專利名稱：一種智能電子手寫筆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模式識別與人工智能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及人機接口設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的手寫筆是依靠手寫筆在電阻屏上產(chǎn)生壓力而在屏幕上輸出圖形，屏幕菜單 的選項也需要手寫筆在屏幕上選擇方可實現(xiàn)。目前很多智能手機采用電容屏，雖然可以方 便使用手指輸入信號，但對于中文以及象形文字的輸入還是筆的形式更為有效。但目前各 類設(shè)備觸摸屏的所采用手寫筆存在以下幾個明顯缺點(1)對于軟件中各類快捷方式選 擇，主要是通過菜單選擇來完成，這樣兩層以上的菜單選擇起來非常麻煩，即使是一層菜單 的選擇也是枯燥無味的；(2)對于快捷鍵的人機輸入實現(xiàn)顯得無能為力，因為多數(shù)手持設(shè) 備沒有方便的鍵盤可供使用，即使某些高端設(shè)備配有鍵盤的，除了攜帶上的不方便，另外當 一個人同時操作鍵盤和輸入筆的時候是需要串行工作的，來回的切換使得用戶體驗會大打 折扣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述人機交互的缺點和不足，通過研究筆兩端的運動規(guī) 律，設(shè)計出一種配合智能設(shè)備(包括手機、掌上電腦、平板電腦、手提電腦以及帶有觸摸屏的 專有人機交互設(shè)備)——智能電子手寫筆，它保留了傳統(tǒng)手寫筆在各類觸摸屏實現(xiàn)圖符輸 入的便利性；同時創(chuàng)造性的實現(xiàn)了只有鍵盤才具有的快捷鍵(組合鍵)的功能；提供手部 殘疾人士一種全新的人機交互方式；具有一定的娛樂功能。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)
一種智能電子手寫筆，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，所述硬件包含主控模塊、三軸加速度 傳感器、角加速度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、無線發(fā)射模塊，并采用雙總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的連 接，其中控制總線用于傳輸主控模塊和其他模塊的控制信號，數(shù)據(jù)總線負責傳輸每個模塊 之間的數(shù)據(jù)，所述無線發(fā)射模塊實現(xiàn)與外部智能設(shè)備的無線連接，所述軟件系統(tǒng)包括設(shè)置 在主控模塊上的內(nèi)部軟件模塊，以及設(shè)置在外部智能設(shè)備的外部軟件模塊，所述內(nèi)部軟件 模塊和外部軟件模塊通過無線通信協(xié)議相互連接，實現(xiàn)接收并識別用戶通過硬件系統(tǒng)所進 行的手寫操作。本發(fā)明智能電子手寫筆包括硬件部分統(tǒng)和軟件部分，軟件部分分為機內(nèi)模塊(駐 于本發(fā)明智能電子手寫筆內(nèi)部)和機外模塊(駐于手機或掌上電腦或平板電腦等智能設(shè)備 內(nèi)部)，硬件和軟件二者相互配合共同完成智能筆的功能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點
(1)本發(fā)明專利通過研究手部運動控制本發(fā)明智能電子手寫筆的運動這一規(guī)律， 提出了一種全新的智能輸入設(shè)備，利用該設(shè)備可以創(chuàng)造性實現(xiàn)了只有鍵盤才具有的快捷鍵 (組合鍵)的功能；在此基礎(chǔ)上繼續(xù)采用傳統(tǒng)手寫筆在觸摸屏上輸入圖符這一符合人體工 學的設(shè)計。
(2)通過轉(zhuǎn)動與晃動筆桿，實現(xiàn)人機交互，這一操作本身具備一定的娛樂性，將 筆的運動姿態(tài)和人機交互技術(shù)創(chuàng)造性的結(jié)合到一起，使得枯燥的輸入變得有趣和新奇。(3)與新興的需要手部穿戴傳感器或是利用視頻識別技術(shù)的手勢識別技術(shù)相 比新興的手勢識別技術(shù)所用手掌和指關(guān)節(jié)運動受到生理極限的限制(比如手指的彎曲度、 手部是否殘疾等)；所佩戴傳感器需要更多自由度和精度，同時需要手部做出比較夸張的動 作；另外由于穿戴的方式會增加手部不適應感。而本發(fā)明智能電子手寫筆技術(shù)由于不去識 別手勢，創(chuàng)新的去識別筆桿部位運動情況，因而對于手部生理要求不高；另外模式識別階段 主要特征包括傳感器送回經(jīng)過預處理得到的三軸加速度/角加速度等，因而對傳感器的自 由度和精度要求會比手勢識別有所降低；本發(fā)明智能電子手寫筆的外形與傳統(tǒng)筆的外形區(qū) 別不大，不會增加手部的不適應感。( 4 )與已有的在鼠標或筆內(nèi)安裝加速度傳感器的電子設(shè)備相比已有的在鼠標 或筆內(nèi)安裝加速度傳感器的電子設(shè)備其主要通過對加速度傳感器采集到的加速度信息進 行積分從而獲得位移信息，這種方式由于傳感器的精度限制，要求電子設(shè)備位移量要足夠 大；并且這種設(shè)備的輸出結(jié)果對初始位置、角度以及運動后的位置、角度要求嚴格，這就限 制了這類設(shè)備的廣泛應用；而本發(fā)明智能電子手寫筆采用的原始特征和原始特征對時間的 變換特征即基于安裝位置的三軸角加速度、角速度、角度特征以及加速度和筆相對于重力 方向投影的角度等多維特征，在此基礎(chǔ)上利用模式識別中特征提取的方法尋找基于幾種特 定模式(如圖4所描繪，并不限定為這4類模式)最優(yōu)特征，在此基礎(chǔ)上進行模式識別，因而 本發(fā)明智能手寫應用前景更好。(5)與新興的超聲定位識別記錄筆相比新興的超聲定位識別記錄筆需要筆在 紙張上書寫，一般不能用于觸摸屏設(shè)備；該設(shè)備通過多普勒效應檢測筆尖在書寫點處的位 移，然后進行相應的模式識別進而識別出文字和符號；這種筆需要很高的傳感器位移精度， 因而造價很高，另外對筆在三維空間的運動情況就顯得無能為力。而本發(fā)明智能電子手寫 筆在保留觸摸屏用傳統(tǒng)手寫筆在觸摸屏上書寫文字的設(shè)計基礎(chǔ)上，創(chuàng)新的通過對手寫筆筆 端脫離觸摸屏時的運動姿態(tài)進行識別；識別特征包括傳感器送回經(jīng)過預處理得到的三軸加 速度/角加速度等；本發(fā)明所采用的加速度傳感器與角加速度傳感器的價格非常低廉，測 量加速度、角加速度精度完全滿足應用；由于可以識別筆在立體空間的旋轉(zhuǎn)、晃動等運動情 況，因而使用范圍更加寬廣。(6)隨著機器學習技術(shù)的不斷提高，通過更新軟件機內(nèi)模塊部分的識別算法， 許多更加復雜的本發(fā)明智能電子手寫筆動作將被識別出來，因而該智能筆的可用性可不斷 升級。(7)成本低，便于推廣普及隨著加速度傳感器芯片的普及以及電子設(shè)備固有 的摩爾定律，設(shè)備的制造成本是可以控制的。


圖1是本發(fā)明智能電子手寫筆的外觀示意圖。圖2是本發(fā)明智能電子手寫筆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明智能電子手寫筆硬件組成框圖。圖4是本發(fā)明智能電子手寫筆4種運動姿態(tài)示意5是本發(fā)明智能電子手寫筆的內(nèi)部軟件模塊流程圖 圖6是本發(fā)明智能電子手寫筆的外部軟件模塊模塊流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步具體的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。圖1示出了本發(fā)明的一種外觀形狀，從外觀上講，本發(fā)明專利與一般書寫用 筆或是手持式設(shè)備配備的普通手寫筆并無太大區(qū)別。其主要有筆端和筆桿兩部分組成。另 外本發(fā)明也可以單獨做成筆帽的形式，直接套在原有傳統(tǒng)手寫筆的末端，完成同樣的功能。本發(fā)明智能電子手寫筆的一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，其一種硬件組成原理如 圖3所示，包括主控模塊1、三軸加速度傳感器2、角速度傳感器3 (圖中未示出)、A/D轉(zhuǎn)換 器4、無線發(fā)射模塊5、電源模塊6、工作狀態(tài)指示燈7和開關(guān)8。硬件系統(tǒng)采用雙總線結(jié)構(gòu)， 控制總線用于傳輸對于主控模塊1、無線發(fā)射模塊5、電源模塊6等的控制信號，數(shù)據(jù)總線負 責傳輸模塊之間的數(shù)據(jù)。主控模塊1為整個系統(tǒng)的核心，主要負責傳感器數(shù)據(jù)的獲取和硬 件內(nèi)部的控制流程，對經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行壓縮和編碼等預處理后送到無線 發(fā)射模塊5，并且接受控制總線傳來的控制信號；加速度傳感器2負責測量相對于初始軸線 位置在三個自由度上的靜態(tài)重力加速度的變化以及晃動筆桿形成的動態(tài)加速度；角速度傳 感器3負責測量筆桿旋轉(zhuǎn)所形成的角加速度；A/D轉(zhuǎn)換器4負責將加速度傳感器2和角速 度傳感器3的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；無線發(fā)射模塊5負責建立智能電子手寫筆與外部 智能設(shè)備的無線鏈路，將經(jīng)過主控模塊1壓縮和編碼等預處理后的傳感器信息發(fā)送給上位 機進行后續(xù)的處理；電源模塊6負責給整個電路提供正常工作時所需要的電源。本發(fā)明的作用原理是將加速度傳感器2安裝在本發(fā)明智能電子手寫筆的兩端， 組成傳感器陣列。將角加速度傳感器3安裝在本發(fā)明智能電子手寫筆的旋轉(zhuǎn)軸線方向上。 當本發(fā)明智能電子手寫筆不接觸觸摸屏時，手部做有規(guī)律運動，這時可以帶動本發(fā)明智能 電子手寫筆運動。當智能電子手寫筆傾斜時，利用加速度傳感器2測量相對于原來軸線位 置的三個自由度上靜態(tài)重力加速度的變化，可以輕易知道當前位置的傾斜角；當智能電子 手寫筆作有規(guī)律的晃動時，利用加速度傳感器2測量三軸動態(tài)加速度，可以獲得當前智能 電子手寫筆的運動狀態(tài)；當智能電子手寫筆旋轉(zhuǎn)時，利用角速度傳感器3的測角原理。可以 得到當前智能筆的角加速度信息，對該角加速度信息對于時間進行一次積分可以獲得當前 的旋轉(zhuǎn)角速度。根據(jù)加速度傳感器2以及角速度傳感器3的安裝位置、數(shù)量，就可以實現(xiàn)一 軸或多軸的加速度、角加速度信息。分別對這些信息進行處理，進行相應的模式識別，就可 以獲得筆的運動情況，而不同類別筆運動的情況可以對應不同的輸入指令，進而實現(xiàn)各種 復雜的人機交互。圖4描繪了幾類智能電子手寫筆可以識別的簡單運動情況。其中虛平面是本發(fā)明 智能電子手寫筆端離開帶觸摸屏智能設(shè)備時，與運動軌跡近似平行的假想平面。其中(a)描 繪的是本發(fā)明智能電子手寫筆沿其軸線順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)；(b)描繪的是本發(fā)明智能電 子手寫筆筆端做圓周運動，其軌跡所成的虛平面與智能設(shè)備成某一角度的情況；(C)描繪 的是本發(fā)明智能電子手寫筆軸線與智能設(shè)備成某一角度，沿轉(zhuǎn)動點0做鐘擺運動的情況； (d)描繪是本發(fā)明智能電子手寫筆軸線與智能設(shè)備成某一角度，沿其軸線做往復運動的情 況。這幾類運動情況的簡單組合可以生成更復雜的智能電子手寫筆運動類別。
本發(fā)明的工作流程參考圖5、圖6。內(nèi)部軟件模塊的具體工作過程為①上電后完 成自檢，系統(tǒng)進行軟硬件初始化，報告各部分工作狀態(tài)；②判斷系統(tǒng)是否正常，如果不正常 轉(zhuǎn)入結(jié)束；③建立本發(fā)明智能電子手寫筆與帶有觸摸屏智能設(shè)備的無線鏈路；④判斷無線 鏈路是否正常；⑤主控模塊讀取加速度傳感器以及角加速度傳感器數(shù)據(jù)；⑥主控模塊獲取 加速度和角加速度傳感器數(shù)據(jù)并進行壓縮和編碼等預處理；⑦主控模塊將經(jīng)過預處理的傳 感器數(shù)據(jù)用無線發(fā)射模塊發(fā)射出去后，回到步驟④。外部軟件模塊通常駐留智能設(shè)備中，具體過程為①啟動軟件后進行模塊自檢和 初始化；②判斷外部軟件模塊模塊是否工作正常，如果不正常則返回故障信息后進入步驟 ⑨結(jié)束；③判斷無線鏈路是否工作正常，如果不正常在返回故障信息后進入步驟⑨結(jié)束； ④讀取無線鏈路中傳來的加速度傳感器與角加速度傳感器數(shù)據(jù)；⑤對該數(shù)據(jù)進行解碼和解 壓縮后進行濾波等預處理并加入時間信息；⑥對預處理后的數(shù)據(jù)進行特征提取，⑦將多路 傳感器數(shù)據(jù)特征拼接融合；⑧對特征進行模式識別，得到本發(fā)明智能電子手寫筆的運動分 類情況，對智能設(shè)備發(fā)出指令后，回到步驟④。
權(quán)利要求
1.一種智能電子手寫筆，其特征在于包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，所述硬件包含主控 模塊、三軸加速度傳感器、角加速度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、無線發(fā)射模塊，并采用雙總線結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的連接，其中控制總線用于傳輸主控模塊和其他模塊的控制信號，數(shù)據(jù)總線 負責傳輸每個模塊之間的數(shù)據(jù)，所述無線發(fā)射模塊實現(xiàn)與外部智能設(shè)備的無線連接，所述 軟件系統(tǒng)包括設(shè)置在主控模塊上的內(nèi)部軟件模塊，以及設(shè)置在外部智能設(shè)備的外部軟件模 塊，所述內(nèi)部軟件模塊和外部軟件模塊通過無線通信協(xié)議相互連接，實現(xiàn)接收并識別用戶 通過硬件系統(tǒng)所進行的手寫操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電子手寫筆，其特征在于所述主控模塊負責三軸加速度 傳感器和角加速度傳感器的獲取，以及硬件系統(tǒng)內(nèi)部的控制流程，并對來自A/D轉(zhuǎn)換器數(shù) 據(jù)進行壓縮和編碼后發(fā)送到無線發(fā)送模塊，并且接受控制總線傳來的控制信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電子手寫筆，其特征在于所述三軸加速度傳感器負責測 量智能電子手寫筆當前狀態(tài)相對于初始基準面在三個自由度上的靜態(tài)重力加速度的變化 以及晃動筆桿形成的動態(tài)加速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電子手寫筆，其特征在于所述角速度傳感器負責測量智 能電子手寫筆筆桿旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的角加速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電子手寫筆，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換器負責將加速度 傳感器和角速度傳感器所采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電子手寫筆，其特征在于所述無線發(fā)射模塊負責建立智 能電子手寫筆與其他外圍智能設(shè)備的無線鏈路，將經(jīng)過主控模塊壓縮和編碼等預處理后的 加速度信息發(fā)送給外部智能設(shè)備的外部軟件模塊進行后續(xù)的處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電子手寫筆，其特征在于所述內(nèi)部軟件模塊完成對于三 軸加速度傳感器和角加速度傳感器的數(shù)據(jù)的獲取和發(fā)送并對于主控模塊以及其他模塊進 行相應的控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電子手寫筆，其特征在于所述外部軟件模塊完成三軸加 速度傳感器和角加速度傳感器數(shù)據(jù)的接收，并進行手寫筆運動特征提取和運動姿態(tài)識別的 后續(xù)處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的智能電子手寫筆，其特征在于所述特征提取為在三軸加速度 傳感器和角加速度傳感器送回經(jīng)過預處理得到的三軸加速度/角加速度的基礎(chǔ)上尋找新 的模式鑒別空間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的智能電子手寫筆，其特征在于所述運動姿態(tài)識別通過機器 學習的方式獲得最終分類結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明提供一種智能電子手寫筆，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，所述硬件包含主控模塊、三軸加速度傳感器、角加速度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、無線發(fā)射模塊，并采用雙總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的連接，其中控制總線用于傳輸主控模塊和其他模塊的控制信號，數(shù)據(jù)總線負責傳輸每個模塊之間的數(shù)據(jù)，所述無線發(fā)射模塊實現(xiàn)與外部智能設(shè)備的無線連接，所述軟件系統(tǒng)包括設(shè)置在主控模塊上的內(nèi)部軟件模塊，以及設(shè)置在外部智能設(shè)備的外部軟件模塊，所述內(nèi)部軟件模塊和外部軟件模塊通過無線通信協(xié)議相互連接，實現(xiàn)接收并識別用戶通過硬件系統(tǒng)所進行的手寫操作。
文檔編號G06F3/033GK102135823SQ201110108778
公開日2011年7月27日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者李辰成, 金連文, 陶大鵬 申請人:華南理工大學