專利名稱：三維空間運動感測方法
技術領域：
本發明是有關于一種感測裝置在三維空間運動的方法，尤指一種可除去裝置于被 移動時伴隨的轉動的影響，并將裝置坐標轉換至相對于重力的坐標，以感測出裝置在三維 空間運動的方法。
背景技術：
由于當如3D鼠標的裝置被移動時，即使使用者并無意要轉動3D鼠標，移動3D鼠 標的手掌仍會不自覺地些微轉動3D鼠標，然而3D鼠標的三軸加速度計非常靈敏，其加速度 讀值包含受重力加速度影響的分量以及手部運動所產生的加速度分量，因此若只使用傳統 的坐標算法計算三軸加速度計相對于重力坐標的加速度讀值，將因為三軸加速度計讀值所 包含的手部運動所產生的加速度分量而無法得到3D鼠標在空間中正確的運動軌跡。因為 傳統的算法是假設三軸加速度計的讀值只受到重力的影響而沒有考慮到讀值中還包含手 部運動所產生的加速度分量，因此當3D鼠標并不如預期為靜態或是等速運動時，通過傳統 算法所計算出的三軸加速度計相對于重力坐標的讀值，將會因非重力的加速度的影響而產 生誤差，導致無法精準計算出3D鼠標相對于重力的運動軌跡。請參照圖1，圖1是先前技術的一裝置102在屏幕上所呈現的指針軌跡。請參照圖 1，裝置102向左移動兼轉動，因為裝置102未將所產生的運動軌跡由裝置坐標轉換至重力 坐標，導致裝置102射向屏幕100的指針軌跡會隨著裝置102的轉動而改變其移動方向，也 就是說，指標軌跡并非只是向左移動而是向左上方移動。中國臺灣專利第200639406號“慣性感測輸入裝置”揭露一種慣性感測輸入裝置， 此篇專利所描述的運動裝置與方法，無論于靜止或運動中皆無法進行相對于重力的坐標轉 換，使其輸出值為相對于裝置坐標的運動量，非相對于重力的移動量，導致指標的移動方向 會隨著裝置相對于重力的方位而改變。中國臺灣專利第200538751號“自由空間定位裝置和方法”揭露一種自由空間定 位裝置和方法，此篇專利所描述的運動裝置與方法，只能在靜態或慢速移動的條件下，計算 從本體參考坐標系到用戶參考坐標系的坐標轉換，由于缺乏動態下的補償修正機制，而不 可避免地無法進行運動過程中的坐標系轉換工作，導致若在運動過程中出現裝置坐標與自 由空間坐標的相對改變，將造成不正確的運動裝置輸出。美國專利第5，898，421號“陀螺儀指針和方法(Gyroscopic pointer andmethod)”揭露一種陀螺儀指針和方法，此篇專利未能計算加速度計與角度感測器的相 對關系，因此需要兩顆或以上的雙軸角度感測器才能運算坐標轉換時的所需的信息。

發明內容
本發明揭露一種三維空間運動感測方法，包含讀取至少一加速度計在三個坐標方 向的多個讀值；讀取至少一角速度感測器在二個坐標方向的多個讀值；利用該至少一加速 度計在該三個坐標方向的多個讀值及該至少一角速度感測器在該二個坐標方向的多個讀值，產生該裝置的運動旋轉半徑；利用該裝置的運動旋轉半徑與該至少一角速度感測器在 該二個坐標方向的多個讀值，產生該裝置在該二個坐標方向的切線加速度；及利用該至少 一加速度計在該二個坐標方向的多個讀值，該裝置在該二個坐標方向的切線加速度，該至 少一角速度感測器在該二個坐標方向的多個讀值，及該裝置的運動旋轉半徑，產生該裝置 的運動輸出。








圖1是說明先前技術的裝置在屏幕上所呈現的指針軌跡。 圖2是本發明裝置的示意圖。
圖3是圖2裝置在三維空間運動感測的方法的流程圖。 圖4是說明圖2裝置的坐標軸。
圖5是說明圖2裝置的二個坐標方向和重力方向的夾角。 圖6是說明利用圖2的裝置和圖3揭露的方法在屏幕上所呈現的指針軌跡t [主要元件標號說明]
100
102,202
204
206 300-314
Gx Gx G,
屏幕 裝置
三軸加速度計 二軸角速度感測器 步驟
重力加速度于χ、ζ平面的分量 于χ軸方向的重力加速度分量 于Z軸方向的重力加速度分量 夾角
具體實施例方式圖2是說明一裝置202的示意圖。在裝置202內配置三軸加速度計204與二軸角 速度感測器206。三軸加速度計204與二軸角速度感測器206在裝置202于三維空間中運 動時，可記錄裝置202運動時的加速度與角速度。請參照圖3和圖4，圖3是本發明的一實施例所揭露的一裝置在三維空間運動感 測的方法的流程圖，圖4是說明裝置202的坐標軸，而三軸加速度計204和二軸角速度感測 器206坐標軸和裝置202的坐標軸相同。圖3的方法是利用圖2的裝置202說明，詳細步 驟如下步驟300:開始；步驟302 讀取三軸加速度計204在三個坐標方向的多個讀值Ax、Ay、Az，以及讀取 二軸角速度感測器206在二個坐標方向的多個讀值wx、wz ；步驟304 利用三軸加速度計204在三個坐標方向的多個讀值Ax、Ay、Az及二軸角 速度感測器206在二個坐標方向的多個讀值wx、Wz，產生裝置202的運動旋轉半徑r ；步驟306 利用裝置202的運動旋轉半徑r與二軸角速度感測器206在二個坐標 方向的多個讀值wx、，產生裝置202的法線加速度A”及裝置202在二個坐標方向的切線度合成分量(ixz的夾角θ，其中，arctan"
加速度Arx、Arz ；步驟308 利用三軸加速度計204在二個坐標方向的多個讀值AX、AZ及裝置202在 二個坐標方向的切線加速度Am、Arz,產生重力加速度在二個坐標方向的加速度分量(}x、Gz ；步驟310 利用二個坐標方向的重力加速度分量(ix、Gz，產生χ軸方向和重力加速
權利要求
1.一種三維空間運動感測方法，包含讀取至少一加速度計在三個坐標方向的多個讀值； 讀取至少一角速度感測器在二個坐標方向的多個讀值；利用該至少一加速度計在該三個坐標方向的多個讀值及該至少一角速度感測器在該 二個坐標方向的多個讀值，產生該裝置的運動旋轉半徑；利用該裝置的運動旋轉半徑與該至少一角速度感測器在該二個坐標方向的多個讀值， 產生該裝置在該二個坐標方向的切線加速度；及利用該至少一加速度計在該二個坐標方向的多個讀值，該裝置在該二個坐標方向的切 線加速度，該至少一角速度感測器在該二個坐標方向的多個讀值，及該裝置的運動旋轉半 徑，產生該裝置的運動輸出。
2.根據權利要求1所述的方法，其中利用該至少一加速度計在該二個坐標方向的多個 讀值，該裝置在該二個坐標方向的切線加速度，該至少一角速度感測器在該二個坐標方向 的多個讀值，及該裝置的運動旋轉半徑，產生該裝置的運動輸出包含利用該至少一加速度計在該二個坐標方向的多個讀值及該裝置在該二個坐標方向的 切線加速度，產生該裝置在該二個坐標方向的重力加速度分量；利用該二個坐標方向的重力加速度分量，得到該二個坐標方向的重力加速度分量的重 力加速度合成分量與該二個坐標方向中一坐標方向的夾角；及利用該至少一角速度感測器在該二個坐標方向的多個讀值、該裝置的運動旋轉半徑及 該夾角，產生該裝置的橫向運動輸出與縱向運動輸出。
3.根據權利要求2所述的方法，其中利用該至少一加速度計在該三個坐標方向的多個 讀值及該至少一角速度感測器在該二個坐標方向的多個讀值，產生該裝置的運動旋轉半徑 是利用下列方程式(Ax-rx 警)2 +(Az-rx 警)2 + (Ay 一 —z2 + < ))2 二 G2其中Ax為該至少一加速度計檢測到的χ軸方向的加速度分量； Ay為該至少一加速度計檢測到的y軸方向的加速度分量； Az為該至少一加速度計檢測到的ζ軸方向的加速度分量； wz為該至少一角速度感測器檢測到的繞ζ軸旋轉的角速度； wx為該至少一角速度感測器檢測到的繞χ軸旋轉的角速度； At為該至少一加速度計和該至少一角速度感測器的取樣周期； Awz為在繞ζ軸旋轉的角速度于該取樣周期At的角速度的差值； Awx為在繞χ軸旋轉的角速度于該取樣周期Δ t的角速度的差值； G為重力加速度；及 r為該裝置的運動旋轉半徑。
4.根據權利要求3所述的方法，其中利用該裝置的運動旋轉半徑與該至少一角速度感 測器在該二個坐標方向的多個讀值，產生該裝置在該二個坐標方向的切線加速度是利用下 列方程式
5.根據權利要求4所述的方法，其中利用該至少一加速度計在該二個坐標方向的多個 讀值及該裝置在該二個坐標方向的切線加速度，產生該裝置在該二個坐標方向的重力加速 度分量是利用下列方程式Gx = Ax-Arx ；及 Gz = Az-Arz ； 其中為χ軸方向的重力加速度分量；及 Gz為ζ軸方向的重力加速度分量。
6.根據權利要求5所述的方法，其中利用該二個坐標方向的重力加速度分量，得到該 二個坐標方向的重力加速度分量的重力加速度合成分量與該二個坐標方向中一坐標方向的夾角是利用下列方程式
7.根據權利要求6所述的方法，其中利用該至少一角速度感測器在該二個坐標方向的 多個讀值、該裝置的運動旋轉半徑及該夾角，產生該裝置的該橫向運動輸出與該縱向運動 輸出包含下列方程式該橫向運動輸出=ωζΧΓΧ AtXsin θ + ωχΧΓΧ AtXcos θ ；及 該縱向運動輸出=ωζΧΓΧ AtXcos θ + CoxXrX AtXsin θ。
8.根據權利要求6所述的方法，其中利用該至少一角速度感測器在該二個坐標方向的 多個讀值、該裝置的運動旋轉半徑及該夾角，產生該裝置的該橫向運動輸出與該縱向運動 輸出包含下列方程式該橫向運動輸出=OzXrXsin θ+coxXrXcos θ ；及 該縱向運動輸出=OzXrXcos θ +ωχΧΓΧ ArXsin θ。
全文摘要
一種三維空間運動感測方法，于一裝置中放入一加速度計及一角速度感測器，計算該裝置于三維空間中進行旋轉運動時，該裝置相對于重力的角度，尤其是計算該裝置于旋轉運動過程中相對于該重力的運動軌跡，最終可得出該裝置于三維空間中實際運動的軌跡。
文檔編號G06F3/033GK102141845SQ201010109760
公開日2011年8月3日 申請日期2010年2月2日 優先權日2010年2月2日
發明者余仁淵, 葉皓杰, 曾奎彰, 謝宜勛 申請人:旺玖科技股份有限公司