手持式指向装置及其指向方法.pdf

本发明涉及一种手持式指向装置及其指向方法与改善静态飘移的方法。手持式指向装置包括第一石英压电式陀螺仪、第二石英压电式陀螺仪及处理单元，处理单元分别耦接第一石英压电式陀螺仪与第二石英压电式陀螺仪。石英压电式陀螺仪用以检测手持式指向装置的旋转，并产生第一旋转输出与第二旋转输出，处理单元用以依据第一旋转输出与第二旋转输出来产生指向信号。

1.  一种手持式指向装置，其特征在于，包括：
第一石英压电式陀螺仪，用以判断上述手持式指向装置关于第一方向的旋转，并产生一第一旋转输出；
第二石英压电式陀螺仪，用以判断上述手持式指向装置关于第二方向的旋转，并产生第二旋转输出；以及
处理单元，耦接上述第一石英压电式陀螺仪与上述第二石英压电式陀螺仪，并依据上述第一旋转输出与上述第二旋转输出来产生指向输出，在使用上述手持式指向装置时，上述处理单元依据上述第一旋转输出来更新上述第一石英压电式陀螺仪的静态基准电压。

2.  根据权利要求1所述的手持式指向装置，其特征在于，在上述手持式指向装置的使用过程中，上述处理单元依据上述第二旋转输出来更新上述第二石英压电式陀螺仪的一静态基准电压。

3.  根据权利要求1所述的手持式指向装置，其特征在于，上述第一石英压电式陀螺仪包括：
石英本体；
驱动电路，耦接上述石英本体，且驱动上述石英本体进行振动；以及
检测电路，耦接上述石英本体，用以检测上述石英本体的振动并产生上述第一旋转输出。

4.  根据权利要求1所述的手持式指向装置，其特征在于，上述第一石英压电式陀螺仪耦接低通滤波器，上述低通滤波器耦接放大器，上述放大器耦接上述处理单元。

5.  一种手持式指向装置的指向方法，其特征在于，包括：
通过石英压电式陀螺仪判断上述手持式指向装置关于第一方向的旋转与第二方向的旋转，并产生第一旋转输出与第二旋转输出；
依据上述第一旋转输出来更新上述石英压电式陀螺仪关于上述第一方向的静态基准电压的更新静态基准电压步骤；以及
依据上述第一旋转输出与上述第二旋转输出来产生指向输出。

6.  根据权利要求5所述的指向方法，其特征在于，还包括：依据上述第二旋转输出来更新上述石英压电式陀螺仪关于上述第二方向的静态基准电压的更新静态基准电压步骤。

7.  根据权利要求5所述的指向方法，其特征在于，在上述更新静态基准电压步骤中还包括下述步骤：
依据上述第一旋转输出来计算出关于上述第一旋转输出的目前旋转值；
依据上述目前旋转值判断是否更新最大旋转值与最小旋转值；
判断上述手持式指向装置是否在静态；及
若上述手持式指向装置维持静态大于一预设时间，则利用上述目前旋转值来更新上述静态基准电压。

8.  根据权利要求7所述的指向方法，其特征在于，以上述第一旋转输出更新减去由记忆单元中所储存的上述静态基准电压。

9.  根据权利要求7所述的指向方法，其特征在于，若上述目前旋转值大于上述最大旋转值，则以上述目前旋转值更新上述最大旋转值。

10.  根据权利要求7所述的指向方法，其特征在于，若上述目前旋转值小于上述最小旋转值，则以上述目前旋转值更新上述最小旋转值。

11.  根据权利要求7所述的指向方法，其特征在于，利用上述最大旋转值减去上述最小旋转值是否小于预设峰对峰值来判断上述手持式指向装置是否为静态。

12.  一种手持式指向装置的消除静态飘移的方法，其特征在于，包括：
依据石英压电式陀螺仪所提供的旋转输出来计算出目前旋转值；
依据上述目前旋转值判断是否更新最大旋转值与最小旋转值；
判断上述手持式指向装置是否在静态；以及
若上述手持式指向装置维持静态大于一预设时间，则利用上述目前旋转值来更新上述石英压电式陀螺仪的静态基准电压。

13.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，以上述第一旋转输出更新减去由上述手持式指向装置的记忆单元中所储存的静态基准电压。

14.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，若上述目前旋转值大于上述最大旋转值，则以上述目前旋转值更新上述最大旋转值。

15.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，若上述目前旋转值小于上述最小旋转值，则以上述目前旋转值更新上述最小旋转值。

16.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，利用上述最大旋转值减去上述最小旋转值是否小于预设峰对峰值来判断上述手持式指向装置是否为静态。

17.  根据权利要求12所述的方法，其特征在于，依据下述方程式来更新上述石英压电式陀螺仪的静态基准电压：
Wstatic＝Wsum/N+Wstatic_org
其中Wstatic代表新的静态基准电压值，Wsum代表旋转累加值，N代表预设计数值，Wstatic_org代表目前储存在上述手持式指向装置的记忆单元中的静态基准电压值。

18.  根据权利要求17所述的方法，其特征在于，上述预设计数值相对代表上述预设时间，若上述手持式指向装置维持静态的计数大于上述预设计数值，才更新上述石英压电式陀螺仪的静态基准电压。

手持式指向装置及其指向方法
技术领域
本发明涉及一种手持式指向装置，特别是涉及一种手持式指向装置及其指向方法。
背景技术
以往，影像处理装置的指向装置，如电脑的鼠标，在使用时必须放在辅助平面(如桌面)上使用，且必须以一电缆线与电脑连接，如此限制了使用者必须在一固定处使用，更难以通过直觉式的指向行为来达到控制光标位置的目的。
近年来逐渐发展出了手持式指向装置，让使用者不必限制在固定处使用此指向装置便可达到控制电脑屏幕上光标的移动。然而其中的传感器多为两个加速度计或是加速度计与机械式陀螺仪或电容感测式的微机电陀螺仪或光纤式陀螺仪的组合。
举例而言，以两个加速度计作为传感器的手持式指向装置，其是利用加速度计侦测两个轴向与重力轴的夹角，再将加速度计的输出讯号处理成控制讯号并通过无线传输方式传至电脑等影像处理装置。然而在操作时，必须以倾斜的方式来控制屏幕上光标的移动，较不符合人体工学。
另外，机械式陀螺仪体积较大，因而并不适合作为手持式指向装置的传感器。而光纤式陀螺仪也因体积大且成本高而较无市场竞争力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术的不足与缺陷，提出一种手持式指向装置及其指向方法与改善静态飘移的方法，以改善现有技术的缺陷。
为达上述目的，根据一具体实施例，本发明提供一种手持式指向装置，包括第一石英压电式陀螺仪、第二石英压电式陀螺仪、及处理单元。第一石英压电式陀螺仪判断手持式指向装置于第一方向的旋转，并产生一第一旋转输出。第二石英压电式陀螺仪判断上述手持式指向装置于第二方向的旋转并产生第二旋转输出。处理单元耦接第一石英压电式陀螺仪与第二石英压电式陀螺仪，并依据第一旋转输出与第二旋转输出来产生指向输出，且在手持式指向装置的使用过程中，处理单元依据第一旋转输出来更新第一石英压电式陀螺仪的静态基准电压。
为达上述目的，根据一具体实施例，本发明还提供一种手持式指向装置的指向方法，包括下述步骤：通过石英压电式陀螺仪判断手持式指向装置于第一方向的旋转与第二方向的旋转，并产生第一旋转输出与第二旋转输出；依据上述第一旋转输出来更新石英压电式陀螺仪于第一方向的的静态基准电压的更新静态基准电压步骤；以及依据第二旋转输出与第二旋转输出来产生指向输出。
为达上述目的，根据一具体实施例，本发明另提供一种手持式指向装置的消除静态飘移的方法，包括下述步骤：依据石英压电式陀螺仪所提供的旋转输出来计算出目前旋转值；依据目前旋转值判断是否更新最大旋转值与最小旋转值；判断手持式指向装置是否在静态；以及若手持式指向装置维持静态大于一预设时间，则利用目前旋转值来更新石英压电式陀螺仪的静态基准电压。
根据本发明的一较佳实施例，在上述手持式指向装置的使用过程中，上述处理单元依据第二旋转输出来更新第二石英压电式陀螺仪的静态基准电压。
根据本发明的一较佳实施例，第一石英压电式陀螺仪包括石英本体、驱动电路、及检测电路。驱动电路耦接石英本体，且驱动石英本体进行振动。检测电路耦接石英本体，并用以检测石英本体的振动以产生第一旋转输出。
根据本发明的一较佳实施例，第一石英压电式陀螺仪耦接低通滤波器，低通滤波器耦接放大器，放大器耦接处理单元。
根据本发明的一较佳实施例，在上述更新静态基准电压步骤中还包括下述步骤：依据第一旋转输出来计算出目前旋转值；依据目前旋转值判断是否更新最大旋转值与最小旋转值；判断手持式指向装置是否在静态；以及若手持式指向装置维持静态大于预设时间，则利用目前旋转值来更新上述静态基准电压。
根据本发明的一较佳实施例，以上述第一旋转输出减去由记忆单元中所储存的静态基准电压。
根据本发明的一较佳实施例，若上述目前旋转值大于上述最大旋转值，则以上述目前旋转值更新上述最大旋转值。
根据本发明的一较佳实施例，若上述目前旋转值小于上述最小旋转值，则以上述目前旋转值更新上述最小旋转值。
根据本发明的一较佳实施例，利用上述最大旋转值减去上述最小旋转值是否小于预设峰对峰值来判断上述手持式指向装置是否为静态。
本发明采用石英压电式陀螺仪作为手持式指向装置的传感器，使指向装置的体积可缩小至手持大小，并能以自觉式的指向行为来达到控制影像处理装置上光标移动的目的，让使用者能在符合人体工学的操作模式下使用操作。另外，为了保证石英压电式陀螺仪具有更稳定的指向性能，在本发明的实施例中同时对其静态基准电压值进行了更新处理，以解决其静态漂移问题。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，现特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的一手持式指向装置的功能方块图；
图2是根据本发明第一实施例的本实施例的指向输入系统示意图；
图3是根据本发明第一实施例的石英压电式陀螺仪的其中一个感测单元的功能方块图；
图4A是根据本发明第一实施例的的石英压电式陀螺仪的其中一个感测单元的剖面图；
图4B是表示图4A中石英本体的俯视示意图；
图4B是图4A中石英本体21的俯视示意图；
图5是根据本发明另一实施例的手持式指向装置的功能方块图；
图6是绘示陀螺仪产生静态飘移的示意图；
图7是根据本发明一实施例更新一个石英压电式陀螺仪的静态基准电压值的流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明第一实施例的一手持式指向装置的功能方块图。本实施例所提供的手持式指向装置10包括石英压电式陀螺仪11、低通滤波器(LPF)12、放大器13、处理单元14、无线传输模块15、及记忆单元16。石英压电式陀螺仪11耦接于低通滤波器12，低通滤波器12耦接于放大器13，放大器13耦接于处理单元14，无线传输模块15耦接于处理单元14，记忆单元16耦接于处理单元14。
在本实施例中，石英压电式陀螺仪11是先耦接低通滤波器12，然后低通滤波器12再耦接放大器13。在其它实施例中，石英压电式陀螺仪11亦可先耦接放大器13，放大器13再耦接低通滤波器12。
上述低通滤波器12用以对石英压电式陀螺仪11的输出信号进行低通滤波处理。上述放大器13用以对其所接收的信号放大。值得注意的是，本实施例所提供的处理单元14更包括模拟/数字转换器(图未示)，以将放大器13处理过的讯号先进行模拟/数字转换。上述无线传输模块15用以接收处理单元14的指向输出，并将其所接收的指向输出通过无线网络传送到一接收端。上述记忆单元16用以储存基准电压值以及手持式指向装置的相关操作数据。
图2显示本实施例的指向输入系统示意图。在图2中，手持式指向装置10是通过无线传输模块15将手持式指向装置10所产生的指向输出传送到影像处理装置40的接收端41。在本实施例中，接收端41是通过USB接口耦接于影像处理装置40。此外，这个影像处理装置40包括一显示单元(图未示)。由此，手持式指向装置10所提供的指向输出可以被影像处理装置40转换为一指向位置信号，且手持式指向装置10可以达成控制影像处理装置40的操作。在本实施例中，影像处理装置40为笔记本电脑；在其它实施例中，影像处理装置40可为桌上型计算机、数字电视、或影音娱乐系统。
请继续参照图1，在本实施例中，石英压电式陀螺仪11为多轴陀螺仪，其用以感测手持式指向装置10关于两个方向的旋转，以分别提供第一旋转输出(Rop1)与第二旋转输出(Rop2)至低通滤波器12。在本实施例中，石英压电式陀螺仪11是将两个感测单元封装在单一个芯片中，每一个感测单元用以感测手持式指向装置10关于某一个方向的旋转，以提供一旋转输出。
图3显示本实施例所提供的石英压电式陀螺仪11的其中一个感测单元的功能方块图。上述感测单元20包括石英本体21、驱动电路21及检测电路23。驱动电路21耦接于石英本体21，用以驱动上述石英本体21进行振动。检测电路23亦耦接于石英本体21，用以检测上述石英本体21的振动并产生一旋转输出(例如：第一旋转输出)。
图4A显示本实施例所提供的石英压电式陀螺仪的其中一个感测单元的剖面图。有关图3的说明，请一并参照图3与图4A。在图4A中，感测单元20包括收容器25、盖体26、石英本体21、支撑基板28、引线板29、及集成电路30。在本实施例中，上述集成电路30配置在收容器25的底部，且是以面朝下的方式安装。集成电路30包括驱动电路21与检测电路23。
感测单元20利用引线板29支撑其中央部，引线板29被固定在配置于收容器25的底部的支撑基板28上。收容器25的上部被盖体26密封着，以便把收容器25内部保持为真空环境。
图4B是图4A中石英本体21的俯视示意图。在本实施例中，石英本体21具有一双T型结构。石英本体具有被称为电轴的X轴、被称为机械轴的Y轴以及被称为光轴的Z轴。并且，石英本体21在Z轴方向具有规定的厚度，并形成于XY平面内。
石英本体21具有基部210、检测振动臂211A、211B、连接臂212A、212B、及驱动振动臂213、214。上述检测振动臂211A、211B由基部210往上下两个方向延伸而形成。上述连接臂212A、212B由基部210往左右两个方向延伸而形成。上述连接臂212A的一端与基部210连接，而连接臂212A的另一端与驱动振动臂213连接。上述连接臂212B的一端与基部210连接，而连接臂212B的另一端与驱动振动臂214连接。此外，驱动振动臂213分别与检测振动臂211A、检测振动臂211B、驱动振动臂214平行。同时，驱动振动臂213、214以及连接臂212A、212B关于石英本体21的重心G的Y轴线对称。
另外，检测振动臂211A、211B的表面形成有输出电极(图未示)，驱动振动臂213、214的表面形成有驱动电极(图未示)。如此，便可利用检测振动臂211A、211B构成检测角速度的检测振动系统，利用连接臂212A、212B和驱动振动臂213、214构成驱动石英本体21的驱动振动系统。由此，当手持式指向装置20被旋转时，检测振动系统即可取得手持式指向装置20绕Z轴旋转的角速度，再将此角速度转换为与其成正比的旋转输出，继而经过低通滤波、放大后，再传送至处理单元14进行相关处理。
图5显示本发明另一实施例的手持式指向装置的功能方块图。本实施例所提供的手持式指向装置50包括石英压电式陀螺仪51、52、低通滤波器53、54、放大器55、56、处理单元57、无线传输模块58及记忆单元59。石英压电式陀螺仪51耦接于低通滤波器53，低通滤波器53耦接于放大器55，放大器55耦接于处理单元57。石英压电式陀螺仪52耦接于低通滤波器54，低通滤波器54耦接于放大器56，放大器56耦接于处理单元57。无线传输模块58耦接于处理单元57，记忆单元59耦接于处理单元57。在本实施例中，手持式指向装置50的内部各个组件的功能与上述实施例类似，只有石英压电式陀螺仪51在本实施例中是单轴石英压电式陀螺仪，石英压电式陀螺仪5在本实施例中是单轴石英压电式陀螺仪。
一般来说，传统的手持式指向装置若利用陀螺仪为空间指向的传感器，则其所使用的陀螺仪传感器的输出的中心基准电压(静态基准电压)会随着时间、操作过程、或温度而产生静态飘移(Bias drift)，如图6中的A～A’区间。静态飘移会使得手持式指向装置指向影像处理装置的操作范围会逐渐的飘移，使得手持式指向装置无法精准地控制影像处理装置的操作。因此，在本发明一实施例中，本发明较佳实施例所提供的手持式指向装置，在手持式指向装置的使用过程中，手持式指向装置依据石英压电式陀螺仪的旋转输出来更新其静态基准电压。
图7显示本发明一实施例更新一个石英压电式陀螺仪的静态基准电压值的流程图。图7显示例如更新石英压电式陀螺仪51的静态基准电压值WO，在本实施例中，石英压电式陀螺仪51用以感测手持式指向装置50在X轴方向的旋转。有关图7的说明，敬请一并参照图5与图7。在本实施例中，每隔时间T，处理单元57便进行一次判断，以决定是否需要更新石英压电式陀螺仪511的静态基准电压值WO。
在步骤S705中，手持式指向装置50的电源被开启时，处理单元57从记忆单元59读取石英压电式陀螺仪511的静态基准电压值WO。
在步骤S710中，处理单元57接收到石英压电式陀螺仪511所产生的第一旋转输出，处理单元57并将上述第一旋转输出减去由记忆单元59中所读出的静态基准电压值，以判断目前手持式指向装置50的目前旋转值。例如：若第一旋转输出为1.9V，由记忆单元59中所读出的静态基准电压值为1V，则目前旋转值为正的0.9V。因此，处理单元57可判断出手持式指向装置50沿着X轴向上旋转，即手持式指向装置50是往上指向。若第一旋转输出为0.1V，由记忆单元59中所读出的静态基准电压值为1V，则目前旋转值为负的0.9V。因此，处理单元57可判断出手持式指向装置50沿着X轴向下旋转，即手持式指向装置50是往下指向。
在步骤S715中，处理单元57进一步判断目前旋转值是否大于计算静态飘移的时间内的最大旋转值(W_max)。若目前旋转值大于计算静态飘移的时间内的最大旋转值，则以目前旋转值来更新计算静态飘移的时间内的最大旋转值(步骤S720)。若目前旋转值没有大于计算静态飘移的时间内的最大旋转值，则执行步骤S725。
例如：若目前旋转值为正的0.9V，而计算静态飘移的时间内的最大旋转值(前一次最大旋转值)为0V，则以目前旋转值(+0.9V)来更新计算静态飘移的时间内的最大旋转值(0V)(步骤S720)。
在步骤S725中，处理单元57进一步判断目前旋转值是否小于计算静态飘移的时间内的最小旋转值(W_min)。若目前旋转值小于计算静态飘移的时间内的最小旋转值，则以目前旋转值来更新计算静态飘移的时间内的最小旋转值(步骤S730)。若目前旋转值没有小于储存在记忆单元59中的最小旋转值，则执行步骤S735。因此，在本实施例中，计算静态飘移的时间内的最大旋转值与最小旋转值有可能会一直被更新。
例如：若目前旋转值为负的0.8V，而储存在记忆单元59中的最小旋转值(前一次最小旋转值)为负的0.9V，则执行步骤S735。
值得注意的，虽然在本实施例中，步骤S715是先被执行，接着再执行步骤S725。在其它实施例中，亦可先执行步骤S725，接着再执行步骤S715。
在步骤S735中，处理单元57用以判断手持式指向装置50是否在静态的情况。在本实施例中，处理单元57利用计算静态飘移的时间内的最大旋转值减去计算静态飘移的时间内的最小旋转值，以获得一目前峰对峰值。继而，处理单元57比对峰对峰值是否小于一预设峰对峰值，其中预设峰对峰值是一个演算单元中预先设定的值。若目前峰对峰值小于预设峰对峰值，则代表手持式指向装置50目前是在几乎静止的状态下，继而执行步骤S745。例如：手持式指向装置50被放置在桌面上，或手持式指向装置50被使用者拿在手上不动。若目前峰对峰值大于预设峰对峰值，则代表手持式指向装置50目前正被使用者操作，且手持式指向装置50可能被使用者大幅度地旋转操作，继而执行步骤S740。
在步骤S740中，处理单元57重置(Reset)其内部的计数器(图未示)与旋转累加值。在步骤S745中，代表手持式指向装置50目前在静止状态，所以处理单元57执行计数值的累加(counter++)，并将目前旋转值(W_cur)累加到旋转累加值(W_sum＝W_sum+W_cur)。例如：目前的计数值为0，旋转累加值为0，处理单元57将计数值加1，且将目前旋转值(例如：0.9V)累加，使得旋转累加值等于0.9V。若下次再执行步骤S740，则将依上述累加值继续累加。
在步骤S750中，处理单元57判断手持式指向装置50是否在静止装态维持一段时间。在本实施例中，处理单元57利用一预设计数值来进行判断。此预设计数值是用来辨识上述计算静态飘移的时间。亦即，在本实施例中，预设计数值相对代表上述预设时间，若手持式指向装置维持静态的计数大于预设计数值，才更新石英压电式陀螺仪51的静态基准电压。例如：处理单元57执行完步骤S745之后，处理单元57判断目前计数器的计数值是否大于预设计数值，若否，则处理单元57执行步骤S710。若处理单元57判断目前计数器的计数值大于预设计数值，则代表手持式指向装置50已经在静止状态一段时间，且石英压电式陀螺仪511已产生静态飘移，因此，处理单元57执行步骤S755，以更新记忆单元59中的静态基准电压值。
在步骤S755中，本实施例的处理单元57利用下述公式计算出新的静态基准电压值：
Wstatic＝Wsum/N+Wstatic_org
其中，Wstatic代表新的静态基准电压值，Wsum代表旋转累加值，N代表预设计数值，Wstatic_org代表目前储存在记忆单元59中的静态基准电压值。
例如：原本储存在记忆单元59中的静态基准电压值为1V，旋转累加值为1.6V，预设计数值为80，则新的静态基准电压值为1.2V，因此若处理单元57再接收到石英压电式陀螺仪51的第一旋转输出为1.2V，则处理单元57在步骤S710中所计算出的目前旋转值为0V。继而，处理单元57执行步骤S715与S725皆不会更新最大旋转值与最小旋转值。接着，处理单元57执行步骤S740。因此，对于石英压电式陀螺仪51而言，其静态基准电压值的静态飘移已被改善，所以使得手持式指向装置50能够精准地控制影像处理装置的操作。
在步骤S705中，手持式指向装置50的电源被开启时，处理单元57从记忆单元59读取石英压电式陀螺仪51的静态基准电压值W₀。
在步骤S710中，处理单元57接收到石英压电式陀螺仪51所产生的第一旋转输出，处理单元57并将上述第一旋转输出减去由记忆单元59中所读出的静态基准电压值，以判断目前手持式指向装置50的目前旋转值。例如：若第一旋转输出为1.9V，由记忆单元59中所读出的静态基准电压值为1V，则目前旋转值为正的0.9V。因此，处理单元57可判断出手持式指向装置50沿着X轴向上旋转，即手持式指向装置50是往上指向。若第一旋转输出为0.1V，由记忆单元59中所读出的静态基准电压值为1V，则目前旋转值为负的0.9V。因此，处理单元57可判断出手持式指向装置50沿着X轴向下旋转，即手持式指向装置50是往下指向。
如上所述，图7的流程图适用于手持式指向装置50的石英压电式陀螺仪51，在本实施例中，图7的流程图亦适用手持式指向装置50的石英压电式陀螺仪52，在此便不再重复说明。
综上所述，本发明采较佳实施例用石英压电式陀螺仪作为手持式指向装置的传感器，使指向装置的体积大小可缩小至手持大小，并能以自觉式的指向行为来达到控制影像处理装置上光标移动的目的，让使用者能在符合人体工学的操作模式下使用操作。另外，为了保证石英压电式陀螺仪具有更稳定的指向性能，在本发明的实施例中同时对其静态基准电压值进行了更新处理，以解决其静态漂移问题。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。