低功耗倾斜补偿指点方法及相应的指点电子设备

摘要

一种低功耗倾斜补偿指点方法及相应的指点电子设备。基于指点电子设备的3D空间运动产生屏幕框位移数据的实施方式指点方法，包括接收重力向量(g)，该重力向量具有与重力加速度()在与指点电子设备相关联的3D参考系统的三个轴(X，Y，Z)上的相应投影相对应的分量(gx，gy，gz)，该重力向量由传感器融合算法从加速度信号和陀螺仪信号(Gyro)的联合处理中产生，加速度信号指示沿三个轴作用在指点电子设备上的加速度，陀螺仪信号(Gyro)指示指点电子设备绕三个轴的旋转角速率。该方法还包括根据重力向量(g)，实现陀螺仪信号(Gyro)的滚转补偿，以确定滚转补偿的陀螺仪信号(Gyro')；以及基于滚转补偿的陀螺仪信号(Gyro')产生屏幕框位移数据。

说明书

本申请要求于2019年7月31日提交的意大利申请第102019000013431号的权益，该申请通过引用并入本文。

技术领域

本解决方案涉及低功率倾斜补偿指点方法和实现该指点方法的相应电子设备。

背景技术

众所周知，指点算法通常用于指针电子设备中，并且将在智能笔(或数字笔或触笔或智能铅笔或除指点功能之外具有进一步和不同功能的类似手持设备)中实现，以耦接到用作主机装置的电子设备(例如，膝上型计算机、平板电脑、智能电视、监视器或智能电话)。

这些电子设备实现HID(人机界面设备)指针(或鼠标)接口或协议，以便根据同一主机装置的屏幕框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框上移动显示对象(例如，光标等)。

指针设备报告速率(即，位移信息到主机装置的连续传输之间的时间间隔)可以基于应用需求而不同，通常目的是在功耗和性能之间实现期望的折衷。

众所周知，新一代设备(特别地，以上引用的智能笔或类似设备)需要非常低的功耗，以便提高电池寿命。

目前在指针电子设备中实现了指点算法的两种主要解决方案。

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中选择两个感兴趣轴来适当地重新映射屏幕框位移中的陀螺仪测量值。该解决方案重量轻，且功耗低；但它不是倾斜补偿的，迫使用户将指针设备保持在一个固定的方向上，以具有可靠的指点结果。

第二种解决方案设想使用基于加速度计和陀螺仪传感器两者的测量的自组织(ad-hoc)(即，专门开发和实现)专用传感器融合算法。该解决方案的优点是允许使用加速度计测量对陀螺仪测量进行倾斜补偿；然后，经补偿的陀螺仪测量结果可以在屏幕框中的位移中重新映射。然而，这种解决方案设想了相当复杂的计算(例如，使用诸如卡尔曼滤波器或类似的复杂滤波器)，因此需要高计算能力并因此需要高功耗。此外，由于此解决方案是自组织实现的，因此通常不能在其他应用程序/环境中重用。

发明内容

如前所述，在指针设备中，特别是在智能笔或类似设备中实现指点算法需要非常严格的要求，包括：

-有限的耗电量(由于以下事实：尺寸并且因此电池尺寸有限，并且设备电池持续时间是一个关键设计参数)；

-短执行时间；和

-减少的内存占用，例如允许在BLE(蓝牙低能耗)微控制器中实现，BLE(蓝牙低能耗)微控制器将大部分资源分配给蓝牙堆栈(可用于其他算法的内存大小因此受到限制)。

此外，还需要倾斜补偿功能(并且仅陀螺仪数据无法实现)，因为用户在设备使用过程中不能被迫保持固定的设备方向。

本解决方案的目的是解决先前针对已知指点算法突出的问题，并且提供满足上述要求的改进的指点解决方案。

根据本发明，因此提供了一种指点方法和相应的电子设备，如所附权利要求中所限定的。

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考附图描述其优选实施例，其中：

图1示出了根据本解决方案的实施方式的实现指点算法的电子设备的示意性框图；

图2是电子设备和相应的陀螺仪信号和重力向量分量的示意图；

图3是根据指点算法执行的操作的示意性流程图；

图4A是电子设备和相应角速率的示意图；

图4B是屏幕框的示意图，其中执行由指点算法在输出处产生的位移；

图5是包括图1的电子设备和主机装置的系统的示意性框图；和

图6A和图6B是电子设备的相应移动和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示出了根据本解决方案的实施方式的手持式或便携式的电子设备1，在其壳体或外壳内包括：

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Acc[x，y，z]指示沿与相同电子设备1相关联的3D空间惯性参考系统的三个轴X，Y，Z作用在电子设备1上的加速度(在下面的讨论中，3D空间惯性参考系统的轴X，Y，Z遵循所谓的“ENU”，东北向上定向，根据该定向，轴X指向东方，轴Y指向北方，且轴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Gyro[x，y，z]指示绕与电子设备1相关联的3D空间惯性参考系统的三个轴X，Y，Z的角速率；和

传感器融合处理级5，耦接到加速度计传感器2和陀螺仪传感器4，以在其输入处接收加速度信号Acc[x，y，z]和陀螺仪信号Gyro[x，y，z]，并且被配置为利用通用6-DoF(六个自由度)传感器融合算法(该算法的输入是加速度信号和陀螺仪信号)联合处理加速度信号和陀螺仪信号，以便在输出处产生重力向量估计。

如已知的，重力向量(在下文中用g表示)是三个值[g

传感器融合级5实施任何合适的通用传感器融合滤波器算法，例如互补滤波器算法，以组合加速度信号Acc[x，y，z]和陀螺仪信号Gyro[x，y，z]并在输出处生成重力向量g(在任何情况下，强调的是，本公开不旨在限于传感器融合级5的特定实现，传感器融合级5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重力向量g的任何已知类型)。

图2示意性地示出了电子设备1、相关参考系统的三个轴X，Y和Z、陀螺仪信号Gyro[x，y，z]以及根据上述ENU方位的沿相同的三个轴X，Y和Z的重力向量分量g

以与本解决方案不直接相关的方式，应当注意，传感器融合处理级5还可以被配置为基于对相同加速度信号Acc[x，y，z]和陀螺仪信号Gyro[x，y，z]的联合处理来确定电子设备1在由三个轴X，Y和Z限定的三维空间中的角位置或方位，并且在输出处产生对应的姿态(或方位)四元数q。特别地，并且以公知的方式，姿态四元数q是包含关于电子设备1在3D空间中的方位的信息的6-DoF(自由度)四元数，并且可以表示为四个实数的阵列[q0，q1，q2，q3]：第一，第二和第三向量分量q1，q2，q3限定3D空间中的单位四元数(versor)，并且角分量q0限定绕同一单位四元数的角旋转，从而限定电子设备1的方位。

根据可能的实施方式，如图1中示意性示出的，加速度计传感器2、陀螺仪传感器4和传感器融合级5可以在同一硬件模块6中实现(特别是在集成加速度计2和陀螺仪传感器4以及传感器融合级5的相同封装芯片中，例如，制成ASIC—专用集成电路)。

电子设备1还包括指点确定级8，其耦接到传感器融合处理级5，并且被配置为执行指点算法，用于以较少且易于计算的操作(需要低能量，例如μA量级)将电子设备1在3D空间中的移动转换为在二维屏幕框中(即，在耦接到电子设备1的主机装置的显示区域内)的位移。

根据可能的实施方式，如在同一的图1中示意性地示出的，指点确定级8可以在控制单元10中实现，控制单元10具有微控制器(或类似的处理或计算单元)和存储计算指令的合适的非易失性存储器，以执行指点算法并在输出处生成将由耦接的主机装置接收的位移信息，以实现用户界面(例如，用于在同一耦接的主机装置的屏幕上移动光标或类似的显示元素)。

在该实施方式中，指点确定级8构成除了硬件模块6之外的软件附加件，如将在下文中详细讨论的那样，设想最小限度地使用资源。

实现指点确定级8的控制单元10可以是专用控制单元，或者还可以具有其它功能，例如，作为BLE(蓝牙低能量)控制单元，实现电子设备1和耦接的主机装置之间的蓝牙低功率无线通信以及可能的其他特征。

更详细地并且也参考图3，如步骤20所示，指点确定级8接收以下内容作为指点算法的输入：来自传感器融合处理级5的重力向量g[g

如步骤21所示，指点确定级8然后执行轴选择操作。

特别地，为了避免资源浪费，可以从后续计算中移除一个陀螺仪轴(代表滚转的那个)：在使用ENU参考系统的情况下，Y轴确实可以忽略不计(可以再次参考图2：电子设备1绕Y轴的滚转旋转不参与指点操作，并且因此也不参与屏幕框中相应位移的确定)。

如步骤22所示，指点确定级8执行在其输入处接收的陀螺仪信号Gyro[x，y，z]的单轴滚转(或倾斜)补偿，以便提供具有电子设备1的任何方位的自然用户体验(即，独立于相同电子设备1绕其纵轴，即在上述定义的ENU方位中的Y轴的任何旋转)。再次注意，在电子设备1中，滚转轴是不用于屏幕框位移计算的轴。

为了执行滚转补偿操作，输入陀螺仪信号Gyro根据以下表达式使用滚转旋转矩阵进行反向旋转：

其中θ为滚转角，Gyro是由向量[Gyro

根据本解决方案的一个方面，代替计算滚转角θ和计算cosθ和sinθ(利用计算量大的三角函数)，基于处理的重力向量g'确定同一量。

特别地，经处理的重力向量g'对应于仅使用X轴和Z轴重新归一化的6-DoF重力向量g：

其中：

g′

根据上述表达式，得出：

sinθ＝-g′

cosθ＝g′

sin

用上述表达式代替上述反向旋转表达式中的cosθ和sinθ并丢弃如上指定的Y轴分量(参考步骤21中的轴选择操作)，滚转补偿的陀螺仪信号Gyro′沿X轴和Z轴的分量可表示为：

Gyro′

Gyro′

如步骤23所示，指点确定级8然后实施将电子设备1的角速率重新映射为到屏幕框空间坐标中的位移，在下文中表示为[x′，y′]。

在这方面，图4A示意性地示出了电子设备1及其角速率，考虑到ENU设备取向：绕Y(北)轴的滚转速率ΩR；绕X(东)轴的俯仰速率ΩP；以及绕Z(上)轴的偏航角速度ΩY。图4B示意性地示出了屏幕框，这里用25表示，其具有由坐标x′，y′定义的二维表面(原点(0，0)在左上角)。

在这个实施方式中，因此轴重映射可以如下实现：

x′＝-Gyro′

y′＝-Gyro′

上述表达式对应于选择经补偿的偏航速率(即，滚转补偿的陀螺仪信号Gyro′沿Z轴的分量)作为屏幕框中的x′位移；以及经补偿的俯仰速率(即，滚转补偿的陀螺仪信号Gyro′沿X轴的分量)作为同一屏幕框中的y′位移；这两个值乘以-1，以便正确地重新映射到屏幕空间，如图4B所示。

此外，与表示指针灵敏度的比例因子σ相乘被应用，以便获得期望的指针速度，即显示在屏幕上并根据电子设备1提供给主机装置的位移信息移动的光标或其它元素的期望移动速度。

如步骤24所示，指点确定级8然后输出计算出的位移值[x′，y′]，并(根据合适的HID协议数据通信)将这些位移信息发送到主机装置。

如果HID协议要求，计算出的位移值[x'，y']可箝位到所允许的各个最大值(例如，在8位表示的情况下，值x'和y'可箝位到±127)。

图5示出了电子设备1，例如智能笔或触笔，其通信地耦接到主机装置30，例如智能手机、平板手机或平板电脑。

如图5所示，电子设备1还可以包括：电池31，其向硬件模块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)和控制单元10(实现指点确定级8)提供电源；以及通信接口32，其被设计用于与主机装置30进行无线通信。

相同的主机装置30可以包括：相应的通信接口34，用于与电子设备1的通信接口32通信；主控制器36，例如微处理器单元；以及显示器38，其限定屏幕框25，光标或其它类似的显示元素在该屏幕框25上的移动由主控制器36根据由电子设备1提供的位移信息来控制。

在这方面，图6A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)以正角速率绕Z轴的旋转g

图6B示意性地示出了电子设备1(在这种情况下也是智能笔或数字笔)以正角速率围绕X轴的旋转g

也很明显的是，除了位移信息之外，电子设备1和主机装置30之间还可以通信任何种类的其他信息。

所提出的解决方案的优点从前面的描述中是清楚的。

在任何情况下，再次强调的是，所提出的解决方案不是根据加速度计和陀螺仪信号开发特定的自组织传感器融合算法，而是在提供6-DoF重力向量的通用传感器融合算法之外添加低功耗计算，以便根据相同重力向量，确定屏幕框位移。

有利地，用作指点算法的起点的通用传感器融合算法可以在其它项目/应用中重复使用。

此外，表示算法的输入的重力向量固有地允许线性加速度的抑制，而不使用专用的低通滤波器(具有带宽和延迟的相关缺点)。

指点算法只需几个易于计算的操作就能完成从3D空间到屏幕框的转换，除了MEMS传感器功耗外，还需要低功耗(例如几μA)，并且需要极短的工作时间和减少的存储器使用量。

此外，申请人已经认识到，当指针电子设备1从移动状态停止时(正如公知的指点解决方案的情况)，可能影响用于滚转补偿陀螺仪信号Gyro的重力向量估计的收敛时间问题可能仅引起轻微的滚转补偿误差，而不引起屏幕框上显示的光标的漂移移动。

此外，申请人已经认识到，由于仅应用滚转补偿操作的事实，精度不依赖于电子设备1的偏航估计的初始位置或随时间的漂移(对于已知的指点解决方案可能是这种情况)。

最后，清楚的是，可以对本文中所描述和示出的内容进行修改和变化，而不因此脱离如所附权利要求书中所限定的本发明的范围。

特别地，需要强调的是，指点确定级8还可以被实现为硬件模块，并且与MEMS惯性传感器(加速度计和陀螺仪以及可能的其它传感器，例如磁力计)以及相关的处理电路集成在相同的封装芯片中。

此外，再次强调的是，电子设备1可以是专用的指针设备，或者除了实现指针算法(如智能笔或类似的手持电子设备的情况)之外，还可以具有附加功能。