基于互補濾波算法的體感鼠標(biāo)研究與實現(xiàn)

景傳奇+張鳳登

摘要：建立體感鼠標(biāo)的空間坐標(biāo)系模型，利用STM32微處理器采集六軸微慣性傳感器MPU6050和地磁計HMC5883L數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合和互補濾波，實時檢測人體手指的姿態(tài)變化。將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)诫娔X接收端對應(yīng)鼠標(biāo)光標(biāo)的位移變化，實現(xiàn)了人只需要輕輕揮動手指就可控制鼠標(biāo)光標(biāo)的移動、單雙擊和滾輪等操作。設(shè)計了鋰電池充放電電路，增加了鼠標(biāo)續(xù)航時間。

關(guān)鍵詞：體感；姿態(tài)解算；互補濾波；MPU6050；HMC5883L；STM32

DOIDOI：10.11907/rjdk.171883

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：1672-7800（2018）001-0116-06

Abstract：Based on the establishment of the spatial coordinate system model of human arm， this design uses STM32 microprocessor to collect the data of six axis micro inertial sensor MPU6050 and magnetometer HMC5883L， then uses data fusion and complementary filtering algorithm to detect the posture change of human finger. Finally， the mouse sends data to a receiver through the wireless network， and corresponds to the displacement of the mouse cursor. this kind of mouse realize that people only need to gently waving fingers to control the movement of the mouse cursor， double click and scroll operation， and uses for a long time with the lithium battery charging and discharging circuit design.

Key Words：Somatosensory； attitude solution； complementary filter； MPU6050； HMC5883L； STM32

0引言

人們通常使用的是PS/2接口或USB通過接口的有線光電鼠標(biāo)，這種鼠標(biāo)底部光電傳感器檢測鼠標(biāo)在平面上的位移變化，但受到鼠標(biāo)線的限制，使用空間范圍有限。隨著無線電子技術(shù)的發(fā)展，基于2.4Ghz的射頻或藍牙通訊的無線鼠標(biāo)使用越來越多。這些無線鼠標(biāo)雖然擺脫了有線的束縛，但大多數(shù)還是屬于光電式的，在使用過程中需要平坦不透明的平面，使用體驗并不是很理想。本文設(shè)計了基于人體姿態(tài)實時檢測的體感鼠標(biāo)，利用手指的移動控制鼠標(biāo)光標(biāo)移動，更加方便和智能。

1體感鼠標(biāo)模型

實現(xiàn)手指姿態(tài)角度的變化對應(yīng)電腦鼠標(biāo)光標(biāo)的位移變化，建立合適的姿態(tài)坐標(biāo)系模型很重要。圖1為人的手臂結(jié)構(gòu)圖形，為便于理論分析，以手肘關(guān)節(jié)為原點，構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系，其中上臂作為Z軸，下臂作為Y軸，垂直紙面的方向作為X軸。

通過手臂控制體感鼠標(biāo)，在豎直平面內(nèi)的水平方向-60°～+60°和豎直方向-70°～+70°范圍內(nèi)，對應(yīng)電腦屏幕（如分辨率1 920*1 080）光標(biāo)的移動。

1.1坐標(biāo)系與姿態(tài)角

在姿態(tài)檢測和慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，檢測物體的位移或姿態(tài)需要先建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，通常以慣性坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，此外還有地球坐標(biāo)系、載體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系，其它坐標(biāo)系可由慣性坐標(biāo)系變換而來，下面介紹常用坐標(biāo)系[2]及其方向定義。

（1）慣性坐標(biāo)系（i-OiXiYiZi）。慣性坐標(biāo)系以地心作為坐標(biāo)原點，Zi軸指向地球北極方向，Xi與Yi軸在赤道平面成90°角，Zi與Xi、Yi構(gòu)成右手坐標(biāo)系，簡稱i系，通常作為參考坐標(biāo)系使用。

（2）載體坐標(biāo)系（b-ObXbYbZb）。載體坐標(biāo)系指固定在一個載體上隨載體位置和方向變化的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點Ob一般取載體的質(zhì)心，Xb與Yb在載體所確定平面，Xb指向載體右側(cè)，Yb沿載體縱軸方向指向，Zb垂直于Xb與Yb所確定平面豎直向上，簡稱b系，如圖4所示。

（3）地理坐標(biāo)系（n-OnXnYnZn）。地理坐標(biāo)系指原點On位于載體所在的地球表面，其中一軸為與地理垂線重合的右手直角坐標(biāo)系，簡稱n系。

姿態(tài)檢測領(lǐng)域通常涉及b系與n系之間數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，這個過程需要使用兩個坐標(biāo)系之間的軸夾角進行計算，將b系與n系之間的夾角進行如下描述和定義，方便后續(xù)研究使用：

俯仰角θ：載體坐標(biāo)系繞地理坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，OnXn軸旋轉(zhuǎn)所得角度（向上轉(zhuǎn)動為正），以O(shè)bZb與ObZb軸重合處為起點，取值范圍：-90°～90°。

橫滾角γ：載體坐標(biāo)系繞地理坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，OnYn軸旋轉(zhuǎn)所得角度（向上轉(zhuǎn)動為正），以O(shè)bXb與ObXb軸重合處為起點，取值范圍：-180°～180°。

航向角ψ：載體坐標(biāo)系繞地理坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，OnZn軸旋轉(zhuǎn)所得角度（順時針轉(zhuǎn)為正），以O(shè)bYb與ObYb軸重合處為起點，取值范圍：0°～360°。

以上姿態(tài)角描述了從地理坐標(biāo)系開始，沿OnZn、OnXn、OnYn順序進行轉(zhuǎn)動，經(jīng)過3次轉(zhuǎn)動可得到載體坐標(biāo)系ObXbYbZb，旋轉(zhuǎn)角度分別為ψ、θ、γ，如圖5所示。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先進行設(shè)備和傳感器初始化，檢測人體姿態(tài)數(shù)據(jù)和按鍵操作，經(jīng)過內(nèi)部姿態(tài)解算，對電腦接收端發(fā)送不同的指令信號，實現(xiàn)對電腦鼠標(biāo)光標(biāo)和滾輪的控制。發(fā)射端軟件流程如圖10所示。

電腦無線接收端接受鼠標(biāo)光標(biāo)移動指令和按鍵操作指令后，通過USB協(xié)議控制鼠標(biāo)相應(yīng)動作，接收端軟件流程如圖11所示。

3結(jié)語

本文研究了姿態(tài)解算的四元數(shù)和更新算法，設(shè)計了基于STM32嵌入式系統(tǒng)的體感鼠標(biāo)，利用NRF24L01實現(xiàn)體感鼠標(biāo)和電腦接收端之間數(shù)據(jù)的通訊。32字節(jié)的報文可以支持USB鍵盤智能化設(shè)備的開發(fā)。優(yōu)化了鼠標(biāo)光標(biāo)定位算法，使體感鼠標(biāo)在運動過程中光標(biāo)移動更加平穩(wěn)，提高了分辨率。開發(fā)電腦端的應(yīng)用程序，識別人手指在空中畫出的字母，通過API調(diào)用計算機上的應(yīng)用軟件（如畫Q打開QQ，畫e打開瀏覽器等），提高了用戶的使用體驗。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）endprint