一种单指虚拟键盘系统及其使用、输入方法

技术特征：
1.一种单指虚拟键盘系统，其特征在于，所述单指虚拟键盘系统由虚拟键盘布局模块、六轴惯性传感器、微处理器、pc上位机组成；所述虚拟键盘布局模块用于为用户展示按键位置和键值；所述六轴惯性传感器有一个，并安装在单手食指尖端，用于测量手指运动时的加速度和角速度数据；所述微处理器用于接收六轴惯性传感器的加速度和角速度数据，并将所述加速度和角速度数据直接拼接后发送到pc上位机；所述pc上位机安装有pc端软件，用于接收微处理器发送的加速度和角速度数据，并对加速度和角速度数据进行处理。2.根据权利要求1所述的一种单指虚拟键盘系统，其特征在于，所述虚拟键盘布局模块由圆心位置相同、半径不同的内圆与外圆组成，所有按键位置均匀分布在内圆与外圆的十二等分点上，除此之外，圆心位置也作为一个按键位置。3.根据权利要求1所述的一种单指虚拟键盘系统，其特征在于，所述六轴惯性传感器集成了加速度计和陀螺仪，能够输出手指x、y、z三个方向的加速度与角速度数据；以沿食指指尖向前的方向定义为y轴方向，与手掌平行且垂直于y轴的方向定义为x轴方向，与xy平面垂直向上的方向为z轴方向，所述x轴、y轴、z轴组成六轴惯性传感器的局部三维坐标系。4.权利要求1-3任意一项所述的单指虚拟键盘系统的使用方法，其特征在于，使用前，将用户穿戴有六轴惯性传感器的手指尖作为虚拟键盘布局模块的圆心；使用时，用户参考虚拟键盘布局模块中圆心与按键位置的相对位置，将穿戴有六轴惯性传感器的手指尖从圆心快速移动到目标按键位置，再移动回圆心，完成一次目标按键的击键操作，移动过程不需要停顿。5.权利要求1-3任意一项所述的单指虚拟键盘系统的输入方法，其特征在于，包括以下步骤：1)六轴惯性传感器中的加速度计与陀螺仪采集手指运动的加速度与角速度，通过微处理器发送给pc上位机并进行处理；2)pc上位机安装的pc端软件对数据进行处理，步骤如下：2.1)数据预处理：微处理器发送的加速度和角速度数据分别去除固定偏差、平滑滤波去噪，得到处理后的加速度和角速度数据；2.2)运动分割：将处理后的加速度和角速度数据使用加速度标准差作为运动特征，获得击键运动开始时刻和击键运动结束时刻；2.3)计算目标位移：对击键运动开始时刻和击键运动结束时刻之间的加速度和角速度数据，使用积分误差控制算法进行积分处理，得到目标位移；2.4)获取目标按键：根据虚拟键盘布局模块的圆心和按键位置的相对位置，使用目标位移与相对位置进行对比，获得用户按下的按键位置，再根据虚拟键盘布局模块中的位置和键值的关系，得到用户按下的目标按键键值。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤2.1)中，在静止状态下，通过六轴惯性传感器采样超过4种不同姿态下的加速度数据和角速度数据，对加速度数据和角速度数据分别使用最小二乘法拟合出球面，求得的球面所在的球心分别为加速度和角速度的固定偏差；
所述固定偏差只需要在系统运行前估计一次，系统运行后无需再估计；所述滤波采用定长为n的滑动窗口平滑滤波方法，将当前数据点与当前数据点前的n-1个数据求平均，所得的平均值作为当前数据点的滤波值。7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤2.2)中，所述击键运动开始时刻为用户手指位于圆心，且准备往目标按键移动的时刻；所述击键动作结束时刻为用户手指从目标按键回到圆心，用户手指位于圆心的时刻；击键运动开始时刻，用户手指从静止状态转变为运动状态；击键动作结束时刻，用户手指从运动状态转变为静止状态；使用加速度标准差作为运动特征，考虑使用两个阈值：开始运动阈值与结束运动阈值；为了防止用户静止时手部的轻微抖动导致系统误判为击键运动开始时刻，同时防止运动过程中用户手部短暂停顿导致系统误判为击键运动结束时刻，规定开始运动阈值大于结束运动阈值；用户手指初始状态为静止状态；状态转变过程如下：若当前为静止状态且加速度标准差不超过开始运动阈值时，判断当前为静止状态；若当前为静止状态且加速度标准差大于开始运动阈值时，将静止状态转变为运动状态，记录当前时刻为击键运动开始时刻；若当前为运动状态且加速度标准差小于结束运动阈值时，将运动状态转变为静止状态，记录当前时刻为击键运动结束时刻。8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤2.3)中，计算目标位移，包括以下步骤：2.3.1)对击键运动开始时刻到击键运动结束时刻之间的角速度使用runge-kutta迭代法获得击键运动开始时刻到击键运动结束时刻之间的每个时刻的姿态四元数；2.3.2)对击键运动开始时刻到击键运动结束时刻之间的每个时刻的姿态四元数乘以相同时刻下的加速度，再乘以相同时刻下的姿态四元数的逆，获得每个时刻转换后的加速度；2.3.3)对击键运动开始时刻到击键运动结束时刻之间的转换后的加速度使用积分误差控制算法进行积分，得到每个时刻的速度；2.3.4)对击键运动开始时刻到击键运动结束时刻之间的速度使用积分误差控制算法进行积分，得到每个时刻的位移；2.3.5)对击键运动开始时刻到击键运动结束时刻之间的每个时刻的位移，找到模长最长的位移，即为用户手指从圆心到目标按键的目标位移。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述积分误差控制算法，基于两个事实：已知起始时刻与结束时刻的运动状态，以及每个时刻的数据都有误差，误差随着积分次数的增加而增加，因此，积分误差控制算法先从起始时刻到结束时刻迭代计算每个时刻的数据的前向积分，再从结束时刻到起始时刻迭代计算每个时刻的数据的后向积分，最后将每个时刻的数据的前向积分与后向积分进行线性加权，获得每个时刻最终的积分。10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤2.4)中，获取目标按键，包括以下步骤：2.4.1)以虚拟键盘布局模块中的圆心为原点，得到12个方向向量，并将虚拟键盘布局
模块根据半径长度划分为中心、内圈与外圈三个区域；2.4.2)将目标位移与12个方向向量使用向量余弦进行相似度计算，得到目标按键的方向；2.4.3)计算目标位移的模长，与三个区域进行对比，能够得到目标按键所在的区域；2.4.4)结合目标按键的方向和目标按键所在的区域，即可确定目标按键在虚拟键盘布局模块中的位置，再根据虚拟键盘布局模块中的位置和键值的关系，得到用户按下的目标按键键值。

技术总结
本发明公开了一种单指虚拟键盘系统及其使用、输入方法，该系统由虚拟键盘布局模块、六轴惯性传感器、微处理器、PC上位机组成；虚拟键盘布局模块用于为用户展示按键位置和键值；六轴惯性传感器安装在单手食指尖端，共1个，用于测量手指运动时的加速度和角速度数据；微处理器用于接收六轴惯性传感器的加速度和角速度数据，并将加速度和角速度数据直接拼接后发送到PC上位机；PC上位机安装有PC端软件，用于接收微处理器发送的加速度和角速度数据，并对加速度和角速度数据进行处理。本发明无需用户数据训练，提高了系统的拓展性，且系统易于搭建，拓展了系统的使用场景。拓展了系统的使用场景。拓展了系统的使用场景。


技术研发人员：张幸林 李振江
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2022.11.10
技术公布日：2023/2/3