[发明专利]惯性技术和超声波相结合的触控笔位姿检测方法及系统

说明书

本发明提供一种惯性技术和超声波相结合的触控笔位姿检测方法及系统，属于人机交互领域。采集MEMS六轴加速度计及陀螺仪传感器上的角速度与加速度值，测量超声波从触控笔上超声波发射传感器到接收传感器上的传播时间，计算触控笔的姿态角信息；计算触控笔的坐标信息；由获取的触控笔的三维坐标信息获取航向角，对MEMS六轴加速度计及陀螺仪传感器获取的航向角和超声波获取的航向角进行互补融合，计算出修正后的航向角，确定触控笔当前的位姿。本发明融合惯性技术获取的触控笔姿态信息和超声波定位技术获取的触控笔空间坐标信息共同确定触控笔的位姿，实现触控笔在一定空间内以任意姿态、任意角度、任意距离与界面进行交互。

技术领域

本发明属于人机交互领域，涉及一种触控笔位姿检测方法及系统，具体涉及一种惯性技术和超声波相结合的触控笔位姿检测方法及系统。

背景技术

近年来，随着人机交互技术的不断发展，人机交互已不再局限于以往单一的二维人机交互，而是逐渐将三维笔式交互技术引入到人机交互中，是一种高效自然的交互方式。

在人机交互的过程中，用户常需要进行打开各种文件、浏览各种网页等操作，然而在教室或会议等场景使用白板时，距离白板较远的用户，由于二维(平面内)受到距离和笔的姿态的限制无法完成的操作。增大用户的操作距离，同时使操控具有指向性是解决该问题的方法之一，这就需要解决笔的远距离位置和姿态检测问题。

目前已有一些关于解决笔的姿态和位置问题的方法。

中国专利“基于六轴传感器的角度测量装置”(申请号201620079085.1)公开了一种基于六轴传感器的角度测量装置，提高了测量角度信息的准确性和稳定性。中国专利“基于MPU6050六轴传感器的悬空鼠标系统”(申请号201620067175.9)公开了一种MPU6050六轴传感器的悬空鼠标系统摆脱桌面鼠标的限制,实现在远距离的三维空间内获得鼠标的操作功能。中国专利“一种基于重力向量和角速度向量的汽车变道识别方法”(申请号201610087916.4)公开了一种基于重力向量和角速度向量的汽车变道识别方法，利用姿态角信息选择可能的变道组合。但这些方法所述的检测出的姿态信息，不能矫正航向角出现的漂移，且不能准确检测出距离信息，一旦涉及三维空间的笔式交互，就会因距离因素及交互方式的改变带来操作角度受限和触控笔姿态识别不清等问题。

中国专利“加速度、陀螺仪和磁场九轴传感器的空间轨迹定位系统”(申请号201310452478.3)公开了一种加速度、陀螺仪和磁场九轴传感器的空间轨迹定位系统，提到利用九轴传感器定出姿态角，其中利用三轴地磁矫正陀螺仪的航向角，实现了姿态角的精确测量，但未考虑到三轴地磁容易受周围物体磁场的影响，从而影响测量精度。中国专利“基于九轴MEMS传感器的农业机械全姿态角更新方法”(申请号201510664990.3)公开了一种基于九轴MEMS传感器的农业机械全姿态角更新方法，提到利用九轴传感器测量出姿态角，利用加速度计测出的数据经过二次积分计算出位置信息，但未考虑加速度计噪声比较大，对运动极为敏感，在短时间内可靠性不高，因此在定出位置信息时误差较大。中国专利“基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法”(申请号200810237023.9)公开了一种九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法，提到利用加速度传感器获取角速度信息，但未考虑加速度计噪声比较大，在短期使用时误差较大，可靠性差。

发明内容

本发明提供一种惯性技术和超声波相结合的触控笔位姿检测方法及系统，基于陀螺仪获取姿态信息，利用加速度计获取的加速度值修正陀螺仪获取的姿态信息，通过超声波定位出前一时刻的坐标值和当前时刻的坐标值，利用获得的三维坐标信息修正航向角等方法最终计算出触控笔的姿态和坐标值。

本发明中触控笔的超声波定位精度达到毫米量级，而且解决了触控笔在六轴传感器单独定位的情况下容易在0°和180°出现角度突变的技术问题同时还可以实现修正航向角的功能，达到实现笔以任意姿态、任意角度、任意距离与界面进行交互的目的。

本发明采取的技术方案是，包括如下步骤：