感应轴受重力和/或均匀横向加速度的影响。图6是图示位置随着时间改变和重力相关误差的影响的框图(600)。在此图示了三个轴,水平轴(610)、垂直轴(620)和正交轴(630)。水平轴(610)表示时间线。类似地,垂直轴(620)表示切向加速度,正交轴表示向心加速度。如在水平轴(610)上图示的,一开始容纳加速计的本体是固定和静止的(630)。随着时间过去,存在本体旋转开始(632)、记录加速(634)、加速减缓(636)和旋转结束(638)。为了补偿重力相关误差,自加速计获取时间差别信号?;痪浠八?,并不测量在单个时间点上来自加速计的信号,在时间线的两个点上测量每个加速计。例如,将信号的时间差别表示如下:

        AN(XNt1-XNt2,YNt1-TNt2)

        在一种实施例中,时间间隔t1-t2应当很短以忽略物体方向的改变。此外,在一种实施例中,当切向分量穿越零线并且向心分量处于或靠近其最大值时,选择时间间隔接近旋转中间。

        通过相加如下计算出的补偿值,可以进一步降低重力相关误差:

        误差补偿=((Ginitial-Gending)/(tstart-tend))*(t1-t2)

        其中Ginitial和Gending是在旋转开始和结束时测量的重力矢量。

        显然,后面的计算需要等待直到旋转结束。对于诸如GPS系统内的航位推算法等应用,这可能不代表任何问题,但是它为具有实时或接近实时要求的应用引入了不希望的延迟。在这种情况下,可以忽略或者使用经验确定和列表的数据替换所计算的误差。通常,这并不表示问题,因为实时和接近实时应用需要较低的准确性。请注意可以在若干毫秒的短暂周期上获取时间差别信号,这已经足以将重力引入误差降低到可忽略的量级上。

        与传统的运动传感器应用不同,所推荐的运动输入算法能够根据三个参数进行判决,所述参数包括旋转半径、角加速度或所计算的旋转速度和说明加速计配置相对于旋转半径的方向的偏移角度。图7是图示根据参数和上述加速计配置感应运动的处理的流程图(700)。在此所图示的处理是针对包括可视显示器的手持式计算设备描述的。在一种实施例中,与可视显示器通信的光标响应于感应运动移动穿过显示器。然而,本发明应当不限制于与可视显示器通信的光标。例如,在一种实施例中,在可视显示器内图示的数据响应于感应到的运动而改变。在另一种实施例中,可以使用运动高亮或选择显示器上的项目。光标运动或可视显示器改变或者启动或停用预编程特征的任何其它命令响应于来自加速计的数据。一开始,当手持式设备在运动时,获取传感器读数(702)。在现有技术中已知此传感器读数可能具有与所获取数据相关的噪声。因此,调整(704)传感器信号以适应加速计参数的噪声和偏移。此调整可以包括滤波噪声、校正和/或重力误差补偿。在步骤(704)之后,处理所接收的信号(706)。在一种实施例中,在步骤(706)可以使用数字信号处理器进行计算。在步骤(706)计算的三个要素包括旋转半径R(706a),角度参数,例如Ω和w(706b),和方向角度,例如α和β(706c)。在上述计算之后,执行(708)用于信号状况分析的数据记录,继之以将规则和阈值应用于该数据(710)。在步骤(710)的应用提供附加能力以根据旋转半径、旋转速度和/或偏移角度以及当时信号状况滤波信号。在步骤(710)完成之后,将来自加速计的数据转换成分配给专用运动信号的命令(712)。在一种实施例中,命令的形式可以是倾斜、旋转和/或摇摆信号,其对应于光标穿过可视显示器的顺时针、逆时针、向左、向右、向上和向下运动或者如上文解释的在可视显示器上显示的数据改变或者预定义功能的执行。因此,使用由加速计收集的数据控制与手持式加速计设备的可视显示器的通信。

        信号处理公式依据运动传感器类型、传感器的几何配置和所分析运动的本质属性。传统的解决方案可以仅根据信号强度或形状滤除运动干扰。后者要求时间上的复杂计算。所推荐的解决方案增加了根据这些力导致的旋转半径滤除干扰力影响的能力??梢陨柚酶孟低骋院雎缘贾滦?、低于或者处于某个旋转半径内的力。例如,诸如因为手腕弯曲导致的半径小于R的信号将作为运动输入处理,而半径大于R的信号将被阻断。与旋转半径相同,可以设置该系统以根据由偏移角度α和β确定的旋转轴方向忽略或处理信号。这允许该系统在没有外力产生干扰的运动车辆内操作。另一优点将是该系统可以不受重力影响,因此可以保持在相对于地心的任何位置上。因此,用户可以自由地发现和维持最舒适姿势和最佳的可能观察角度。

        在手持式设备内的运动输入不需要获知旋转半径或者偏移角度的准确信息。对于手持式设备,验证旋转半径和偏移半径在定义范围内是足够的。对于这些应用,验证运动来自用户手部和不是环境产生的干扰是足够的。鉴别手持式设备自水平轴在垂直轴上旋转是足够的。

        图8是图示通过比较来自全部加速计对的差别运动信号强度来确定旋转主轴的成对比较运动输入算法的流程图(800)。将生成最强信号的加速计对的相关轴视为用户选择的方向。一开始,当手持式设备在运动时,获取传感器读数(802)。在现有技术中已知此传感器读数可能具有与所获取数据相关的噪声。因此,调整传感器信号(804)。该调整可以包括校正、滤除噪声和重力误差补偿。在步骤(804)之后,通过发现用于加速分量的差别信号,通常形式可以表示为A1-A2、A2-A3和A1-A3,执行(806)加速对分析。对于三个三轴加速计的配置,必需分析下述各对:在(806a)表示的[X1-X2,Y1-Y2,Z1-Z2]、在(806b)表示的[X1-X3,Y1-Y3,Z1-Z3]和在(806c)表示的[X2-X3,Y2-Y3,Z2-Z3],其中编号1、2和3对应于在三加速计配置中的特定加速计,和X、Y和Z分别对应各个加速计分别沿着水平、垂直和正交轴的测量值。例如,X1、Y1和Z1分别是第一加速计分别沿着水平、垂直和正交轴的读数,X2、Y2和Z2分别是第二加速计分别沿着水平、垂直和正交轴的读数,和X3、Y3和Z3分别是第三加速计分别沿着水平、垂直和正交轴的读数。在步骤(806)的成对分析之后,执行加速计对的比较和标准化(808)。在该步骤,通过除以来自成对加速计的求和信号,例如A1+A2、A1+A3、A2+A3,标准化(806)的差别信号。在上述计算之后,将规则和阈值应用于数据(810),并将倾斜、滚动或摇摆的命令应用于其中安装加速计的设备(812)。例如,在具有可视显示器的手持式计算设备内安装加速计的情况下,可能出现在可视显示器上显读数据的变化。应用于设备的命令的形式可以是倾斜、滚动和/或摇摆,其对应于顺时针、逆时针、向左、向右、向上以及横向推动和拉动。该信号可以控制光标在显示器上的移动或者改变或转换在屏幕上显示的内容。因此,加速计读数结合其相关分析对应于发出命令而不需要来自外部设备的输入。

        图9是手持式计算设备(900)的框图。至少两个加速计(910)和(920)以平面配置安装在该设备内。在一种实施例中,该设备具有可视显示器(902),其可视地划分成网格(未图示),在该网格内形成多个方框。在网格内的每个方框代表光标可以围绕移动的位置。此外,在网格内的一个或多个方框可以用代表程序选择的图标表示。通过移动手持式设备而不使用外部设备,可以选择每个程序。更具体地,当该设备旋转时,收集传感器读数和分析所收集的读数。在一种实施例中,逻辑电路(未图示)用于接收来自每个加速计(910)和(920)的信号,并将所接收的信号传送给在该设备(900)内安装的处理器(未图示)。处理器如图7或图8所示计算运动变量。根据应用于所收集到的读数的阈值和规则,处理器与可视显示器通信以选择性地将光标穿过网格移动到期望方框,从而选择在该网格方框上表示和显示的图标。因此,加速计和相关处理器一起通信并控制光标在可视显示器上的移动。

        尽管在先描述应用于手持式设备,但是本发明应当并不限制于在便携式手持设备内使用加速计及其配置。加速计配置用作虚拟陀螺仪,并可以用在各种可能有益于检测其运动的物体内。图10是可使用加速计配置车辆体的框图(1000)。如图所示,在该例子中的车辆是具有四个轮子(1002)、(1004)、(1006)和(1008)的地面车辆。在该例子中,将两个加速计(1010)和(1020)安装在车辆体内。在此图示的该例子中的每个加速计感应在三个轴上的运动,滚动、倾斜和摆动。在一种实施例中,两个加速计(1010)和(1020)可以是仅感应在滚动和倾斜轴上的运动的双轴加速计。类似地,在一种实施例,可以将第三加速计添加给图10所示的配置。X轴感应向心加速度。Y轴感应切向加速度。Z轴感应滚动加速度。将加速计的位置图示为平行于一组轮子的轴,但是并不限制于在此所示的配置。由加速计感应的运动类似于图7和图8图示的方法。然而,在地面车辆的情况下,超过阈值的被感应到的运动可以通知用于控制车辆的报警或车辆稳定设备。在此图示的地面车辆包括四个轮子(1002)、(1004)、(1006)和(1008)。然而,在一种实施例中,车辆可以是限于三个轮子的全部地面车辆。类似地,可以将加速计配置用于其它形式的地面车辆。在一种实施例中,可以在非地面车辆内使用加速计配置,例如船只或空中交通工具。其中,可以使用加速计配置确定车辆在相应流动介质内的曲率或轨线。因此,可以将该加速计配置用于运动物体以感应在多达六个自由度内的运动。

        当应用于手持式设备和车辆时的加速计配置使用在本体内或者安装在本体内的基座上的多个加速计。其中安装加速计的本体可以包括全球定位系统,在下文中称作GPS。GPS系统使用与卫星系统通信的接收机以传送接收机的位置和定位。通常,GPS接收机包括调谐到卫星发射频率的天线。将GPS接收机集成在地面车辆、移动电话、手表等内在现有技术中是公知的。在现有技术中还公知GPS接收机还可以包括用于向用户提供位置和速度信息的显示器。通过将GPS接收机集成到包括加速计配置的设备本体内,增强了加速计配置的功能。图11图示(1100)具有加速计配置(1110)、(1120)和(1130)的手持设备(1102)。如图所示,加速计与处理器(1140)、GPS接收机(1150)和发射机(1160)通信。根据由加速计(1110)、(1120)和(1130)的配置感应到的运动,处理器可以控制将功率分配给GPS接收机(1150)。例如,对于固定和随后经受运动的设备(1102),配置加速计可以与处理器(1140)通信以开启相关GPS接收机(1150)。相反地,如果设备(1102)在运动和随后运动停止,则加速计可以将运动变化通知给处理器(1140),其随后从相关GPS接收机(1150)断开功率。存在GPS接收机(1140)使用加速计配置增强功能的其它途径,本发明应当并不限制于在此图示的具体运动实例。使用GPS接收机支持精确地确定接收机所处的设备。因此,增加接收机配置以包括GPS接收机扩展了设备在其位置方面的功能。

        在一种实施例个,可以将图11的加速计和GPS接收机配置集成在车辆内,其中加速计配置与GPS接收机通信。由于图8中设置的阈值和规则,可以扩大由加速计感应到的车辆运动以通知GPS接收机(1150)。例如,车辆可以包括报警组件(未图示)。如果车辆进入点火器内无钥匙情况下的运动,报警组件可以通知GPS接收机以包括GPS数据。例如,如果轿车处于拖引或偷盗过程中,报警将发送由GPS接收机提供的车辆位置。如上所述,加速计配置感应运动。使用规则和阈值组合报警和/或GPS接收机,通过发送其位置,增强了设备功能。因此,当经受达到或超过向其应用的规则和阈值的运动时,GPS接收机传送设备位置。当GPS信号丢失时,在GPS系统内加速计的非常重要的应用提供了用于航位推测法的数据。在该实施例中,本发明可以通过计算已知的旋转半径和过去的时间来重新构建运动轨线。

        将步进运动定义为将用户意图转换成精确命令的代码,例如在网格单元上指针的移动和允许在步骤之间系统的重新调整。在所引用的上述现有技术(Shkolnikov‘028和’533)中描述的滑动零代码用于检查设备相对于重力矢量的方向,并允许用户在操作设备时改变他或她的位置。在所推荐解决方案中的简单步进运动用于相同目的,但是在没有滑动零代码的情况下操作。它在诸如图7和图8所示的运动输入处理之上工作。简单步进运动与如本发明所述的多传感器配置以及具有单加速计的系统协同工作。它简化计算,允许忽略返回运动所导致的力。简单步进运动代码允许用户维持显示器的最佳可能观察角度。在任一运动输入命令之后,用户可以使设备返回先前位置(如现有技术所要求的),或者按照用户希望的任何方式改变方向。它还允许用户改变他或她的位置。简单步进运动算法具有基于引入“非感应”暂时休息的附加特征,也称作休眠周期,其与运动传感器的任一配置,甚至与单个传感器和与底层运动输入算法的任一实施方式协同工作。简单步进运动算法使得不需要先前算法实施方式的滑动零组件,如在Shkolnikov的美国专利7002553中所公开的。更具体地,在“非感应”周期内,该系统自动地平衡自身以补偿在朝向重力和其它外力方向内的改变。在“休眠”周期内,用户可以使手持式设备恢复观察角度或者改变位置以保持舒适。

        图12是图示在图7和图8的运动输入算法之上实施的简单步进运动算法的流程图(1200)。接收(1202)和执行(1204)来自运动输入算法的命令。参考图7和图8详细图示和描述了该命令的处理。在步骤(1204)执行命令之后,将休眠命令发送给运动输入算法(1206)。该休眠命令阻断来自运动输入算法的任何新的命令。然而,在一种实施例中,运动参数计算可以在后台继续。在完成步骤(1206)之后,运动输入算法接收唤醒命令(1208),并对于下一运动输入是可访问的。在图9所示的例子中,移动光标穿过手持式计算设备的可视显示器的虚拟网格。根据设备移动,光标移动到虚拟网格内的选定方框。步进运动算法支持发生光标移动和下一移动以自网格上其当前位置访问光标,而不需要光标返回至其网格内的初始位置。在“休眠”时间过去之后,简单步进运动算法发送“唤醒”命令给运动输入算法(1208)以恢复发送运动输入命令,将当前位置用作参考原点。因此,由加速计感应到的全部运动将基于如根据“唤醒”命令确定的最新参考原点。

        在一种实施例中,用软件,包括但是并不限制于固件、驻留软件、微代码等,来实现本发明。本发明可以采取自计算机可用或计算机可读介质可访问的计算机程序产品的形式,所述介质提供由计算机或任意指令执行系统使用或结合使用的程序代码。为了本说明书的目的,计算机可用或计算机可读介质可以是可包含、存储、通信、传播或传输用于由指令执行系统、设备或装置使用或结合使用的任意设备。

        本发明?;し段诘氖凳├拱ò哂心诓勘嗦氤绦虼氲某绦虼娲⒆爸玫闹圃炱?。此程序存储装置可以是可由通用或专用计算机访问的任意可用介质。举例来说,并无限制,此类程序存储装置可以包括RAM、ROM、EPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁存储设备或者可用于存储期望程序编码装置和可由通用或专用计算机访问的任何其它介质。上述的组合也应当包含在程序存储装置的范围内。

        介质可以是电子的、磁的、光的、电磁的、红外的或者半导体系统(或设备或装置)或传播介质。计算机可读介质的例子包括但是并不限制于半导体或固态存储器、磁带、可拆除计算机磁盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前例子包括只读压缩盘B(CD-ROM)、读/写压缩盘B(CD-R/W)和DVD。

        适合于存储和/或执行程序代码的数据处理系统包括通过系统总线直接或间接耦合至存储器单元的至少一个处理器。存储器单元可以包括在程序代码的实际执行过程中使用的本地存储器、大型存储器和提供至少一些程序代码的临时存储以降低在执行过程中必需从大型存储器中提取代码次数的高速缓存存储器。

        输入/输出或I/O设备(包括但是并不限制于键盘、显示器、指示设备、等等)可以直接或者通过中间I/O控制器耦合至系统。网络适配器也可以耦合至系统以支持数据处理系统变成通过中间私用或公用网络耦合至其它数据处理系统或者远程打印机或存储设备。

        软件实施方式可以采取自计算机可用或计算机可读介质可访问的计算机程序产品的形式,所述介质提供由计算机或任意指令执行系统使用或结合使用的程序代码。

        相比现有技术的优点

        与在现有技术中描述的手持式设备相比,本发明的手持式设备使用多个加速计的不同配置,其支持作为加速计读数和定义该配置几何学的参数实时或接近实时的函数来计算运动变量。该设备还不敏感于重力干扰。因此,不需要跟踪设备的角度位置以实时计算运动变量。所添加的根据干扰力导致的旋转半径滤除干扰力影响的性能也是本发明的优点之一?;箍梢陨柚酶孟低澈雎缘贾滦牧?,该旋转的半径高于、低于或者在某范围内以及朝旋转点方向。此外,在步进运动算法内引入非感应暂时休息使得本发明的手持设备不敏感于在其自身位置和用户位置上的改变。这允许用户维持最佳显示器观察角度和舒适姿势。

        至少两个双轴或三轴加速计的配置用作组合陀螺仪和普通运动传感器。更具体地,在此描述的加速计配置能够确定其中安装加速计的设备的旋转角速度、移动加速度和旋转半径?;痪浠八?,加速计配置类似于陀螺仪感应滚动、倾斜和摆动旋转,和类似于加速计感应横向移动。该配置感应具有至多六个自由度的旋转和移动。此外,计算物体旋转半径的能力允许通过到旋转点的距离和方向以及瞬时幅度和模式来过滤运动信号。在一种实施例中,过滤运动信号支持在运动车辆内控制具有加速计配置的手持式设备??梢苑掷肜醋匀死嗍滞蟮脑硕藕藕屯ü?、加速、撞击和其它形式动作产生的干扰信号。因此,在上文中详细描述的加速计配置可以用于当前存在陀螺仪和加速计的任意设备内。

        替代实施例

        应理解,尽管为了说明目的已经描述了本发明的具体实施例,但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。具体而言,已经详细描述了如何将两个或更多双轴或三轴加速计的配置内嵌在手持式计算设备内。双加速计配置具有当加速计连线平行于旋转轴时确定旋转半径的相关限制。因此,在一种实施例中,通过将一个或多个加速计添加给双加速计配置和将加速计设置成非线性形式,克服此限制。例如,可以将三个加速计设置成三角形形式,以便至少一个加速计定位于不平行于旋转轴。在一种实施例中,可以将具有上述几何配置的加速计内嵌在集成电路中安装的硅基片内。这支持加速计成为该设备的电子硬件的一部分,并与底盘即本体分离?;褂Φ弊⒁獾郊铀偌撇⒉槐匦柘嗤蚶嗨频囟ㄏ?,只要可以将它们的输出调整和/或数学转换成如同它们是相同的。

        在一种实施例中,可以扩展加速计配置和将其应用于不同的设备类型。例如,可以在包括静止照相机和视频摄像机的照相机、双目镜、望远镜、显微镜等内使用该配置。通过提供校正信号给镜头、图像接收机和/或图像稳定软件,可以使用在每个这些设备内的配置稳定图像。如图8和图9所示,可以将阈值和规则应用于加速计的分析信号读数??梢越嬖蚝豌兄当喑逃糜谔囟ㄉ璞赣τ?,例如图像稳定软件。因此,本发明的?;し段Ы鐾üɡ笫榧捌涞韧段Ю聪拗?。

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