專利名稱：三維空間無線鼠標的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線鼠標設計方法，基于該方法實現(xiàn)的無線鼠標可以在三維空間自由移動，控制電腦操作。尤其適用于無桌面或其它輔助臺面場景、無手殘疾人對電腦的操作。屬于人機交互技術領域。
背景技術：
鼠標是人機交互領域中一個重大突破，為計算機操作提供了便捷手段。當前市面上可見的鼠標大部分采用光電技術，需要通過輔助桌面或臺面來完成運動位置的捕獲。對于有線鼠標的使用者來說，不僅離不開桌面等輔助設施，而且由于受線路纏繞，導致鼠標不能在桌面上任意移動。近年來隨著無線通信技術的發(fā)展，基于藍牙通信技術的無線鼠標也越來越多地走向市場。這些無線鼠標只是消除了鼠標與電腦之間的連線約束，仍然無法擺脫對桌面或固定平面的依賴，不能實現(xiàn)在三維空間中自由運動。雖然目前已有學者提出利用三軸加速度傳感器來實現(xiàn)三維空間無線鼠標，采用方法是基于三軸加速度傳感器的測量輸出，利用加速度值通過二次積分計算位移的方法來實現(xiàn)的。但由于三軸加速度傳感器容易受背景噪聲影響，經(jīng)過二次積分得到的位移估計存在較大誤差，因而很難準確判斷鼠標移動的范圍。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服當前光電無線鼠標的平面束縛問題和三維鼠標位移估計誤差問題，本發(fā)明提出了一種新的實現(xiàn)方法，保證無線鼠標在三維空間中自由移動同時，能夠準確與電腦進行交互。另一方面，由此技術實現(xiàn)的無線鼠標無需桌面輔助，因而適用于無臂(手)殘疾人操作，比如腳或腿等其它身體部位。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:利用三軸加速度傳感器傾斜角測量特性，來實現(xiàn)三維空間無線鼠標運動的軌跡追蹤。具體說來，在無線鼠標中安置MEMS (微電子機械技術)三軸加速度傳感器和低功耗無線發(fā)送模塊。當無線鼠標在三維空間自由運動時，MEMS三軸加速度傳感器輸出三個彼此正交的加速度值。利用低功耗無線發(fā)送模塊，把這三個加速度值發(fā)送給與PC (個人電腦)連接的低功耗無線接收模塊。低功耗無線接收模塊把此數(shù)據(jù)實時通過USB(通用串口)接口轉(zhuǎn)發(fā)個PC。在PC中，基于彼此正交的三個加速度值和地球重力之間的關系，可以計算出此時鼠標在三維空間的三個角，其中有兩個表示鼠標在三維空間的傾斜角。以此傾斜角的變化作為鼠標在二維空間移動控制，即一個角表不鼠標在屏幕水平方向移動，另外一個角表示鼠標在屏幕垂直方向移動。為進一步實現(xiàn)本發(fā)明，此處無線通信技術可以采用狼牙通信模塊，也可以采用低功耗無線通信技術Zigbee/IEEE802.15.4。采用本發(fā)明實現(xiàn)的三維空間無線鼠標，包括以下四個步驟:步驟一:基于MEMS加速度傳感器的無線鼠標在三維空間中的姿態(tài)檢測:在三維空間中任意移動無線鼠標，測量與無線鼠標姿態(tài)相關的彼此正交的三軸加速度數(shù)據(jù)；步驟二:無線發(fā)送模塊與接收模塊進行通信:無線發(fā)送模塊將加速度傳感器檢測到的三軸加速度數(shù)據(jù)實時發(fā)送給與PC相連的無線接收模塊；步驟三:PC接收無線鼠標在三維空間中的瞬間加速度數(shù)據(jù):無線接收模塊將接收到的無線鼠標在三維空間中方位相關的三軸加速度數(shù)據(jù)，通過USB接口轉(zhuǎn)發(fā)給PC。步驟四:PC對接收到的無線鼠標當前方位數(shù)據(jù)進行處理:PC對接收到的無線鼠標在三維空間中的方位數(shù)據(jù)進行處理，基于方位信息轉(zhuǎn)換為屏幕上二維空間中的運動。與現(xiàn)有技術對比，本發(fā)明的優(yōu)點如下:(I)本發(fā)明利用三軸加速度傳感器實現(xiàn)的無線鼠標，不需要桌面或其它輔助臺面，適合于三維空間中的自由移動。(2)本發(fā)明利用傾斜角測量特征，可以消除加速度傳感器所受背景噪聲的影響，提高無線鼠標定位精確度。(3)采用本發(fā)明基于MEMS加速度傳感器的實現(xiàn)的無線鼠標操作簡單，使用者不必局限于小范圍空間，在無線信號覆蓋范圍內(nèi)可以自由操作。(4)本發(fā)明基于傾斜角測量特性實現(xiàn)的無線鼠標裝置，適合于無手(臂)的殘疾人應用，擴大無線鼠標的使用對象和應用領域。


圖1三維無線鼠標系統(tǒng)結(jié)構2三維加速度傾角測量原理3三維無線鼠標左右移動測試4三維無線鼠標上下移動測試圖
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明實現(xiàn)的無線鼠標包括無線鼠標和無線接收模塊兩部分。其中無線鼠標包括MEMS三軸加速度傳感器和無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。三軸MEMS加速度傳感器用來采集鼠標在三維空間中彼此正交的加速度值ax，ay和az，并利用無線發(fā)送模塊把采集到的加速度值ax，ay和az利用低功耗無線通信技術發(fā)送給與PC相連的無線接收模塊。無線接收模塊把射頻信道接收到的加速度值重新組織，利用USB接口轉(zhuǎn)發(fā)給相連的PC。本發(fā)明實現(xiàn)方法中，三軸加速度傳感器采用市場上常用的MEMS三軸加速度傳感器，如Freescale公司的MMA 7260Q。無線通信模塊利用低功耗射頻芯片支持Zigbee/IEEE802.15.4技術，如CC2420或CC2430。無線通信通信模塊射頻傳輸速率為250K比特/秒，頻率為2.4G。三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)采樣率不低于40Hz，以保證無線鼠標的平滑移動。網(wǎng)關接口板采用與射頻發(fā)送模塊相對應的低功耗無線通信模塊，通過USB串口實時轉(zhuǎn)發(fā)給PC。三軸加速度傳感器為鼠標運動的檢測裝置，用來檢測無線鼠標在三維空間中X、Y和Z三個軸向上的加速度。如圖2三維加速度傾角測量原理圖所示，在三維空間，考慮靜態(tài)或準靜態(tài)情況，利用三軸加速度和重力直接的關系，可以得到三個角θ、φ和ψ。其中Θ是X’軸與地面投影X”之間的夾角，Ψ是Y’軸與地面投影Y”之間的夾角，Φ是Z’軸與垂直軸Z之間夾角。從而有
權利要求
1.一種三維空間無線鼠標設計方法，其特征在于基于此方法實現(xiàn)的無線鼠標可以在三維空間中自由移動，不需要輔助臺面或桌面的支撐。
2.根據(jù)權利要求1所述的三維空間無線鼠標設計方法，其特征在于利用MEMS三軸加速度傳感器作為鼠標運動的檢測裝置，用來檢測無線鼠標在三維空間X、Y和Z三個軸向的加速度值。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于MEMS加速度傳感器的三維無線鼠標設計方法，其特征在于利用三軸加速度和重力直接的關系，計算鼠標在三維空間中的傾斜角θ、φ和ψ。其中Θ角的變化表示鼠標在屏幕水平方向移動角的變化表示鼠標在屏幕垂直方向移動。
4.根據(jù)權利要求1所述三維空間無線鼠標設計方法，其特征在于利用低功耗無線通信技術，如Zigbee/IEEE 802.15.4或者狼牙技術，實現(xiàn)鼠標無線通信。
全文摘要
一種三維空間無線鼠標設計方法，它是利用MEMS三軸加速度傳感器和低功耗無線通信技術實現(xiàn)鼠標在三維空間中自由移動。MEME三軸加速度實時檢測無線鼠標在三維空間中的加速度值，加速度值通過低功耗無線通信技術如Zigbee/IEEE802.15.4或狼牙技術發(fā)送個無線接收模塊，無線接收模塊與PC通過USB接口連接。無線接收模塊把收到的無線鼠標在三維空間中的彼此正交的三軸加速度值通過USB接口送給PC。PC根據(jù)接收到的三軸加速度值，計算瞬間無線鼠標在三維空間中的姿態(tài)角(兩個角)。與前一時刻姿態(tài)角進行比較，計算出鼠標瞬間傾斜角的變化，轉(zhuǎn)化為屏幕中鼠標在水平方向和垂直方向的運動，實現(xiàn)鼠標二維操作。
文檔編號G06F3/0354GK103176627SQ201110439489
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權日2011年12月26日
發(fā)明者陳建新, 杜月林, 林宏, 王榮 申請人:陳建新, 杜月林, 林宏