CN102375567A - 笔状指示装置、位移信息提供方法及位移信息提供*** - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种笔状指示装置、位移信息提供方法及位移信息提供***，该位移信息提供方法应用于一笔状指示装置与一受控装置之间，该位移信息提供方法包括以下步骤：根据该指示装置相对于一使用平面的位置变化而感测得到一位移信息、一倾斜角信息与一旋转角信息；该受控装置根据这些信息而进行一位移估算程序，并取得一位置补偿数据；以及随着该指示装置接触该使用平面而根据该位置补偿数据来改变该指示装置所对应的显示方式。

Description

笔状指示装置、位移信息提供方法及位移信息提供***

技术领域

本发明是关于一种位移信息提供方法，特别是应用于一笔状指示装置与一受控装置间的位移信息提供方法以及运用该方法的位移信息提供***。

背景技术

计算机所配备的各式***设备如键盘、鼠标、鼠标笔等，提供用户对计算机进行控制或信息输入，其中鼠标笔为具有笔状外观的指示装置，其作用原理与一般鼠标相同，即，利用光学位移传感器来感测鼠标笔移动时在书写平面上的纹路变化，借以判断纹路改变的方向和距离，进而转换为计算机屏幕所显示的光标移动。

由于现有技术所开发的鼠标笔用来感测位移变化的方式与一般鼠标相同，若需进一步将鼠标笔应用在书写时，却可能因为鼠标笔感测位移的做法不够直观，造成使用者操作上的不便。因为传统的鼠标笔利用光学位移传感器所侦测到的位移轨迹而对应进行输入的做法对于使用平面上的绝对坐标的取得仍有困难，导致用户在利用鼠标笔进行书写时，必须以肉眼观看显示设备上的光标位移路径，借以确认对应的光标移动与预期相符。换句话说，如果用户只是将注意力集中在鼠标笔实际移动的使用平面而未特别注意光标对应在显示设备上的移动情形，可能导致鼠标笔的输入轨迹与显示的光标移动间产生偏差。

综上所述，现有技术所发展的鼠标笔虽然提供了书写功能，但其做法仍不够人性化而让使用者在操作时感到诸多不便，因此本发明便以此作为改善的目标，以期能提供给用户更为便利的鼠标笔装置。

发明内容

本发明一方面是为提供一种位移信息提供方法，应用于至少一笔状指示装置与一受控装置间，该位移信息提供方法包括以下步骤：根据该指示装置相对于一使用平面的位置变化而感测得到一位移信息、一倾斜角信息与一旋转角信息；该受控装置根据这些信息而进行一位移估算程序，并取得一位置补偿数据；以及随着该指示装置接触该使用平面而根据该位置补偿数据来改变该指示装置所对应的显示方式。

根据上述构想，本发明所述的位移信息提供方法，其中该指示装置相对于该使用平面的位置变化是指一用户对该指示装置所进行的移动、旋转或翻转所造成的位置变化。

根据上述构想，本发明所述的位移信息提供方法，其中更包括以下步骤：该受控装置提供一参考基准；该指示装置提供一动态基准；以及将该动态基准配合该位置补偿数据而改变该指示装置所对应的指针在该参考基准上的显示方式。

根据上述构想，本发明所述的位移信息提供方法，其中更包括以下步骤：定义一标识符于该指示装置；该受控装置通过与该指示装置间的信号连接而取得该标识符；以及根据该标识符与该位置补偿数据而改变该笔状指示装置所对应的指针的显示方式。

根据上述构想，本发明所述的位移信息提供方法，其中该位移信息、该倾斜角信息以及该旋转角信息是通过一感测单元提供，该感测单元是一光学位移传感器、一轨迹球位移传感器、一加速度传感器、一陀螺仪、一电子罗盘或一地磁传感器。

本发明的另一方面是为提供一种笔状指示装置，该笔状指示装置信号连接于一受控装置，该指示装置包括：一壳体；以及一感测单元，设置于该壳体内，其是根据该指示装置相对于一使用平面的位置变化而感测得到一位移信息、一倾斜角信息与一旋转角信息，在该受控装置根据这些信息而进行一位移估算程序，并取得一位置补偿数据后，随着该指示装置接触该使用平面而根据该位置补偿数据来改变该指示装置所对应的显示方式。

根据上述构想，本发明所述的笔状指示装置，其中该指示装置相对于该使用平面的位置变化是指一用户对该笔状指示装置所进行的移动、旋转或翻转所造成的位置变化。

根据上述构想，本发明所述的笔状指示装置，其中该受控装置是提供一参考基准，而该指示装置是提供一动态基准，在该指示装置相对于该使用平面的位置变化时，该动态基准便配合该位置补偿数据而改变该指示装置所对应的指针在该参考基准上的显示方式。

根据上述构想，本发明所述的笔状指示装置，其中该笔状指示装置更包括：一传送单元，电连接于该感测单元并信号连接于该受控装置，其是将该位移信息、该倾斜角信息与该旋转角信息传送至该受控装置。

根据上述构想，本发明所述的笔状指示装置，其中该指示装置是对应于一标识符，且该标识符通过该传送单元传送至该受控装置后，该受控装置根据该标识符与该位置补偿数据而改变该指示装置所对应的指针的显示方式。

根据上述构想，本发明所述的笔状指示装置，其中该感测单元是可为一光学位移传感器、一轨迹球位移传感器、一加速度传感器、一陀螺仪或一地磁传感器。

本发明的再一方面是为提供一种位移信息提供***，其包括：至少一指示装置以及一受控装置。该指示装置包括：一壳体以及一感测单元。该感测单元设置于该壳体内，其是根据该指示装置相对于一使用平面的位置变化而感测得到一位移信息、一倾斜角信息与一旋转角信息，根据这些信息而进行一位移估算程序，并取得一位置补偿数据；该受控装置信号连接于该指示装置，其是随着该指示装置接触该使用平面而根据该位置补偿数据来改变该指示装置所对应的显示方式。

根据上述构想，本发明所述的位移信息提供***，其中该感测单元是一光学位移传感器、一轨迹球位移传感器、一加速度传感器、一陀螺仪或一地磁传感器。

本发明利用笔状指示装置上的感测单元根据指示装置相对于一使用平面的位置变化而感测得到位移信息、倾斜角信息与旋转角信息，在受控装置根据这些信息而进行位移估算程序，并取得一位置补偿数据后，随着该指示装置接触该使用平面而根据该位置补偿数据来改变该指示装置所对应的显示方式，使屏幕上对应于指示装置的位移而显示的位移轨迹与用户在使用平面上的实际操作情形更为一致。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1(a)是现有的鼠标笔笔身俯视图与对应显示于参考基准的位移轨迹示意图。

图1(b)是现有的鼠标笔笔身俯视图与现有的鼠标笔被移动时在使用平面上的实际位移与对应显示在参考基准的位移轨迹。

图2是本发明提出的位移信息提供方法的核心步骤流程图。

图3(a)是本发明提出的指示装置笔身俯视图与对应显示于参考基准的方向示意图。

图3(b)是本发明提出的指示装置笔身俯视图与本发明所提出的指示装置被移动时在使用平面上的实际位移与对应显示在参考基准的位移轨迹。

图4(a)是本发明的位移信息提供***搭配单一指示装置进行书写的示意图。

图4(b)是本发明的位移信息提供***搭配多个指示装置进行书写的示意图。

图4(c)是本发明提出的具有位置补偿功能的指示装置构造示意图。

图5是本发明提出的位移信息提供方法的操作流程图。

图6是本发明应用至鼠标笔进行位移估算程序的第一较佳实施例的流程示意图。

图7是本发明应用至鼠标笔进行位移估算程序的第二较佳实施例的流程示意图。

图8(a)是动态基准上的体坐标相对于参考基准上的导航坐标的示意图。

图8(b)是本发明利用笔状指示装置上的感测单元而取得的感测信息相对于应用参考基准与操作基准的坐标对应关系的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的笔状指示装置、位移信息提供方法及位移信息提供***其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参见图1(a)，其是现有的鼠标笔笔身俯视图与对应显示于参考基准的位移轨迹示意图。由图中可以看出，当鼠标笔10的笔身指向(图中箭头所示)与参考基准(x-y坐标)的坐标轴方向一致时，鼠标笔10在使用平面上的位移可以被对应地显示在屏幕上。

然而，由于每个人握笔方式的不同，当用户在书写时，鼠标笔10的笔身指向不一定会维持一个固定方向(如图1(a)箭头所示的方向)，即，用户实际操作鼠标笔10时，鼠标笔10笔身指向与鼠标笔10实际在参考基准上的对应关系可能存在着因为鼠标笔10被旋转而产生的偏差角度，进而导致鼠标笔10所产生的位移信息被传送至计算机后，计算机屏幕所显示的位移轨迹与用户实际书写的内容并不对应的现象。

再者，即便是通过在鼠标笔10上标示而对齐参考基准的方式，让用户在使用鼠标笔10前，先将鼠标笔10的笔身转动至符合对应参考基准的方向后再开始使用，即，以图1(a)为例，每次用户操作鼠标笔10时，都需要将鼠标笔10的笔身指向加以调整而转向，让鼠标笔10笔身指向前方，这样的做法导致用户必须分神注意鼠标笔10的笔身指向，且在用户每次放下鼠标笔10又重新拿起时都必须重复确认鼠标笔10的笔身指向，这种繁复的操作方式将造成用户在操作鼠标笔10时的不便。

换句话说，由于用户在实际操作鼠标笔10时，鼠标笔10感测时的动态基准与屏幕实际显示所对应参照的参考基准存在一些差异，造成用户在操作鼠标笔10的过程中必须对鼠标笔10的笔身指向加以调整，直到计算机所参照使用的参考基准方向与鼠标笔10所侦测到笔身指向一致，才能确定后续在书写时不会有轨迹对应不一致的问题，这样反复调整鼠标笔10笔身指向的方式将造成使用者相当大的困扰。

请参见图1(b)，其是现有的鼠标笔笔身俯视图与现有的鼠标笔被移动时在使用平面上的实际位移与对应显示在参考基准的位移轨迹。此图同样利用箭头方向标示出鼠标笔10的笔身指向，由图中可以看出用户在拿起鼠标笔10时，若未留心鼠标笔10的笔身指向，让鼠标笔10笔身的实际指向与预设的参考基准间相差一个旋转角度，这样一来，用户利用鼠标笔10进行一个自己认知为相对横向的移动时，实际显示在屏幕上时便会受到旋转角度的影响而形成一个由左上方朝向右下方移动的位移轨迹。

除了单一用户在操作鼠标笔10时，可能因为鼠标笔10的笔身指向与参考基准的偏差而造成屏幕所显示的位移轨迹不如预期的情形外；另一方面，在会议进行过程中，若需使用鼠标笔10的人数不只一人时，可能引发的问题又更复杂。例如：在多人进行会议时，鼠标笔10必须轮流被与会者用来书写以便进行讨论，倘若每换一个使用者操作时就必须对鼠标笔10重新找出对应的握笔姿势，将导致会议的进行受到延误而造成相当大的不便。

因此本发明希望改善现有的鼠标笔10等指示装置在屏幕上对应显示位移轨迹的做法，先利用鼠标笔10上的感测单元来感测取得修正旋转角度的程序所需的位置补偿数据，并据此作为修正鼠标笔10所提供的动态基准与参考基准间的偏差的依据而进行位置补偿计算，让屏幕上对应于鼠标笔10的位移而显示的位移轨迹与用户在使用平面上的实际操作情形更为一致。

请参见图2，其是本发明提出的应用于位移信息提供***的位移信息提供方法的核心步骤流程图。应用本发明所提出的位移信息提供方法的位移信息提供***包括至少一笔状的指示装置(如：鼠标笔等)与一受控装置(如：个人计算机)，该位移信息提供方法应用于该笔状的指示装置与受控装置之间，其主要包括以下步骤：

响应于用户对指示装置所进行的移动、旋转或翻转而造成指示装置相对于使用平面的位置变化，利用感测单元对于这些位置变化进行感测而得到位移信息、倾斜角信息与旋转角信息(步骤S21)；在取得上述各类型的感测信息后，受控装置接着根据这些感测信息而进行位移估算程序，并借由位移估算程序而取得位置补偿数据(步骤S23)；以及在取得位置补偿数据后，根据指示装置是否接触使用平面的状态，进而决定是否根据位置补偿数据来改变指示装置的位移轨迹在受控装置上所对应的显示方式(步骤S25)。

需注意的是，在步骤S25中，倘若判断指示装置是否接触使用平面的判断结果为否定，代表用户可能只是将指示装置拿来随手把玩，因此虽然感测单元感测得出指示装置相对于使用平面的位置变化，但这些位置变化并不需要被对应显示在受控装置上，因此位置补偿数据仅被储存起来作为下一笔位置补偿运算的基础；倘若步骤S25判断指示装置是否接触使用平面的判断结果为肯定，代表用户正在利用指示装置进行书写，此时位移信息提供***除了将位置补偿数据储存起来作为下一回位移估算程序的参考基础外，也会利用位置补偿数据的结果而改变指示装置在受控装置上对应显示的位移轨迹。

请参见图3(a)，其是本发明提出的指示装置笔身俯视图与对应显示于参考基准的方向示意图。在此图中，指示装置20对应于屏幕上所显示的参考基准(x-y坐标)会对应于指示装置20的笔身转动角度而对应转动相同的角度，也即，本发明的目的在于改变实际显示指示装置20时所对应的x-y坐标的方向，让计算出来的参考基准可以与指示装置20实际移动时的动态基准相互平行。需注意的是，此处的参考基准仅是对位置补偿进行估算时所参照使用的基础，用户在屏幕上看到的x-y坐标并不会因此而旋转。

请参见图3(b)，其是本发明提出的指示装置笔身俯视图与本发明所提出的指示装置20在使用平面上被移动时的实际位移与对应显示在参考基准的位移轨迹。由图中可以看出，在取得位置补偿数据并进行补偿运算后，由于参考基准与动态基准一致，指示装置20的移动与参考基准上的位移轨迹也会一致，因此屏幕显示的指示装置20位移轨迹便不会产生偏差。

为了便于说明起见，上述关于指示装置20的实际位移与屏幕上的位移的对应关系是以二维坐标来说明，但是指示装置20相对于使用平面的位置变化可能为三维的，因此本发明在实现位置估算时，也会考虑垂直于使用平面方向上的变化量，详细的做法则请参见以下的说明。

请参见图4(a)，其是本发明的位移信息提供***搭配单一指示装置进行书写的示意图。本发明所提供的位移信息提供***主要由指示装置20(如：鼠标笔、数字鼠标笔等)与受控装置21(如：计算机等)组成，指示装置20与受控装置21之间通过收发装置23而信号连接，也即，利用收发装置23接收指示装置20所传送的动态信息，并进一步再将动态信息传送至受控装置21，受控装置21在接收到指示装置20的动态信息后，再根据指示装置20是否接触使用平面，进而决定仅单纯储存或更新位置补偿数据的补偿结果，或同时更新显示指示装置20在屏幕211上的位移轨迹。

请参见图4(b)，其是本发明的位移信息提供***搭配多个指示装置进行书写的示意图。此图说明了位移信息提供***可以同时利用多个指示装置201～20n搭配受控装置21使用，各指示装置201～20n首先以无线信号连接等方式与收发装置23进行数据交换，而收发装置23再进一步将各指示装置201～20n所对应的动态信息传送至与其信号连接的受控装置21。

与图4(a)相比较，一旦位移信息提供***中的指示装置20数量为多个时，图4(b)所示的位移信息提供***可以进一步分配标识符于各笔状指示装置201～20n，让受控装置21接收到动态信息后，在进行辨识与对应处理位移数据时，可以根据所对应的标识符而确认各笔状指示装置201～20n的动态。

另一方面，个别的笔状的指示装置201～20n响应于用户的操作而传送动态信息的同时，也一并将标识符通过笔状的指示装置201～20n内的传送单元传送至受控装置21，之后受控装置21再根据标识符与个别的指示装置201～20n的位置补偿数据而改变各指示装置201～20n所分别对应的光标在受控装置21上显示位移变化时的对应关系。

如此一来，受控装置21便可同时接收多个指示装置201～20n的动态，并根据标识符而判别各个指示装置201～20n所传送的动态信息，以及根据各指示装置201～20n接触使用平面与否，搭配位置补偿数据的使用，借由应用程序对于相关信息的处理而改变各指示装置201～20n在受控装置21的屏幕211或一显示设备(图未示)上所对应的轨迹与显示方式，例如：利用红色的轨迹标示第一指示装置201的位移变化，并以蓝色的轨迹标示第二指示装置202的位移变化等方式，利用不同的颜色或标示方法，将不同的指示装置201～20n的书写轨迹同时显示在屏幕211上。

再者，无论位移信息提供***搭配的是图4(a)所示的单一指示装置20或是图4(b)所示的多个指示装置201～20n的情形，作为受控装置21与指示装置20传输媒介的收发装置23所利用的数据传输协议并不会影响本发明的做法，因此各种类型的数据传输协议无论是通过有线、无线、序列、并列等格式，都可以被采用而作为指示装置201～20n、收发装置23、受控装置21间的数据交换方式。

举例来说，收发装置23可以经由USB等数据传输接口而与计算机进行数据交换与沟通；另一方面，收发装置23与指示装置20，如：数字鼠标笔间则可通过不同的无线网络传输格式如：IEEE 802.15.4(ZigBee)、蓝牙或红外线等方式来进行数据传输与沟通，当然，实际应用时的数据传输格式并不会影响本发明对于感测信息的数据处理流程。

请参见图4(c)，其是本发明提出的具有位置补偿功能的指示装置构造示意图。在考虑一般使用者的使用***面的位置变化进行感测而得到位移信息、倾斜角信息与旋转角信息，根据上述由感测单元32感测得出的各类型与指示装置20移动情形相关的感测信息而进行位移估算程序，借由此种搭配而取得受控装置21在对应显示指示装置20位移情形时所需要的位置补偿数据。

除了感测单元32外，指示装置20还可以进一步搭配控制单元33与传送接收单元34的使用，通过电连接的方式，控制单元33可以将感测单元32感测到的位移信息、倾斜角信息与旋转角信息等对应于指示装置相对于使用平面的位置变化而感测得到的位置变化信息与感测量，利用传送接收单元34与受控装置21进行数据交换使用。当然，实际计算位移估算程序的过程固然可以利用内建于指示装置20的控制单元33来进行，也可能在考虑***运算量的情况下，直接将这些感测量传送至受控装置21而由受控装置21进行。

请参见图5，其是本发明提出的位移信息提供方法的操作流程图。首先启动指示装置的位移信息调校功能(步骤S501)；接着利用装设在指示装置内部所使用的各类型感测单元感测而得到不同的动态感测量(步骤S511～S514)。

在此操作流程图中，指示装置用来感测的方式包括：利用光学位移传感器或轨迹球位移传感器来侦测指示装置在参考基准上的移动而取得X、Y的位移感测量(步骤S511)；通过加速度传感器读取指示装置在x轴、y轴与z轴上的加速度大小(步骤S512)；以及读取陀螺仪、地磁传感器所侦测到的指示装置旋转角度(步骤S513、S514)。

在取得位移感测量、加速度、旋转角度等感测量后，本发明的操作流程接着利用模糊理论(Fuzzy Theory)、卡尔曼滤波算法(Kalman Filter)等方式进行对指示装置的位移估算程序，进而得出握笔姿势、位移感测量与笔身旋转角度等位置补偿信息(步骤S515)后，以先前的指示装置的状态为基础，利用位置补偿数据对指示装置的动态变化进行补偿(步骤S520)。

附带说明的是用来代表指示装置相对于使用平面的动态变化如：握笔姿势、移动量与笔身旋转角度等，可以利用光学位移传感器、轨迹球位移传感器、加速度传感器、陀螺仪或地磁传感器等感测单元所感测到的感测量，搭配位移估算程序的使用而推算出来。

最后进行的步骤则是判断指示装置的笔头是否接触在使用平面上(步骤521)；若是，便根据使用位置补偿数据而更新指示装置20对应显示在屏幕的光标位置，并更新指示装置的位置动态(步骤S522)；若否，则根据运算结果而更新位移信息提供***中关于指示装置的位置动态，但不会据此而同步更新指示装置在受控装置上所对应显示的光标位置(步骤S523)。

对于使用多个指示装置搭配受控装置的位移信息提供***而言，上述的数据处理与控制流程也大致相同，唯一的差别是，在规划位移信息提供***时需要先对每个指示装置定义所属的标识符，且个别的指示装置在传送感测信息时也必须一并提供所属的标识符；当受控装置通过信号连接而取得各指示装置所发送的标识符与位置感测信息后；受控装置便可以根据标识符与位置补偿数据而改变各个笔状指示装置所对应的指针的显示方式。

本发明所提出的笔状指示装置通过蓝芽或红外线等方式信号连接于受控装置，通过指示装置内的感测单元如：光学位移传感器、轨迹球位移传感器、加速度传感器、陀螺仪或地磁传感器等，利用不同功能的感测单元而侦测出指示装置因为用户所进行的移动、旋转或翻转等操作行为导致指示装置相对于使用平面的位置变化。在取得位移估算程序所需要的位移信息、倾斜角信息与旋转角信息后，借由模糊算法与卡尔曼滤波算法等可以实时对感测信息处理并得出估算结果的方式，对指示装置的移动进行估算。

此外，笔状指示装置更可选择性的提供传送单元，将传送单元电连接于感测单元，借以取得感测单元所感测得到的各种感测信息，再通过信号连接的方式，将这些估计位移时所需使用的相关信息传送至受控装置。

为了更进一步说明本发明的实现方式，以下便对位移信息提供方法的流程做进一步的说明：

首先借由不同的传感器取得相关的感测信息(步骤S511～步骤S514)，其中步骤S511用来侦测X、Y位移感测量的方式可以借由不同类型的位移传感器来实现，举例来说，除了可以在笔型壳体靠近笔头的一端使用光学位移传感器、轨迹球位移传感器(Track Ball Sensor，请参见中国台湾专利公告第1254238号)外，也可以利用一个套上高硬度透明笔头的光学位移传感器来完成，当然其他种类的位移传感器也可搭配本发明而选用。

至于步骤S512则是加速度传感器用以感测指示装置的握笔姿势与移动量，对加速度传感器所测得的加速度值进行；步骤S513代表利用陀螺仪来感测指示装置的握笔姿态；步骤S514则是以地磁传感器感测指示装置的笔身方位角。

在利用不同的传感器取得各类型的感测量后，再以这些感测量为运算基础，利用步骤S520进行位置变化的补偿估算，在此以卡尔曼滤波算法作为位置补偿估算的基础。简单来说，卡尔曼滤波算法是一个对递归数据处理进行优化的算法(optimal recursive data processing algorithm)，卡尔曼滤波算法的核心精神为：

利用分析场与感测量所决定出来的最佳解，在预估过程中若通过传感器产生新的感测量时，便利用预测值与感测量来分析最佳解，再根据此处的最佳解作为后续预测的基础。在利用卡尔曼滤波算法一段时间之后，预测的结果将会接近实际的观测结果，且误差也不会增加，进而达到一个平衡的状态。利用卡尔曼滤波算法进行位置估算的结果会较原本由传感器取得的感测量更接近指示装置的真实位置，这是因为传感器所取得的感测量可能存在误差，而加权后的平均具有一个较佳的预测不确定性。

请参见图6，其是本发明应用至鼠标笔进行位移估算程序的第一较佳实施例的流程示意图。首先利用重力传感器(G sensor)感测而得到鼠标笔在相对使用平面的位置变化时对应产生的旋转角信息(θ、ψ、Ψ)与加速度信息(ax、ay、az)(步骤S601)；利用重力传感器输出的旋转角信息搭配查询表格的使用而进行鼠标笔倾斜角的差值估算(步骤S611)；接着根据重力传感器所测得的加速度进行积分而得到第一组位移感测量，以及鼠标传感器在步骤S602感测得到的第二组位移感测量，将两组位移感测量搭配模糊理论与卡尔曼滤波算法后得出优化的位移感测量(步骤S612)；之后再利用陀螺仪感测的姿态角变化量(步骤S603)、电子罗盘(e-compass)感测的姿态角(步骤S604)为基础，搭配模糊理论与卡尔曼滤波算法的使用而进行姿态角估算并得出最佳姿态角(步骤S613)；在通过上述步骤取得位移感测量与姿态角后，便可以利用旋转补偿的方式计算出指示装置的位移轨迹(步骤S614)；最后再利用触控传感器判断指示装置是否接触使用平面(步骤S605)，进而决定是否将经过补偿计算后的位移轨迹于显示屏幕上显示(步骤S615)；若需要显示则将指示装置对应的位移轨迹输出至屏幕上(步骤S616)；最后再将计算得出的位置补偿数据储存，并更新***所纪录的指示装置的位置(步骤S617)。

步骤S611首先利用重力传感器输出的加速度值计算数字鼠标笔的倾斜角，首先默认用户握笔的倾斜角范围为±45°。根据指示装置的体坐标[x_b y_b z_b]^T表示指示装置笔身的坐标，[x_n y_n z_n]^T代表使用平面上的平面坐标，在取得重力传感器感测而得的倾斜角信息后，配合指示装置笔身的体坐标而取得对应在使用平面上的坐标位置。利用转换矩阵将代表指示装置上的动态基准(体坐标)转换至使用平面上的参考基准(导航坐标)，其关系式如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\\ z_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]$

步骤S612进行位移估算程序，将重力传感器输出的加速度值

积分两次得出指示装置的第一组观测位移感测量

并由鼠标传感器得到指示装置的第二组观测位移感测量

通过模糊理论搭配卡尔曼滤波算法，搭配重力传感器与鼠标传感器所取得的两组观测位移感测量后，便可以求得优化的估计位移感测量

步骤S613利用模糊算法搭配卡尔曼滤波算法对而对指示装置的姿态角进行估算，在分别通过陀螺仪(Gyro sensor)与电子罗盘所测得的观测姿态角变化量

后，再结合模糊理论与卡尔曼滤波算法而求得优化的估计姿态角Θ。

借由步骤S612与步骤S613所求得的估计位移感测量与估计姿态角Θ后，便可以利用这些信息而进一步计算出鼠标笔的轨迹变化量ΔP_x、ΔP_y，三者的关系式可被表示为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_x\\ \mathrm{\Δ}{P}_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\Θ}& -\sin \mathrm{\Θ}\\ \sin \mathrm{\Θ}& \cos \mathrm{\Θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_x^{\′}\\ \mathrm{\Δ}{P}_y^{\′}\end{array}\right]$

在取得指示装置的轨迹变化量后，再根据触控传感器的判断而决定是否将轨迹变化显示在屏幕上，倘若触控传感器判断指示装置的笔头与使用平面互相碰触时，代表使用者正在进行书写的动作，而这个时候的位移需要对应改变到屏幕上的光标移动，若没有接触到使用平面，则运算的结果只是单纯用来内部储存的指示装置更新状态，并不需要将运算结果显示出来。

请参见图7，其是本发明应用至鼠标笔进行位移估算程序的第二较佳实施例的流程示意图。首先以鼠标传感器所感测得到的加速度(步骤S701)及地磁传感器所感测的地磁参数(步骤S702)作为输入参数，对四元素进行递归运算而得出优化的四元素(步骤S703)；接着搭配陀螺仪取得的感测量(步骤S704)与优化的四元素进行卡曼算法(步骤S705)；以及利用四元素的方向余弦矩阵(Direction Cosine Matrix，简称为DCM)将移动基准的体坐标转换为代表参考基准上的加速度值(步骤S706)后，扣除重力场的影响而得出代表使用平面的参考基准上的加速度值，接着对参考基准上的加速度值进行积分而得出指示装置在使用平面上的移动速度与位移变化量(步骤S707)。

本发明的第二较佳实施例同样是利用感测组件所测得的感测量搭配卡尔曼滤波算法进行位置补偿估算而得出，两者的差别为，第二较佳实施例是利用四元素(Quaternion)来描述三度空间的旋转，与尤拉旋转(Euler Rotation)相较，使用四元素表示法可以避免尤拉角(Euler angle)可能造成的姿态角变化量奇异点(singularity)的问题。

根据汪巴问题(Wahba’s problem)可知，三度空间的姿态角可通过两组以上的已知向量进行整合而得，或者利用个别坐标***的感测量进行计算而得。其中，向量的特质必须符合非零的长度与共线性。在此较佳实施例中，对姿态角的算法整合了所有的空间向量，并利用两组向量(加速度向量A、磁场向量M)形成的基底坐标***来表达指示装置的姿态变化。

步骤S703考虑加速度向量A与磁场向量M，令上标b表示体坐标***(动态基准)，下标n表示导航坐标***(参考基准)，因此体坐标***中的加速度向量可以利用四元素的方向余弦矩阵

而被表示为：

$a^b=C_n^b\left(q\right)a^n$

上述关系式代表如何利用方向余弦矩阵(Direction Cosine Matrix，简称为DCM)将导航坐标***的加速度信息转换为体坐标***的加速度信息，因此将上述关系式进行反向运算便可以由体坐标***的加速度值得到导航坐标***的加速度值。通过步骤S703进行四元素迭代法(quaternion iteration)后，将步骤S703输出的优化的四元素(quaternion)，作为步骤S705的卡尔曼滤波算法的感测量之一。

由于步骤S705所使用的卡尔曼滤波算法使用的方程式呈现线性化的关系，且需使用的计算量少，因此可以实时对方位角的变化进行估测。

通过使用四元素的方向余弦矩阵，步骤S706将体坐标***的加速度转换至平面坐标***的加速度，并扣除重力场的影响：

其中G＝[0，0，-g]，借此取得平面坐标***上的加速度后，只要再将加速度经过积分后，便可以转换得出指示装置在使用平面上的导航坐标***的位移速度与位置的变化量。

请参见图8(a)，其是动态基准上的体坐标相对于参考基准上的导航坐标的示意图。位于图中左下方以n为坐标中心的xn-yn-zn坐标组代表的使用平面上的参考基准，即实际指示装置碰触的使用平面上的导航坐标；而图中右上方以b为坐标中心的xb-yb-zb坐标组则代表指示装置在空间上移动时的动态基准，即，体坐标。指示装置提供的动态基准会根据用户对指示装置的移动、旋转或翻转所造成的位置变化，让指示装置上的xb-yb-zb坐标组(体坐标)相对于使用平面的位置变化而改变。

请参见图8(b)，其是本发明利用笔状指示装置上的感测单元而取得的感测信息相对于应用参考基准与操作基准的坐标对应关系的示意图。延续图8(a)的标示，以xn-yn-zn坐标组代表使用平面上的参考基准，而笔状指示装置20端点所标示的xb-yb-zb坐标组则为动态基准。

由于动态基准会根据用户对指示装置的操作而变化，因此使用了传感器来侦测位移与旋转角度的变化量，图8(b)简要地以方块表示出于指示装置20中是使用微控器35与传感器的图示，其中的传感器包括：陀螺仪321、重力传感器323、地磁传感器324均分别感测得出对应的相对坐标信息，之后再将这些传感器取得的感测量加以合并使用，当然，实际使用的传感器并不限定使用上述几种，且各个传感器的相对位置也可以任意改变。

通过笔状指示装置20上的感测单元32使用的传感器不同，可以得到各类型传感器的感测量，例如：利用陀螺仪321所取得的在Gx-Gz坐标上的感测量、利用重力传感器323感测而得的Ax-Ay-Az坐标上的感测量、利用地磁传感器324感测得出的Mx-My-Mz坐标上的感测量，利用微控器35将上述的各种感测量加以汇总，并视位移信息提供***的规划而利用微控器35进行位移估算程序的运算或将感测信息传送至计算机等受控装置21后才进行位移估算程序的运算。再者，上述的各类型传感器与微控器的使用也可能随着技术的演进而被整合在同一个实体组件上，但利用不同感测量搭配位移估算程序而得出位置补偿数据的构想仍与本发明无异。

根据上述的核心构想流程与视位移信息提供***的架构基础，本发明以两个较佳实施例说明如何利用传感器所取得的补偿信息进行位移估算程序，足以证明本发明的做法可以改善现有技术的缺失。另一方面，借由标识符的使用，本发明对于***中同时使用多个指示装置的情形下，也可以分别对各个指示装置提供动态位移侦测与对应显示的功能。

需注意的是，尽管上述的说明均以具有笔状外型的指示装置为例，但本发明的核心构想是以感测单元对指示装置的动态移动进行感测而得到动态位移信息，并借由位移估算程序来推估指示装置的移动情形，因此指示装置的壳体外观并不会影响本发明的控制流程。

综上所述，本发明利用传感器搭配以卡尔曼滤波算法为核心的位移估算程序，让指示装置的位移得以被动态估算取得，并对应更新***内的位移估算结果而显示，进而改善现有技术的鼠标笔必须通过用户个人去配合鼠标笔的方位的缺失，而能实时地将指示装置的动态体现为屏幕上的轨迹。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并未对本发明做任何形式上的限制，任何本领域的技术人员在本发明的技术方案范围内当可利用上述公开的技术内容做出等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容而对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种位移信息提供方法，应用于至少一笔状指示装置与一受控装置间，其特征在于：该位移信息提供方法包括以下步骤：

根据该指示装置相对于一使用平面的位置变化而感测得到一位移信息、一倾斜角信息与一旋转角信息；

该受控装置根据这些信息而进行一位移估算程序，并取得一位置补偿数据；以及

随着该指示装置接触该使用平面而根据该位置补偿数据来改变该指示装置所对应的显示方式。

2.如权利要求1所述的位移信息提供方法，其特征在于：该指示装置相对于该使用平面的位置变化是指一用户对该指示装置所进行的移动、旋转或翻转所造成的位置变化。

3.如权利要求1所述的位移信息提供方法，其特征在于：该位移信息提供方法更包括以下步骤：

该受控装置提供一参考基准；

该指示装置提供一动态基准；以及

将该动态基准配合该位置补偿数据而改变该指示装置所对应的指针在该参考基准上的显示方式。

4.如权利要求3所述的位移信息提供方法，其特征在于：该指示装置提供的该动态基准是根据该指示装置相对于该使用平面的位置变化而改变。

5.如权利要求1所述的位移信息提供方法，其特征在于：该位移信息提供方法更包括以下步骤：

定义一标识符于该指示装置；

该受控装置通过与该指示装置间的信号连接而取得该标识符；以及

根据该标识符与该位置补偿数据而改变该笔状指示装置所对应的指针的显示方式。

6.如权利要求1所述的位移信息提供方法，其特征在于：该位移信息、该倾斜角信息以及该旋转角信息是通过一感测单元提供，该感测单元是一光学位移传感器、一轨迹球位移传感器、一加速度传感器、一陀螺仪、一电子罗盘或一地磁传感器。

7.一种笔状指示装置，该笔状指示装置信号连接于一受控装置，其特征在于：该指示装置包括：

一壳体；以及

一感测单元，设置于该壳体内，其是根据该指示装置相对于一使用平面的位置变化而感测得到一位移信息、一倾斜角信息与一旋转角信息，在该受控装置根据这些信息而进行一位移估算程序，并取得一位置补偿数据后，随着该指示装置接触该使用平面而根据该位置补偿数据来改变该指示装置所对应的显示方式。

8.如权利要求7所述的笔状指示装置，其特征在于：该指示装置相对于该使用平面的位置变化是指一用户对该笔状指示装置所进行的移动、旋转或翻转所造成的位置变化。

9.如权利要求8所述的笔状指示装置，其特征在于：该受控装置是提供一参考基准，而该指示装置是提供一动态基准，在该指示装置相对于该使用平面的位置变化时，该动态基准便配合该位置补偿数据而改变该指示装置所对应的指针在该参考基准上的显示方式。

10.如权利要求7所述的笔状指示装置，其特征在于：该笔状指示装置更包括：

一传送单元，电连接于该感测单元并信号连接于该受控装置，其是将该位移信息、该倾斜角信息与该旋转角信息传送至该受控装置。

11.如权利要求10所述的笔状指示装置，其特征在于：该指示装置是对应于一标识符，且该标识符通过该传送单元传送至该受控装置后，该受控装置根据该标识符与该位置补偿数据而改变该指示装置所对应的指针的显示方式。

12.如权利要求7所述的笔状指示装置，其特征在于：该感测单元是一光学位移传感器、一轨迹球位移传感器、一加速度传感器、一陀螺仪或一地磁传感器。

13.一种位移信息提供***，其特征在于：该位移信息提供***包括：

至少一指示装置，其包括：

一壳体；以及

一感测单元，设置于该壳体内，其是根据该指示装置相对于一使用平面的位置变化而感测得到一位移信息、一倾斜角信息与一旋转角信息，根据这些信息而进行一位移估算程序，并取得一位置补偿数据；以及

一受控装置，信号连接于该指示装置，其是随着该指示装置接触该使用平面而根据该位置补偿数据来改变该指示装置所对应的显示方式。

14.如权利要求13所述的位移信息提供***，其特征在于：该感测单元是一光学位移传感器、一轨迹球位移传感器、一加速度传感器、一陀螺仪或一地磁传感器。

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