一種手指式空中鼠標的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種手指式空中鼠標，所述鼠標能夠佩戴于食指等手指上，通過慣性傳感器進行動作感知，并通過對食指的動作識別區(qū)分光標移動、左單擊、雙擊、右單擊、滾動、拖動等動作，通過無線發(fā)射模塊將結(jié)果發(fā)送給PC端的無線接收模塊，從而實現(xiàn)鼠標功能，佩戴于食指的數(shù)據(jù)采集分析模塊采用鋰電池供電。實現(xiàn)了鼠標的微型化，可佩戴于食指，鼠標的操作通過動作識別實現(xiàn)，可大大提高人機交互體驗。
【專利說明】一種手指式空中鼠標
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種新型人機交互方式，具體來說是通過對手指的動作識別來完成一系列由鼠標完成的交互，由此完成對于PC、機頂盒、游戲機等計算設(shè)備的控制。
【背景技術(shù)】
[0002]鼠標是當前人機交互中的一個重要設(shè)備，鼠標光標的定位方式發(fā)展經(jīng)過了滾輪式、光電式以及現(xiàn)在的激光式，與計算設(shè)備的連接方式也由有線向無線發(fā)展。盡管如此，傳統(tǒng)的鼠標仍然不能離開桌面，需要以桌面為參考，因此鼠標在使用過程中仍然存在一些限制，在人機結(jié)合方面仍然不夠完美。
[0003]近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)智能電視的快速發(fā)展，在電視上瀏覽網(wǎng)頁、看視頻、玩游戲等逐漸成了客廳生活的組成部分，因此能夠離開桌面的鼠標成了市場的新寵。另外，可離開桌面的鼠標在教學、演講中也有很大的實用性。因此，市場上出現(xiàn)了多種空中鼠標，這些空中鼠標的出現(xiàn)一定程度上滿足了市場的需求，但還有很大的改進空間。這些空中鼠標在一定程度上更像是一個遙控器，僅實現(xiàn)了光標控制不依賴桌面等參考物，其它操作需要通過小鼠標上的小按鈕實現(xiàn)，由于這些空中鼠標離開了桌面，無法像桌面鼠標那樣輕松穩(wěn)定的移動和按鍵，這無疑降低了空中鼠標的使用體驗。
實用新型內(nèi)容
[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了手指式空中鼠標，實現(xiàn)了鼠標的微型化，可佩戴于手指，鼠標的操作通過動作識別實現(xiàn)，沒有抓握鼠標的動作，也無需在鼠標上定位按鈕的過程，大大提高了人機交互體驗。
[0005]本實用新型的技術(shù)方案是:一種手指式空中鼠標，包括可佩戴于手指上的數(shù)據(jù)采集分析模塊。
[0006]本實用新型的進一步改進包括:
[0007]還包括可插于PC端的無線接收模塊，所述的數(shù)據(jù)采集分析模塊通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式與所述無線接收模塊連接。
[0008]所述數(shù)據(jù)采集分析模塊放置于設(shè)有用于嵌套手指的通孔的外殼內(nèi)。
[0009]所述數(shù)據(jù)采集分析模塊包括一慣性傳感器，通過所述慣性傳感器進行動作感知，并通過對手指的動作識別。
[0010]所述慣性傳感器是MEMS六自由度慣性傳感器，包括三軸加速度計和三軸陀螺儀。
[0011]所述數(shù)據(jù)采集分析模塊包括主處理器，與主處理器連接的慣性傳感器，與主處理器連接的用于射頻發(fā)射芯片，以及鋰電池。
[0012]所述PC端的無線接收模塊通過USB接口與PC通訊，該無線接收部分還提供可熱插拔的接口可用于給鋰電池充電。
[0013]在對手指動作識別直接采用姿態(tài)解算算法對手指的姿態(tài)進行實時解算，獲得手指在參考坐標系下的實時姿態(tài)，包括俯仰角、橫滾角和方位角。[0014]手指方位角和俯仰角的變化量，且滿足變化率小于設(shè)定的門限值和橫滾角小于設(shè)定的門限值兩個條件時，即分別表示被控制的光標的左右和上下移動量。
[0015]對手指左單擊動作的識別采用了導數(shù)法，即對手指的俯仰角變化曲線進行求導，當某段曲線中存在導數(shù)符號相反，且導數(shù)絕對值符號大于設(shè)定的門限值時，即表示出現(xiàn)單擊動作；對手指右單擊動作的識別方法在于對右單擊的識別是對方位角的變化曲線進行求導計算。
[0016]由可佩戴于手指的數(shù)據(jù)采集分析模塊和可插于PC端的無線接收模塊兩部分組成，可佩戴于手指的數(shù)據(jù)采集分析模塊由慣性傳感器、主處理器、射頻芯片和板載天線組成，采用鋰電池供電。可插于PC端的無線接收模塊通過USB接口與PC進行通訊，并提供了額外的接口，用于給鋰電池充電。
[0017]在可佩戴于手指的數(shù)據(jù)采集分析模塊中，慣性傳感器采用六自由度的MEMS傳感器，包括三軸加速度計和三軸陀螺儀，負責感知運動，包括直線加速度和角加速度。主處理器通過接口讀取傳感器數(shù)據(jù)后，采用姿態(tài)解算算法對手指的姿態(tài)進行實時解算，獲得手指在參考坐標系下的實時姿態(tài)，包括俯仰角、橫滾角和方位角。
[0018]因為加速度計檢測的直線加速度和陀螺儀檢測的角加速度輸出相對于手指是固定的，因此當手指處于不同姿態(tài)時，所做的上下左右運動將無法完全對應鼠標指針的變化。采用姿態(tài)解算的目的是得到手指在地理坐標系下的姿態(tài)，將姿態(tài)的變化對應于鼠標光標的變化，可以使手指在空間中任意動作而不會影響光標的控制。姿態(tài)的解算就是手指在一定初始姿態(tài)下，用陀螺儀輸出計算下一時刻手指的姿態(tài)，可以采用四元數(shù)法、歐拉角法、余弦矩陣法等，這里的一種實現(xiàn)采用了四元數(shù)法。
[0019]因為MEMS陀螺儀存在很大的動態(tài)誤差，僅采用陀螺儀輸出計算姿態(tài)，將存在極大的誤差，因此還需要用數(shù)據(jù)融合算法，將加速計的靜態(tài)數(shù)據(jù)對誤差進行補償，這里采用擴展卡爾曼濾波算法進行數(shù)據(jù)融合，得到長期穩(wěn)定的手指姿態(tài)數(shù)據(jù)。
[0020]在手指的運動過程中，當手指方位角和俯仰角變化滿足變化率小于設(shè)定的門限值和橫滾角小于設(shè)定的門限值兩個條件時，手指方位角和俯仰角的變化量，即分別表示被控制的光標的左右和上下移動量。對手指左單擊動作的識別采用了導數(shù)法，即對手指的俯仰角變化曲線進行求導，當某段曲線中存在導數(shù)符號相反，且導數(shù)絕對值符號大于設(shè)定的門限值時，即表示出現(xiàn)單擊動作。對手指右單擊動作的識別也采用了導數(shù)法，即對手指的方位角變化曲線進行求導，當某段曲線中存在導數(shù)符號相反，且導數(shù)絕對值符號大于設(shè)定的門限值時，即表示出現(xiàn)單擊動作。
[0021 ] 佩戴于手指上的鼠標部分采用鋰電池供電，且該部分提供插拔式接口，鋰電池可方便的通過熱插拔進行安裝和拆卸。PC端的無線接收部分通過USB接口與PC通訊，該無線接收部分還提供可熱插拔的接口可用于給鋰電池充電。整個鼠標系統(tǒng)提供兩個鋰電池模塊，一個用于供電，另一個可進行備份充電，通過方便的拆卸和安裝滿足該鼠標的長時間使用要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型的整體示意圖。
[0023]圖2是姿態(tài)解算結(jié)合卡爾曼濾波融合得到姿態(tài)的計算流程。[0024]圖中:1、佩戴于手指的數(shù)據(jù)采集分析模塊，2、固定配件，3、PC端的無線接收模塊，
1、板載微帶天線，12、鋰電池，13、射頻芯片，14、主處理器，15、慣性傳感器，31、USB接口，32、電池充電接口。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本實用新型做詳細說明。
[0026]如圖1所示，該手指式空中鼠標首先需要一個外殼和佩戴于手指的固定配件，外殼上設(shè)有一個電源按鍵和工作指示燈，并留有一個接口用于電池供電。固定配件可采用松緊帶。
[0027]模塊中的慣性傳感器采用InvenSense公司的MPU6050六自由度MEMS慣性傳感器，該傳感器具有集成的三軸加速度計和三軸陀螺儀，可通過IIC接口與主處理器通信?？梢酝ㄟ^設(shè)置該芯片內(nèi)部寄存器來設(shè)定傳感器的檢測量程。主處理器這里選用ST公司的STM32H03，該處理器可支持高達72M主頻，具有IIC、SPI等外設(shè)接口，可滿足姿態(tài)解算、動作識別等的計算要求以及與傳感器、射頻芯片的通信要求。射頻芯片選用了 NORDIC公司的NRF24L01芯片，這是一款工作于2.4Ghz全球開放ISM頻段的無線通信芯片，通過SPI接口與主處理器通信。
[0028]在無線接收端內(nèi)部主要有無線接收射頻芯片和主處理器組成。無線接收芯片仍選用NORDIC公司的NRF24L01芯片，主處理器選用C8051F320，該芯片具有USB通信接口，可方便實現(xiàn)HID協(xié)議，另該芯片也提供了 SPI接口與射頻芯片進行通信。
[0029]下面采用四元數(shù)法結(jié)合擴展卡爾曼濾波算法進行手指的姿態(tài)解算與融合。
[0030]四元數(shù)是由一個實數(shù) 單位I和三個虛數(shù)單位i，j, k組成的含有四個元的數(shù)，其表達式為:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種手指式空中鼠標，其特征在于，包括可佩戴于手指上的數(shù)據(jù)采集分析模塊，還包括可插于PC端的無線接收模塊，所述的數(shù)據(jù)采集分析模塊通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式與所述無線接收模塊連接，所述數(shù)據(jù)采集分析模塊放置于設(shè)有用于嵌套手指的通孔的外殼內(nèi)，所述數(shù)據(jù)采集分析模塊包括主處理器，與主處理器連接的慣性傳感器，通過所述慣性傳感器進行動作感知，并通過對手指的動作識別，與主處理器連接的用于射頻發(fā)射芯片，以及鋰電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種手指式空中鼠標，其特征在于，所述慣性傳感器是MEMS六自由度慣性傳感器，包括三軸加速度計和三軸陀螺儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種手指式空中鼠標，其特征在于，所述PC端的無線接收模塊通過USB接口與PC通訊，該無線接收部分還提供可熱插拔的接口可用于給鋰電池充電。
【文檔編號】G06F3/0346GK203502917SQ201320442288
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月23日
【發(fā)明者】朱莉芳 申請人:西安艾爾特儀器有限公司