专利名称：自由空间定位装置和方法
自由空间定位装置和方法本申请为2005年5月2日提交的、发明名称为“自由空间定位装置和方法”的第 200580021162. 2号申请的分案申请。
背景技术：
本申请与2004年4月30日递交的题为“自由空间定位装置”的第60/566，444号美国临时专利申请相关并要求其优先权，该申请的内容通过引用并入本文。本申请还与2004 年9月23日递交的题为“自由空间定位装置和方法”的第60/612，571号美国临时专利申请相关并要求其优先权，该申请的内容通过引用并入本文。本申请还与2005年1月5日递交的题为“用于去除自由空间定位装置的无意运动”的第60/641，383号美国临时专利申请相关并要求其优先权，该申请的内容通过引用并入本文。本申请还与2005年1月5日递交的题为“自由空间定位装置及其使用方法”的第60/641，410号美国临时专利申请相关并要求其优先权，该申请的内容并入本文作为参考。本申请还与2005年1月5日递交的题为“手持遥控装置”的第60/641，405号美国临时专利申请相关并要求其优先权，该申请的内容通过引用并入本文。本申请还涉及与本申请同时递交的题为“用于去除自由空间定位装置的无意运动的方法和装置”、“具有倾斜补偿和改进的可用性的自由空间定位装置”和“基于抖动识别用户的方法和装置”的三个美国专利申请No. 11/119，987、11/119，719、11/119，688， 上述所有申请的内容通过引用并入本文。本发明描述自由空间定位技术、系统和装置，以及一些可用于其他类型手持装置的技术和装置。在最近几十年内，与信息交换相关的技术已经得到快速发展。电视、蜂窝电话技术、互联网和光通信技术(仅例举出几个)相结合，将消费者淹没在可用信息和娱乐选择中。以电视为例，在最近三十年内已经引入了有线电视服务、卫星电视服务、按次计费电影和视频点播。二十世纪六十年代的电视收看者通常可在其电视机上接收约4个或5个无线电视频道，然而当今的电视观众则有机会从数以百计、数以千计甚至可能数以百万计的节目和信息频道中进行选择。当前主要用于旅馆等的视频点播技术提供了从数以千计的电影标题中进行家庭娱乐选择的可能性。为最终用户提供如此大量信息和内容的技术能力为系统设计者和服务提供商带来了机遇和挑战。一个挑战是，虽然最终用户通常更希望具有较多选择而不是较少选择，但是这通常会与其希望选择过程又快速又简单相冲突。不幸的是，最终用户访问媒体项目的系统和界面的开发导致选择过程既不快速又不简单。再次以电视节目为例。当电视在起步阶段时，确定观看哪个节目是相对简单的过程，这主要是由于选择数目较小造成的。人们参考经过编排的印制节目表，例如，具有显示以下项目的对应信息的行和列(1)附近的电视频道，( 这些频道上传输的节目以及(3)日期和时间。通过调节调谐钮将电视调到期望的频道，观看者就能观看选定的节目。然后，出现了遥控装置，其使得观看者能够在较远距离外调谐电视频道。这种对用户电视界面的增加产生了被称作“频道冲浪(channel surfing) ”的现象，从而观看者能够快速查看在多个频道上播出的较短片断，以快速地确定
3任何给定时间的可看节目。虽然频道数目和可看内容的数量急剧增加，但是在最近30年间，用于电视的广泛可用的用户界面、控制装置选项和框架并没有明显变化。印制节目表仍然是传递节目信息的最盛行方式。具有上下箭头的多按钮遥控器仍然是最盛行的频道/内容选择方式。那些为增加电视用户界面的媒体内容选择的设计及实施人员，对于此问题的反应是直接扩充现有的选择方式及接口对象。因此，增加印制节目表的行数来容纳更多的频道。增加遥控装置上的按钮数目来支持附加的功能和内容操作，例如，如图1所示。但是，这一方法显著增加了观看者查看可用信息所需的时间和执行选择所需动作的复杂性。由此看来，现有接口复杂的特性妨碍了某些服务的商业实施，比如说视频点播。消费者会抵触新的服务因为那样将会使接口(消费者认为这些接口已经过于缓慢和复杂)更加复杂。除了带宽和内容的增加之外，用户界面瓶颈问题还由于技术的集合而得以加剧。 消费者更倾向于选择购买集成系统而不是多个可分离的组件。这一趋势的一个示例是电视 /VCR/DVD的组合，三个之前独立的组件在当今经常作为一个集成单元出售。这一趋势可能会继续，其最终结果可能是，当今家庭中具有的大多数(如果不是所有的话)通信设备将被包装到一起作为集成单元，例如，电视VCR/DVD/互联网接入/收音机/立体音响单元。即使那些继续购买单独组件的人们也可能希望得到对于单独组件的无缝控制及其之间的相互配合。上述集合的增加可能使用户界面的复杂性进一步增加。例如，当引入所谓的“通用”遥控单元以例如结合电视遥控单元和VCR遥控单元的功能时，这些通用遥控单元上的按钮数目通常大于单独的电视遥控单元或者单独的VCR遥控单元上的按钮数目。按钮数目和功能的增加使得如果没有正确搜寻遥控器上的适当按钮的话将很难控制除了电视或VCR 的最简单方面之外的任何事。通常，这些通用遥控并没有提供足够的按钮来实现多层控制或某些电视机的特定功能。在这种情况下，由于集合的复杂造成的用户接口问题，还需要使用原遥控单元，并无法减少原本使用多个遥控的麻烦。为了解决此问题，有些遥控单元增加了能够用专用命令编程的“软”按钮。有时这些软按钮会附带IXD显示屏以指示软按钮的功能。这些遥控单元的缺陷是如果不把视线从电视转到遥控器将很难进行遥控。这些遥控单元的另一项缺陷表现在这些遥控以“模式”的方法来减少按钮数量。在这些“模式”通用遥控单元上，存在特定的按钮以选择遥控与电视机、DVD机、有线电视机顶盒、VCR还是其他装置通信。这造成了很多使用问题，包括，把命令传送给错误的装置，使用户不得不看着遥控以确保处于正确模式，还有它本身并没对多装置集合一体的遥控进行任何简化。最先进的通用遥控单元通过允许用户将多种装置的命令序列编程设置到遥控单元而实现一定的集成。但是，这是一项困难的工作，很多用户雇请专业安装人员来设置他们的通用遥控单元。也进行了一些尝试来改进终端用户与媒体系统之间的屏幕界面。但是，除了其它缺点之外，这些尝试一般都无法在较大的媒体项目集合与较小媒体项目集合之间容易地调节(scale)。例如，基于项目列表的界面适用于小媒体项目集合，但要阅览大的媒体项目集合时则变得乏味冗长。而基于分级导航(树型结构)的界面与列表界面相比，能够更快地遍历大的媒体项目集合，但并不适用于小媒体项目集合。此外，当选择的过程需要穿过树型结构的三层或三层以上时，用户会对选择过程失去兴趣。对于所有上述例子，现在的遥控单元使用户不得不反复的按上下按钮来操作列表或分级导航，使得选择过程更加的乏味冗长。尽管提供了跳跃控制如上一页，下一页，用户一般要看着遥控单元或经过训练才知道它们的存在。因此，于2004年1月30日提交的美国专利申请号为10/768，432，名称为“带有用于组织、选择、启动媒体项目的可缩放图形用户接口的控制框架”的申请提出了这样一种组织框架、技术和系统，其能够简化用户和媒体系统之间的控制及屏幕界面并加快选择过程，同时允许服务提供商利用终端用户装置的可用带宽的增长来促进为用户提供大量的媒体项目和新服务。其公开的内容通过引用并入本申请。本申请说明书特别关注的是可用来与上述框架以及其它应用和系统进行交互的遥控装置。如以上并入本文的申请所提及，可以在该框架下使用不同类型的遥控装置，比如跟踪球(traclcball)，“鼠标”类型的定位装置，光笔等。但是，可以在该框架(以及其他应用)下使用的另一种遥控装置是自由空间定位装置。短语“自由空间定位”在本说明书中代表输入装置在例如显示屏前的三维(或更多维)空间进行移动的能力，以及相应地用户界面把那些动作直接转换成用户界面命令(例如，光标在显示屏的移动)的能力。自由空间定位装置的数据传递可以无线地实现、或通过将自由空间定位装置与其它装置连接的有线来实现。因此，“自由空间定位”不同于例如需要使用平面(例如，桌面或鼠标垫，该平面用作代理平面，鼠标在其上的移动被转换为电脑显示屏上的光标移动)的常规电脑鼠标定位技术。这样的自由空间定位装置的实例可以从美国专利5，440，326里找到。在美国专利5，440，326专利中描述了将垂直的陀螺仪改装用来控制计算机显示屏上光标的位置的定位装置。位于该陀螺仪核心处的电机通过两对垂直的万向接头而悬挂于手持控制器装置，并标称地通过悬垂装置使该电动机的转轴垂直。当用户在操作控制器时电光杆角编码器感测手持控制器的方位，并且得到的电子输出被转换为计算机可用的形式以控制电脑显示屏上光标的移动。然而，在手持装置设计领域，以及更具体地，在自由空间定位器设计领域，存在显著的改进空间。
发明内容
根据本发明的系统和方法针对上述和其它需求，提供了一种手持装置，例如，自由空间定位装置，该装置使用至少一个传感器来检测手持装置的运动。所检测的运动然后可被映射为期望的输出，例如光标运动。根据本发明的一个示例性实施方案，一种定位装置包括第一转动传感器，用于确定所述定位装置关于第一轴线的转动并生成与其相关的第一转动输出；第二转动传感器， 用于确定所述定位装置关于第二轴线的转动并生成与其相关的第二转动输出；加速度计， 用于确定所述定位装置的加速度并输出与其相关的加速度输出；以及处理单元，用于基于所述加速度而修改所述第一和第二转动输出，以及基于所述修改的第一和第二转动输出而生成输出。根据本发明的另一个实施方案，一种用于控制自由空间定位装置的方法，所述方法包括以下步骤检测是否不存在与所述自由空间定位装置相关的运动；以及根据所述检测步骤的结果，将所述自由空间定位装置设置为功率降低状态。根据本发明的另一个示例性实施方案，一种用于控制系统的方法，所述方法包括以下步骤检测与装置相关的运动；确定所述运动是否代表所述装置目前被用户所持有； 以及基于所述确定步骤的结果，控制所述系统。
附图描述了本发明的示例性的实施方式，其中图1显示了娱乐系统的常规遥控单元；图2显示了本发明可实施的示例性实施方式的一种示例性的媒体系统；图3显示了根据本发明的示例性实施方式的自由空间定位装置；图4显示了自由空间定位装置的剖面图，包括两个转动传感器及一个加速器；图5是说明根据本发明的示例性实施方式的、用于处理与自由空间定位装置有关的数据的方框图；图6 (a) -6 (d)显示了倾斜的影响；图7显示了根据本发明的示例性实施方式的自由空间定位装置的硬件结构；图8是说明本发明的示例性实施方式的静态检测机制的状态图；图9是示出了根据本发明一个示例性实施方案的、基于检测到的手持装置的手部抖动来识别用户的方法的流程图；图10(a)-10(d)是根据本发明一个示例性实施方案的、作为基于手部抖动识别用户的示例性方法和装置的测试一部分而收集的频域抖动数据的曲线图；图11是描绘了根据本发明一个示例性实施方案的、与基于手部抖动识别用户的方法相关的特征值的图；图12是示出了根据本发明一个示例性实施方案的、与基于手部抖动识别用户的示例性方法相关的等级划分结果的图；图13是示出了根据本发明一个示例性实施方案的、将检测的运动数据由第一坐标系转换为第二坐标系的方框图；图14用图表的方式示出了根据本发明一个示例性实施方案的、将检测的运动数据由第一坐标系转换为第二坐标系的过程；图15是示出了根据本发明一个示例性实施方案的、用于从检测到的运动中去除无意运动的系统的方框图；以及图16示出了检测到的、与精细的按钮点击和粗略的按钮点击相关的运动的各种实施例。
具体实施例方式下面将参考附图对本发明进行详细描述。相同的附图标记在不同的附图里表示同样或相似的元件。应当理解，下面详细的描述不是对本发明的限制。本发明的范围由所附的权利要求书来限定。为了为以下讨论提供一些背景，先参考图2描述本发明可实施的一个示例性的集合媒体系统200。本领域技术人员可以理解，本发明并不局限于这类媒体系统的实施，而是可以在其中添加或减少部件。其中，输入/输出(I/O)总线210将媒体系统200的各系统部件连接到一起。I/O总线210代表用于对媒体系统部件间的信号进行路由的多种不同机制和技术中的一种。例如，I/O总线210可以包括适当数量的，对音频信号进行路由的独立音频“插接(patch) ”电缆，对视频信号进行路由的同轴线缆，对控制信号进行路由的双线式串行线或者红外或射频收发器，以及对其他类型的信号进行路由的光纤或任何其他路由机制。在该示例性的实施方式中，媒体系统200包括连接到I/O总线210的电视机/显示屏212、盒式磁带录象机(VCR) 214、数据视频碟(DVD)录制/重放装置216、音频/视频调谐器218和压缩光盘播放器220。VCR214、DVD 216和压缩光盘播放器220可为单碟或单磁带装置，或多碟或多磁带装置。他们可以视为独立的单元也可以是集成一体的。另外，媒体系统200包括麦克风/扬声器系统222、摄影机2 和无线I/O控制装置226。根据本发明示例性的实施方式，无线I/O控制装置2 为自由空间定位装置，其相关的示例性的具体实施方式
将在下文描述。无线I/O控制装置2 可通过红外线(IR)或射频(RF)发射器或收发器与娱乐系统200进行通信。作为一种选择，I/O控制装置经由电线连接到娱乐系统 200。娱乐系统200还包括系统控制器228。根据本发明示例性的实施方式，系统控制器 2 操作以储存并显示来自多个娱乐系统数据源的可用娱乐系统数据，并控制与各系统部件有关的大量功能。如图2显示，系统控制器2 通过I/O总线210直接或间接地连接各个系统部件(如果需要)。在一个示例性的实施方式中，除了 I/O总线210外(或者作为替代)，系统控制器2 还装备有无线通信发射器(或收发器)，其能够通过顶信号或RF信号与系统部件进行通信。不管采用何种控制媒体，系统控制器2 被配置为通过如下描述的图形用户界面来控制对媒体系统200的媒体部件。如图2进一步所示，媒体系统200可配置为接收来自不同的媒体源和服务提供商的媒体项目。在本示例性的实施方式中，媒体系统200从以下来源之一或全部接收媒体输入，以及可选地向以下来源之一或全部发送信息有线广播230，卫星广播232 (例如，通过圆盘式卫星电视天线)，甚高频(VHF)或超高频(UHF)无线电频率通信(比如，通过天线) 的广播电视网络234，电话网236和有线调制调解器238 (或其他网络内容的来源)。本领域技术人员应当理解，这些参考图2说明和描述的媒体部件和媒体来源仅为举例的作用， 媒体系统200可以包括更多或更少的媒体部件和媒体来源。比如，系统的其他输入种类包括AM/FM收音机和卫星收音机。关于这个示例性的娱乐系统及其相关的框架的更多细节可以从上面提到的、并通过引用并入本文的美国发明申请“带有用于组织、选择、启动媒体项目的可缩放图形用户接口的控制框架”中看出。或者，本发明的遥控装置可以结合其他系统使用，比如，包括例如显示器、处理器和存储系统或其他系统和应用程序计算机系统。如背景技术中已经提到的，本说明书特别关注可以作为自由空间定位的遥控装置。这些装置可以将姿势类动作为转换为对用户界面发出的命令。图3描述了一个示例性的自由空间定位装置400。其中自由空间定位的用户动作可以被定义为自由空间定位装置 400在χ-轴高度(滚动)，y-轴仰角(斜度)和/或ζ-轴去向(偏航)或其结合上的运动。另外，本发明的一些示例性实施方式还可以测量自由空间定位装置400沿χ轴、y轴和 ζ轴上的直线运动，以产生光标的移动或其他用户界面的命令。在图3中的示例性实施方式中，自由空间定位装置400包括两个按钮402和404以及滚轮406 (其他的示例性实施方式可以包括其他的物理设置)。根据本发明示例性的实施方式，可以预料，使用者将在显示器 408前持握自由空间定位装置400，并且自由空间定位装置400将其运动转换为可用来与显示在显示器408上的信息相互作用的输出(例如在显示器408上移动光标410)。例如，自由空间定位装置400感测其关于y轴的转动并转换成系统可用的输出，以沿显示器408的 Y2轴移动光标410。同理，自由空间定位装置400感测其关于ζ轴的转动并转换成系统可用的输出，以沿着显示器408的&轴移动光标410。可以理解，除了移动光标以外(或者作为替代)，自由空间定位装置400的输出还可以其他方法与显示器408进行交互，比如自由空间定位装置可以控制光标亮度强弱、音量或媒体的传递(播放、暂定、快进、倒回)。除光标移动外，输入命令可以包括例如对显示器的特定区域进行缩放的操作。光标可以是可见或不可见的。同样，自由空间定位装置400感测到的其沿χ轴的转动可被作为y轴和/或 ζ轴以外(或附加于y轴和/或ζ轴)的转动，以提供用户界面的输入。根据本发明示例性的一个实施方式，如图4所示，自由空间定位装置400采用两个转动传感器502及504和一个加速度计506作为传感器。转动传感器502和504可以例如使用由模拟器件制造的AD)(RS 150传感器或AD)(RS401传感器来实现。本领域技术人员可以理解，其他类型的转动传感器也可以作为传感器502和504使用，所提AD)(RS150 和AD)(RS401只是为了用来说明的实施例。不同于传统的陀螺仪，这些转动传感器使用微型机电系统(MEMQ技术，提供附在框架上的共振物质，以使其只能沿一个方向共振。当附着有传感器的本体沿传感器的感测轴线转动时，该共振物质将会移位。可以通过科里奥利 (Coriolis)加速度效应来测量出该移位，以确定与沿感测轴转动相关的角速度。如果转动传感器502和504有一个感测轴线(如AD)(RS150 —样)，那么他们将被安装在自由空间定位装置400上使得他们的感测轴与待测的旋转对齐。在本发明的示例性的实施方式中，这就意味着转动传感器504被安装以使其感测轴线与y轴平行，转动传感器502被安装以使其感测轴线与ζ轴平行，如图4所示。但是，应当注意，由于本发明示例性的实施方式中提供了用于对轴线间偏移进行补偿的技术，所与并不是必须要求转动传感器502和504的感测轴线与其期望的测量轴线平行。根据本发明的示例性的自由空间定位装置400的实施所面临的挑战是，使用不太贵的部件(比如，转动传感器502和504)，但同时又要提供自由空间定位装置400的运动、 用户期望用户界面对自由空间定位装置的特定动作做出何种反应、以及响应于该动作的实际用户界面执行之间的高度相关性。例如，如果自由空间定位装置400没有移动，用户将会认为光标不应该在显示屏上飘移。同样，如果用户只沿y轴转动自由空间定位装置400，他 /她将不期望看见在显示器408上的光标移动有任何明显的、轴分量。为实现这些及其他本发明示例性的实施方式，手持装置400将执行各种测量和计算，这些测量和计算被用来调整传感器502，504和506中的一个或多个的输出，和/或作为处理器的输入的一部分根据传感器502，504和506的输出来确定用户界面的适当的输出。这些测量和计算是用来补偿以下两种因素的(1)自由空间定位装置400的固有因素，例如，与装置400中使用的特定传感器502，504和506相关的误差，或者与传感器在装置400中安装方式相关的误差，以及O)自由空间定位装置400的非固有因素，即与用户使用自由空间定位装置400的方式相关的因素，例如，线性加速度、倾斜和抖动。下面将描述用于处理上述各因素的示例性技术。图5显示了根据本发明的示例性实施方式的处理模型600，其描述了自由空间定位装置的常规操作。转动传感器502和504以及加速度计506产生模拟信号，这些模拟信号将被周期性(例如，200采样/秒)地采样。为了便于讨论，通过符号(x，y，x，ay, α ζ) 来表示一组这样的输入，其中，x，y，ζ是示例性的三轴加速度计506的采样输出值(分别与自由空间定位装置在χ轴，y轴和ζ轴方向的加速度相关)，a y是来自转动传感器502的、 与自由空间定位装置关于y轴转动相关的采样输出值，α ζ是来自转动传感器504的、与自由空间定位装置400关于ζ轴转动相关的采样输出值。提供了加速度计506的输出。如果加速度计506提供的是模拟输出，则通过模拟 /数字(A/D)转换器(未示出)将该输出采样并数字化以产生采样的加速度计输出602。 如转换功能模块604所示，将采样的输出值从原始单位转换为加速度单位，例如，重力(g)。 加速度校准模块606提供转换功能模块604所用数值。对加速度计输出602的校准例如包括，对与加速度计506相关的标度、偏移和轴偏误差中的一个或多个进行补偿。使用以下的公式来执行对于加速度计数据的示例性的转换A = S* ((M-P) · *G (T)) (1)其中M为由采样的输出值(x，y，z)组成的3x1的列向量，其中，P是3x1的传感器偏移列向量，S是包括标度、轴偏、以及传感器转动补偿的3x3的矩阵。G(T)是增益系数，其为温度的函数。操作符“*”代表矩阵的相乘，操作符“.*”代表元素相乘。示例性的加速度计506具有示例的全部范围+/_2g。当加速度计的测量值为Og时，传感器偏移P就是传感器输出M。标度是指采样的单位值与g之间的转换因数。由于例如制造差异的原因，任何给定加速度计传感器的实际标度可能会偏离那些标称的标度值。因此上述公式中的标度因数与该偏离成比例。加速度计506的标度和偏移的偏离可以通过如下方式测量，例如，沿一个轴施加 Ig的力并得到测量结果礼。然后，施加一个-Ig的力并得到测量结果&。通过以下的公式可以算出单轴的标度s和单轴的偏移ρ
权利要求
1.一种用于控制自由空间定位装置的方法，所述方法包括以下步骤 检测是否不存在与所述自由空间定位装置相关的运动；以及根据所述检测步骤的结果，将所述自由空间定位装置设置为功率降低状态。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤 检测与所述自由空间定位装置相关的运动；以及退出所述功率降低状态。
3.一种用于控制系统的方法，所述方法包括以下步骤 检测与装置相关的运动；确定所述运动是否代表所述装置目前被用户所持有；以及基于所述确定步骤的结果，控制所述系统。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括以下步骤 基于与所述运动相关的抖动模式识别所述用户。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括以下步骤 基于所述识别步骤，选择性地启动所述系统。
6.如权利要求3所述的方法，进一步包括以下步骤 如果所述装置目前被用户所持有，则启动所述系统。
7.如权利要求4所述的方法，进一步包括以下步骤 基于所述用户的身份，限制对所述系统的访问。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述系统是媒体系统，所述的限制对所述系统的访问进一步包括基于所述身份，选择性地允许所述用户访问媒体项目。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤通过将所述抖动模式与多个存储的抖动模式进行比较，确定所述用户的身份。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述抖动模式和所述多个存储的抖动模式是频域的形式。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述抖动模式和所述多个存储的抖动模式是时域的形式。
12.如权利要求9所述的方法，其中，如果所述抖动模式与所述多个存储的抖动模式不匹配，则存储所述抖动模式。
13.如权利要求9所述的方法，其中，如果所述抖动模式与所述多个存储的抖动模式不匹配，则为所述用户分配默认的系统访问许可集合。
14.如权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤 响应于所述识别步骤，检索与所述用户相关的偏爱设置。
15.一种用于自由空间定位装置的方法，所述方法包括以下步骤 检测自由空间定位装置关于至少一个轴线的角速度；输出与所述角速度相关的数据；以及处理所述数据，以提供相关的光标运动输出。
16.如权利要求35所述的方法，其中，通过使用MEMS传感器来执行所述检测步骤。
全文摘要
根据本发明的系统和方法针对需求，提供了一种例如自由空间定位装置的手持装置，其使用至少一个传感器来检测该手持装置的运动。然后，可将被检测的运动映射为期望的输出，例如，光标运动。
文档编号G06F1/32GK102566751SQ20111036973
公开日2012年7月11日 申请日期2005年5月2日 优先权日2004年4月30日
发明者丹尼尔·S·辛普金斯, 弗兰克·A·亨莱特, 查尔斯·W·K·格里东, 马修·G·利伯蒂, 马克·特纳 申请人:希尔克瑞斯特实验室公司