CN102033630A - 光学与加速度联合定位鼠标及其加速度校正方式 - Google Patents

Abstract

一种呈笔形的鼠标装置或带手指部固定套件的鼠标装置以及它们的加速度校正方法与定位计算方法，包括图像传感器、加速度传感器、微控制单元，其中微控制单元用以接收光学位移量信息、加速度信息，当采用图像传感器定位良好时，利用图像传感器定位检测、计算得的加速度与加速度传感器检测得的加速度作对比，得出加速度的校正值；当采用图像传感器定位不良时，依据原有效的光学检测位移信息及校正后的加速度位移信息作计算定位。

Description

光学与加速度联合定位鼠标及其加速度校正方式

技术领域：

本发明涉及一种采用图像传感器定位与加速度传感器定位相结合的呈笔形的鼠标装置(以下简称笔形鼠标)或含手指部固定套件的鼠标装置(以下简称指戴式鼠标)以及它们的加速度校正方法与定位计算方法。具体涉及这样一种鼠标装置的定位校正方法，其中，微控制单元用以接收光学位移信息、加速度信息等，利用光学位移信息来以相应的计算方法校正加速度传感器与地平面成角、受重力加速度影响引起的检测加速度与鼠标实际运动加速度间的偏差，并计算与输出鼠标的位移信息。

背景技术：

现有的普通鼠标中，由于使用时物距相对固定，使用固定物距的光学成像装置则可准确成像与定位。在2001年5月15日发布的名称为“CMOS数字光学导引芯片”的美国专利第6233368B1号中专门公开了这种光鼠标的原理。在该专利中，利用光鼠标内容纳的发光器照亮直接布置在光鼠标下方的工作面，装在里面的成像***使工作面的任意图形或特征在CMOS传感器的光感应面上成像。由于该鼠标在工作时与工作面直接接触，工作面与成像装置的距离固定，使用固定物距的成像透镜准确成像与定位。

由于鼠标形状与普通书写工具形状不同，其要整个鼠标握在手里进行操作，所以很难实现书写及绘图操作。已经开发了这样一种笔形鼠标装置，当其执行精密绘图操作或书写时，它能实现准确的光标控制和简单的书写。于2000年11月21日发布的美国专利第6151015号(此后称“015专利”)名称为“类似笔的计算机指示装置”中公开了这样一种笔形鼠标的例子。正如图1中所示，指示装置包括圆柱体102、发光光源104、透镜110、光学移动传感器108、开关106、通信链路116和118、按钮112和114。发光光源104发出光，透镜110使工作面反射的光线在光学移动传感器108上成像。于是，当光学移动传感器108捕捉到通过透镜110成像的工作面的图像时，可从图像的变化获得指示装置的运动向量。

然而，“015专利”的光学成像装置在进行绘图或书写时存在较大的缺点，当指示装置与工作面的距离变动较大时，由于固定像距的光学成像***的景深限制，使其工作面在图像传感器上的成像模糊不清，从而影响传感器对图像的捕捉，造成定位困难。参照图2对文字“X”的输入，笔的操作通常由下笔动作和提笔动作组合而成。图2中，当写下字母“X”时，书写动作由以下步骤组成：一、步骤M1：在特定点下笔，然后写下“/”；二、步骤M2：提笔，然后在空中划一顺时针的圆弧；三、步骤M3：在特定的点下笔，写下“\”，然后提笔。在整个书写过程中，无论下笔和提笔都要求鼠标保持精确的定位。通常在提笔动作中与工作面分开的距离视不同的人的使用习惯而有所不同。但提笔动作时，由于透镜的景深限制，易出现成像模糊不清，不能准确定位。

为了使鼠标在三维空间中均能实现定位，已经开发了这样一种鼠标，其在鼠标中置入加速度传感器，通过对鼠标的加速度进行检测，计算鼠标的空间位移量。于2009年9月2日公开的中国申请号200820026207.6(此后称“076专利”)名称为“加速度传感器鼠标笔”中公开了这样一种鼠标的例子。正如图3中所示，它包括一加速度传感器模块、一无线发送模块、一无线接收模块及一驱动模块。由于利用检测鼠标的加速度定位，需要预先确定鼠标的初始运动向量，但该方案使用判定鼠标静止期用初始向量，在长时间连续运动过程中易出现光标明显漂移。

为了克服光学与加速度联合光学鼠标在提笔时的定位困难，及加速度传感器鼠标初始向量较难确定，在使用中易出现光标明显漂移的问题，需要这样一种鼠标，其能在笔形鼠标或指戴式鼠标较小的体积内安装，并能使鼠标在流畅书写或绘图时，无论下笔和提笔都要求鼠标保持较准确的定位。

发明内容：

构思本发明就是为了解决上述问题。本发明的主要目的是提供一种能安装在笔形鼠标或指戴式鼠标内的一套定位装置及其定位、校准方法，它能在笔形鼠标或指戴式鼠标较小的体积内安装，并能使笔形鼠标在流畅书写或绘图时，无论下笔和提笔都要求鼠标保持准确的定位。它依据：1、固定像距的光学鼠标能够在一定的物距下能精确定位；2、在初始运动向量已知的情况下，应用加速度传感器检测鼠标的加速度变化，根据检测到的加速度改变能顺利计算运动向量的变化，从而计算位移量，实现定位。依据以上的特性，采用在鼠标中同时内置图像传感器、加速度传感器等，利用图像传感器和加速度传感器的各自特点，形成优势互补，实现精确定位。

设定鼠标与工作面平行方向的相互垂直且相交的两轴向分别为X轴、Y轴。设定鼠标与工作面接触时，工作面经透镜组在图像传感器的光感应面的成像清晰，图像传感器定位良好。

当应用图像传感器定位良好时，利用图像传感器检测得的X轴、Y轴方向的位移状态作直接定位输出。

由于工作面与鼠标距离的改变、鼠标透镜组景深的限制、工作面材质等影响，当应用图像传感器定位不良时，需应用加速度传感器作加速度检测，以获取鼠标的加速度变化，并作定位计算。

在应用加速度传感器检测鼠标的运动加速度时，由于加速度传感器的X轴、Y轴可能与地平面成角，受重力加速度的影响，加速度传感器检测到的X轴、Y轴方向的加速度与实际的运动加速度可能出现差异。为减少这种差异对鼠标定位的影响，需要对加速度传感器检测到的加速度作出校正。

校正加速度传感器检测得的加速度值的方法是：在应用图像传感器定位良好时，利用图像传感器检测鼠标在X轴、Y轴方向的位移信息，根据图像传感器检测到的位移信息计算鼠标在X轴、Y轴方向的运动加速度值，即得到鼠标的实际加速度；在X轴、Y轴方向上，分别把加速度传感器检测得加速度与图像传感器检测计算得到的实际加速度作比较，计算它们的差值，即为鼠标在X轴、Y轴方向上加速度校准值；校正加速度传感器检测得的加速度值的方法是：在应用加速度传感器定位前，应用上述的方法计算得加速度校正值。在应用加速度传感器作定位时，加速度传感器检测到的X轴、Y轴方向的加速度值应用加速度校正值作校正，可得到实际加速度值。

当应用图像传感器定位不良时，要计算相应周期(设定为第n周期)的位移量，可根据应用加速度传感器定位前，利用图像传感器定位良好时所检测得的X轴、Y轴方向的位移向量、周期时间、校正后的第1至第n周期的实际加速度值，可计算应用加速度传感器定位的第n周期的X轴、Y轴方向的位移量，并输出结果。

可见，当鼠标与工作面距离改变时，不论鼠标的光学定位是否良好，鼠标仍可实现较准确的定位。

由上述可见，在进行定位过程中，需要正确判断图像传感器定位是否良好。判断图像传感器定位是否良好常用的方法有：1、在笔形鼠标或指戴式鼠标上安装压力传感器，用于检测鼠标与工作面的接触与否，设定鼠标与工作面接触时，工作面位于鼠标的光学透镜组的景深范围内，因此，当鼠标前端与工作面接触时，可判定鼠标的图像传感器定位良好。2、利用图像传感器检测到的图像清晰度判断鼠标的图像传感器的定位情况；一般地，当工作面通过透镜组在图像传感器光感应面成像良好时，图像传感器检测到的图像较清晰，图像处理器可判断图像的成像质量，并据此判断图像传感器定位是否良好，并输出图像传感器定位是否良好的信息。以上两种方式可同时应用，互为补充，以利于正确判断。

当鼠标进行书写或绘图时，还需要判定是否为下笔状态，判断是否为下笔状态常用的方法有：1、在笔形鼠标或指戴式鼠标上安装压力传感器，用于检测鼠标与工作面的是否接触，以判断是否为下笔状态；进一步地，利用压力传感器了解鼠标与工作面的接触压力的强弱，还可以控制笔迹的大小，加强书写与绘画效果。2、根据图像传感器检测到的图像判断鼠标的图像传感器的定位情况，当图像传感器定位良好时，工作面位于透镜组的景深范围内，通常鼠标透镜组的有效景深较小，且设定鼠标与工作面接触时，工作面位于透镜组的景深范围，因此，可设定图像传感器光感应面成像良好时，鼠标与工作面接触，即鼠标为下笔状态。3、鼠标的加速度传感器应用三轴的加速度传感器，设定鼠标上与X轴、Y轴垂直且相交的轴为Z轴，在鼠标图像传感器定位良好，且鼠标应用图像传感器定位在规定的运动时间或距离内，加速度传感器在Z轴上检测得的加速度向量基本不变时，定义鼠标与工作面为接触状态，即鼠标为下笔状态。

上述发明的显著优点是：在笔形鼠标及指戴式鼠标的使用过程中存在倾斜角度变化时，利用光学定位和加速度定位的各自特性，可对加速度传感器的检测得的加速度作出校准，使鼠标在离工作面不同距离下都可作出较正确的定位。

附图说明：

通过结合附图对给出的优选实施方式的以下描述，可使本发明的上述目的和特征变得清楚。其中：

图1是“015专利”名称为“类似笔的计算机指示装置”的结构示意图；

图2是表示书写字母“X”的步骤图；

图3是“076专利”名称为“加速度传感器鼠标笔”的笔形鼠标的电路方块示意图；

图4是“光学与加速度联合定位鼠标”的一优选的电路方块图。

图5是图4的“光学与加速度联合定位笔形鼠标”的一优选的加速度校正、定位判断与计算方法的流程图。

图6是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位笔形鼠标”的一含压力传感器的实施例的结构示意图；

图7是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位笔形鼠标”的一含压力传感器的另实施例的结构示意图；

图8是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位笔形鼠标”的一不含压力传感器的实施例的结构示意图；

图9是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位笔形鼠标”的一含压力传感器的并且图像传感器长轴采用与笔的长轴平行的实施例的结构示意图；

图10是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位指戴式鼠标”的一带压力传感器的实施例的结构示意图；

图11是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位指戴式鼠标”的一不带压力传感器的实施例的结构示意图；

具体实施方式：

下面将参照附图详细描述本发明的优选实施方式来表达本发明的内容。

上述附图中，1、图像传感器；2、加速度传感器；3、压力传感器或开关；4、微控制与信息传输单元；5、照明光源；6、透镜组与光路；7、电源模块；8、工作面；9、反射镜；10、转轴；11、固定套件。

图4是“光学与加速度联合定位鼠标”的一优选的电路方块图。在图中，图像传感器检测图像的位移情况，并输出光学位移信息到微控制与信息传输单元。加速度传感器检测X轴、Y轴方向上的加速度信息，并输出加速度信息到微控制与信息传输单元；进一步地，加速度传感器也可检测Z轴方向的加速度信息。同时，鼠标上可安装压力传感器或开关，用于检测鼠标与工作面的接触压力信息，并输出压力信息到微控制与信息传输单元。进一步地，鼠标上可安装按键，以用于人机信息交换。微控制与信息传输单元接收鼠标与工作面的接触压力信息、光学位移信息、加速度信息、按键信息等，并按图5的定位流程图所示，完成定位的判断与计算，并与计算机通讯。进一步地，定位信息的处理可由微控制与信息传输单元单独完成，也可由计算机完成，或两者共同计算完成。

图5是图4的“光学与加速度联合定位笔形鼠标”的一优选的加速度校正、定位判断与计算方法的流程图。在图中，当图像传感器定位良好时，利用图像传感器检测得的X轴、Y轴方向的位移状态作直接定位；并利用加速度传感器检测到的加速度与图像传感器检测位移信息计算得的加速度的对比计算，得到X轴、Y轴的加速度的校正值。当图像传感器定位不良时，根据相应周期的校正后的实际加速度，之前的各周期的校正后的实际加速度的累计值、周期时间、在应用加速度传感器定位前的应用光学定位所检测得的有效的位移信息，可计算相应本周期的在X轴、Y轴的位移量。

以下是依据上述的加速度校准方式，利用图像传感器检测得的位移信息、加速度传感器检测得的加速度信息、及图像传感器定位良好与否的判断信息，所采用的一种优选的加速度校准与定位计算方式。

设定：

t  周期时间(即定位计算与发送位移数据报告的周期)。(单位：秒(s))

s_l  鼠标光学检测的灵敏度，即鼠标采用光学定位时可以辨析的最小位移变化量。(单位：mm/LLSB，LLSB是指采用光学定位时的最少可辨析信号)

s_a  加速度传感器的灵敏度，即可检测到的最小的加速度变化量。(单位：(mm/s^2)/LSB，LSB是指加速度传感器的最少可分辨信号)

a_x相对应周期加速度传感器检测得的加速度值。(单位：LSB)

a_y相对应周期加速度传感器检测得的加速度值。(单位：LSB)

Ax校正后的加速度值，Ax＝a_x+a_xΔ，当在其后增加下标作序号时，该下标序号表示从应用加速度传感器定位开始后的相对应的测算周期的编号。(单位：LSB)

Ay校正后的加速度值，Ay＝a_y+a_yΔ，当在其后增加下标作序号时，该下标序号表示从应用加速度传感器定位开始后的相对应的测算周期的编号。(单位：LSB)

a_xΔX轴方向加速度校正值，即在图像传感器定位良好(k＝1)时，X轴方向上的光学定位位移信息计算得的加速度值与加速度传感器检测得的加速度值的差值。(单位：LSB)

a_yΔY轴方向加速度校正值；即在图像传感器定位良好(k＝1)时，Y轴方向上的光学定位位移信息计算得的加速度值与加速度传感器检测得的加速度值的差值。(单位：LSB)

l_x相应周期内X轴位移量。(单位：LLSB)

l_y相应周期内Y轴位移量。(单位：LLSB)

l_x0通常为最后一次有效光学定位周期的Y轴上的位移量，即指应用加速度传感器作定位开始的上一周期的应用图像传感器检测得的位移量。(单位：LLSB)

l_y0通常为最后一次有效光学定位周期的Y轴上的位移量，即指应用加速度传感器作定位开始的上一周期的应用图像传感器检测得的位移量。(单位：LLSB)

k图像传感器定位是否良好。(0或1，0为“否”，1为“是”)

应用加速度传感器定位的第1到第(n-1)周期的X轴方向上的加速度累计变化量，

(单位：LSB)

应用加速度传感器定位的第1到第(n-1)周期的Y轴方向上的加速度累计变化量，

(单位：LSB)

r为常数，用于在计算中调整位移信息与加速度信息的关系；它可根据鼠标光学检测的灵敏度(s_l)、加速度传感器的灵敏度(s_a)、周期时间(t)、器件的检测误差等作出调整。在这里设定：r≈(s_a/s_l)*t^2；通常，r值在产品生产时根据上述参数作出调整与设定。

说明：在进行定位时，鼠标的定位需要在应用图像传感器定位与应用光学传感器定位两种不同的判断与计算模式中切换。在下述计算描述中，当在加速度变量或位移变量后加上相应的下标作为序号时(如：1、2、3、......、n-1、n等)，该下标值表示从进入该计算与判断模式后的相应周期的编号，相应地附带周期编号的变量则是指对应周期的变量值。

当k＝1(即采用图像传感器定位良好)时，利用图像传感器可直接定位，并输出X轴、Y轴的位移量。

加速度校正值的计算方法：

利用图像传感器检测到的位移状态计算得的X轴、Y轴方向的加速度(Alx、Aly；单位：mm/s^2)：

Alx＝(l_xn-l_x(n-1))*s_l/t^2

Aly＝(l_yn-l_y(n-1))*s_l/t^2

利用加速度传感器检测到的加速度经校准后的实际加速度(Aax、Aay；单位：mm/s^2)：

Aax＝(a_xn+a_xΔ)*s_a

Aay＝(a_yn+a_yΔ)*s_a

当k＝1(即图像传感器定位良好)时，在X轴和Y轴方向上，利用图像传感器检测得的位移信息计算的加速度值(Alx，Aly)与利用加速度传感器检测得的加速度值经校准的实际加速度值(Aax，Aay)相等，则有：

Alx＝Aax

Aly＝Aay

则有：

(l_xn-l_x(n-1))*s_l/t^2＝(a_xn+a_xΔ)*s_a

(l_yn-l_y(n-1))*s_l/t^2＝(a_yn+a_yΔ)*s_a

由此可推算得加速度的校正值(a_xΔ，a_yΔ)(单位：LSB)

a_xΔ＝(l_xn-l_x(n-1))*(s_l/s_a)/t^2-a_xn

a_yΔ＝(l_yn-l_y(n-1))*(s_l/s_a)/t^2-a_yn

由于r≈(s_a/s_l)*t^2，因此加速度的校正值(a_xΔ，a_yΔ)(单位：LSB)为：

a_xΔ≈(l_xn-l_x(n-1))/r-a_xn

a_yΔ≈(l_yn-l_y(n-1))/r-a_yn

当k＝0时，可应用上述加速度校正值计算得在该计算与判断模式中的相对应周期(第n周期)的实际加速度值(Ax_n，Ay_n)(单位：LSB)

Ax_n＝a_xn+a_xΔ

Ay_n＝a_yn+a_yΔ

利用加速度传感器定位的计算方法：

当k＝0时，根据最后一次有效光学定位周期的位移量(l_x0)、应用加速度传感器定位的第1到第(n-1)周期的加速度累计变化量

本周期检测计算得的校准后的加速度值(Ax_n、Ay_n)、周期时间(t)，可计算得应用加速度传感器定位的第n周期的X轴、Y轴的位移量(l_xn、l_yn)(单位：LLSB)

由于r≈(s_a/s_l)*t^2，因此第n周期的X轴、Y轴的位移量(l_xn、l_yn)为：

$l_{\mathrm{xn}}=l_{x0}+r*{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}\left(\mathrm{Axi}\right)+(r/2)*{\mathrm{Ax}}_n$

$l_{\mathrm{yn}}=l_{y0}+r*{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n-1}\left(\mathrm{Ayi}\right)+(r/2)*{\mathrm{Ay}}_n$

图6是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位笔形鼠标”的一含压力传感器的实施例的结构示意图。在图中，照明光源(5)与图像传感器(1)采用一体化结构，照明光源(5)、透镜组与光路(6)、图像传感器(1)、加速度传感器(2)依次安置在鼠标的前部，照明光源(5)照亮工作面(8)，工作面(8)反射的光线经透镜组与光路(6)在图像传感器(1)的光感应面上成像，图像传感器(1)检测图像的位移情况，并输出光学位移信息到微控制与信息传输单元(4)；鼠标上的压力传感器或开关(3)利用前端壳体传导工作面与鼠标的接触的压力，以检测鼠标与工作面(8)的接触压力，并输出压力信息到微控制与信息传输单元(4)。加速度传感器(2)主要检测与工作面(8)平行的X轴、Y轴方向上的加速度变化情况，并输出加速度信息到微控制与信息传输单元(4)。进一步地，加速度传感器(2)也可检测笔形鼠标的3维加速度情况，以更好地了解鼠标的运动轨迹，完成更高级的功能，如空中虚拟点击确认等操作。微控制与信息传输单元(4)、电源模块(7)位于鼠标的中后部的主壳体内；微控制与信息传输单元(4)接收鼠标与工作面(8)的接触压力信息、光学位移信息、加速度信息，并按图5的定位判断与计算流程所示，完成定位，并与计算机通讯。

图7是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位笔形鼠标”的一含压力传感器的另实施例的结构示意图；其基本结构与图7的实施例本近，其不同的是，其压力传感器(3)利用一延长杆与工作面接触，以利检测鼠标与工作面的压力。

图8是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位笔形鼠标”的一不含压力传感器的实施例的结构示意图。其可利用图像传感器检测到的图像清晰度等图像信息判断鼠标的图像传感器的定位情况。

图9是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位笔形鼠标”的一含压力传感器的并且图像传感器长轴采用与笔的长轴平行的实施例的结构示意图。其图像传感器(1)的长轴采用与笔壳主体的长轴平行的方式安装，并以反射镜(9)调整光路，压力传感器(3)安置于最前端，其特点是，即使应用较长的图像传感器(1)，仍可更有效地控制鼠标的体积。

图10是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位指戴式鼠标”的一带压力传感器的实施例的结构示意图。其压力传感器(3)位于指戴式鼠标的前端，利于感测鼠标与工作面接触的压力，其上配有夹形的固定套件(11)。

图11是依据图4、图5的“光学与加速度联合定位指戴式鼠标”的一不带压力传感器的实施例的结构示意图。其优点是减少了压力传感器对手指的包裹，利于手指作敲击键盘等操作。另外，本实施例也可应用固定套件固定于笔杆上，作相应的书写操作。进一步地，笔杆上可安装压力传感器，以利更好地完成书写与绘图操作。

本发明的特点及效果是：鼠标呈笔形或含固定套件的指戴式鼠标，在鼠标上安置有图像传感器、加速度传感器等，利用图像传感器、加速度传感器各自的不同工作特性，在鼠标不同的工作状态时，应用相应的定位判断与计算方法，使鼠标在常规定位与书写、绘图的整个流程均能准确定位。

本发明所描述的加速度传感器并不限于狭义的加速度计，它包括加速度计、陀螺仪等可用于物体运动加速度的传感器，也可为它们的组合体构成的加速度传感器。本发明并不限于前面所述的实施例，本领域的普通的技术人员要理解的是可对它作出变化和改进，这不会脱离由所附加的权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种呈笔形的鼠标装置或含手指固定套件的鼠标装置以及它们的加速度校正方法与定位计算方法，包括光学传感器、加速度传感器、微控制与传输单元等组成。

2.如权利要求1所述的鼠标，其中光学传感器，用以检测该笔形鼠标相对工作面的位移量，以输出一光学位移信息。

3.如权利要求1所述的鼠标，其中加速度传感器，用以检测该鼠标的加速度，并据以输出一加速度信息。

4.如权利要求1、2、3所述的鼠标，其中微控制与传输单元用以接收光学位移信息；该微控制单元还接收加速度信息；微控制与传输单元根据光学位移信息、加速度信息等，以相应判断与计算方法计算鼠标与工作面的相对位移量，并输出讯号至计算机。

5.如权利要求4所述的判断与计算方法，当采用图像传感器定位良好时，微控制与传输单元利用图像传感器检测得的位移信息作定位，并输出位移信息；并利用图像传感器检测得的位移信息计算鼠标的实际加速度，使加速度传感器检测得的加速度与利用图像传感器检测计算得的实际加速度作对比计算，得出加速度的校正值。

6.如权利要求4所述的判断与计算方法，当采用图像传感器定位不良时，微控制与传输单元依据权利要求5所述的加速度的校正值对加速度传感器检测得的加速度作校正，依据校正后的加速度、图像传感器定位良好时检测得的位移信息、周期时间作计算定位，并输出位移量。

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