空間手寫筆筆跡檢測系統(tǒng)的研究

生桂勇

摘要：提出了一種基于微加速度計與微磁場強度傳感器的空間筆跡檢測系統(tǒng)，并對軌跡檢測系統(tǒng)的算法進行了詳細的描述。該系統(tǒng)可用于識別手寫筆在三維空間的運動軌跡，并通過三維空間的姿態(tài)角變換矩陣將手寫筆動態(tài)信息投影到二維坐標平面，經(jīng)過一系列積分運算最終重現(xiàn)筆跡信息。該系統(tǒng)在系統(tǒng)仿真實驗中取得了良好的效果。

關鍵詞：筆跡檢測；微加速度傳感器；微磁場強度傳感器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）27-0214-03

Abstract： A handwriting detecting system based on an Micro-accelerometer and a Micro-magnetic sensor is proposed. And the algorithm of the detecting system is also described in detail. The motion contrail of the pen in the three-dimensional space can be recognized and through the matrix of stance angle， the dynamic information of the pen is projected to the two-dimensional plane. Then the information of handwriting is recurred on the plane by integral. There were good results in the actual experiment.

Key words： handwriting detecting； Micro-accelerometer； Micro-magnetic sensor

1 引言

計算機手寫信息錄入漸漸為人們所接受，成為了計算機信息錄入的一種主要方式。目前的手寫錄入系統(tǒng)實現(xiàn)包括兩部分動作，首先由手寫板感應書寫信號，其次將產(chǎn)生有用信息與計算機進行通信，并在計算機中配以相關的漢字識別軟件，從而識別出手寫漢字。但在這種方式下書寫被限制在一個特定的區(qū)域，只能在諸如手寫板這樣的二維空間區(qū)域內(nèi)進行，所以書寫的隨意性也受到了很大的制約。

本文提出了一種三維空間的手寫筆軌跡檢測系統(tǒng)，無須手寫板配合。該系統(tǒng)基于MEMS加速度傳感器與磁場強度傳感器，通過對三維空間中手寫筆運動姿態(tài)角度的計算，獲得其在任意時刻的三軸的線加速度值，再經(jīng)過對所獲得的線加速度的投影與積分，得到了確定投影面上的書寫筆跡信息。

與以往采用的磁場強度傳感器不同，空間手寫筆軌跡檢測系統(tǒng)由于采用了基于MI技術的磁場強度傳感器進行空間角度測量，較以往的MR磁場傳感器不會在運行長時間后存在磁阻抗的積累，故無需增加額外的磁阻傳感器復位電路，使檢測系統(tǒng)電路更加簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。

2 系統(tǒng)構成

手寫筆筆跡檢測系統(tǒng)框圖，如圖1所示，采用單片機作為其控制單元，主要完成手寫筆的空間姿態(tài)角以及線加速度的解算。數(shù)據(jù)采集單元應用日本愛知鋼鐵公司的三軸磁場強度傳感器AMI302和Freescale公司的三軸加速度傳感器MMA7260Q以及一個12位AD轉(zhuǎn)換器MAX1266。檢測系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的RS232接口方式與計算機通信，便于在計算機上實時顯示空間筆的運動軌跡。顯示單元可以是PC機或者液晶顯示器。

3 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

由圖1我們可以清楚地看到系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理兩個主要部分所組成。數(shù)據(jù)采集單元前面已經(jīng)提到，它是由三軸加速度傳感器MMA7260Q以及三軸磁場強度傳感器AMI302所組成。MMA7260Q是測量范圍可調(diào)的高靈敏度加速度傳感器，可以測量運動和靜態(tài)兩種加速度，它在測量范圍是±1.5g時的靈敏度是800mv/g。在該系統(tǒng)中需要得到空間手寫筆的動態(tài)加速度，而靜態(tài)加速度（即地球的重力加速度作用與傳感器上所產(chǎn)生的輸出值）是需要被剔除的。AMI302是新一代的磁場強度傳感器，具有高靈敏度與可靠性的特點，其靈敏度達到了2.7mv/μT，當磁場強度為0T時其典型輸出電壓為1.5v。

數(shù)據(jù)處理部分的處理單元采用ATMEL公司的高檔位單片機ATmega128，它應用先進的RISC結構，其關鍵技術在于使用了流水線操作和等長指令體系結構，一條指令可以在一個單操作中完成，從而實現(xiàn)在一個時鐘周期里完成一條或者多條指令，這使它具有高達1MIPS/MHz的高速運行能力。這些優(yōu)越的性能保證其在手寫筆檢測系統(tǒng)中完全滿足系統(tǒng)的要求。手寫筆筆跡檢測系統(tǒng)電路實物圖如圖2所示。

4 手寫筆筆跡檢測算法

4.1 手寫筆物理模型

如圖3所示，為手寫筆在三維空間的物理模型，其中OXYZ平面為書寫平面，即筆跡信息的最終投影面，oxyz平面為手寫筆在三維空間運動過程中的動態(tài)坐標系，即傳感器的安裝坐標系。為得到投影于書寫平面筆跡，需要得到如下物理量：測量坐標系三軸實時磁場強度Cx、Cy、Cz，測量坐標系三軸實時加速度Ax、Ay、Az以及手寫筆在空間運動時的俯仰角φ（oz軸與書寫平面的夾角）、橫滾角θ（oy軸書寫平面的投影與OY軸的夾角）、航向角ψ（ox軸與書寫平面的夾角）。

4.2 筆跡實現(xiàn)算法

在空間筆軌跡檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中包括以下幾個部分：書寫平面確定、姿態(tài)矩陣的獲得以及投影面空間筆線加速度的實現(xiàn)。

首先確定書寫平面，由此得到空間筆初始位置的磁場強度傳感器輸出值Ti=[Tx，Ty，Tz]以及加速度傳感器輸出值A=[ Ax，Ay，Az]，即為地球重力加速度在此坐標系下的分量。當系統(tǒng)的采樣率較高時，可認為手寫筆在三維空間的姿態(tài)角變化很小，屬于剛體定點運動的小角度近似問題，故可以將方向余弦矩陣近似為姿態(tài)角矩陣，如式1所示。

在書寫過程中，可認為θ保持不變，所以θ=0。于是得到空間姿態(tài)變換公式如式2所示，其中Ti1為對手寫筆新位置的磁場強度采樣值。由公式2即可以得到兩次測量所出現(xiàn)的姿態(tài)角的變化值，如式3所示。

筆跡檢測算法的核心問題是解算投影平面的三軸線加速度。由公式2計算得出姿態(tài)角矩陣C，根據(jù)公式4可得出新位置的重力加速度分量。其中A1為手寫筆新位置的重力加速度分量。

在得到新位置的重力加速度分量后，由于加速度傳感器的輸出值為線加速度與此位置重力加速度的矢量和，故設加速度傳感器的輸出值為As，測量坐標系得線加速度為AL，書寫平面的線加速度為Al1，則如式5所示。

通過余弦矩陣變換如式6所示，將測量坐標系的三軸線加速度投影到書寫平面從而得到書寫平面上的手寫筆的投影軌跡，其中方向余弦矩陣中的φ、ψ分別是式3中之前位置角度變化的累加值。

由上面分析可以得到手寫筆筆跡重現(xiàn)所需要的二維坐標平面上的加速度參數(shù)，以用于以后筆跡的重現(xiàn)。

5 系統(tǒng)仿真結果分析

在監(jiān)測系統(tǒng)測試過程中我們在三維空間中依次對圓，阿拉伯數(shù)字“2”、“3”進行測量，分析這三種筆畫的動態(tài)特性，得到如圖所示的動態(tài)特性曲線。在傳感器的安裝過程中，加速度傳感器x軸在投影面上的投影所指向的方向垂直于投影面，對于重現(xiàn)筆跡不起作用，于是若要重現(xiàn)筆跡則僅僅需要加速度傳感器y軸與z軸的輸出量在投影面的分量。如圖4、5、6分別是圓、“2”、“3”這三種筆跡的加速度曲線。

由圖可以清楚地看出，書寫以上三個軌跡時加速度曲線呈較為明顯的正弦曲線變化，而將其進行兩次積分后，能夠較為準確地還原出書寫軌跡，如圖7、8、9所示。但由于數(shù)模轉(zhuǎn)換過程中采樣頻率較低以及安裝誤差，會出現(xiàn)不同程度的干擾，在經(jīng)過軟件濾波后得到了一定的改善。

6 結束語

本文介紹了一種基于MEMS慣性傳感器的書寫檢測系統(tǒng)，通過采集手寫筆的加速度信息及角度的變化，得到了運動過程中的軌跡，完成了書寫過程的還原，測試結果印證了原理的準確性。今后要展開的任務包括傳感器數(shù)據(jù)的融合以及分析兩次積分的累積誤差，以得到更精確的軌跡。另外，改變現(xiàn)有的手寫筆與計算機的通信方式也是今后要解決的一個問題。

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