CN103529961A

CN103529961A - 手持终端控制设备及控制方法

Info

Publication number: CN103529961A
Application number: CN201310530651.7A
Authority: CN
Inventors: 孙路; 张帆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2014-01-22

Abstract

本发明提供了一种手持终端控制设备及控制方法，属于终端设备控制技术领域。所述包括：输入模块，用于将输入控制信号发送给处理器；运动状态信息获取模块，用于将所述手持终端的运动状态信息发送给处理器；处理器，用于根据所述输入控制信号开启运动状态信息获取模块以及根据所述运动状态信息获得所述手持终端的运动轨迹，并将所述运动轨迹发送给无线通信模块；无线通信模块，用于将所述运动轨迹通过无线网络发送给上位机。本发明能够在不依赖特定平台的情况下实现在在三维空间中指示及控制特定的设备。

Description

手持终端控制设备及控制方法

技术领域

本发明涉及一种不依赖平台、无滚轮或光电口的手持终端控制设备及控制方法，属于终端设备控制技术领域。

背景技术

电子教鞭是一种老师在课堂上远离电脑对幻灯片或其他播放软件进行控制的教具，但现有的电子教鞭虽然能用激光在投影屏幕上“指点”内容，却并不能实现对显示特定投影内容的计算机做更进一步的控制。虽然有些老师把无线鼠标当作电子教鞭从而远距离控制光标操作计算机，但是这样又带来了两个不便：其一，鼠标操作依赖一个平台，很多时候在远离电脑桌的位置并没有这样的平台；其二，由于无线鼠标有光电模块或滚轮，其体积比电子教鞭大，也更容易损坏。

另外，在家庭生活、工业生产甚至军事管理上，也需要用一个简单的手持终端设备（如手机）实现鼠标的功能。该手持终端设备能够控制从台灯到音响、洗衣机、电视机等设备；在工业现场，如果某工艺的每一个环节都被投影在一个大屏幕上，工人或技术员可以用一个不依赖与平台的“鼠标”来远距离用光标控制大屏幕上流水线的环节，而不用往返于庞大的工业控制界面，工作效率可以有所增加；在航天器上，如果有这样一个安装在宇航员袖口的，不需要光电模块，不依赖平台，体积微小的无线终端，能够捕捉宇航员袖口的运动信息，宇航员就可以把手腕当成无限鼠标，中远距离控制航天器的舱门、机械臂、太阳能帆板等，这样航天器控制会更加灵活。但在现有技术中并没有这样一种手持终端设备能够实现上述功能。

发明内容

本发明为解决现有手持终端存在的无法实现不依赖特定的平台而在三维空间中指示及控制特定设备的问题，进而提供一种手持终端控制设备及控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

手持终端控制设备，包括：

输入模块，用于将输入控制信号发送给处理器；

运动状态信息获取模块，用于将所述手持终端的运动状态信息发送给处理器；

处理器，用于根据所述输入控制信号开启运动状态信息获取模块以及根据所述运动状态信息获得所述手持终端的运动轨迹，并将所述运动轨迹发送给无线通信模块；

无线通信模块，用于将所述运动轨迹通过无线网络发送给上位机。

手持终端控制设备的控制方法，包括：

处理器根据输入模块的输入控制信号启动运动状态信息获取模块；

运动状态信息获取模块采集所述手持终端的运动状态信息并发送给处理器；

处理器根据所述运动状态信息计算获得所述手持终端的运动轨迹，并将所述运动轨迹发送给传输模块；

无线通信模块将所述运动轨迹通过无线网络发送给上位机。

本发明的有益效果：能够在不依赖特定平台的情况下实现在在三维空间中指示及控制特定的设备。

附图说明

图1为本发明提供的手持终端控制设备的结构示意图；

图2为本发明提供的手持终端控制设备的控制方法的整体流程示意图；

图3为本发明提供的运动状态信息获取的流程示意图；

图4为本发明提供的主控制键松开引起中断的中断服务程序流程示意图；

图5为本发明提供的所述手持终端的相对坐标系构建示意图；

图6为本发明提供的当所述手持终端的空间角位移产生时相对坐标系下***的工作状态示意图。

具体实施方式

为了能够更清晰地阐明本发明的特点和工作基本原理，以下结合附图及实施例，对本发明进行说明。

以老师在课堂上使用本中断进行讲课为例进行阐述。为方便说明，在本实施例中，将本发明称作“空间鼠标”。首先，老师在课堂前面的写字台上使用计算机与投影仪进行讲课，此时空间鼠标被当作普通的鼠标在桌面上使用；此后，老师开始在教室巡回踱步或走到投影屏幕前进行深入讲解，这个时候他使用鼠标时，不再依赖于桌面或任何平面，而是在他假想的空气平面上移动空间鼠标，对投影屏幕上的光标进行操作。

需要注意的是，在其它环境中，如在工业现场、在没有重力的宇宙空间站中或者在有固定加速度的正在上升的火箭载人舱中，这种移动终端也是可以使用的，且其工作原理与本实施例相同。

如图1所示，本具体实施方式提供了一种手持终端控制设备，包括：

输入模块，用于将输入控制信号发送给处理器；

其中的运动状态信息获取模块可以包括：

三轴加速度计，用于根据采集到的三维方向上的加速度信息，获取所述手持终端在三维方向上的瞬时加速度；

三轴陀螺仪，用于根据采集到的角位移信息获得环境的固有加速度在三维方向上的分配变化信息。

其中的处理器可以包括单片机、ARM、含有MPU内核的数字信号处理器或逻辑阵列模块。

如图2所示，本实施例还提供了一种手持终端控制设备的控制方法，在步骤[1]中，当手持终端被开启后，首先进行处理器的初始化。初始化的主要作用在于为应用的处理器分配堆栈空间，设定时钟等工作状态等。这是嵌入式***中处理器上电后的基本内容。

在步骤[2]中，当软件初始化完成后，处理器对***设备硬件进行检测。本实施例中主要应用的硬件***设备包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、无线通信模块等。处理器向这些模块尝试发送信息并检测这些***设备是否工作正常，并对这些设备进行一些配置。若发现***设备丢失，则应该停止处理器功能。

在步骤[3]中，手持终端被打开后，首先需要采集工作模式。工作模式可由用户拨动拨码开关决定，共有两种工作模式：平面模式和空间模式。在平面模式下，主控制键是无效的，手持终端可放在平面支撑上当作普通的鼠标来使用。在空间模式下，手持终端成为“空间鼠标”，可以捕捉在空中的运动，实现不依赖支撑平面的鼠标功能。平面模式与空间模式的中断配置方式不同，因此要在此处采集。

在步骤[4]中，采集完成工作模式后，可根据工作模式对主控制键的中断进行配置。在上述两种工作模式下，主控制键的工作情况是不同的。平面模式下，主控制键没有作用，因此此处应关闭主控制键的硬件中断功能。在空间模式下，主控制键由按下到松开时，需要引起硬件中断，称为主控制键松开中断。

在步骤[5]中，若为平面模式，则直接进入移动数据采集步骤，主控制键完全失去作用；否则，即为空间模式，则进入步骤[6]。

在步骤[6]中，处理器等待主控制键按下，才能进行移动数据采集，否则进入循环，直到主控制键按下。此时的手持终端与传统的电子教鞭一样，可以使用左键、右键等功能，但不能控制屏幕光标移动。

在步骤[7]中，进入运动状态信息获取模块。

如图3所示，在步骤[8]中，运动状态信息获取的第一个步骤，是要采集当前手持终端受到的加速度。三轴加速度计的三个方向与陀螺仪的三个方向标记如图5所示，首先默认手持终端开启时是相对环境静止的，譬如案例中老师打开“空间鼠标”的时候，鼠标相对于教室或者说地面，是基本静止的，这样，当前手持终端采集到的加速度就是重力加速度。由于手持终端不一定是在水平状态下被开启的，所以采集到的重力加速度可能与手持终端在空间上存在夹角。如图6所示，以终端为参考系，假设重力加速度为A矢量，则它与终端在三轴加速度计X、Y、Z三个方向上存在夹角。三轴加速度计需要记录此时三个方向的加速度值，其实相当于记录了重力加速度的大小以及相对于手持终端的初始方向。

值得注意的是，这里面记录的固有加速度不限于重力加速度。它只是工作环境的固有加速度。如在本实施例中，它是重力加速度；如果在失重的空间战中，它可能为0矢量；如果在超重状态如正在加速上升的火箭中，它为重力加速度与超重部分产生的加速度的叠加。

在步骤[9]中，采集三轴陀螺仪在三个方向的角加速度作为基准。由于手持终端开启时，相对于环境处于静止状态，三轴陀螺仪的采集数据理论上应为0。基准加速度的采集主要是为了尽量减少后续操作可能带来的误差。

步骤[8]与步骤[9]的采集数据被称为基准。这两个数据合在一起，能够反映环境固有加速度（在本实施例中为重力加速度）在手持终端启动时相对于手持终端的大小和方向。当手持终端在运动时，通过检测三轴陀螺仪数据经过积分可以得出手持终端在三个方向的角位移，并与基准作对比，即可得到手持终端的空中姿态。由空中姿态可以计算出固有加速度在三个加速度计轴上的分布，这样就可以在处理加速度计采集到的瞬时数据时排除掉固有加速度值，得到物体相对于环境的加速度值。

进一步地，由于三轴陀螺仪能够采集角加速度，进而用积分算出角位移。角位移可用来确定终端的控制姿态，或称为朝向。由于终端运动过程中空中姿态的改变，导致固有加速度值在加速度计的三个轴上的分布发生变化，导致仅凭三轴加速度计无法判断哪些加速度成分是固有加速度的分量，哪些是由相对于环境的加速度运动带来的加速度值。配合空中姿态信息，可以算出初始测出的固有加速度在加速度计三个轴上的分量，进而分辨出三轴加速度计采集到的瞬时加速度的固有加速度成分和相对环境加速运动产生的加速度成分。

在如步骤[10]中，移动数据的采集和处理过程是一个死循环过程，由各种中断服务程序提供其他功能以及退出该循环。这个死循环有恒成立条件作为入口判定，因此不会出现N情况，在图4中该支路上画了一个X，表示不可能到达。

在步骤[11]中，为了进行数据分析，必须采集到了一定量的数据。已采集到的数据量数值放在数据量计数器中，并和需要值进行比较，若数据量不够，则继续采集数据；若数据量足够，则进入数据分析状态。数据量的需要值根据处理器的处理速度和实时性要求等确定。

需要注意的是，由于对于已经确定的处理器和算法，每一次采集到的数据所占空间是一定的，采集时间也是一样的，因此数据量的需要值也决定了程序进入N支路（即步骤[16]所在支路）的时间间隔。在其他条件相同时，数据量需要值越小，则每次程序在步骤“[11]-[12]-[13]-[14]-[15]”循环中进行的次数就越少，程序进入步骤[16]的速度就越快。考虑到整个移动数据采集过程是一个循环（即步骤[7]是一个循环），则可认为减小数据量需要值，进入步骤[16]的频率就增大。在处理器性能较高的场合，这样做可以提高本发明产品的性能和敏感度。

在步骤[12]中，采集三轴陀螺仪数据得到瞬时角加速度信息，这是为步骤[14]做准备。

在步骤[13]中，采集三轴加速度计的瞬时加速度信息，这也是为步骤[14]做准备。

在步骤[14]中，需要根据三轴加速度计采集到的瞬时加速度信息，三轴陀螺仪采集到的瞬时角加速度信息，在步骤[8]与步骤[9]中采集到的基准信息，算出终端在排除了环境的固有加速度后的瞬时加速度值。

首先，需要使用积分算法，对三轴陀螺仪的角加速度信息在时间上进行两次积分，得到此时此刻终端在三轴方向的角速度以及终端沿着三轴的角位移。这些信息会被存储起来，并被当作下一次积分时的初始值。得到角位移后，即得到了三轴陀螺仪相对于开机状态的基值，空中姿态发生了什么变化，也就能算出固有加速度在新的空中姿态条件下在三轴加速度计上的理论分布。如图5所示，当手持终端的空中姿态发生变化时，固有加速度（在本实施例中为重力加速度）相对于手持终端的相对参考系，由A矢量变为A’矢量。其实固有加速度的大小和方向都是不改变的，之所以看上去发生了方向的变化，是因为手持终端的空中姿态即朝向发生了变化。由于空中姿态的变化情况是可以算出的，因此根据步骤[8]、步骤[9]中记录的基准，可以算出A’矢量在三轴加速度计上理论的分布。

算出固有加速度在三轴加速度计上的理论分布后，将它们从三轴加速度计的三个方向实测到的瞬时加速度值中减去，即得到终端相对于环境的加速度值。对于实施例中的“空中鼠标”，其实只需要记录X、Y两个轴的加速度值即可，这是因为需要控制的光标是在屏幕这个二维空间内移动的。如果在宇宙飞船上控制太空手臂在三维空间中移动，则需要记录X、Y、Z三个轴上的加速度值。

所记录的加速度值是后面进行数据分析的基础，使用FIFO的方式存储在一段特定的存储空间内，以方便步骤[17]调用。

在步骤[15]中，每完成一次步骤[17]，数据量就增加了一个，因此数据量计数器自加1，待数据量计数器的数值达到数据量的需要值后，程序即会进入步骤[16]所在支路。

在步骤[16]中，首先清空数据量计数器的值，为下一次数据采集做准备。

在步骤[17]中，需要对信号进行频域分析。为了降低处理器计算量，提高手持终端性能，本实施例使用小波变换的方式对信号频谱进行分析并进行数字滤波。这一步骤是为了消除由人的无意识的抖动造成的终端运动。

本实施例在作为“空间鼠标”以空间模式使用时没有平台的支持，需要由人手持在空中进行操作。由于人类身体结构的关系，在手持物体时，手臂会产生频率较高的微弱的抖动，这种运动在发送状态下的幅值较大，可能会影响对手持终端的控制，进而影响对光标的控制。低通滤波可以在一定程度上削弱抖动对***产生的噪音影响。作为代价，这样做会降低手持终端在速度剧烈变化（如突然由静止到移动）时的灵敏度。低通滤波的频率阈值可由用户根据情况自行设置。例如，在本实施例中，可以较高设计阈值，因为教室是一个相对稳定的环境，正常情况下这种抖动不会很强烈，甚至完全不会影响鼠标使用；假设这个手持终端被应用在颠簸了轮船上或者公共汽车上，可以适当降低阈值，降低高频震颤带给***的干扰。此外，这一步骤也可以减弱电子噪音对***的干扰。

在步骤[18]和[19]中，用对时间定积分经过滤波的轴向加速度的方式可求出手持终端在三个方向（本实施例中为X、Y两个方向即可）速度变化和位移变化。速度的初始值可在速度状态寄存器中获得。这样，即得到了在此刻距离上一次数据处理这段时间间隔内终端的位移变化以及终端在此时此刻相对于环境的速度。

在步骤[20]中，将此时计算得到的终端相对于环境的速度存储在速度信息寄存器中，替换原有的内容，以备下一次数据处理时调用。

在步骤[21]中，得到的这个时间段内的相对位移后，可以根据相对位移的大小判断这个位移是人为有意识造成的，还是某种无意识的噪音式的运动。与步骤[17]类似，这也是为了减少电子噪音、人的抖动引起的干扰。

在步骤[22]中，将位移信息存入终端运动状态寄存器中。这个状态寄存器为FIFO存储方式，其内容会经过无线模块发送至上位机或其他设备。在本案例中，终端运动状态寄存器的内容会被按照一定格式打包，连同“空间鼠标”的左右键工作情况等信息一并被通过无线信号发送。这个发送方法与传统的无限鼠标是一样的。

在空间模式下，用户松开主控制键时，意味着用户不希望终端控制光标移动。在本实施例中，如老师拿着鼠标在教室里面踱步巡视。当他停下来进行讲解的时候会按下主控制键，这使得他可以操作光标，对计算机进行控制；但他走动起来巡视学生的时候，他并不希望光标跟着自己的步伐在屏幕上运动，这时候他会松开主控制键，“空间鼠标”随即停止采集位移信息，并停止发送控制光标移动的信息。这个时候，“空间鼠标”的功能与传统的电子教鞭相同，只能进行左右键等的控制，不能进行光标的控制。松开主控制键，将会引起硬件终端。随即，程序进入主控制键松开终端服务程序。

如图4所示，步骤[23]和[24]的作用在于令中断程序返回时，程序回到图1中“标记点1”的位置，重新等待主控制键被按下。

步骤[25]的作用在于清零速度信息寄存器的数值以及已有终端运动状态寄存器的数值，以及作为基准的环境固有加速度的信息。这是因为，在下一次主控制键被按下时，这些信息都需要重新进行采集与运算。初始值应为0，故在此对以上寄存器清零。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.手持终端控制设备，其特征在于，包括：

输入模块，用于将输入控制信号发送给处理器；

2.根据权利要求1所述的手持终端控制设备，其特征在于，所述运动状态信息获取模块包括：

3.根据权利要求1所述的手持终端控制设备，其特征在于，所述处理器包括单片机、ARM、含有MPU内核的数字信号处理器或逻辑阵列模块。

4.根据权利要求1所述的手持终端控制设备的控制方法，其特征在于，包括：

无线通信模块将所述运动轨迹通过无线网络发送给上位机。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在处理器根据输入模块的输入控制信号启动运动状态信息获取模块之前还包括：

处理器初始化及对所述手持终端的***模块进行检测。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述输入控制信号为平面模式信号时，所述处理器仅根据所述运动状态信息中的二维方向上的运动信息获得所述手持终端在二维方向上的运动轨迹；当所述输入控制信号为空间模式信号时，所述处理器根据所述运动状态信息中的三维方向上的运动信息获得所述手持终端在三维方向上的运动轨迹。

7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，采集所述手持终端的运动状态信息包括：

通过三轴加速度计获取三维方向上的固有加速度和瞬时加速度信息；

将所述瞬时加速度值减去所述固有加速度至，获得所述手持终端相对于环境的加速度值；

通过三轴陀螺仪获取三维方向上的瞬时角加速度信息；

对所述角加速度信息在时间上进行两次积分，获得所述手持终端在当前时刻三维方向的角速度以及所述手持终端沿三维方向的角位移。