阅读说明：本技术 一种手写轨迹信息获取方法 (Handwritten track information acquisition method ) 是由 崔敏 周昕雨 黄用 孟铭 王鹏程 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种手写轨迹信息获取方法,是通过手写感知系统向电子笔处理器提供笔杆沿横滚、俯仰、航向轴的线加速度和角速度信息,处理器根据方向余弦矩阵微分方程式便可以实时地计算出载体坐标系和地理坐标系的方向余弦矩阵的一阶微分矩阵,以起笔前惯导的惯性信息作为初始条件,计算出两坐标系之间相互转化的方向余弦矩阵,通过这个矩阵的计算就可以实时地获取载体的姿态信息。本发明脱离了手写板的约束,能在任意的地方比如空中、桌面、纸张等书写,将会对手写输入技术起到很大的推动作用。(The invention discloses a handwritten track information acquisition method, which provides linear acceleration and angular velocity information of a penholder along a roll axis, a pitch axis and a course axis to an electronic pen processor through a handwriting perception system, the processor can calculate a first-order differential matrix of a carrier coordinate system and a direction cosine matrix of a geographic coordinate system in real time according to a direction cosine matrix differential equation, calculates a direction cosine matrix which is converted between the two coordinate systems by taking inertia information of inertial navigation before starting a pen as an initial condition, and can acquire attitude information of a carrier in real time through calculation of the matrix. The invention breaks away from the constraint of a handwriting board, can write in any place such as air, a desktop, paper and the like, and can play a great role in promoting the handwriting input technology.)

一种手写轨迹信息获取方法

技术领域

本发明属于信息感知技术、人机交互技术领域，具体涉及一种手写轨迹信息获取方法。

背景技术

随着计算机科学技术的发展，人机交互方式逐渐从键盘、鼠标的交互方式发展到了笔式、语音和视觉等自然化的交互方式。在这些交互方式中，其中笔式交互无论从其便利性、自然性还是可控制性而言，都是最理想的交互方式。基于笔式交互的这些优点，近年来各种手写输入设备层出不穷，它们都能够更加精确的捕获用户手写的书写轨迹，在计算机中实现手写输入提供了更加广阔的发展前景。通过手写输入设备完成计算机的上的手写输入，是笔式交互的一个基本功能。笔式交互技术是人机交互技术特别是多通道交互技术中一种重要交互方式，通过提供勾画、书写手势等交互方式是用户可以最快的实现高效交互。手写是一种人与人之间进行信息交互的重要方式。随着互联网的发展，手写同样可以作为人之间、人机之间的重要的交互工具。从计算机的发展历程来看，传统桌面计算机逐渐被移动计算机所代替，而现在更是向着平板计算机方向发展，这也意味着人机交互方式的重大变革，包括笔式、视觉和语音在内的自然计算方式的人机交互技术将得到更加广泛的应用。

目前市面上一般的手写产品由笔和基板两部分组成，笔与基板的相互作用可以达到写字、画图的功能，数字式手写板按其工作原理分为以下几类：电阻式压力板、电磁式感应板和电容式触控板。现有的方式未脱离手写板的约束，对手写输入技术进行了制约。

发明内容

为了克服现有技术中受到手写板的约束，本发明提供了一种脱离了手写板的约束，能在任意的地方比如空中、桌面、纸张等书写，将会对手写输入技术起到很大的推动作用的手写轨迹信息获取方法。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：

一种手写轨迹信息获取方法，包括以下步骤：将打开电子笔开关后的位置记为其起始位置S₀；以起始位置S₀的惯性信息作为初始条件，随着电子笔在空间运动，其内部十二个MEMS加速度计会依据预先内嵌到FPGA内部的姿态解算算法，先通过手写感知系统推算出电子笔的横滚、俯仰、航向轴的线加速度和角速度信息，电子笔处理器在得到线加速度和角速度信息后，此时得到方向余弦矩阵微分方程为：

为三轴角速度ω_x、ω_y、ω_z组成的反对称矩阵，

为所求解的方向余弦矩阵；根根据电子笔载体坐标系和地理坐标系的方向余弦矩阵的一阶微分矩阵，实时求解方向余弦矩阵微分方程，得到表示电子笔姿态的方向余弦矩阵后，通过对线加速度信息进行积分，同时电子笔的速度更新方程；进一步对线加速度信息进行积分，推断出电子笔的轨迹变化位移；通过对横滚、俯仰、航向轴的角加速度进行二次积分之后，得到电子笔的角度变化，从而推算出电子笔的轨迹变化，实时获取电子笔的姿态参数信息，并将电子笔的轨迹变化显示在二维屏幕上。

进一步地，所述电子笔的速度更新方程即方向余弦矩阵更新方程，所述方向余弦矩阵更新方程为：

其中为[t_m-1,t_m]时间段内的角增量，且记模值Δθ_m＝|Δθ_m|。

进一步地，所述推算出电子笔的横滚、俯仰、航向轴的线加速度和角速度信息是采用采用十二自由度配置方案图，其每个数字所对应的箭头方向为加速度计的测量方向，O点对应笔的质心，且质心处不能安装加速度计，Z轴是笔的轴方向，并利用加速度计的悬臂效应测量笔杆的轨迹姿态变化；

由十二自由度配置方案图设每个加速度计的敏感方向分别为

且每个加速度计的安装位置为：

十二个加速度计的比力方程为：

f₂＝aω_zω_x-aα_y+A_z

f₄＝-aω_zω_x+aα_y+A_z

f₆＝aω_zω_y-aa_x+A_z

f₈＝-aω_zω_y+aα_x+A_z

式中：ω_x、ω_y和ω_z分别是电子笔的角速度分量；α_x、α_y和α_z分别是电子笔的角加速度分量；A_x、A_y和A_z分别是电子笔的质心处加速度分量；

而电子笔的三个轴向角速度的解析解满足如下关系：

式中：

由于安装误差角很小，用以下3次小转动依次描述：

式中：

为每个加速度计的安装误差角，可由分立标定法通过多位置试验测得；

因此包含误差的十二个加速度计输出的比力方程表示为：

在实际测试中，上式左边的值是测试系统实时测得，记任意瞬时的值为

即上式改为

这就是包含安装误差的解算角速度的数学模型，可根据每一瞬时求解方程组求得此时的瞬时角速度。

优选的，所述十二自由度配置方案图中的每个加速度计离质心点的距离相等或相近。

进一步地，所述获取电子笔的姿态参数信息采用ICA盲源分离法，所述ICA盲源分离法包括以下步骤：首先，通过四阶累积量对从电子笔中获取的电子笔混叠信号的高斯特性进行测量，按照峭度值的正负可以将随机变量分为超高斯随机变量即峭度为正、高斯随机变量即峭度为零和亚高斯随机变量即峭度为负，超高斯信号具有典型的“长尖”概率密度函数曲线，典型的超高斯分布是Laplace分布；其次，通过Wavelet进行小波分解并结合主成分分析PCA，计算信号源个数；最后，通过独立分量分析ICA将电子笔运动信号、安装误差噪声等噪声信号进行分离，获取电子笔的姿态参数信息。

进一步地，所述计算出两坐标系之间相互转化的方向余弦矩阵是利用加速度计测量的是电子笔在载体坐标系各个轴向的比力，需要将加速度计输出信息变换到导航坐标系才能进行导航计算，这个变换所需要的矩阵就是姿态矩阵即载体坐标系和导航坐标系之间的转换矩阵，

两个坐标系之间的相对位置可以用三次独立转角来确定，它可以通过下述顺序进行的三次坐标旋转来表示：第一次旋转是x_ny_nz_n绕z_n轴的正向转过

角到达x_n1y_n1z_n1位置；第二次转动是x_n1y_n1z_n1绕x_n1轴的正向转过θ角到达x_n2y_n2z_n2位置；第三次转动是x_n2y_n2z_n2绕y_n2的正向转过γ角到达x_by_bz_b位置；

其中

θ、γ分别表示为载体的航向角、俯仰角和横滚角。根据上述的旋转顺序，可以得到由导航坐标系到载体坐标系的坐标转换关系；

姿态变换矩阵

是航向角

俯仰角θ和横滚角的γ函数，由

的元素可以确定

θ、γ；

假设方向余弦矩阵表示为：

则姿态角为：

θ＝sin^-1(T₃₂)

优选的，所述电子笔包括电子笔主体，所述电子笔主体底部设有激光灯源，电子笔主体顶部设有手写开关，电子笔主体侧面设有激光开关，电子笔主体内设有电子笔理器、手写感知系统，所述手写开关、激光灯源、激光开关、手写感知系统分别与电子笔处理器连接。

本发明通过手写感知系统向电子笔处理器提供笔杆沿横滚、俯仰、航向轴的线加速度和角速度信息，处理器根据方向余弦矩阵微分方程式便可以实时地计算出载体坐标系和地理坐标系的方向余弦矩阵的一阶微分矩阵，以起笔前惯导的惯性信息作为初始条件，计算出两坐标系之间相互转化的方向余弦矩阵，通过这个矩阵的计算就可以实时地获取载体的姿态信息。本发明脱离了手写板的约束，能在任意的地方比如空中、桌面、纸张等书写，将会对手写输入技术起到很大的推动作用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述，其中：

图1为十二自由度配置模型；

图2为加速度计信号处理流程图；

图3为盲源分离流程图；

图4为载体姿态解算与误差修正方法流程图；

图5为导航坐标系与载体坐标系的转换关系图；

图6为电子笔的主视图。

1、激光灯源，2、激光开关，3、手写开关。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的手写轨迹信息获取方法，包括以下步骤：将打开电子笔开关后的位置记为其起始位置S₀；以起始位置S₀的惯性信息作为初始条件，随着电子笔在空间运动，其内部十二个MEMS加速度计会依据预先内嵌到FPGA内部的姿态解算算法，先通过手写感知系统推算出电子笔的横滚、俯仰、航向轴的线加速度和角速度信息，电子笔处理器在得到线加速度和角速度信息后，此时得到方向余弦矩阵微分方程为：

为三轴角速度ω_x、ω_y、ω_z组成的反对称矩阵。

为所求解的方向余弦矩阵；根据电子笔载体坐标系和地理坐标系的方向余弦矩阵的一阶微分矩阵，实时求解方向余弦矩阵微分方程，得到表示电子笔姿态的方向余弦矩阵后，通过对线加速度信息进行积分，对电子笔的速度方程进行更新，对速度进行积分，可以推断出电子笔的轨迹变化位移；通过对横滚、俯仰、航向轴的角加速度进行二次积分之后，得到电子笔的角度变化，从而推算出电子笔的轨迹变化，实时获取电子笔的姿态参数信息，并将电子笔的轨迹变化显示在二维屏幕上。

进一步地，所述电子笔的速度更新方程即方向余弦矩阵更新方程，所述方向余弦矩阵更新方程为：

其中

为[t_m-1，t_m]时间段内的角增量，且记模值Δθ_m＝|Δθ_m|。

进一步地，所述推算出电子笔的横滚、俯仰、航向轴的线加速度和角速度信息是采用采用十二自由度配置方案图，其每个数字所对应的箭头方向为加速度计的测量方向，O点对应笔的质心，且质心处不能安装加速度计，Z轴是笔的轴方向，并利用加速度计的悬臂效应测量笔杆的轨迹姿态变化；

由十二自由度配置方案图设每个加速度计的敏感方向分别为

且每个加速度计的安装位置为：

十二个加速度计的比力方程为：

f₂＝aω_zω_x-aα_y+A_z

f₄＝-aω_zω_x+aα_y+A_z

f₆＝aω_zω_y-aα_x+A_z

f₈＝-aω_zω_y+aα_x+A_z

式中：ω_x、ω_y和ω_z分别是电子笔的角速度分量；α_x、α_y和α_z分别是电子笔的角加速度分量；A_x、A_y和A_z分别是电子笔的质心处加速度分量；

而电子笔的三个轴向角速度的解析解满足如下关系：

式中：

一般由于安装误差角很小，可以用以下3次小转动依次描述：

式中：为每个加速度计的安装误差角，可由分立标定法通过多位置试验测得；

因此包含误差的十二个加速度计输出的比力方程表示为：

在实际测试中，上式左边的值是测试系统实时测得，记任意瞬时的值为

即上式改为

这就是包含安装误差的解算角速度的数学模型，可根据每一瞬时求解方程组求得此时的瞬时角速度。

优选的，所述十二自由度配置方案图中的每个加速度计离质心点的距离相等或相近。

如图2至5所示，所述获取电子笔的姿态参数信息采用ICA盲源分离法，所述ICA盲源分离法包括以下步骤：首先，通过四阶累积量对从电子笔中获取的电子笔混叠信号的高斯特性进行测量，按照峭度值的正负可以将随机变量分为超高斯随机变量即峭度为正、高斯随机变量即峭度为零和亚高斯随机变量即峭度为负，超高斯信号具有典型的“长尖”概率密度函数曲线，典型的超高斯分布是Laplace分布；其次，通过Wavelet进行小波分解并结合主成分分析PCA，计算信号源个数；最后，通过独立分量分析ICA将电子笔运动信号、安装误差噪声等噪声信号进行分离，获取电子笔的姿态参数信息。

进一步地，所述计算出两坐标系之间相互转化的方向余弦矩阵是利用加速度计测量的是电子笔在载体坐标系轴向的比力，需要将加速度计输出信息变换到导航坐标系才能进行导航计算，这个变换所需要的矩阵就是姿态矩阵

即载体坐标系和导航坐标系之间的转换矩阵，

两个坐标系之间的相对位置可以用三次独立转角来确定，它可以通过下述顺序进行的三次坐标旋转来表示：第一次旋转是x_ny_nz_n绕z_n轴的正向转过

角到达x_n1y_n1z_n1位置；第二次转动是x_n1y_n1z_n1绕x_n1轴的正向转过θ角到达x_n2y_n2z_n2位置；第三次转动是x_n2y_n2z_n2绕y_n2的正向转过γ角到达x_by_bz_b位置；

其中

θ、γ分别表示为载体的航向角、俯仰角和横滚角。根据上述的旋转顺序，可以得到由导航坐标系到载体坐标系的坐标转换关系；

姿态变换矩阵

是航向角俯仰角θ和横滚角的γ函数，由

的元素可以确定

θ、γ；

假设方向余弦矩阵表示为：

则姿态角：

θ＝sin^-1(T₃₂)

如图6所示，所述电子笔包括电子笔主体，所述电子笔主体底部设有激光灯源1，电子笔主体2顶部设有手写开关3，电子笔主体侧面设有激光开关2，电子笔主体内设有电子笔理器、手写感知系统，所述手写开关3、激光灯源1、激光开关2、手写感知系统分别与电子笔处理器连接。