信息工程專業(yè)“穿戴式鼠標(biāo)”課程設(shè)計(jì)分析

晉佳月 崔紅玉 張璐瑤 李剛 王猛

摘要：在信息工程領(lǐng)域，越來越多的場(chǎng)景需要遠(yuǎn)程使用鼠標(biāo)，例如多媒體教學(xué)、集體會(huì)議、游戲、工程應(yīng)用控制、移動(dòng)信號(hào)等。鼠標(biāo)作為重要的人機(jī)交互設(shè)備，而傳統(tǒng)光學(xué)鼠標(biāo)受限于二維平面，限制了用戶的使用范圍。本文就信息工程專業(yè)“穿戴式鼠標(biāo)”課程設(shè)計(jì)展開探討。

關(guān)鍵詞：信息工程;遠(yuǎn)程;穿戴式鼠標(biāo);無線發(fā)射

引言

隨著《國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》和《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的全面落實(shí)，創(chuàng)新被提到了相當(dāng)高的位置上。專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)對(duì)創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)起著重要的作用，其對(duì)實(shí)操環(huán)節(jié)的重要性愈加突出。

1可穿戴式無線空中鼠標(biāo)系統(tǒng)原理與總體方案設(shè)計(jì)

可穿戴式無線空中鼠標(biāo)的由兩個(gè)設(shè)備組成：主控制無線發(fā)射設(shè)備和無線USB接受設(shè)備。主控制無線發(fā)射設(shè)備主要由四個(gè)模塊組成，分別是電源管理模塊、STM32核心控制模塊、NRF24L01無線通信模塊和MPU6050傳感器模塊。首先MPU6050六軸傳感器不斷接受用戶的手勢(shì)信息，由STM32微控制處理器利用中斷查詢的方式接受六軸傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過補(bǔ)償濾波算法之后，通過NRF24L01通訊芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。無線USB接受設(shè)備主要由兩個(gè)模塊組成，STM32控制模塊與NRF24L01無線通信模塊。無線USB接受設(shè)備捕獲主控制無線發(fā)射設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，再按照協(xié)議進(jìn)行編碼，通過USB接口完成和電腦的交互通信。此時(shí)完成用戶控制電腦指針的全部過程。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)原理

本文列舉了穿戴式鼠標(biāo)設(shè)計(jì)，其框架如圖1所示。穿戴式鼠標(biāo)分為發(fā)射器和接收器兩部分。發(fā)射器主要有手指手掌動(dòng)作采集模塊、處理器模塊、無線發(fā)射模塊和電源模塊組成;接收器主要有射頻接收模塊、處理器模塊和USB接口電路。發(fā)射器以手套和表帶的方式戴在人的手腕上，傳感器實(shí)時(shí)采集手指和手腕的動(dòng)作，經(jīng)處理器模塊處理后以無線方式發(fā)送給接收器。接收器收到發(fā)射器的信息，經(jīng)處理器解析為光標(biāo)位移和按鍵信息，編碼后由USB接口傳至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)操作的控制。

2.2硬件支持

為了實(shí)現(xiàn)所提出的系統(tǒng)的所有功能，需要另外兩種可穿戴硬件設(shè)備，其中可穿戴顯示設(shè)備（VR眼鏡）用于顯示，觸摸板用于用戶輸入。為了提供一個(gè)更真實(shí)的可視化虛擬世界，使用的是基于Android系統(tǒng)的VR眼鏡。選擇此硬件設(shè)備的原因是因?yàn)樗贏ndroid系統(tǒng)，在這個(gè)平臺(tái)上安裝虛擬鼠標(biāo)的應(yīng)用程序比較方便。選擇的另一個(gè)硬件設(shè)備是觸摸鍵盤，此鍵盤只有一個(gè)鍵，用于用戶的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)的整個(gè)過程為：在VR眼鏡上安裝交互系統(tǒng)，觸摸板作為用戶輸入設(shè)備，與VR眼鏡相連。當(dāng)用戶需要與系統(tǒng)進(jìn)行交互時(shí)，按壓觸摸板，即可獲得系統(tǒng)的反饋。輸出設(shè)備可以是多樣的，例如由軟件系統(tǒng)控制的揚(yáng)聲器可以連接到虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，以便每當(dāng)病人作出選擇時(shí)，護(hù)工可以被及時(shí)通知到。顯示器同樣可以作為此系統(tǒng)的輸出設(shè)備，可將使用者的所有選擇輸出到屏幕上方便使用者及其家屬護(hù)工實(shí)時(shí)掌握。硬件的選擇是以改善和方便殘疾人和外部世界的溝通為目的。

2.3MPU6050傳感器模塊

系統(tǒng)的慣性測(cè)量單元采用MPU6050六軸傳感器作為手勢(shì)運(yùn)動(dòng)的信息采集元件。MPU6050六軸傳感器中既有陀螺儀與加速度傳感器，更在內(nèi)部嵌入了數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器可以通過融合算法解出傳感器的姿態(tài)和四元數(shù)，因此使用者不需要額外進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算。由數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器實(shí)現(xiàn)融合算法后，單片機(jī)便釋放了大量的運(yùn)算資源。單片機(jī)只需要設(shè)置好外部中斷等待數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器傳送數(shù)據(jù)即可，這些數(shù)據(jù)即是用戶的手勢(shì)運(yùn)動(dòng)初始的信息。這樣以來，單片機(jī)有更多的資源與更多的時(shí)間來完成補(bǔ)償濾波算法濾波以及其他控制邏輯。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要有鼠標(biāo)移動(dòng)、點(diǎn)擊、手勢(shì)（滾輪滑動(dòng)、切換窗口、顯示桌面）、手臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)等幾部分組成，其中發(fā)射端和接收端的流程圖如圖1所示。發(fā)射端通過讀取MPU6050數(shù)據(jù)和檢測(cè)Flex-4.5信號(hào)獲取手指和手腕的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換成為坐標(biāo)和標(biāo)志量后發(fā)送給接收器。手臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用于排除無意義操作。接收器初始化后實(shí)時(shí)接收2.4G頻道數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成為鼠標(biāo)和鍵盤的控制指令，發(fā)送給上位機(jī)計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)還結(jié)合3根手指的彎曲狀態(tài)組合，對(duì)操作手勢(shì)判別后實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)滾輪、切換任務(wù)窗口（Win+Tab）、顯示桌面（Win+D）這3項(xiàng)普通鼠標(biāo)沒有的快捷功能。滾輪滑動(dòng)的手勢(shì)識(shí)別流程圖如圖2所示。

結(jié)語

隨著微機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，陀螺儀與加速度傳感器的出現(xiàn)促使產(chǎn)生了新一代的空中鼠標(biāo)。本文提出的可穿戴式空中鼠標(biāo)設(shè)計(jì)方案是有效的，而且具有較高的平滑性和穩(wěn)定性。

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河南科技大學(xué) 471023