[发明专利]基于IMU的电子手写笔的笔迹估计方法

摘要

本发明公开了一种基于IMU的电子手写笔的笔迹估计方法，步骤如下：1）利用惯性测量单元测得笔杆在X、Y、Z三个轴向的加速度和角速度，对测得的数据进行预处理；2）对预处理后的数据进行小波分解，对小波系数进行阈值处理，然后进行小波重建；3）对重建得到的数据进行卡尔曼滤波；4）对滤波后的角速度积分，得到旋转角度，将这些角度代人坐标变换方程，把所有的加速度数据变换到同一坐标系M中；5）求解约束条件，得出坐标系M与书写坐标系F之间的旋转角度α、β；6）将α、β代人对应的坐标变换方程，将所有加速度数据变换到坐标系F中，对这些数据进行二次积分得到笔迹。本发明主要解决了利用IMU单元实现平面笔迹复现的问题。

主权项

1.一种基于惯性测量单元（IMU）的电子手写笔笔迹估计方法，其特征是，所述电子手写笔的笔杆上安装有IMU单元，所述方法包括以下步骤：1）、数据的获取与预处理；利用所述IMU单元测得电子手写笔书写过程中笔杆在X、Y、Z三个轴向的一系列加速度数据a_i(n)(i＝X,Y,Z)和角速度数据ω_i(n)(i＝X,Y,Z)，其中n＝1,2,L,N表示采样点数，N为总的采样点数；去除加速度数据和角速度数据对采样点数n的趋势项，对加速度数据和角速度数据进行平滑处理，降低数据中的干扰成分，得到预处理后的加速度数据(i＝X,Y,Z)和角速度数据(i＝X,Y,Z)。2）、对预处理后X轴方向的加速度数据进行三层二进制离散小波分解，计算出各层的小波系数和为步骤1）中预处理后的X轴加速度数据；为三层二进制离散小波分解后各层的近似信号的小波系数；为三层二进制离散小波分解后各层的细节信号的小波系数；k＝1,2,L,N/2^j，N为总的采样点数；j=1,2,3；h_2k-m，g_2k-m是一对正交分析滤波器的脉冲响应；3）、计算各层小波系数的软阈值对各层细节信号的小波系数进行阈值处理，得到处理后各层细节信号的小波系数σj=median(|dkj|)/0.6745;]]>ηj(x)=sgn(x)(|x|-λj),|x|≥λj0,|x|<λj;]]>4）利用公式对各层细节信号的小波系数近似信号的小波系数进行重建，得到重建信号；对重建信号进行卡尔曼滤波，得到处理后的X轴方向的加速度数据a′_X(n)；5）分别对(i＝Y,Z)和(i＝X,Y,Z)进行步骤2）到步骤4）的处理，得到处理后的Y、Z轴方向上的加速度数据a′_Y(n)、a′_Z(n)及处理后的X、Y、Z方向上的角速度数据ω′_X(n)、ω′_Y(n)、ω′_Z(n)；6）分别对所述处理后的X、Y、Z轴方向的角速度数据ω′_i(n)(i＝X,Y,Z)进行一次数值积分，得到对应的X、Y、Z轴向的旋转角度：θi(n)=TΣj=1nωi′(j)+ωi′(j-1)2,i=X,Y,Z;n=1,2,L,N;]]>其中T为采样周期；7）、将一系列旋转角度θ_i(n)(i＝X,Y,Z)和经处理后的X、Y、Z轴方向上的加速度数据a′_i(n)(i＝X,Y,Z)代入坐标变换方程a^M(n)＝R^T(n)a′(n)中，把所有X、Y、Z轴方向上的加速度数据变换到同一坐标系（M）中，得到坐标系（M）中的一系列加速度数据(i＝x,y,z)；其中a′(n)＝[a′_X(n) a′_Y(n) a′_Z(n)]^T，aM(n)=aXM(n)aYM(n)aZM(n)T;]]>R(n)=Cθx(n)Cθz(n)-Cθx(n)Sθz(n)+Sθx(n)Sθy(n)Cθz(n)-Sθx(n)Sθz(n)-Cθx(n)Sθy(n)Cθz(n)Cθy(n)Sθz(n)Cθx(n)Cθz(n)+Sθx(n)Sθy(n)Sθz(n)Sθx(n)Cθz(n)-Cθx(n)Sθy(n)Sθz(n)Sθy(n)-Sθx(n)Cθy(n)Cθx(n)Cθy(n)]]>为坐标变换矩阵，Sθ表示sinθ，Cθ表示cosθ；8）、求解约束条件F(x)=Σn=1N[g-fn(x)]∂fn(x)∂xi=0]]>得到绕X轴的旋转角度α和绕Y轴的旋转角度β；其中，fn(x)=axM(n)Sβ-ayM(n)SαSβ+azM(n)CαCβ;]]>x＝[αβ]^T；g为重力加速度；9）、将旋转角度α、β和步骤7）中得到的坐标系（M）中的加速度数据(i＝X,Y,Z)代入相应的坐标变换方程a^F(n)＝R₀a^M(n)中，得到书写坐标系（F）中加速度数据(i＝X,Y,Z)；其中aF(n)=aXF(n)aYF(n)aZF(n);]]>R0=CβSαSβ-CαSβ0CαSαSβ-SαCβCαCβ]]>为坐标变换阵；10）、对坐标系（F）中的加速度进行二次积分即可得到笔迹复现方程：vi(n)=TΣj=1naiF(j-1)+aiF(j)2(i=X,Y;n=1,2,L,N);]]>si(n)=TΣj=1nvi(j-1)+vi(j)2(i=X,Y;n=1,2,L,N);]]>式中v_x(n)即为采样点n时X轴方向上的电子手写笔书写速度，v_Y(n)即为采样点n时Y轴方向上的电子手写笔书写速度，s_X(n)为在采样点n时电子手写笔在X轴方向上的位移，s_Y(n)为在采样点n时电子手写笔在Y轴方向上的位移。将一系列s_X(n)和s_Y(n)置于同一图中就得到了笔迹。