低功率指向方法以及实现该指向方法的电子设备

摘要

本公开的实施例涉及一种低功率指向方法和实现该指向方法的电子设备。在实施例中，一种电子设备包括第一处理器，该第一处理器被配置为：接收由传感器融合算法根据加速度信号和陀螺仪信号的共同处理而生成的姿态四元数数据，该姿态四元数数据指示电子设备在3D空间中的方位，该加速度信号指示沿着3D空间的三个参考轴线作用在电子设备上的加速度，该陀螺仪信号指示电子设备围绕3D空间的三个参考轴线的旋转角速率；处理四元数数据以确定电子设备在3D空间中的当前方位与先前方位之间的方位差；将来自四元数空间的方位差转换为电子设备在3D空间中的经倾斜补偿的旋转角速率，并基于该经倾斜补偿的旋转角速率生成屏幕坐标系帧位移数据。

说明书

本申请要求于2019年7月31日提交的IT专利No.102019000013422的权益，该申请在此通过引用的方式并入本文。

技术领域

本解决方案涉及一种低功率指向方法，并涉及一种实现该指向方法的电子设备。

背景技术

众所周知，指向算法通常被用于指向器电子设备，并且将被实现在智能笔(或数字笔或尖笔或智能铅笔或除了指向功能外还具有其它和不同功能的类似手持设备)中，将被耦合至充当主机装置的电子装置(例如，笔记本电脑、平板电脑、智能电视、监视器或智能手机)。

这些电子设备实现HID(人机接口设备)指向器(或鼠标)接口或协议，以便按照同一主机装置的屏幕帧中的坐标向主机装置发送位移信息(特别是与当前位置和先前位置之间的位移相关联的信息)。因此，主机装置的控制单元能够基于接收到的位移信息在屏幕帧中移动所显示对象(例如，光标等)。

指向器设备报告速率(即，位移信息向主机设备的连续传输之间的时间间隔)可能会基于应用要求而有所不同，通常目的在于在功率损耗和性能之间实现期望的折衷。

众所周知，新一代设备(特别是上述智能笔或类似设备)需要非常低的功率损耗以提高电池寿命。

发明内容

指向算法的两种主要解决方案通常在指向器电子设备中实现。

第一种解决方案设想仅使用陀螺仪传感器并通过从陀螺仪传感器的三个测量轴线中选择两个感兴趣的轴线在屏幕帧位移中适当地重新映射陀螺仪测量值。该解决方案轻量化并且需要低功率损耗。然而，其未经倾斜补偿，从而迫使用户将指向器设备保持在固定方位上以具有可靠的指向结果。

第二种解决方案设想基于加速度计传感器和陀螺仪传感器两者的测量值使用专门(即，有目的开发和实现的)专用传感器融合算法。该解决方案的优点在于允许使用加速度计测量值来陀螺仪测量值进行倾斜补偿。然后可以将补偿的陀螺仪测量值重新映射到屏幕帧中的位移中。然而，这种解决方案相当复杂(例如，使用诸如卡尔曼滤波器等复合滤波器)，因此需要高计算能力并且因此需要高功率损耗。此外，由于该解决方案是专门实现的，因此其通常无法被重新使用于其它应用/环境中。

如先前所讨论的，在指向器设备中(特别是在智能笔或类似设备中)实现指向算法需要非常严格的要求，其中：

-有限的功率损耗(由于尺寸以及因此电池尺寸受到限制并且设备电池持续时间是关键的设计参数)；

-较短的执行时间；以及

-减少的内存占用，例如，允许在BLE(蓝牙低功率)微控制器中实现，该BLE微控制器将大部分资源分配给蓝牙堆栈(因此其它算法可用的内存大小受到限制)。

此外，需要倾斜补偿特征(并且仅利用陀螺仪数据是无法实现的)，因为在设备的使用期间用户不会被迫维持固定的设备方位。

实施例提供了解决方案，以便解决先前针对已知的指向算法所强调的问题，并提供一种允许满足上述要求的经改进的指向解决方案。

其它实施例提供一种指向方法和对应的电子设备。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例并参照附图来描述实施例，在附图中：

图1示出根据本解决方案的实施例的实现指向算法的电子设备的示意性框图；

图2是根据指向算法而执行的操作的示意性流程图；

图3A是电子设备和对应角速率的示意图；

图3B是屏幕帧的示意图，其中执行由指向算法在输出处生成的位移；

图4是包括图1的电子设备和主机装置的系统的示意性框图；以及

图5A和图5B是电子设备的相应移动以及在主机装置的显示器中的位移的对应关系的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据手持式或便携式类型的实施例的电子设备1，在其外壳或壳体内，其包括：

加速度计传感器2，特别是MEMS(微机电系统)三轴加速度计，提供加速度信号Acc[x，y，z]，该加速度信号指示沿着与同一电子设备1相关联的3D空间惯性参考系统的三个轴线X、Y、Z作用在电子设备1上的加速度(在以下讨论中，3D空间惯性参考系统的轴线X、Y、Z遵循所谓的“ENU”(东北向上)方位，根据此方位，轴线X指向东，轴向Y指向北，并且轴向Z指向向上)；

陀螺仪传感器4，特别是MEMS三轴陀螺仪，提供陀螺仪信号Gyro[x，y，z]，该陀螺仪信号指示围绕与电子设备1相关联的3D空间惯性参考系统的三个轴线X、Y、Z的角速率；以及

传感器融合处理级5，耦合至加速度计传感器2和陀螺仪传感器4，以在其输入处接收加速度计信号Acc[x，y，z]和陀螺仪信号Gyro[x，y，z]，并被配置为共同处理加速度信号和陀螺仪信号，以便确定电子设备1在由三个轴线X、Y、Z限定的三维空间(在以下表示为“地球坐标系”)中的角位置或方位，并且被配置为在输出处生成对应的姿态(或方位)四元数q。

特别地，并且以已知的方式，姿态四元数q是6-DoF(自由度)的四元数，其包含关于电子设备1在地球坐标系中的方位信息并且可以表示为四个实数的数组[q

第一矢量分量q

众所周知，在3D空间中，根据欧拉旋转定理，物体围绕固定点的旋转等效于经过该固定点围绕固定轴线(欧拉轴线)旋转角度θ的单个旋转；欧拉轴线由单位矢量或矢量

四元数允许将该轴线/角度表示以四个数的形式进行编码：特别是围绕由矢量

可以由四元数q表示：

参照以上表达式，四元数分量[q

传感器融合级5实现任何合适的通用姿态滤波器算法(例如，互补滤波器算法)，以组合加速度计信号Acc[x，y，z]和陀螺仪信号Gyro[x，y，z]并在输出处生成姿态四元数q(在任何情况下都应强调本公开并不旨在限于传感器融合级5的特定实现，其可以是允许基于加速度计和陀螺仪输入信号在输出处生成姿态四元数q的任何已知类型)。

例如，在美国专利申请公开No.2019/018499 A1中公开了可以被实现以生成姿态四元数q的姿态滤波器算法。

根据可能的实施例，如在相同的图1中示意性地示出的，加速度计传感器2、陀螺仪传感器4和传感器融合级5可以被实现在同一硬件模块6中(特别是实现在同一封装芯片中，该封装芯片集成了加速度计传感器2和陀螺仪传感器4两者以及传感器融合级5，例如，被制成ASIC——专用集成电路)。

电子设备1进一步包括指向确定级8，指向确定级8耦合至传感器融合级5，以便以预设时间间隔接收姿态四元数q，每个接收到的四元数q

指向确定级8被配置为执行指向算法，以便用于以少数且易于计算的操作(要求低能量，例如，大约为μA)从四元数空间转换为屏幕帧中(即，如还将在以下进行讨论的，在耦合至电子设备1的主机装置的显示区域内)的位移。

根据可能的实施例，如在相同的图1中示意性地示出的，指向确定级8可以被实现在控制单元10中，控制单元10具有微控制器或类似处理或计算单元10a以及合适的非易失性存储器10b，非易失性存储器10b存储计算指令以执行指向算法并在输出处生成待由耦合的主机装置所接收的位移信息，以实现用户接口(例如，用于在同一耦合的主机装置的屏幕上移动光标或类似的所显示的元素)。

在该实施例中，指向确定级8构成控制单元10，该控制单元10除硬件模块6之外还由软件插件编程，如将在下文中详细讨论的，其设想最低的资源使用。

实现指向确定级8的控制单元10可以是专用控制单元，或者也可以具有其它功能，例如，在其他功能中可能是，作为实现电子设备1与耦合的主机装置之间的蓝牙低功率无线通信的BLE(蓝牙低功率)控制单元等。

更详细地并且还参照图2，如在步骤20处所示，指向确定级8接收来自传感器融合处理级5的姿态四元数q

如在步骤21处所示，指向确定级8然后用汉密尔顿代数(Hamilton algebra)(

使用以四元数代数表示的以下公式来计算导数四元数dq：

其中*表示四元数(或汉密尔顿)乘法，指数处的-1表示四元数的逆(即，具有由原始矢量分量乘以-1得出的矢量分量[q

为了避免计算错误，当计算导数四元数dq时要考虑两个四元数q

由于两个四元数q

如在步骤22处所示，指向确定级8然后实现了将导数四元数转换为对应的角速率(参考地球坐标系)。

特别地，根据以下表达式，通过将四元数定义反向应用并除以时间间隔dt，将导数四元数dq转换为角速率值：

其中g

根据本解决方案的方面，考虑到间隔dt的值较小并应用正弦函数的显著极限(notable limit)：

可以应用近似法来移除(计算效率低的)反正弦三角函数，得到以下经近似的表达式：

其中数组g[g

如在步骤23处所示，指向确定级8然后实现了将电子设备1的角速率重新映射到屏幕帧二维空间坐标中的位移，在下文表示为[x'，y']。

在这方面，图3A示意性地示出了电子设备1及其角速率，考虑到ENU设备的方位：围绕Y(北)轴线的滚转率Ω

在该实施例中，因此轴线重新映射可以如下实现：

x′＝-g

y′＝-g

以上表达式对应于以下情况：选择地球坐标系偏航率(即，围绕Z轴线的角速率)作为屏幕帧中的x'位移；以及选择地球坐标系俯仰率(即，围绕X轴线的角速率)作为同一屏幕帧中的y'位移；如图3B清楚所示，将这两个值乘以-1以正确地重新映射到屏幕空间中。

此外，为了获得期望的指向器速度(即，显示在屏幕上并根据电子设备1向主机装置提供的位移信息而移动的光标或其它元素的期望移动速度)，应用乘以指示指向器灵敏度的比例因子σ。

如在步骤24处所示，指示确定级8然后输出计算出的[x'，y']位移值，并将这些位移信息发送至主机装置(根据合适的HID协议数据通信)。

如果HID协议要求，则可以将计算出的[x'，y']位移值钳位至所允许的相应最大值(例如，在8比特表示的情况下，值x'和y'可以被钳位至±127)。

图4示出了电子设备1(例如，智能笔或尖笔)，其通信地耦合至主机装置30(例如，智能手机、平板手机或平板电脑)。

如相同的图4所示，电子设备1可以进一步包括：电池31，该电池31向硬件模块6(包括加速度计传感器2、陀螺仪传感器4和传感器融合级5)和向控制单元10(实现指向确定级8)提供电源；以及通信接口32，该通信接口31被设计用于与主机装置30进行无线通信。

同一主机装置30可以包括：相应通信接口34，以与电子设备1的通信接口32进行通信；主控制器36，例如，微处理器单元；以及显示器38，该显示器38限定屏幕帧25，主控制器36根据指向器设备1所提供的计算出的[x'，y']位移值来控制光标或其它类似的显示元素在屏幕帧25上的移动。

在这方面，图5A示意性地示出了电子设备1(在这种情况下是智能笔或数字笔)如何围绕Z轴线以正角速率进行旋转，g

图5B示意性地示出了电子设备1(在这种情况下还是智能笔或数字笔)如何围绕X轴线以正角速率进行旋转，g

同样明显的是，除了位移信息之外，还可以在电子设备1与主机装置30之间传输任何种类的进一步的信息。

根据前面的描述可以清楚地看出所提出的解决方案的优点。

在任何情况下，都再次强调，所提出的解决方案不是根据加速度计信号和陀螺仪信号开发特定专门传感器融合算法，而是在通用姿态滤波器算法上添加低功率计算，从而提供6-DoF(自由度)姿态四元数，以根据同一姿态四元数确定屏幕帧位移。

有利地，被用作指向算法起点的通用姿态滤波器可以在其它项目/应用中重复使用。

此外，表示算法输入的姿态四元数是天然经倾斜补偿的。

指向算法以较少的易于计算的操作来执行从四元数空间至屏幕帧空间的转换，从而除了MEMS传感器功率损耗外，需要低功率，例如，大约几μA，并且需要非常短的操作时间并减少了存储器的使用。

最后，明显的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对本文已经描述和图示的内容做出修改和变化。

特别要强调的是，指向确定级8也可以被实现为硬件模块并与MEMS惯性传感器(加速度计和陀螺仪以及可能的进一步的传感器，诸如，磁力计)以及与相关处理电路集成在同一封装芯片中。

此外，再次强调，电子设备1可以是专用指向器设备或者也可以具有除实现指向算法之外的附加功能(如同智能笔或类似手持式电子设备的情况)。