[發明專利]慣性技術和超聲波相結合的觸控筆位姿檢測方法及系統

有效

• 申請號: 201710139997.2
• 申請日: 2017-03-08
• 公開（公告）號: CN106933390B
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發明（設計）人: 燕學智;王海云;孫曉穎;陳建;溫泉;于海洋;溫艷鑫;曹德坤
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F3/0354
• 分類號: G06F3/0354;G06F3/0346;G01C21/16;G01S5/30
• 代理公司: 22100 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司
• 代理人: 魏征驥

本發明提供一種慣性技術和超聲波相結合的觸控筆位姿檢測方法及系統，屬于人機交互領域。采集MEMS六軸加速度計及陀螺儀傳感器上的角速度與加速度值，測量超聲波從觸控筆上超聲波發射傳感器到接收傳感器上的傳播時間，計算觸控筆的姿態角信息；計算觸控筆的坐標信息；由獲取的觸控筆的三維坐標信息獲取航向角，對MEMS六軸加速度計及陀螺儀傳感器獲取的航向角和超聲波獲取的航向角進行互補融合，計算出修正后的航向角，確定觸控筆當前的位姿。本發明融合慣性技術獲取的觸控筆姿態信息和超聲波定位技術獲取的觸控筆空間坐標信息共同確定觸控筆的位姿，實現觸控筆在一定空間內以任意姿態、任意角度、任意距離與界面進行交互。

技術領域

本發明屬于人機交互領域，涉及一種觸控筆位姿檢測方法及系統，具體涉及一種慣性技術和超聲波相結合的觸控筆位姿檢測方法及系統。

背景技術

近年來，隨著人機交互技術的不斷發展，人機交互已不再局限于以往單一的二維人機交互，而是逐漸將三維筆式交互技術引入到人機交互中，是一種高效自然的交互方式。

在人機交互的過程中，用戶常需要進行打開各種文件、瀏覽各種網頁等操作，然而在教室或會議等場景使用白板時，距離白板較遠的用戶，由于二維(平面內)受到距離和筆的姿態的限制無法完成的操作。增大用戶的操作距離，同時使操控具有指向性是解決該問題的方法之一，這就需要解決筆的遠距離位置和姿態檢測問題。

目前已有一些關于解決筆的姿態和位置問題的方法。

中國專利“基于六軸傳感器的角度測量裝置”(申請號201620079085.1)公開了一種基于六軸傳感器的角度測量裝置，提高了測量角度信息的準確性和穩定性。中國專利“基于MPU6050六軸傳感器的懸空鼠標系統”(申請號201620067175.9)公開了一種MPU6050六軸傳感器的懸空鼠標系統擺脫桌面鼠標的限制,實現在遠距離的三維空間內獲得鼠標的操作功能。中國專利“一種基于重力向量和角速度向量的汽車變道識別方法”(申請號201610087916.4)公開了一種基于重力向量和角速度向量的汽車變道識別方法，利用姿態角信息選擇可能的變道組合。但這些方法所述的檢測出的姿態信息，不能矯正航向角出現的漂移，且不能準確檢測出距離信息，一旦涉及三維空間的筆式交互，就會因距離因素及交互方式的改變帶來操作角度受限和觸控筆姿態識別不清等問題。

中國專利“加速度、陀螺儀和磁場九軸傳感器的空間軌跡定位系統”(申請號201310452478.3)公開了一種加速度、陀螺儀和磁場九軸傳感器的空間軌跡定位系統，提到利用九軸傳感器定出姿態角，其中利用三軸地磁矯正陀螺儀的航向角，實現了姿態角的精確測量，但未考慮到三軸地磁容易受周圍物體磁場的影響，從而影響測量精度。中國專利“基于九軸MEMS傳感器的農業機械全姿態角更新方法”(申請號201510664990.3)公開了一種基于九軸MEMS傳感器的農業機械全姿態角更新方法，提到利用九軸傳感器測量出姿態角，利用加速度計測出的數據經過二次積分計算出位置信息，但未考慮加速度計噪聲比較大，對運動極為敏感，在短時間內可靠性不高，因此在定出位置信息時誤差較大。中國專利“基于九加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的布局方法”(申請號200810237023.9)公開了一種九加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的布局方法，提到利用加速度傳感器獲取角速度信息，但未考慮加速度計噪聲比較大，在短期使用時誤差較大，可靠性差。

發明內容

本發明提供一種慣性技術和超聲波相結合的觸控筆位姿檢測方法及系統，基于陀螺儀獲取姿態信息，利用加速度計獲取的加速度值修正陀螺儀獲取的姿態信息，通過超聲波定位出前一時刻的坐標值和當前時刻的坐標值，利用獲得的三維坐標信息修正航向角等方法最終計算出觸控筆的姿態和坐標值。

本發明中觸控筆的超聲波定位精度達到毫米量級，而且解決了觸控筆在六軸傳感器單獨定位的情況下容易在0°和180°出現角度突變的技術問題同時還可以實現修正航向角的功能，達到實現筆以任意姿態、任意角度、任意距離與界面進行交互的目的。

本發明采取的技術方案是，包括如下步驟：