CN101124534A - 用于计算终端的运动输入设备及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于计算设备的运动输入设备，包括机壳；设置在所述机壳中用于输出与所述运动输入设备的方位和移动有关的惯性信号的三轴加速度传感器，具有设置在所述机壳中用于与所述运动输入设备的磁场方位有关的磁场信号的三轴罗盘，其中所述运动输入设备提供有传递组件，用于将所述磁场信号和所述惯性信号传递到所述计算设备。

Description

用于计算终端的运动输入设备及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种用于计算设备或计算机终端的运动输入设备，尤其涉及用于游戏应用的游戏手柄(pad)、视频游戏设备或游戏板(deck)。通过运动输入，可以理解运动检测或运动感应。本发明还涉及无线运动输入设备或无线游戏手柄的领域。本发明还涉及电子游戏附件。本发明还针对使用真实物理移动作为游戏的交互输入的上升趋势。

本发明还涉及用于很小的手持设备的用户界面组件的设计，因为实际设备的小尺寸限制，传统的基于按钮的控制装置可能难以使用它。本发明还涉及实现在设备中的新的移动检测传感器以及模式识别领域中的新的分析技术。

背景技术

对公知的Cast-、Station-、Cube-、或Box-结构的游戏控制台系统使用无线游戏手柄或控制器是公知的。

在公知的应用中，在游戏板和具有输入按钮和操纵杆元件的常规形状的游戏手柄之间提供了有线连接。这些无线游戏手柄通常提供有振动功能作为一种触觉反馈。

本领域的其他用户输入设备公开在以下文件中：US2003/0022716A1，US2005/0009605A1，EP0745928A2，US2004/0227725A1，EP0373407B1，US6727889B2。

文件US20030022716A1公开了一种用于计算机游戏的运动输入设备，具有至少一个惯性传感器和至少一个触发按钮。所述设备可使用来自惯性传感器的信号检测任何类型的用户输入。

文件US20050009605A1公开了一种光学跟踪球，其具有象操纵杆的凸起作为操纵杆，即，使用光学扫描设备用于检测操纵杆的位置或轮输入用于游戏应用。

本领域还公知使用IR LED和相应的光电二极管作为传感器用于确定操纵杆的位置，文档文件EP0745928A2所公开的。此文件公开了具有两个三轴输入设备允许六轴进行游戏的控制手柄。EP0745928A2所公开的位置传感器使用平行定向的光发射器和接收器，通过确定该接收器能检测的光量确定到反射表面的距离。

文件US2004/0227725A1公开了一种用户控制设备，可移动到三维空间的多个位置中，包括微机电系统加速度传感器以检测所用户控制设备的3D移动。该设备，如鼠标，向电子装置(如计算机系统)发送与被检测的位置关联的控制信号。微控制器处理MEMS加速度传感器的输出信号以产生控制信号，如屏幕指针位置信号和“点击”功能。

文件EP0373407B1公开了一种具有位置偏离开关结构的遥控发射器，它在发射器的角度偏离对于具体给定的或瞬时确定的基准操作位置超过具体的触发角度的情况下，产生表明该位置偏离的方向的输出信号。在该遥控发射器中，该方向相关的输出信号被作为控制命令转换为发射信号，并通过发射器元件发射到遥控电子装置。通过来自操作该遥控发射器的用户的手腕的该遥控发射器的旋转移动，以此方式在该遥控发射器中产生到该遥控装置的不同控制命令。

US6727889B2公开了一种具有常规鼠标传感器和鼠标功能的计算机鼠标型转换器。此外，操纵杆安装在该鼠标上并由通过球和槽接合连接到鼠标的掌控接触器激活。该接触器可以俯仰、滚动以及可选地旋转，每个移动被转换为单独可解释的电信号。该鼠标可包括促使接触器达到无负载的高度的悬挂弹簧。按压接触器可被开关转换以改变功能模式。该鼠标可具有常规的鼠标按钮或可具有可采取三种状态的摇杆型按钮。

公开基于惯性传感器的输入设备的这些文档仅被实现用于方位确定或移动确定。上述文档没有公开用于输入的任何姿态识别。

已经知道不同的游戏输入设备允许用户执行多维输入和控制命令。

所有上述的基于加速度或惯性的运动输入设备都承受这种不便：任何加速度或惯性传感器不能区分重的质量和惯性质量。这个事实使技术人员能构建高精度的3D模拟器用于飞行和车辆模拟，影响测量精度，因为没有惯性传感器能确定线性的和恒定的移动(参考惯性系统)。但是，在移动的情况下，难以将由运动输入设备的移动引起的加速度与重力加速度向量分开，这使得此过程计算起来很复杂。

而且，小的手持设备因为其尺寸小难以被使用。例如，难以发现和按压小按钮以激活特定功能，特别是如果使用环境需要某种注意。因此希望有用于小设备的新的用户界面构思，利用新的输入机制解决或至少改进一些小尺寸按钮的问题。

考虑到本领域终端设备和视频游戏运动输入设备的上述不同状态，希望提供一种更先进终端设备或视频游戏运动输入设备。

还希望提供一种具有提高的检测精度的终端设备或视频游戏运动输入设备。

还希望有一种具有提高的分辨率的终端设备或视频游戏运动输入设备。

还希望有一种具有增加的基准参数数目的终端设备或视频游戏运动输入设备。

还希望提供一种无线的终端设备或视频游戏运动输入设备。

还希望有一种用于很小的手持设备的用户界面组件的新设计。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了用于计算设备的运动输入设备。该运动输入设备包括机壳、三轴加速度传感器、三轴罗盘和数据传递组件。

该运动输入设备的机壳可实现为用于单手操作的柄形设备、用于单手或双手操作的环形设备(如臂环、方向盘或呼拉圈、或形式基本为“H”或“W”的双手输入设备如转向杆等等)。

该三轴加速度传感器设置在该机壳中，用于输出与该运动输入设备的方位和移动有关的惯性信号。在本上下文中，使用措词“惯性传感器”、“加速计”、“加速度传感器”和“重力传感器”是同义的。根据三维加速度传感器的位置，传感器可检测机壳的角度运动(例如当加速度传感器距旋转轴的轴很远时)。加速计也可用于通过对加速度信号积分来检测3D空间中的相对线性移动。加速度传感器也承受重力加速度，从而加速度传感器也可指明重力的方向作为在静止输入设备的情况下的偏移。重力加速度被叠加到由该输入设备的加速运动引起的加速度信号上。

该三轴罗盘设置在该机壳中，用于输出与该运动输入设备的方位有关的磁场信号。该三轴罗盘或磁力计提供基本与该运动输入设备的转变和加速度无关的恒定基准向量。

该运动输入设备具有传递组件，用于将该磁场信号和该惯性信号传递到该运动输入设备针对的该计算设备。用于传递该磁场信号和该惯性信号的该组件可依靠导线、玻璃纤维、发射器(例如诸如蓝牙或WLAN的IR/Radio/)。

该设备可用于任何类型的计算机设备输入并适合视频游戏控制台输入以增强支持用户自然移动的用户体验。本发明的输入设备提供两个独立的运动传感器：一个3D加速计和一个3D磁力计，用于使用真实的物理移动作为例如游戏的输入。在静态情况下，两个传感器都在重力方向和磁极方向上提供静态向量。在静态情况下，两个传感器都提供几乎冗余的信息。除此之外希望这两个向量之间有一个角度。但是，这个角度使得能相对于重力和例如(磁的)北极完全确定空间中设备的方位。静态情况下的传感器信息除了基准向量间的角度之外几乎是冗余的。但是，在运动情况下，加速度向量叠加到作用于该输入设备的任何类型的加速度上。该3D罗盘传感器不受任何类型的加速度影响。这个差别以及重力向量和磁向量之间的常数角使该设备能从加速度传感器信号对重力向量倒计数，即使该输入设备被翻转和/或被线性地加速。

即，根据本发明的运动输入设备的基本版本能实现3个自由度(DOF)操作。两个自由度来自3D加速度传感器(或倾斜传感器)。附加的两个DOF来自检测旋转移动(在水平面上)的3D磁力计。但是，由于该3D加速度传感器和该3D磁力计共享一个自由度，这导致对传感器的组合只有3个自由度。该设备通过检测重力向量和北方向可确定绝对方位。

在基本原始实现中，该运动输入设备可以提供为用于配备有电缆(每个传感器维度一对导线)的3D加速计和3D磁力计的机壳，电缆将传感器信号传递到外部计算机设备用于估算。

根据本发明的另一方面，提供了用于为输入提供5个自由度的计算设备的运动输入设备。该设备包括三维定向确定元件和操纵杆。该三维方位确定单元包括加速度和罗盘传感器，用于单个或组合的提供运动输入的3个自由度。该操纵杆提供输入的两个附加的自由度。该组合得到可用的总共5个自由度。如果操纵杆实现为手指或拇指操纵杆，输入的所有5个自由度在该运动输入设备的单手操作中都可用。三维方位确定单元包括加速度和罗盘传感器。要注意该加速度传感器的维度数目可设为1到3之间的任何数(在特殊情况下上达到6个)。还要注意，该罗盘传感器的维度数目可设为1到3之间的任何数(且优选为3)。但是，两个传感器覆盖的维度和必须至少为4，用于值的简单估算和获得输入移动的全部3个自由度。

在示范实施例中，该运动输入设备还配备有至少一个陀螺仪传感器。此实施例可根据实际(甚至常数)角速度提供附加的位置和移动数据。使用旋转质量的常规陀螺仪或压电陀螺仪传感器可实现这一点。此实现具有优点：陀螺仪可利用旋转质量的进动和冲量确定角速度和加速度。

在本发明的另一示范实施例中，该运动输入设备配备有至少一个角加速度传感器。角加速度传感器可基于信号频率偏移差或旋转悬挂质量实现为玻璃光纤陀螺仪传感器，其中该质量的质量中心与旋转轴一致。

还预想将3个常规的2D加速度传感器设置在基于三角形的棱镜侧面。这个角加速度传感器设置可用作组合的3D重力、角加速度和转变加速度传感器。较简单的实现可通过在立方体的中心以及平行于立方体的表面设置6个一维惯性传感器获得。相反的传感器要平行地定位，且由相反的传感器限定的平面要相互垂直地定位。在此结构中，该惯性传感器可提供关于该输入设备的旋转加速度和转变加速度的附加信息。

在另一示范实施例中，该机壳具有可互换的存储卡的形状。此应用是为基于存储卡模块的手持游戏控制台(如Nokia的N-Gage^TM)设计的。主要优点是运动识别能力改进为现有的可移动控制台或配备有存储卡或“振动包(rumble pack)”槽的视频游戏控制器，如已知的“SEGA/Dreamcast^TM”控制器。此实施例也可具有板上存储器以向移动终端提供游戏软件(除了方位/运动检测传感器之外)。还设想在存储卡设备中实现处理器以执行运动识别任务，从识别运动和姿态的任务中缓解例如移动设备的有限处理功率。在这种情况下终端可使用其全部处理功率用于以最高性能运行游戏软件，确保尽可能丰富的游戏体验。

在另一示范实施例中，该运动输入设备还包括至少一个按钮输入设备。除了惯性和加速度传感器，其他形式的模拟或数字输入(如按钮和开关)可以是该设备的一部分。模拟或数字的输入按钮或开关可被设置为4个手指或拇指操作。也可提供按钮以确定该运动输入设备实际是否被握在手中或平放在平面上。数字按钮仅包括两个状态：开和关，而“模拟”按钮随着施加的压力改变输出值。按钮(或按键)可实现为直接输入按钮或例如选择按钮，其中在常规操作期间易于接触直接输入按钮，而选择或开始按钮通常位于旁边以防止在操作期间无意中的激活。输入按钮和选择按钮都可实现为模拟或数字操作的按钮。

此操作可通过检测用户存在的传感器按钮实现，如果操作人员实际上不使用运动输入设备，其作为一种“死人的安全系统”进入例如运动检测系统的睡眠模式。还要注意，该传递组件也用于传递该按钮输入信号。

在又一示范实施例中，该输入设备包括至少一个二维操纵杆输入设备，从机壳突出用于提供操纵杆信号。

利用操纵杆，该运动输入设备实现5个自由度(DOF)的操作，其中2个自由度通过操纵杆操作实现而3个自由度通过设备在所有3D轴上的旋转(和/或叠加的平移移动)实现。

例如从通常所知的视频游戏控制台产品的所有实际的标准游戏手柄可了解用于单指操作的这种操纵杆。操纵杆可以是具有“模拟”或数字操作的手指或拇指操作的操纵杆。该操纵杆可提供为或实现为“苦力帽(coolie hat)”或者4或8向摇杆键(rocker key)。该操纵杆可实现在拇指操纵杆的柄中，可通过沿轴向来推杆中来操作，以便附加的用户输入选项。操纵杆可实现在机壳的末端，基本沿轴向设置以便拇指操作。似乎必须说明该传递组件也用于传递该操纵杆信号。

在此实施例中，本发明实现利用单手进行的5个自由度(DOF)操作。传统的拇指操纵杆提供两个自由度。磁力计和加速计一起唯一地限定设备在3D空间中的方位，给出附加的3个自由度。

特别对于5个自由度的输入设备，例如，几个用例可以被认为是用单手设备替代传统的2操纵杆双手游戏手柄。而且，该设备的方位对环顾和瞄准3D空间(如在以第一人称观看的游戏中)是理想的。运动输入设备的方位可被转换为偏转、俯仰和滚动角度，这对飞行和空间模拟是理想的。因此，本发明允许单手操作，而传统的游戏手柄一般需要双手(或拇指)和脚。参考飞机控制：右手在杆上，左手在油门上以及脚在方向舵上。本发明也能检测复杂的3D运动轨迹(3D加速计和3D磁力计)，所谓的姿态检测。姿态检测可与以上用例同时使用。

在又一个示范实施例中，该运动输入设备还包括一个触发按钮输入设备。这种控制选项特别适合于手指操作的输入，如用于模拟开车的油门控制(如从玩具赛车已知)或用于模拟枪或特别用于模拟战斗机。

在另一个示范实施例中，该运动输入设备，其中该机壳基本具有手柄(handle)的形状。机壳可具有单手手柄的形状(即，操纵杆)或两个单手手柄的组合，即“H”、“W”或“O”形设备，如从车辆、飞机或例如气垫船的控制元件所知的。

在又一个示范实施例中，该运动输入设备还包括形状可连接或扣紧到衣服或用户的身体部分的机壳。这使得用户能佩戴该运动输入设备，例如在手中、在前臂上、在上臂上、在头上、在胸前、在大腿上、在小腿上或在脚上。这可通过例如环、皮带或挂钩实现。还设想为该运动输入设备提供固定元件以将该设备连接到用户的衣服，例如通过系带或Velcro搭扣。此实现使得能将该运动输入设备佩戴在用户的手套上、穿在夹克、衬衫或套头衫上、裤子上或扣紧到帽子、头盔或鞋上。该机壳可包括要连接到用户的手臂、手指、脚、腿或鞋的衣领、袖口或袖子的元件。还设想实现很多洞以将该运动输入设备连接到系带鞋的带子。还设想实现形式为绑腿的适配器元件。此实现可以是脚底操作的输入设备，一般已知为“跳舞毯”，于是该设备使用户不用看着他的脚点击毯子上的正确区域。而且，本发明可检测转动(和轻拍，当连接到脚时)，所以该设备可用作舞蹈编排教练。

一个特别的优点是本发明的使用不仅仅限于手，这样人可将技术上相同的模块连接到例如他的脚，并因此创建附加的物理游戏交互：例如，玩N-Gage并具有无线(BT)脚控制器使游戏体验更丰富。即用户可使用多达5个独立的输入设备用于多维游戏输入，2个(每只手1个)、2个(每只脚1个)以及1个用于头。还设想(特别是在安装于脚的运动输入设备的情况下)在该输入设备中实现发电机或发生器设备以在玩游戏时从输入设备的移动中获得(电)能量。

在另一示范实施例中，该输入设备还包括连接到该传感器的控制器，在该设备还包括其他输入设备的情况下还包括其他输入设备。控制器可用于数字化或复用例如传感器数据以便传输或输入到该计算机设备。还设想从附加的输入元件(如操纵杆按钮触发器等)复用例如数据。还设想使用控制器执行传感器信号预处理，仅将方位或位置数据传递到计算机设备。

在该运动输入设备的另一个示范实施例中，配置该控制器以用于根据该获得的惯性信号和磁场信号识别作为输入的预定义的姿态。该设备的被测量的移动可识别姿态。例如使用“隐马尔可夫模型”(HMM)的姿态识别是一种可能的实现方式。希望用于估算加速度传感器信号的HMM与用于估算磁力计信号的HMM非常不同。HMM的应用可以按非常不同的方式执行。例如可以使用传感器提供的所有参数的单个HMM。还设想实现传感器和输入元件获得的所有参数的单个HMM。

在这个实施例中，在输入被传送或提供给计算机设备之前，计算方位、移动和姿态发生在输入设备的处理单元中。

在又一示范实施例中，该运动输入设备的该控制器被配置为在应用该连续HMM模型之前，对该获得的惯性信号和磁场信号使用预处理和旋转归一化。与以上实施例相比，在无线输入设备中，运动检测和估算(例如姿态识别)在预处理和旋转归一化之后进行，从而直接在运动输入设备中计算输入信号。即，HMM不应用于原始传感器数据但是应用于被预处理和旋转归一化的数据。

执行预处理以增加连续HMM模型的准确性，以便在预处理和旋转归一化的特定步骤之后，从加速计信号识别预定义的姿态(手持设备所做出的)。这可以通过包含3D加速度向量的矩阵D＝(a₁，a₂，...，a_T)^T来实现，其中a_i是在时间t_i测量的加速度。映射函数g_T(D)提供从Tx3矩阵到R³空间的线性映射，其根据测量的数据估计重力的方向。例如，g_T(D)可以是向量a_i的平均值。

重力分量总是呈现在姿态中，且可以是有关姿态的信息的重要来源。但是，根据手的初始方位，可在不同角度处观察重力分量。但是，为了准确识别，重力分量应该围绕姿态的不同部分的预期位置。这可以通过旋转D中的数据，从而g_T(D)＝c(1，0，0)^T，其中c是某个任意常数。因此去除了手的初始方位的影响，且姿态中方位的方向应该仅由于姿态执行的方式造成。

特别地，当3D磁力计出现在该输入设备中时，此磁力计信息可用于执行此旋转归一化。

因为g^T是线性函数，足以找到旋转(或反转rotoinversion)矩阵R，使得R g_T(D)＝(1，0，0)^T。这可以如下进行。令R＝(r₁，r₂，r₃)^T，且r₁＝g_T(D)/|g_T(D)|，r₂＝y-proj(r₁，y)/|y-proj(r₁，y)，r₃′＝z-proj(r₂，z)且r₃＝r₃′-proj(r₁，r₃′)/|r₃′-proj(r₁，r₃′)|。即，对向量g_T(D)、y、z按顺序使用Gram-Schmidt正交化过程，于是为R³产生新的基，其中基向量之一处于重力分量的估计的方向上。这里是y＝(0，1，0)^T，z＝(0，0，1)^T且proj(u，v)是v在u上的投影。因为R中的向量是标准正交的，显然Rg_T(D)＝|g_T(D)(1，0，0)^T，且R^TR＝diag(1，1，1)。后一等式表明R代表旋转或反转。

也为了HMM识别能工作，姿态的不同部分的加速度向量一般应该在某个平均轨迹周围正态分布。当姿态以不同速率进行时，这会失败，因为加速度的大小随着姿态的速度的增加而增加。所以数据必须归一化。自然的选择是进行归一化，使得最大可观察的大小总是1，例如，使D中的数据被1/max{|a_i|}定标。

使用的HMM是左到右模型，从每个状态仅转变到它自己以及下一状态。每个状态具有单个3D多正态(multinormally)分布输出，其直接代表加速度(如上该在归一化之后)。假设三个维度是独立的，于是仅协方差矩阵中的对角元素非零。因此对于n状态模型，要估计8n个参数：3个期望值以及输出分布的3个方差和2个转移概率。

鉴于姿态的多个例子，该模型的参数可用Baum-Welch算法估计。从某个初始模型开始，思想是计算在时间t从状态I转变到状态j的概率γ_ij(t)，假设该模型产生了给定的训练姿态。这可使用前向和后向算法完成，在多数模式识别的书中有说明(例如，Richard O.Dudaet.al，Pattern Classification 2^nd ed.Wiley-Interscience，2001)。计算完所有的训练姿态O_k的统计γ_ij ^Ok(t)之后，状态I的参数的改进的估计可通过以下公式计算：

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_k{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^{T_k}{\mathrm{\Σ}}_j{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}^{O_k}\left(t\right)O_k\left(t\right)}{{\mathrm{\Σ}}_k{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^{T_k}{\mathrm{\Σ}}_j{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}^{O_k}\left(t\right)}$

${\mathrm{\σ}}_i^2\left(l\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_k{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^{T_k}{\mathrm{\Σ}}_j{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}^{O_k}\left(t\right)({\mathrm{\μ}}_i\left(l\right)-O_k\left(t\right){)}^2}{{\mathrm{\Σ}}_k{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^{T_k}{\mathrm{\Σ}}_j{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}^{O_k}\left(t\right)}$

$a_{\mathrm{ij}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_k{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^{T_k}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}^{O_k}\left(t\right)}{{\mathrm{\Σ}}_k{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^{T_k}{\mathrm{\Σ}}_j{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}^{O_k}\left(t\right)},$

其中μ_i(J)是状态I的输出的期望值(向量)的第r1元素，σ_i ²(l)是协方差矩阵的第1(对角)元素，且a_ij是从状态I转变到状态j的概率。为了将模型限制到左向右，仅从此状态转变到它自己以及下一状态，这足以使所有其他转变的初始转移概率为0。此公式给出的新估计则将一直为0，因为它们应该为0，所以无需计算它们。

通过使用更新的参数计算统计γ_ij(t)以及重估计参数，从开始迭代此处理。

训练此模型之后，通过与训练数据一起归一化记录的数据，以及计算每个模型产生数据的概率来完成识别。给出最高概率的模型识别出姿态。可使用前向算法计算生成数据的概率。

实现可使用标准方法(如从语音识别所知的)，如使用对数概率替代线性概率，以避免机器精度的问题。

在另一实施例中，该运动输入设备还包括与该控制器相连的到计算设备的接口。在基本应用中，用于向计算机设备发送传感器和输入元件数据的电缆和插头可实现此接口。在更复杂的实现中，此接口可通过电缆将控制器连接到计算机设备以为该计算机终端提供预处理的复用的或压缩的数据，以获得较低用于传输的带宽。还可以使用无线接口。电缆接口具有优点：运动输入设备可通过电缆被提供电源。但是特别是对于运动输入设备，如果电缆连接比期望的短，则电缆会限制移动的自由。

在该运动输入设备的另一实施例中，该接口是红外接口，且该接口设备还包括电源。为了获得无线操作，通过使用红外接口传送传感器和输入元件数据，该设备可用电池供电。但是使用IR具有的主要缺点是：该设备必须配备有大量不同的IR发射二极管使得能在任何可能的位置和方位实现从移动输入设备到计算机设备的数据连接。

在该输入设备的另一实施例中，该接口是无线电接口，且该接口设备还包括电源。无线电接口具有无线连接的优点，而没有直接红外辐射的缺点。即使具有一定范围或几米的低功率无线电设备足以用于完善的游戏输入，即使输入设备位于用户身后，也不丢失到计算机设备(或游戏控制台)的连接。可以在运动输入设备和计算机终端之间实现单向无线电连接或双向无线电连接。还设想在无线运动检测设备中实现可充电电池组，其中支架可用作充电站、存储设备和“零位基准点”。

在又一示范实施例中，该接口是蓝牙接口。为了获得无故障无线操作，该设备可以电池供电且可将数字无线技术以便传送传感器数据。适合于此的技术是蓝牙。附加地且除了较低层数据传输之外，蓝牙在较高的软件层指定HID(人工输入设备)，其定义了蓝牙人工接口设备所使用的协议、过程和特征，如键盘、指示设备、游戏设备和远程监控设备。

特别地，蓝牙HID协议为输入设备建立合适的环境，该输入设备提供关于如何可对将要传送的信息进行编码以获得最大的通用性的有关数据。

此实现提供了无线(蓝牙)单手控制动作游戏手柄，特征在于按钮和操纵杆，以及运动传感器(3D加速计和3D磁力计)，以便使用真实的物理移动作为游戏输入。

在另一示范实施例中，该运动输入设备还包括反馈元件。反馈元件可连接到该控制器(和/或至少连接到该接口)以便从连接的计算机(终端)设备接收反馈信号。反馈元件可以提供为触觉的、听觉的和/或视觉的反馈元件。例如可以在运动输入设备中实现扬声器、质量致动器和LED或显示元件以提供不同的反馈体验。视觉反馈可提供为照明模式，可通过用户看屏幕或显示器而被间接感知。视觉反馈可用于在游戏应用中模拟枪炮的炮口火焰。设备也可提供听觉反馈，在第一人称射手游戏中模拟开火的枪的声音(或在游戏应用中号码锁转动的声音)。触觉反馈元件可在例如打猎游戏应用中提供枪炮后座力的效果(或在潜入游戏中号码锁咬合的感觉)。

触觉反馈可按两个不同原则分类：振动反馈和输入元件反馈。振动反馈可实现为特别用于强烈扰乱输入功能的反馈事件，如汽车在赛车游戏中撞击物体。振动反馈影响运动检测以及因此振动效果最好开始于输入元件无论如何被阻碍的情形，诸如例如飞机模拟中的失速。第二种触觉反馈可包括附加的输入元素，如方向盘推动或按钮按压特征(诸如例如仿真例如第二套触发器的触发特性)。通过3D惯性传感器和3D磁力计，输入元件的触觉反馈不影响主要的运动检测。于是，输入元件动作特性可在输入期间的任何时间点激活。

在运动输入设备中还可提供视觉或听觉反馈。反馈可从计算终端发送或在输入设备内计算，因此避免了从计算终端和向计算终端传送信息所固有的延迟。

明确地设想在计算机终端中的处理单元中实现方位、移动和姿态的计算，为此本发明用作输入设备。这可以在运动输入设备实现功率节省，因为希望主机设备不是电池供电的设备。

在该输入设备的又一示范实施例中，其中该反馈元件连接到该控制器并由控制器根据该识别的输入对其进行控制。即，运动检测和估算(例如姿态识别)在无线输入设备中进行，从而用户反馈可直接在设备中计算和提供。

在另一示范性实施例中，该运动输入设备还包括连接到该控制器的存储器单元。存储器单元可用作存储器设备，以便存储例如输入设备设置，如例如个人密钥配置，或外部信息，如在计算机游戏的情况下的游戏状态。

如果设备的控制器足够强大，则实施例可提供用于提供有关输入的反馈的自主操作的运动输入设备。

如果存储器设备配备有关于如何根据一定的输入操作反馈致动器的应用特定参数，运动输入设备可自主地操作。基于从运动输入设备中提供的任何输入元件接收的输入，控制器可控制反馈元件对不同的输入/运动产生反馈。

这种系统可实现在游戏平台中。反馈设备可以是力反馈设备、音频输出系统或显示元件，且输入元件可用于检测任何种类的输入。这个板上反馈产生的特殊实施例仅适合与输入有关的力反馈。任何由例如碰撞或收到的碰击引起的反馈输出仍然必须从计算机设备按常规方式传输。

存储器设备使得能上传用于无线游戏控制器的参数设置。用于反馈特别是触觉反馈设置的参数允许在游戏中为例如振动反馈实现预编程的力反馈模式。这些模式被存储在存储器设备或控制器中。例如，散弹枪/机枪、泵和驾驶游戏中的滑道等。控制器或计算设备可相应地激活期望的输入反馈特性。例如武器的改变将激活新的输入反馈特性。当按下触发器或识别出特定姿态时，游戏控制器中输入反馈特性的激活可以在本地并且自动地进行。

根据本发明的另一方面，该运动输入设备还包括抑制输入设备运动的元件。这些抑制输入设备运动的元件好像是自相矛盾的，因为本发明的主要优点好像是实现最大的运动自由。该抑制输入设备运动的元件可实现为橡胶带的钩子、重物的洞或容器(优选地，非磁性重物)和/或陀螺仪，以限制旋转运动(二维)。利用这些抑制，本发明也可用于训练和重建应用。设想实现这种该运动输入设备的哑铃实现或高尔夫、网球、或壁球实现以获得最大的用户体验和训练效果。还设想使用抑制输入设备运动的元件作为用于输入设备供电的发生装置。

根据另一示范实施例，提供计算机设备，旨在根据前述说明利用运动输入设备控制该计算机设备。该计算机设备包括机壳、处理单元和存储器设备，如同任何常规计算机设备那样。此外，该设备还包括获得装置，用于获得与运动输入设备方位和移动都有关的惯性信号和磁场信号，其中该处理单元配置为使用连续HMM模型以便识别来自该获得的惯性信号和磁场信号的作为输入的预定义姿态，以及将该获得的惯性信号和磁场信号转换为可执行的输入。在这个计算机设备中，基于原始或预处理的传感器数据，方位、移动和姿态的计算发生在计算机终端中的处理单元中，上述运动输入设备作为该计算机终端的输入设备。在基本版本中，通过硬连线连接而不用任何单独的接口，计算机设备可连接到运动输入设备。

在该计算机设备的一个示范实施例中，用于惯性信号和磁场信号的获得装置包括到根据上述说明之一的运动输入设备的接口。此实施例允许用户根据意愿交换或互换运动输入设备。在此配置中，方位、移动和姿态的计算发生在计算机终端中的处理单元中。但是设想在运动输入设备中执行预处理和旋转归一化。

在该计算机设备的又一示范实施例中，用于惯性信号和磁场信号的获得装置包括三轴加速度传感器和三轴罗盘。即此实现代表具有内置运动输入设备的计算机设备(例如游戏控制台)。实质在于：运动输入设备例如具有处理能力的复杂控制器与具有内置运动输入设备的计算机设备不再互相清楚地可区分。这个具有板上运动输入设备的组合的计算机设备还可包括将计算机设备连接到作为“一个控制器的游戏控制台”的电视屏幕的图形输出接口。也预想为具有板上运动输入设备的组合的计算机设备提供内置显示器，使实现移动和便携式游戏。

明确强调具有板上运动输入设备的组合的计算机设备可包括所有输入元件，如操纵杆、按钮、触发器、肩按钮或轮子如单独为运动输入设备所公开的。

在一个示范实施例中，该计算机设备包括蜂窝电话。特别是具有便携尺寸和复杂电源、显示器和不断增加的计算能力的移动电话设备注定要配备具有3D惯性或加速度传感器和3D磁力计传感器的输入设备，以用于附加输入选项。现代GSM和UMTS蜂窝电话的处理能力足以使用甚至具有隐马尔可夫模型的运动检测系统。但是，这可能不是必须的，因为电话输入所需的输入运动受到用户必须总是能看见并识别显示内容的限制。这一限制显著减少了可能的运动输入移动或姿态的数目。但是特别是3D磁力计可用于在移动电话中实现特殊的转瓶子游戏(或更好地，转蜂窝电话)。另一应用可以存在于虚拟字码锁，仅在电话的许多不同移动之后允许访问保护的数据。

在该计算机设备的又一实施例中，该处理单元配置为在应用该连续HMM模型之前，对该获得的惯性信号和磁场信号使用预处理和旋转归一化。如果该设备使用来自内置或连接的3D加速度和3D罗盘传感器的原始传感器数据，可使用此应用。预处理步骤和归一化的优点已结合运动输入设备讨论过，因此这里不再重复。

在一个示范实施例中，该计算机设备还具有抑制计算机设备运动的元件。该抑制元件可包括固定螺栓或将计算机设备固定在汽车座椅或任何其他表面的带子，防止计算机设备撞击硬的物体或硬的物品且可能受损。如果该计算机设备配备有板上运动输入设备，该抑制元件的实现可包括用于固定橡皮带、扩展器或3D移动计算机设备的重量的钩子或小孔，以训练用户的某些移动。这可包括例如用于训练用户飞行钓鱼、平衡高尔夫或网球所需的复杂运动的特殊设备。

根据本发明的另一示范实施例，提供了一种为计算机设备产生输入的方法。方法包括获得惯性信号和磁场信号，对该信号应用隐马尔可夫模型，用于根据惯性信号和磁场信号的模式识别预定义的姿态，以及当预定义的模式被识别时获得输入信号。

在一个示范实施例中，该方法还包括在应用该连续HMM模型之前，对该获得的惯性信号和磁场信号执行旋转归一化操作。

在另一示范实施例中，该方法还包括在应用该连续HMM模型之前，对该获得的惯性信号和磁场信号执行幅度归一化操作。该幅度归一化操作可在该旋转归一化操作之前或之后执行。归一化操作的优点和实现在前述说明书中已经讨论过，因此这里不再重复。

在又一示范实施例中，该方法还包括将该输入信号编码并将该编码的输入信号传递到计算机设备。该编码可根据任意编码和传输协议执行，诸如例如蓝牙传输的人工接口设备配置。还可以使用蓝牙RF-COM连接。还可以通过RF-COM将游戏手柄直接连接到PC。还设想使用Windows中的DirectX接口实现到游戏应用的软件接口以便交互。此实现需要软件(或相应的编码的硬件元件)将COM端口数据转换为DirectX操纵杆数据。

根据本发明的另一方面，提供了一种为运动输入设备产生力反馈输出的方法。该方法包括获得惯性信号和磁场信号，对该信号应用隐马尔可夫模型，用于根据该惯性信号和磁场信号的模式识别预定义的姿态，如果预定义的模式被识别，获得输出信号，以及将该输出信号映射到预定义的力反馈输出信号，并根据该映射函数在该运动输入设备产生预定义的力反馈信号。

根据本发明的又一方面，提供了一种软件工具，包括程序代码装置，当该程序产品运行在计算机或网络设备上时，用于实现上述的方法。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于实现上述的方法的可从服务器下载的计算机程序产品，其包括当该程序运行在计算机或网络设备上时用于执行上述方法的所有步骤的程序代码装置。

根据本发明的又一方面，提供了一种计算机程序产品，包括当该程序产品运行在计算机或网络设备上时，用于实现上述方法的存储在计算机可读介质上的程序代码装置。

根据本发明的另一方面，提供了计算机数据信号。该计算机数据信号被包括在载波中并且其代表一个程序，当该计算机程序运行在计算机或网络设备上时，该程序使计算机执行上述说明中包含的方法的步骤。

优选地，计算机程序和计算机程序产品分布在网络的不同部分和设备中。计算机程序和计算机产品设备运行在网络的不同设备中。因此，计算机程序和计算机程序设备的能力和源代码必须不同。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于执行模拟通信的通信网络终端设备。该终端设备包括检测模块、判断模块、存储器、通信功能组件和产生模块。

附图说明

在下文中，将参考附图详细说明本发明，其中：

图1A和图1B示出根据本发明的一个方面的运动输入设备的不同实现；

图2是根据本发明的运动输入设备的示范实施例的框图；

图3示出具有内置运动检测分析器的运动输入设备的架构；

图4是示出图3的设备的数据流和能耗的示图；

图5示出分级传感器信号处理系统示图；

图6A和图6B示出根据本发明的一个方面的运动输入设备的不同基本实现，以及

图7A和图7B示出本发明的方法的框图。

在详细说明中，其中相同组件使用相同标号，不论它们是否示出在本发明的不同实现中。这些图不必按照比例，且某些特征示出为某种示意的形式，以便清楚简明地说明本发明。

具体实施方式

图1A示出了运动输入设备中的主要硬件元件。运动输入设备硬件包括：微控制器8，传递和分析来自加速计4和磁力计6传感器的数据。微控制器8还处理到蓝牙模块10和可集成在游戏手柄中的任何额外的传感器14、16、18和24的通信。传统的拇指操纵杆14和模拟/数字按钮18的状态由微控制器8读取。

几种通信模式以及不同的节能模式可以在控制器8中被编程。在运动输入设备中也支持触觉反馈致动器22(和扬声器)。

3D加速计4检测的初级加速度是由重力引起的。这允许直接判断设备2的倾斜。对于倾斜判断，观察加速计4的两个水平轴上的值就足够了，当设备保持平直时，它们与重力正交。

可使用与3D磁力计6组合的3D加速计4用于相对于地基准坐标系确定设备的精确定向。D＝d_x d_y d_z用作由设备的(单位)轴形成的矩阵。来自3D加速计4的3个值是重力在D的3个轴上的投影，即加速计4返回向量a′＝-D^Tg·g在地基准坐标系中负y轴方向。3D磁力计6返回b′＝D^Tb，其中b通常指向正(磁)北(或磁南)(基准坐标系的z轴)。

希望D上基准轴x、y和z的投影x、y’和z’是已知的。在基准坐标系中，矩阵E＝[x y z]是单位矩阵，所以D^T＝[x′y′z′]。现在 $y^{\′}=\frac{a^{\′}}{\left|a^{\′}\right|}.$ 因为D是标准正交的，长度为1和b的y和z在yz平面中，我们有 $x^{\′}=D^T(y\×z)=y^{\′}\×z^{\′}=\frac{a^{\′}\×b^{\′}}{|a^{\′}\×b^{\′}|}.$ 最后z′＝x′×y′且确定D以及方位。

还需要滤波，因为加速计测量实际加速度而不仅重力。在该领域的部分中，g和b之间的角可以非常小且x’作为二者的向量积对噪声非常敏感。低通滤波已经给出某些改进。还可能当g’的大小与期望的不同或当g和b之间的角不正确时放弃测量。这些情形指出设备的实际加速度且因此不可能在一个时间点基于数据集确定方位。在加速移动的情况下，加速计指出设备的实际加速度且可以根据在时间上对加速度值积分来确定移动。在这种情况下仅在磁场向量方向周围的加速度分量和磁场向量周围的旋转可能不能确定。

确定方位所需的矩阵处理运算足够密集，从而需要相对强大的CPU。因此需要在接收端做计算，而不是在运动输入设备自身。这使得运动输入设备较轻并延长了运动输入设备中电池的电池寿命，特别是如果接收计算机系统不依靠电池能量的话。

还有几种方式将姿态和方位数据映射到传统游戏控制器命令，其被市场上的游戏控制台所接受。强大到足以执行矩阵运算的中间组件也可执行该映射。这种中间组件可包括比游戏手柄更好的用于配置映射的接口。

另一优点是多于一个运动输入设备可连接单个计算单元。这使得在游戏控制器的情况下命令可依赖于多于一个控制器的运动。如果玩家使用两个运动输入设备，每只手一个，这对他是个令人兴奋的配合挑战。

所述运动输入设备2具有实际的手柄或杆状机壳且配备有均连接到控制器8的3D加速度传感器4和3D磁力计6(或3D罗盘)。运动输入设备2还配备有常规的输入元件如操纵杆14、触发按钮16、数字或模拟按钮18和滑块或轮24，它们均连接所述控制器8并被控制器8询问。还设想实现配备有多个按钮的实施例，例如4个按钮代替操纵杆。在图1中还提供了实现为力反馈元件22的反馈元件，以对输入元件提供反馈。

提供控制器8，以准备从传感器4、6和输入元件14、16、18、24接收的数据和信息，用于传输到计算机设备(未示出)。控制器8可通过接口模块10(这里实现为蓝牙模块)发送任何类型的数据(原始传感器数据、预处理的传感器数据或识别的姿态或作为输入的移动)。

控制器8还连接到可互换或内置的存储器设备20。存储器设备可用于存储传输代码、反馈算法、预处理算法、姿态识别算法、和/或传感器询问方案。控制器还配备有指示灯或LED 28以通知用户关于例如电池状态、场强、控制器负载或甚至计算机程序数据，诸如例如计算机游戏中的临近传感器功能。

在图1B中，输入设备还配备有带有显示器30、ITU-T小键盘32、扩音器或耳机34、麦克风36和处理单元38的蜂窝电话。为了清楚，省去了这些元件和本领域公知的其他电话组件间的连接。提供了电话的处理单元38和控制器8之间的连接。还希望移动电话可由通过所述控制器8到所述电话的处理单元38的连接接收的3D加速计和3D磁力计数据控制。图1B的设备还配备有3D陀螺仪或角加速度传感器26。陀螺仪或角加速度传感器会允许在3D空间输入设备运动的完全跟踪。图1B的设备还配备有用于抑制设备运动的元件50。抑制设备运动的元件实现为将重物、橡胶带或任何其他运动约束设备连接到机壳的眼，以获得对不同运动应用的训练效果。抑制设备运动的元件50也可用于将设备固定在鞋上、球拍上、球棒上或例如钓鱼杆上以移动和轨迹分析。

应该清楚，用于控制处理单元38的3D加速计数据和3D磁力计数据也可通过所述接口模块10接收(例如从图1A所示的设备)。在这个角色中，图1B的设备代表要被接收的运动输入设备传感器控制的计算机设备的实现。还可以使用图1B所示的设备作为运动输入设备以用于控制计算机设备，诸如例如具有相应接口的视频游戏控制台，因为设备还包括在图1A中也包括的所有组件。即1B所示的设备可用作如图1A所示(如果不考虑电话组件)的运动输入设备。1B所示的设备可用作可被连接的运动输入设备控制的计算机设备(如果不考虑传感器4、6、和26以及电话组件)。1B所示的设备可用作具有用于执行输入的内置运动输入设备的计算机设备(如果不考虑电话组件)。1B所示的设备可用作具有用于执行输入的内置运动输入设备的移动电话(如果不考虑接口10)。

图2是根据本发明的运动输入设备的示范实施例的框图。该图包括对应图1所示设备的组件。与图1的实施例不同，控制器包括两个元件，具有标号100的微控制器，以及现场可编程门阵列系统逻辑120，其也可作为软件在微控制器中实现。运动输入设备附加地具有电容滑动模块160、工作检测器162。运动输入设备还可具有普通指纹传感器，其可实现为例如带有指纹传感器146和比较芯片144的子板140。运动输入设备附加地在微控制器100和电池12之间具有充电模块。存储器模块实现为存储器扩展模块。力反馈22提供为线性振动元件或致动器和旋转振动元件或致动器。运动输入设备附加地具有用于控制扬声器34的数模转换器DAC。

工作检测器可通过快速傅里叶变换(FFT)组件分析以恒定频率在50到210Hz的范围具有特征波形的传感器信号来实现。如果用户手中握着设备，设备可检测由用户的心跳引起的小的运动或加速度。此震荡的模式是非常典型的，并可通过对传感器信号应用高通或带通滤波器以及FFT或HHM函数以确定设备是否被握在手中来获得。但是，还可以将工作检测器实现为传感器按钮，以通过握运动输入设备的手的皮肤电阻检测用户的手的存在。

图3示出具有内置运动检测分析器的运动输入设备的架构。在图3中，控制器8还用作运动检测器/分析器，以根据从传感器4/6接收的信号预识别运动和姿态。主要优点在于要传递的数据量显著减少，好像3D加速度传感器和3D罗盘传感器的原始传感器数据(以及可能3D陀螺仪传感器的数据)将要传递到主设备200作为输入。此架构的另一优点在于事实上运动输入设备可估算传感器数据以直接控制运动输入设备中的反馈致动器22。这具有优点：(例如触觉)反馈信号不需要从主设备传递到无线运动输入设备2。因为在所述主系统上针对不同应用的输入可能需要传感器数据的不同的估算算法和不同的反馈特征，主系统可将用于运动检测的参数和用于致动器22的反馈传递到无线运动输入设备。

图3中的系统示出了自主操作运动输入设备。主系统200通过无线链路向运动检测器发送应用特定参数。这些参数用于配置无线输入设备中的运动检测器8(在其他图中实现为控制器8的一部分)。运动检测器8收到参数后，它可以自主地操作。基于运动检测处理的结果，它可直接控制致动器设备22以针对不同运动产生反馈。自主操作运动检测器也可无线地向主系统200发送它检测到的描述运动模式的信息元素。

这种系统的例子可以是游戏平台。在游戏系统中，“主系统”可以是游戏设备，并且“无线设备”可以是无线游戏控制器。致动器可以是力反馈设备，并且加速计可用于检测运动。

这一系统设置的优点是低功率操作：不需要通过无线接口连续地发送原始传感器数据。这导致极大地节约了功率，因为大量功率会消耗在RF接口中。替代地，会发送预处理的信息元素(极大压缩的信息)。另外可获得快速的反馈时间。因为自主运动检测器可直接控制致动器22。向主系统200发送信息以及然后从主系统200接收控制数据会导致长的等待时间，其在大多数情况下将会太长。但是此应用仅适合于与输入有关的力反馈。

无线游戏控制器的可上传参数集合使得能实现姿态识别的通用码本。游戏控制器(2)向主系统200返回量化的姿态模式。量化使用上传码本在游戏控制器(2)中执行。

反馈特别是触觉反馈的参数集合使得能为游戏中的振动反馈实现预编程的力反馈模式。这些模式存储在游戏控制器(2)中。例如，散弹枪/机枪、泵和驾驶游戏中的滑道等。主设备200将根据游戏状况激活相关模式。例如武器改变激活新模式。在游戏控制器中当按下触发器和识别出特定姿态时，激活反馈模式可在本地且自动地进行。

此原则也适用于适合性/行动监控器和日志、用于使能运动输入和无线传感器的电话中的传感器信号预处理器。

图4是示出图3的设备的数据流和能耗的示图。在本应用的框架中，传感器处理器、硬件运动检测器和微数字信号处理电路是控制器8的一部分或分配给控制器8。在此示图中，μDSP块负责传感器信号滤波、校准、定标等等所需的低电平信号处理。该DSP块可使用固定逻辑实现，但是通过使用围绕MAC(乘和累加逻辑)构造的简单的DSP处理器可获得较好的灵活性和可重用性。该DSP使用很小的代码存储器执行简单的微码指令。这种很简单的DSP核的功耗很小。

滤波和校准过的传感器信号被馈送到硬件运动检测器。这个高度优化且因此功耗很低的运动检测器负责较不复杂的运动检测任务，包括：

超过设置的阈值的运动检测和静止检测，

运动事件计数，以及

参数化的连续移动的连续性检测。

当有移动时，运动检测器可唤醒传感器处理器执行更高级的运动检测和分析。但是在剩余时间，信号处理的上层可保持在空闲状态以节能。

运动检测器可同时且并行地检测不同参数值描述的运动。例如，它可检测不同频带的运动。

在此系统中，传感器处理器是小处理器核，可使用标准编程语言如C对其进行编程。此处理器可以是标准RISC，或为特定应用优化的处理器(ASIP应用专用指令集处理器)。传感器处理器负责更高级和更复杂的运动检测以及传感器信号处理任务。传感器处理器具有对运动检测器和传感器的低等待时间访问，以有效地对运动事件做出反应。它还提供对太复杂以至用固定硬件不能实现的算法的完全可编程的灵活性。传感器处理器也是低功率优化的(小尺寸、压缩码且大多数时间保持在空闲状态)。

传感器处理器低功率操作的实现通过：

使用能量有效低复杂度处理器或应用特定架构(ASIP)。

小的软件代码尺寸导致小的程序存储需求且无高速缓存或复杂的存储器管理。

使用低的时钟频率(约1MHz)，其中频率可根据实际处理需要缩放。

不需要大的通用操作系统和操作系统中的上下文切换。

使用硬件运动检测器控制的节能模式。

以及通过缓冲传感器数据，其中传感器处理器处理缓冲的数据块且不是每个单个数据段。

图5所示为分级传感器信号处理系统示图。

其示出了主处理器200，通过接口连接到具有组件通信桥、传感器处理器、传感器桥和运动判断DSP(数字信号处理)的控制器8。控制器8连接到传感器4/6以及致动器22。

传感器处理系统的功耗在活动多时小于1mW，且在等待检测移动时活动少时小于0.1mW。

下表示出了当专用传感器处理器在分析移动时的功耗。

块	功率
		处理器核运行在1MHz*	200μW/MHz＝200μW
程序存储器64kB	60μW
		数据存储器8kB	10μW
其他数字功能	40μW
		总和	310μW

下一表格示出当专用传感器处理器在等待检测移动时的功耗。传感器处理器可以很快从此状态被唤醒。

块	功率
		处理器核关闭	0μW
程序存储器64kB关闭	0μW
		数据存储器8kB关闭	0μW
其他数字功能	40μW
		总和	40μW

当传感器处理器检测由应用设置的参数集所描述的运动模式或移动时，其可以将描述该运动/移动的数据元素作为消息传递到主处理器。主处理器在复杂操作系统上运行应用，这使它对快速事件反应迟钝且比更不复杂的传感器处理器消耗更多数量级的功率。对传感器处理器结果使用数据预处理提高了功率效率以及系统响应性。

当传感器处理器监控移动时，主处理器可保持空闲。这对需要连续跟踪移动的应用是重要的。适应性监控设备是这种应用的一个例子。

主处理器负责管理用于不同应用的参数。它向传感器处理器发送用于当前活动的应用的这些参数，然后传感器处理器相应地配置和控制传感器和运动检测器。

在此系统中，主处理器可具有到传感器处理器的无线连接。在这种设置中，能在通过无线链接发送信息之前压缩信息将会更好。传感器产生相对高的数据传输速率。例如1kHz采样频率导致对所有3个加速计轴的48kb/s的数据速率。

图6A示出根据本发明的3D运动输入设备的基本实现。图6A示出运动输入设备中的主要硬件元件。运动输入设备硬件包括微控制器8，其传递和分析来自3D加速计4和3D磁力计6传感器的数据。微控制器8还处理到接口模块(这里是蓝牙模块)10的通信。在图6A中，没有集成在输入设备中的额外的传感器。在这个基本实现中，运动输入设备为运动输入提供了3个自由度。

图6B所示为根据本发明的3D运动输入设备的另一基本实现，表明运动输入设备的主要硬件元件。运动输入设备硬件包括微控制器8，其传递和分析来自三维方位判断元件的数据，三维方位判断元件包括加速计94和磁力计96传感器。微控制器8还处理到蓝牙模块10的通信以及传统拇指操纵杆14的状态/角度。

三维方位判断元件包括加速计94和磁力计96传感器。与图对比，加速计94和磁力计96传感器每个只能提供少于3个维度。在所述实施例中，运动输入的3个自由度单独地提供或通过加速度和罗盘传感器组合提供。在此实施例中可能组合例如2D罗盘和2D加速计作为检测运动的基本传感器。这一组合将使输入设备能检测(在水平2D加速计的情况下)直接判断设备2的倾斜。而且，(在倾斜角不超过大于例如30°的情况下)2D罗盘相对于北检测方位作为用户输入的第三自由度。因为右手的移动性限制在约左135°和右45°(转动)，前70°和后20°(俯仰)以及左70°和右40°(偏转)的角度范围，此实现对正常运动输入就足够了。

图7A所示为本发明的方法的框图。该方法为计算机设备产生输入。该方法可在运动输入设备自身或连接的计算机设备中执行。该方法开始于200：获得惯性信号和磁场信号。然后230：对所述信号应用隐马尔可夫模型，以根据所述惯性信号和磁场信号的模式识别预定义的姿态。在此上下文中，措词“惯性信号”和“磁场信号”将被理解为从加速度或磁力计传感器获得的电信号(模拟或数字)。和所公开的设备类似，需要说明的是这些信号可以是3D惯性信号和3D磁场信号。还设想实现使用6D(3D直角坐标和对应的3D角度)惯性信号和3D磁场信号的设备。当对所述信号应用(230)隐马尔可夫模型导致识别的预定义模式时，基于所述识别的模式获得(280)输入信号。这可通过例如查找表格来实现。

图7B是图7A被扩展步骤的框图，所述步骤为：在应用(230)所述连续隐马尔可夫模型之前对所述获得的惯性信号和磁场信号应用旋转归一化操作210以及应用幅度归一化操作220。还设想在所述旋转归一化操作210之前应用幅度归一化操作220。应用隐马尔可夫模型之后，获得的输入被编码并且作为到计算机设备的编码输入信号进行传递(290)。

还要注意，本发明提供电设备，其具有磁体和引起干扰磁场的电流。但是可通过使用用于减少干扰效应的校正参数来消除干扰效应。通过应用补偿参数可针对内部(即，固定到设备上)磁场补偿磁传感器。此外，通过应用补偿参数可针对外部(即，固定于设备的环境)磁场补偿磁传感器，所述补偿参数可通过校准操作确定，校准操作包括在所有方向上运动输入设备的零位平衡和移动。

分级运动检测器的优点是：

通过计算资源的最佳划分来减少功耗，而在需要的层提供灵活性。其他层可为低功耗而被优化。

通过在将信息发送到较高级的处理元件之前预处理和压缩信息来减少功耗。

以高的能量效率使得能连续处理传感器信息。

如果不需要处理资源的较高层，则通过使用局部控制来提高系统响应性。

总之，本发明在典型的游戏手柄或操纵杆需要双手输入和/或脚踏板的情况下允许使用单手来使用3和最大6个自由度。本发明提供单手操作、无线连接和嵌入运动传感器，理想地支持在游戏中使用真实的物理移动。

本发明的运动输入设备可用单手设备替代传统的2操纵杆双手游戏手柄。设备的方位对于在3D空间观望和定向是理想的。特别是在第一人称的游戏中传感器数据可用于移动以及操纵杆信号可用于观望。

运动输入设备的方位可变换为偏转、俯仰和转动角度，使得它对飞行和空间模拟器非常理想。因此本发明对于传统游戏手柄通常需要双手(或拇指)和双脚(或两个其他的手指用于肩键)的情况允许单手操作。参考飞机控制：左手在杆上，右手在油门上以及脚在方向舵上。本发明还能检测复杂的3D运动轨迹(3D加速计和3D磁力计)，识别姿态。姿态识别/检测可与上述用例同时使用。

此外，本发明能在游戏交互中使用更复杂的3D运动轨迹，而不需要照相设备、或放在地面的输入设备如跳舞毯附件。本发明能在游戏中以与位置无关的方式进行相似的运动输入。

此申请包括借助于例子的本发明的实现和实施例的描述。本领域技术人员将理解不限于上述实施例的细节，且本发明也可实现为其他形式而不背离本发明的特征。上述实施例应该视为示意性的，而并非限制性的。因此实现和使用本发明的可能性仅被所附权利要求书限制。所以权利要求书确定的本发明的各种选项，包括等效实现，也属于本发明的范围。

Claims (36)

1.一种用于计算设备的运动输入设备，包括

机壳；

设置在所述机壳中，用于输出与所述运动输入设备的方位和移动有关的惯性信号的三轴加速度传感器，

其特征在于

设置在所述机壳中，用于输出与所述运动输入设备的磁场方位有关的磁场信号的三轴罗盘，

其中所述运动输入设备配备有传递组件，用于将所述磁场信号和所述惯性信号传递到所述计算设备。

2.一种用于提供输入的5个自由度的计算设备的运动输入设备，包括：

三维方位判断元件，分别提供或通过加速度和罗盘传感器而组合提供运动输入的3个自由度，以及

操纵杆，提供输入的两个附加的自由度。

3.根据权利要求1或2的运动输入设备，还包括：

至少一个陀螺仪传感器。

4.根据权利要求1、2或3的运动输入设备，还包括：

至少一个角加速度传感器。

5.根据以上权利要求中任一的运动输入设备，其中所述机壳具有可互换存储卡的形状。

6.根据以上权利要求中任一的运动输入设备，还包括：

至少一个按钮输入元件。

7.根据以上权利要求中任一的运动输入设备，还包括：

至少一个二维操纵杆输入元件，从所述机壳突出以便提供操纵杆信号。

8.根据以上权利要求中任一的运动输入设备，还包括：

至少一个触发器按钮输入元件。

9.根据以上权利要求中任一的运动输入设备，其中所述机壳基本具有手柄的形状。

10.根据以上权利要求中任一的运动输入设备，其中所述机壳定形为连接用户的身体部分或外套。

11.根据以上权利要求中任一的运动输入设备，还包括：

连接到所述传感器和所述传递组件的控制器。

12.根据权利要求11的运动输入设备，其中所述控制器配置为使用连续隐马尔可夫模型以便将预定义姿态识别为来自所述获得的惯性信号和磁场信号的输入。

13.根据权利要求12的运动输入设备，其中所述控制器配置为在应用所述连续隐马尔可夫模型之前对所述获得的惯性信号和磁场信号使用预处理和旋转归一化。

14.根据权利要求11到13中任一的运动输入设备，还包括：

到与所述控制器相连接的计算设备的接口。

15.根据权利要求14的运动输入设备，其中所述接口是红外接口以及所述运动输入设备还包括电源。

16.根据权利要求14的运动输入设备，其中所述接口是无线电接口以及所述运动输入设备还包括电源。

17.根据权利要求16的运动输入设备，其中所述接口是蓝牙接口。

18.根据以上权利要求中任一的运动输入设备，还包括：

用于提供触觉、听觉和/或视觉反馈的反馈元件。

19.根据权利要求18并从属于11的运动输入设备，其中所述反馈元件连接到所述控制器并由所述控制器根据所述识别的输入对其进行控制。

20.根据权利要求11和12到19中的任一并从属于11的运动输入设备，还包括连接到所述控制器的存储器单元。

21.根据以上权利要求中任一的运动输入设备，还包括：

抑制所述输入设备运动的元件。

22.一种根据以上权利要求之一的利用运动输入设备控制的计算机设备，所述计算机设备包括：

机壳，

所述机壳中的处理单元，

连接到所述处理单元的存储器设备，

其特征在于

获得装置，用于获得与所述运动输入设备方位和移动都有关的惯性信号和磁场信号，以及

其中所述处理单元配置为使用连续隐马尔可夫模型以便将预定义的姿态识别为来自所述获得的惯性信号和磁场信号的输入，以及将所述获得的惯性信号和磁场信号转换为可执行的输入。

23.根据权利要求22的计算机设备，其中所述用于惯性信号和磁场信号的获得装置包括到根据权利要求1到21之一的运动输入设备的接口。

24.根据权利要求22或23的计算机设备，其中所述用于惯性信号和磁场信号的获得装置包括在所述机壳中的三轴加速度传感器和三轴罗盘。

25.根据权利要求22、23或24的计算机设备，其中所述计算设备包括蜂窝电话。

26.根据权利要求25的计算机设备，其中所述处理单元配置为在应用所述连续隐马尔可夫模型之前，对所述获得的惯性信号和磁场信号使用预处理和旋转归一化。

27.根据权利要求22到26中任一的计算机设备，还包括：

抑制所述计算机设备运动的元件。

28.一种为计算机设备产生输入的方法，包括：

获得惯性信号和磁场信号，

对所述信号应用隐马尔可夫模型以便根据所述惯性信号和磁场信号的模式识别预定义的姿态，以及

当预定义的模式被识别时获得输入信号。

29.根据权利要求28的为计算机设备产生输入的方法，还包括：

在应用所述连续隐马尔可夫模型之前，对所述获得的惯性信号和磁场信号应用旋转归一化操作。

30.根据权利要求28或29的方法，还包括：在应用所述连续隐马尔可夫模型之前，对所述获得的惯性信号和磁场信号应用幅度归一化操作。

31.根据权利要求28到30中任一的方法，还包括：

将所述获得的输入信号编码，以及

将所述编码的输入信号传递到计算机设备。

32.一种为运动输入设备产生力反馈输出的方法，所述方法包括：

获得惯性信号和磁场信号，

对所述信号应用隐马尔可夫模型，以根据所述惯性信号和磁场信号的模式识别预定义的姿态，

如果预定义的模式被识别，获得输出信号，

将所述输出信号映射到预定义的力反馈输出信号，以及

在所述运动输入设备产生预定义的力反馈信号。

33.一种能从3D加速计和3D罗盘传感器产生用于计算机设备的输入的计算机程序产品，包括程序代码部分，当所述程序运行在控制器、基于处理器的设备、计算机、基于微处理器的设备、终端、网络设备、移动终端或支持移动通信的终端上时，其用于执行权利要求28到32中任一的步骤。

34.一种能从3D加速计和3D罗盘传感器产生用于计算机设备的输入的计算机程序产品，包括存储在机器可读介质上的程序代码部分，当所述程序产品运行在控制器、基于处理器的设备、计算机、基于微处理器的设备、终端、网络设备、移动终端或支持移动通信的终端上时，其用于执行权利要求28到32中任一的步骤。

35.一种能从3D加速计和3D罗盘传感器产生用于计算机设备的输入的软件工具，包括程序部分，当所述程序实现在计算机程序中用于在控制器、基于处理器的设备、基于微处理器的设备、处理设备、终端设备、网络设备、移动终端或支持移动通信的终端上执行时，其用于执行权利要求28到32中任一的操作。

36.一种包含在载波中并代表指令的计算机数据信号，当其被处理器执行时引起权利要求28到32中任一的步骤被执行。

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