基于IMU的电子手写笔的笔迹估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于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。本发明专利技术主要解决了利用IMU单元实现平面笔迹复现的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电子手写笔的笔迹估计方法，尤其涉及通过IMU实现电子手写笔的笔迹估计方法。
技术介绍
传统的手写方式需要一个特定的书写屏幕，如依靠手写笔在电阻屏幕上产生的压力而在屏幕上输出图形，采用电容屏及电磁技术等，但这些特定的书写屏幕体积大，携带不方便；在屏幕上写字不方便，书写速度慢，受到的制约大，用户体验差。加速度型电子笔通过提取笔杆本身的运动特征，可以像使用真实的笔一样在任何平面上书写，将书写轨迹记录下来，从而克服上述缺点，但目前还没有成熟的产品出现。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于IMU的电子手写笔的笔迹估计算法， 主要解决短时内的平面笔迹复现问题。为此，本专利技术采用以下技术方案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I)、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ai (n) (i = X，Y, Z)和角速度数据ω i (n) (i = X，Y，Z)，其中η = 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η 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 4(/1) (i = X，Y, Ζ)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<+ ；4 ..…4(A+)为步骤I)中预处理后的X轴加速度数据；4 = X r 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；--:.Ci￡// =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 = 1，2，1^/^_^为总的采样点数；」=1，2，3;h2k_m，g2k_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^ = σ^2 log V ,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= fh HO5CF- = invdiitniil ) / O. (1715 |j^, isgn(jr)(U - l,) b| > λTJi (i) = ] 1 ; 1 . 11!';W 4)利用公式Cf1 = Σ hi + Σ场对各层细节信号的小波系数f、近似Ii/I三·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Y X(η)；5)分别对/0) (i = Y, Ζ)和4⑶(i = X，Y, Ζ)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Y Y(n)、a, z(n)及处理后的X、Y、Z方向上的角速度数据 ω ' X (η) > ω ; Υ(η)、ω' ζ(η)；6)分别对所述处理后的Χ、Υ、Ζ轴方向的角速度数据ω' i (n) (i = χ，Υ，Ζ)进行一次数值积分，得到对应的X、Y、Z轴向的旋转角度本文档来自技高网...

【技术保护点】
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ai(n)(i＝X,Y,Z)和角速度数据ωi(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/2j，N为总的采样点数；j=1,2,3；h2k?m，g2k?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θi(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aM(n)＝RT(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aF(n)＝R0aM(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-SαC&be...

【技术特征摘要】
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2.如权利要求1所述的一种基于惯性测量单元(IMU)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，徐天军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：