定位指针位置的方法、系统及设备.pdf

本发明提供一种定位指针位置的方法、系统及设备。根据本发明的方法，先基于控制指针的手控装置在第一坐标系下的三轴加速度与三轴角速度来估计所述手控装置在第二坐标系下的第一姿态因子、基于所述三轴角速度和三轴地磁分布来估计所述手控装置在第二坐标系下的第二姿态因子，并基于所述第一姿态因子及第二姿态因子来估计所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态；随后再将所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态映射至二维空间来确定所述指针的位置信息，由此可实现对由脱离桌面的手控装置所控制的指针进行精确定位。

权利要求书一种定位指针位置的方法，其特征在于，所述定位指针位置的方法至少包括步骤：
1）基于控制指针的手控装置在第一坐标系下的三轴加速度与三轴角速度来估计所述手控装置在第二坐标系下的第一姿态因子、基于所述三轴角速度和在第一坐标系下的三轴地磁分布来估计所述手控装置在第二坐标系下的第二姿态因子，并基于所述第一姿态因子及第二姿态因子来估计所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态；
2）将所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态映射至二维空间来确定所述指针的位置信息。
根据权利要求1所述的定位指针位置的方法，其特征在于，所述步骤1）还包括：
‑基于当前时刻的三轴地磁分布来估计所述手控装置在所述第二坐标系下的第二姿态因子，并将所获得第二姿态因子作为当前时刻的第二观测因子；
‑基于当前时刻的前一时刻所述手控装置在第二坐标系下的第二后验估计因子、以及当前时刻所述手控装置的三轴角速度，来估计所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的第二姿态因子，并将所获得第二姿态因子作为当前时刻的第二先验估计因子；
‑ 基于所述手控装置当前时刻的第二观测因子与第二先验估计因子、以及相关信息，来估计所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的第二姿态因子，并将所获得第二姿态因子作为当前时刻的第二后验估计因子；
‑ 基于所述手控装置当前时刻的第一姿态因子及第二后验估计因子来确定所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的三维姿态。
根据权利要求2所述的定位指针位置的方法，其特征在于，所述步骤1）还包括：
‑基于所述手控装置当前时刻的三轴加速度来估计所述手控装置在所述第二坐标系下的第一姿态因子，并将所获得的第一姿态因子作为当前时刻的第一观测因子；
‑基于当前时刻的前一时刻所述手控装置在第二坐标系下的第一后验估计因子、以及当前时刻所述手控装置的三轴角速度，来估计所述手控装置当前时刻的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一先验估计因子；
‑ 基于所述手控装置当前时刻的第一观测因子与第一先验估计因子、以及相关信息，来估计所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一后验估计因子；
‑ 基于所述手控装置当前时刻的第一后验估计因子及第二后验估计因子，来确定所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的三维姿态。
根据权利要求1所述的定位指针位置的方法，其特征在于，所述步骤1）还包括：
‑基于所述手控装置当前时刻的三轴加速度来估计所述手控装置在所述第二坐标系下的第一姿态因子，并将所获得的第一姿态因子作为当前时刻的第一观测因子；
‑基于当前时刻的前一时刻所述手控装置在第二坐标系下的第一后验估计因子、以及当前时刻所述手控装置的三轴角速度，来估计所述手控装置当前时刻的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一先验估计因子；
‑ 基于所述手控装置当前时刻的第一观测因子与第一先验估计因子、以及相关信息，来估计所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一后验估计因子；
‑基于当前时刻的第一后验估计因子和第二姿态因子，来确定所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的三维姿态。
根据权利要求2至4任一项所述的定位指针位置的方法，其特征在于，所述相关信息包括以下至少一项：
当前时刻及当前时刻之前的预定时间内的三轴加速度；
当前时刻及当前时刻之前的预定时间内的三轴角速度；
当前时刻及当前时刻之前的预定时间内的三轴地磁分布；
当前时刻之前的预定时间内的第一观测因子；
当前时刻之前的预定时间内的第一先验估计因子；
当前时刻之前的预定时间内的第二观测因子；
当前时刻之前的预定时间内的第二先验估计因子。
一种定位指针位置的定位系统，其特征在于，所述定位指针位置的定位系统至少包括：
姿态确定模块，用于基于控制指针的手控装置在第一坐标系下的三轴加速度与三轴角速度来估计所述手控装置在第二坐标系下的第一姿态因子、基于所述三轴角速度和在第一坐标系下的三轴地磁分布来估计所述手控装置在第二坐标系下的第二姿态因子再基于所述第一姿态因子与第二姿态因子来估计所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态；
指针位置计算模块，用于将所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态映射至二维空间来确定所述指针的位置信息。
根据权利要求6所述的定位指针位置的定位系统，其特征在于，所述姿态确定模块还包括：
第一确定模块，用于基于当前时刻的三轴地磁分布来估计所述手控装置在所述第二坐标系下的第二姿态因子，并将所获得第二姿态因子作为当前时刻的第二观测因子；
第二确定模块，用于基于当前时刻的前一时刻所述手控装置在第二坐标系下的第二后验估计因子、以及当前时刻所述手控装置的三轴角速度，来估计所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的第二姿态因子，并将所获得第二姿态因子作为当前时刻的第二先验估计因子；
第三确定模块，用于基于所述手控装置当前时刻的第二观测因子与第二先验估计因子、以及相关信息，来估计所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的第二姿态因子，并将所获得第二姿态因子作为当前时刻的第二后验估计因子；
第四确定模块，用于基于第一姿态因子和当前时刻的第二后验估计因子，来确定所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的三维姿态。
根据权利要求7所述的定位指针位置的定位系统，其特征在于，所述姿态确定模块还包括：
第一估计模块，用于基于所述手控装置当前时刻的三轴加速度来估计所述手控装置在所述第二坐标系下的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一观测因子；
第二估计模块，用于基于当前时刻的前一时刻所述手控装置在第二坐标系下的第一后验估计因子、以及当前时刻所述手控装置的三轴角速度，来估计所述手控装置当前时刻的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一先验估计因子；
第三估计模块，用于基于所述手控装置当前时刻的第一观测因子与第一先验估计因子、以及相关信息，来估计所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一后验估计因子；
第四估计模块，用于基于所述手控装置当前时刻的第一后验估计因子及第二后验估计因子来确定所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的三维姿态。
根据权利要求6所述的定位指针位置的定位系统，其特征在于，所述姿态确定模块还包括：
第一估计模块，用于基于所述手控装置当前时刻的三轴加速度来估计所述手控装置在所述第二坐标系下的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一观测因子；
第二估计模块，用于基于当前时刻的前一时刻所述手控装置在第二坐标系下的第一后验估计因子、以及当前时刻所述手控装置的三轴角速度，来估计所述手控装置当前时刻的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一先验估计因子；
第三估计模块，用于基于所述手控装置当前时刻的第一观测因子与第一先验估计因子、以及相关信息，来估计所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一后验估计因子；
第四估计模块，用于基于所述手控装置当前时刻的第一后验估计因子及第二姿态因子来确定所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的三维姿态。
根据权利要求7至9任一项所述的定位指针位置的定位系统，其特征在于，所述相关信息包括以下至少一项：
当前时刻及当前时刻之前的预定时间内的三轴加速度；
当前时刻及当前时刻之前的预定时间内的三轴角速度；
当前时刻及当前时刻之前的预定时间内的三轴地磁分布；
当前时刻之前的预定时间内的第一观测因子；
当前时刻之前的预定时间内的第一先验估计因子；
当前时刻之前的预定时间内的第二观测因子；
当前时刻之前的预定时间内的第二先验估计因子。
一种智能设备，其特征在于，所述智能设备至少包括权利要求6至10任一项所述的定位系统。
根据权利要求11所述的智能设备，其特征在于，所述智能设备包括手控装置或计算机设备。
根据权利要求12所述的智能设备，其特征在于，所述手控装置包括：鼠标、遥控器或游戏手柄。
根据权利要求12所述的智能设备，其特征在于，所述计算机设备包括：智能电视、机顶盒或个人计算机。

说明书定位指针位置的方法、系统及设备
技术领域
本发明涉及电子领域，特别是涉及一种定位指针位置的方法、系统及设备。
背景技术
目前，市场上绝大部分鼠标都依靠光学传感器或激光传感器实现光标定位，这种鼠标需要放置在桌面或其他平面上，再由操作者移动鼠标，由此来操控指针。而随着大屏幕显示设备的普及，电视机、机顶盒等产品的三网融合，电视机和机顶盒等将搭载更多的互动内容，此时用户对操控指针的方式提出了更高的要求，希望操控方式能更便捷更自由，常要求不再借助桌面或其他平面，而是直接在三维空间中自由移动控制器来定位鼠标光标。例如，基于三维空间中的控制器对屏幕的指向位置来定位鼠标光标，使得鼠标的移动和控制器指向屏幕的位置保持一致，如此使得对鼠标所控制的指针的定位也提出了更新的要求。
为此，诸多研究人员开始研究出一些惯性传感器光标控制装置，例如，专利号为5898421的美国专利文献“Gyroscopic pointer and method”提出了用X、Y两轴陀螺仪来构建空间指示器。又例如，专利号为2008291163A1的美国专利文献“3D Pointing Devices with Orientation Compensation and Improved Usability”及专利号为2009326857A1的美国专利文献“Hand Held Pointing Device With Roll Compensation”都提出了用陀螺仪和加速度计的架构来构建空中指向定位器。其中X、Y、Z三轴加速度计用于对定位器在手中握持时产生的倾斜进行补偿。以上专利提出的方案仅依靠陀螺仪获取的角速度值，或者加速度计获取的加速度值配合角速度值来计算光标的位置，只能计算出光标移动的相对位置，并不能计算出光标在屏幕中的绝对位置，从而无法将光标的指向和屏幕的位置建立起绝对的对应关系。又如，专利号为US8032324B1的专利提出采用地磁分布值配合加速度值或角速度值来计算鼠标光标的绝对位置。但是此类专利将地磁分布值和加速度值（或角速度值）合并起来放在一个模型中来计算控制装置的姿态，由于地磁分布值和加速度值是两种互不相关的参数，将其合并起来放在一个模型中来计算控制装置的姿态会出现较大偏差，从而造成光标的定位出现偏差。
对于此类惯性传感器光标控制装置来说，由于用户在空中而非桌面上来移动控制装置进行光标定位，如何实时准确地估计出光标控制装置在空间中的姿态和运动的轨迹，从而将控制装置的指向和屏幕光标的绝对位置保持一致，使该类惯性传感器定位的输入装置获得良好的用户体验，是本领域技术人员迫切需要解决的课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种定位指针位置的方法、系统及设备，以实现对指针的精确定位。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种定位指针位置的方法，其至少包括步骤：
1）基于控制指针的手控装置在第一坐标系下的三轴加速度与三轴角速度来估计所述手控装置在第二坐标系下的第一姿态因子、基于所述三轴角速度和在第一坐标系下的三轴地磁分布来估计所述手控装置在第二坐标系下的第二姿态因子，并基于所述第一姿态因子及第二姿态因子来估计所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态；
2）将所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态映射至二维空间来确定所述指针的位置信息。
本发明还提供一种定位指针位置的定位系统，其至少包括：
姿态确定模块，用于基于控制指针的手控装置在第一坐标系下的三轴加速度与三轴角速度来估计所述手控装置在第二坐标系下的第一姿态因子、基于所述三轴角速度和在第一坐标系下的三轴地磁分布来估计所述手控装置在第二坐标系下的第二姿态因子，再基于所述第一姿态因子与第二姿态因子来估计所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态；
指针位置计算模块，用于将所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态映射至二维空间来确定所述指针的位置信息。
本发明还提供一种智能设备，其至少包括前述的定位系统。
如上所述，本发明的定位指针位置的方法、系统及设备，具有以下有益效果：可实现对由脱离桌面的手控装置所控制的指针进行精确的绝对位置定位。
附图说明
图1显示为本发明的定位指针位置的方法的一种优选流程图。
图2显示为手控装置及第一坐标系的示意图。
图3显示为第二坐标系及姿态角θ、示意图。
图4显示为本发明的定位指针位置的方法的另一种优选流程图。
图5显示为本发明的定位指针位置的方法的又一种优选流程图。
图6显示为本发明的定位指针位置的定位系统的一种优选示意图。
图7显示为本发明的定位指针位置的定位系统的另一种优选示意图。
图8显示为本发明的定位指针位置的定位系统的另一种优选示意图。
元件标号说明
1                        定位系统
11                       姿态确定模块
111                      第一估计模块
112                      第二估计模块
113                      第三估计模块
114                      第四估计模块
111’                    第一确定模块
112’                    第二确定模块
113’                     第三确定模块
114’                     第四确定模块
12                       指针位置计算模块
S1、S2、S11‑S15、S11’‑S15’        步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种定位指针位置的方法。其中，根据本发明的方法，主要通过定位系统来完成，该定位系统包括但不限于安装在智能设备中、且能够实现本发明方案的诸如应用模块、操作系统、处理控制器等的系统。其中，该智能设备包括但不限于：定位指针的手控装置或计算机设备等。所述手控装置包括基于操作者的操控来控制所述指针的显示位置的装置，优选地，包括但不限于：鼠标、遥控器、游戏手柄等。该计算机设备包括但不限于：个人计算机、智能电视、机顶盒等。其中，所述指针包括显示于诸如计算机的显示屏或电视机等显示设备上的指针或光标等。
在步骤S1中，所述定位系统基于控制指针的手控装置在第一坐标系下的三轴加速度与三轴角速度来估计所述手控装置在第二坐标系下的第一姿态因子、基于所述三轴角速度和在第一坐标系下的三轴地磁分布来估计所述手控装置在第二坐标系下的第二姿态因子再基于所述第一姿态因子与第二姿态因子来估计所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态。
其中，所述第一坐标系是根据手控装置自身上下左右前后方向所建立的坐标系。例如，如图2所示，以图示的手控装置的操控面的左右方向为第一坐标系的X轴、操控面的前后方向为第一坐标系的Y轴、手控装置的上下高度方向为Z轴，其中，右方向为X轴正方向、左方向为X轴负方向、前方向为Y轴正方向、后方向为Y轴负方向、上方向为Z轴正方向、下方向为Z轴负方向。
其中，所述第二坐标系是根据显示设备所放置的地球系统建立的坐标系，例如，如图3所示，以显示指针的显示设备120的显示屏122垂直于地球表面放置时，所述显示设备的宽度方向为第二坐标系的X轴、高度方向为Y轴。
其中，所述手控装置在第一坐标系下的三轴加速度由设置在所述手控装置内的三轴加速度计感测自身所属的第一坐标系的X方向、Y方向、Z方向的加速度获得，所述手控装置在第一坐标系下的角速度由设置在所述手控装置内的三轴陀螺仪感测自身所属的第一坐标系的X方向、Y方向、Z方向的角速度获得。所述三轴地磁分布由设置在所述手控装置内的三轴磁力计感测自身所属的第一坐标系的X方向、Y方向、Z方向的磁场强度获得
其中，所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态通常以角度，例如，俯仰角θ、滚动角和偏航角γ来表示，如图3所示。需要说明的是，图中所述手控装置部分的虚线所示的方向分别与第二坐标系下的一方向轴的方向对应。
优选地，所述定位系统直接基于控制指针的手控装置当前时刻在第一坐标系下的三轴加速度与三轴角速度、以及当前时刻之前的预定时间内所述手控装置的三维姿态来估计所述手控装置在第二坐标系下的第一姿态因子，再基于所述当前时刻的三轴角速度、三轴地磁分布以及当前时刻之前的预定时间内所述手控装置的三维姿态来估计所述手控装置在第二坐标系下的第二姿态因子；随后再基于第一姿态因子及第二姿态因子来估计所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态。
接着，在步骤S12中，所述定位系统将所述手控装置在第二坐标系下的三维姿态映射至二维空间来确定所述指针的位置信息。
具体地，所述定位系统基于所述手控装置当前时刻在第二坐标系下的俯仰角θ(t)、滚动角和偏航角γ(t)中的俯仰角θ(t)和偏航角γ(t)、以及所述手控装置初始三维姿态所指向的相应显示屏幕中心的俯仰角θ(0)和偏航角γ(0)，按照下述公式来确定所述指针的位置信息（x，y）：
x =(θ(t) ‑θ(0)) × scale；
y =(γ(t) ‑γ(0)) × scale；
其中， scale为预定比例因子，可决定指针的灵敏度。
图4示出了本发明的定位指针位置的方法的另一种优选流程图。
在步骤S11中，所述定位系统基于所述手控装置当前时刻的三轴加速度来估计所述手控装置在所述第二坐标系下的第一姿态因子，并将所获得第一姿态因子作为当前时刻的第一观测因子。
其中，所述第一姿态因子包括任何能用来确定手控装置在第二坐标系下的三维姿态（即俯仰角θ、滚动角和偏航角γ）的相关参数。
例如，所述定位系统基于所述手控装置在当前时刻的三轴加速度gx(t)、gy(t)、gz(t)按照下述方式来估计第一姿态因子，并将所获得的第一姿态因子作为当前时刻的第一观测因子G1(t)：