CN103268159B - 基于三维空间的演示屏指针定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三维空间的演示屏幕指针定位系统，包括有：传感器模块，其包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及三轴电子罗盘，用于采集指针在某一位置时其XYZ三个垂直方向上的加速度信息、角速度信息以及地磁分量信息；处理器模块，其通过IIC总线与所述传感器模块连接，用于对所述传感器模块发送指令，并将获取的所述传感器模块采集信息发送至上位机；上位机，用于接收所述处理器模块传送的数据并进行处理，以确定所述指针的方向向量，并对所述指针进行定位；本发明减小了系统的体积和电路设计难度，方便对大型演示屏幕指针的高精度定位，本发明还提供一种基于三维空间的演示屏幕指针定位方法。

Description

基于三维空间的演示屏指针定位系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机领域，特别涉及一种基于三维空间的演示屏幕指针定位系统及方法。

背景技术

现如今，人们在做演讲或者集体讨论的时候往往是使用激光笔来进行演示，或者通过鼠标进行指针的定位和操作处理；但是，在使用激光笔时就无法使用演示软件的电子笔功能，也无法进行翻页等操作；另外，如果在一个很大的场合，需要一个大银幕进行演讲或者讨论的时候，由于鼠标需要一个平整的工作平台，导致人们在做大型演讲和讨论时不得不受到鼠标的束缚。

基于此，现有技术确实有改进的必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于三维空间的演示屏幕指针定位系统及方法，以方便对大型演示屏幕指针的高精度定位，脱离鼠标的束缚。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种基于三维空间的演示屏幕指针定位系统，包括有：

传感器模块，用于采集指针在某一位置时其XYZ三个垂直方向上的加速度信息、角速度信息以及地磁分量信息；

处理器模块，其通过IIC总线与所述传感器模块连接，用于对所述传感器模块发送指令，并将获取的所述传感器模块采集信息发送至上位机；

上位机，用于接收所述处理器模块传送的数据并进行处理，以确定所述指针的方向向量，并对所述指针进行定位。

优选的，所述传感器模块包括：

三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及三轴电子罗盘，其分别用于采集指针在某一位置时其XYZ三个垂直方向上的加速度信息、角速度信息以及地磁分量信息。

优选的，所述处理器模块包括：

IIC接口单元，用于对所述传感器模块发送指令，并读取所述传感器模块的采集信息；

处理器，用于执行指令，并对所述IIC接口单元的数据进行处理；

USB控制器，用于将所述处理器处理后的数据发送至上位机，并接收所述上位机发送的指令。

优选的，所述处理器模块进一步包括：

只读存储器，其通过指令总线与所述处理器连接，用于存储指令；

随机存储器，其通过数据总线与所述处理器连接，用于存储数据；

定时器，用于产生定时中断，使所述处理器模块对所述传感器模块以采样周期进行采样；

中断源，使得当所述采样周期到来时，所述处理器模块对所述传感器进行采样；

IO接口，用于读取按键信息；

其中，所述定时器、中断源以及IO接口分别与所述处理器通过APB总线连接。

优选的，所述系统包括电源模块，用于对所述传感器模块和处理器模块进行独立供电。

优选的，所述系统包括与所述处理器模块连接的外围模块，所述外围模块包括：

按键，其与所述处理器模块的IO接口连接，用于对所述指针的位置进行控制；JTAG接口，用于将编译后的程序二进制文件下载到所述处理器模块的只读存储器中，并对该程序进行调试；

LED指示灯，用于显示当前系统的运行状态。

本发明还提供一种基于三维空间的演示屏幕指针定位方法，包括以下步骤：

S1、利用传感器模块采集指针在某一位置时其XYZ三个垂直方向上的加速度信息、角速度信息以及地磁分量信息，并同时采集按键信息；

S2、将所述传感器模块采集的信息和按键信息经处理器模块处理后，发送至上位机；

S3、所述上位机基于所述处理器模块传送的数据，确定系统的方向向量，并对所述指针进行定位。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

S31、所述上位机基于所述处理器模块传送的数据，计算系统的俯仰角Pitch_i、横滚角Roll_i以及偏航角Yaw_i；

S32、根据所述系统的俯仰角Pitch_i、横滚角Roll_i以及偏航角Yaw_i，计算所述系统的方向向量；

S33、计算所述系统的方向向量和演示屏幕的交点，该交点为指针的坐标。

优选的，所述步骤S31进一步包括：

S311、所述上位机根据所述传感器模块中三轴陀螺仪的数据，计算系统的第一俯仰角分量GPitch_i、第一横滚角分量GRoll_i和第一偏航角分量GYaw_i；

S312、所述上位机根据所述传感器模块中三轴加速度传感器的数据，计算系统的第二俯仰角分量APitch_i和第二横滚角分量ARoll_i；

S313、所述上位机根据所述传感器模块中三轴电子罗盘的数据，计算系统的第二偏航角分量MYaw_i；

S314、结合步骤S311、S312及S313的计算结果，计算所述系统的俯仰角Pitch_i、横滚角Roll_i以及偏航角Yaw_i；

其中，当所述上位机接收到第一条传感器数据时，初始偏航角为0；初始俯仰角Pitch₁为该系统第二俯仰角分量APitch₁；初始横滚角Roll₁为该系统第二横滚角分量ARoll₁。

本发明提供一种基于三维空间的演示屏幕指针定位系统及方法，利用三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及三轴电子罗盘，来确定大屏幕的指针位置和对指针进行操作，由于所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及三轴电子罗盘的尺寸变的越来越小，从而减小了系统的体积和电路设计难度，方便了对大型演示屏幕指针的高精度定位，脱离了鼠标的束缚。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统框图；

图2为本发明一实施例中处理器模块的部分示意图；

图3为本发明一实施例的流程图；

图4为本发明一实施例中演示屏幕指针定位的计算原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供一种基于三维空间的演示屏幕指针定位系统，包括有：

传感器模块，用于采集指针在某一位置时其XYZ三个垂直方向上的加速度信息、角速度信息以及地磁分量信息；

处理器模块，其通过IIC总线与所述传感器模块连接，用于对所述传感器模块发送指令，并将获取的所述传感器模块采集信息发送至上位机；

上位机，用于接收所述处理器模块传送的数据并进行处理，以确定所述指针的方向向量，并对所述指针进行定位。

优选的，所述传感器模块包括：三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及三轴电子罗盘，其分别用于采集指针在某一位置时其XYZ三个垂直方向上的加速度信息、角速度信息以及地磁分量信息。其中，所述三轴加速度传感器在量程为2g的情况下分辨率可达16384LSB/g，在输出频率为1Khz的模式下噪音密度为400ug/sqrt(HZ)，在25℃的情况下灵敏度为0.5%，在0g情况下的偏移为0.50mg，内置5-260hz的低通滤波器，输出频率可达1khz，工作温度在-40℃到85℃，并带有自我检测功能；所述三轴陀螺仪在量程为-250dps～250dps的情况下分辨率可达131LSB/g，温度漂移率为3%。在带宽为100hz情况下的噪音密度为0.05d/s-rms，内置5-256hz的低通滤波器输出频率可达8000hz，工作温度为-40℃到85℃，并带有自我检测功能；所述的三轴电子罗盘在量程为-1.3Ga～1.3Ga的情况下分辨率为0.92mGa/LSB，数据输出频率为75hz，并且带有自我检测功能。

优选的，所述处理器模块包括：

IIC接口单元，用于对所述传感器模块发送指令，并读取所述传感器模块的采集信息；所述IIC接口通过10K欧的上拉电阻与所述传感器模块的3.3V电源相连；

处理器，用于执行指令，并对所述IIC接口单元的数据进行处理；

USB控制器，用于将所述处理器处理后的数据发送至上位机，并接收所述上位机发送的指令，其中，所述USB控制器在全速模式下的最大传输带宽为12Mb/s；每个端点最大可使用512byte的缓冲区，最大可用于16个单向或者8个双向端点；其通信都是根据USB规范实现令牌的分组检测；数据的收发，握手的处理都是由硬件来完成。该USB控制器可在WINDOWSXP/Vista/Server2003/7/8，linux和MACOS上使用；其供电为5V，最大工作电流仅为500ma。

优选的，如图2所示，所述处理器模块进一步包括：

只读存储器，其通过指令总线与所述处理器连接，用于存储指令；

随机存储器，其通过数据总线与所述处理器连接，用于存储数据；所述数据为程序的变量，比如加速度数据，角速度数据和磁通量数据；

定时器，用于产生定时中断，使所述处理器模块对所述传感器模块以采样周期进行采样；其中，所述定时器的性能为16位，最高计数为65536，计数频率为36Mhz。

中断源，使得当所述采样周期到来时，所述处理器模块对所述传感器进行采样；即当定时器产生定时器中断的情况下，中断源迫使处理器的程序指针指向采样程序的第一条指令，使得在采样周期到来的时候处理器模块进行对传感器模块的采样；

IO接口，用于读取按键信息；

其中，所述定时器、中断源以及IO接口分别与所述处理器通过APB总线连接。

优选的，所述系统包括电源模块，用于对所述传感器模块和处理器模块进行独立供电，所述电源模块由2个3.3V的LDO构成，其中一个LDO负责对处理器模块供电；另一个LDO负责对传感器模块供电。

优选的，所述系统包括与所述处理器模块连接的外围模块，所述外围模块包括：

按键，其与所述处理器模块的IO接口连接，用于对所述指针的位置进行控制，该系统共包括5个按键，分别实现鼠标左键、右键以及中建功能，并实现滚轮上滚和下滚的功能；

JTAG接口，用于将编译后的程序二进制文件下载到所述处理器模块的只读存储器中，并对该程序进行调试；所述JTAG接口使用的是SWD模式，并通过JLINK仿真器与所述上位机连接。

LED指示灯，用于显示当前系统的运行状态，其由3个发光二极管组成，三个发光二极管分别显示设备启动成功状态指示，读取传感器模块成功状态和USB控制器连接成功的状态指示。

如图3所示，本发明还提供一种基于三维空间的演示屏幕指针定位方法，包括以下步骤：

S1、利用传感器模块采集指针在某一位置时其XYZ三个垂直方向上的加速度信息、角速度信息以及地磁分量信息，并同时采集按键信息；

S2、将所述传感器模块采集的信息和按键信息经处理器模块处理后，发送至上位机；

S3、所述上位机基于所述处理器模块传送的数据，确定系统的方向向量，并对所述指针进行定位，同时控制按键操作。

为了确定屏幕指针位置本发明采用了起点在系统中心，方向沿着系统向前的方向向量定位的方法。如图4所示，先获取屏幕的分辨率W*H（单位为像素），设定本发明中的该系统到屏幕的垂直距离L（单位为像素），通过调节参数L可以对设备的灵敏度进行设置。

所述系统通过以下步骤进行传感器模块的数据采集：

步骤A：堆栈的初始化和设置中断向量表；

步骤B：初始化设备时钟，初始化中断外设，初始化定时器，初始化IO接口和初始化IIC接口单元；

步骤C：使能USB控制器，并打开定时器；

步骤D：当定时器中断到来时，对传感器模块进行采样并把数据通过USB控制器发送到上位机。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

S31、所述上位机基于所述处理器模块传送的数据，计算系统的俯仰角Pitch_i、横滚角Roll_i以及偏航角Yaw_i；

S32、根据所述系统的俯仰角Pitch_i、横滚角Roll_i以及偏航角Yaw_i，计算所述系统的方向向量；

S33、计算所述系统的方向向量和演示屏幕的交点，该交点为指针的坐标。

优选的，所述步骤S31进一步包括：

S311、所述上位机根据所述传感器模块中三轴陀螺仪的数据，计算系统的第一俯仰角分量GPitch_i、第一横滚角分量GRoll_i和第一偏航角分量GYaw_i；其计算公式如下：

GPitch_i=GPitch_i-1+GX*dt

GRoll_i=GRoll_i-1+GY*dt

GYaw_i=GYaw_i-1+GZ*dt

其中GX,GY,GZ为所述三轴陀螺仪三轴的输出，dt为采样周期。

S312、所述上位机根据所述传感器模块中三轴加速度传感器的数据，计算系统的第二俯仰角分量APitch_i和第二横滚角分量ARoll_i；其计算公式为：

APitch_i=asin(AccY/(AccX*AccX+AccY*AccY+AccZ*AccZ)²);

ARoll_i=asin(AccX/(AccX*AccX+AccY*AccY+AccZ*AccZ)²)。

其中AccX，AccY,AccZ为所述三轴加速度传感器的三轴输出；

S313、所述上位机根据所述传感器模块中三轴电子罗盘的数据，计算系统的第二偏航角分量MYaw_i；

S314、结合步骤S311、S312及S313的计算结果，计算所述系统的俯仰角Pitch_i、横滚角Roll_i以及偏航角Yaw_i；其计算公式为：

Pitch_i=γGPitch_i+(1-γ)APitch_i

Roll_i=γGRoll_i+(1-γ)ARoll_i

Yaw_i=γGYaw_i+(1-γ)MYaw_i

其中γ为可调参数，经过多次实验验证γ=0.9时本发明的系统灵敏度高并且非常精确。

其中，当所述上位机接收到第一条传感器数据时，初始偏航角为0；初始俯仰角Pitch₁为该系统第二俯仰角分量APitch₁；初始横滚角Roll₁为该系统第二横滚角分量ARoll₁。

如图4所示，所述系统的方向向量和屏幕的交点(X_P,Y_P)通过以下公式确定：

X_P＝Ltanβ_i

$Y_P=\frac{L}{\cos {\mathrm{\β}}_i}\tan {\mathrm{\α}}_i$

其中，α_i为指针的俯仰角Pitch_i，β_i为指针的偏航角Yaw_i，求出的该交点即为指针的坐标。

本发明提供一种基于三维空间的演示屏幕指针定位系统及方法，利用三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及三轴电子罗盘，来确定大屏幕的指针位置和对指针进行操作，由于所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及三轴电子罗盘的尺寸变的越来越小，从而减小了系统的体积和电路设计难度，方便了对大型演示屏幕指针的高精度定位，脱离了鼠标的束缚。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种基于三维空间的演示屏幕指针定位系统，其特征在于，包括有：

传感器模块，用于采集指针在某一位置时其XYZ三个垂直方向上的加速度信息、角速度信息以及地磁分量信息；

处理器模块，其通过IIC总线与所述传感器模块连接，用于对所述传感器模块发送指令，并将获取的所述传感器模块采集信息发送至上位机；

上位机，用于接收所述处理器模块传送的数据并进行处理，以确定所述指针的方向向量，并对所述指针进行定位；所述系统的方向向量和演示屏幕的交点为指针的坐标。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器模块包括：

三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及三轴电子罗盘，其分别用于采集指针在某一位置时其XYZ三个垂直方向上的加速度信息、角速度信息以及地磁分量信息。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理器模块包括：

IIC接口单元，用于对所述传感器模块发送指令，并读取所述传感器模块的采集信息；

处理器，用于执行指令，并对所述IIC接口单元的数据进行处理；

USB控制器，用于将所述处理器处理后的数据发送至上位机，并接收所述上位机发送的指令。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述处理器模块进一步包括：

只读存储器，其通过指令总线与所述处理器连接，用于存储指令；

随机存储器，其通过数据总线与所述处理器连接，用于存储数据；

定时器，用于产生定时中断，使所述处理器模块对所述传感器模块以采样周期进行采样；

中断源，使得当所述采样周期到来时，所述处理器模块对所述传感器进行采样；

IO接口，用于读取按键信息；

其中，所述定时器、中断源以及IO接口分别与所述处理器通过APB总线连接。

5.如权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括电源模块，用于对所述传感器模块和处理器模块进行独立供电。

6.如权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括与所述处理器模块连接的外围模块，所述外围模块包括：

按键，其与所述处理器模块的IO接口连接，用于对所述指针的位置进行控制；JTAG接口，用于将编译后的程序二进制文件下载到所述处理器模块的只读存储器中，并对该程序进行调试；

LED指示灯，用于显示当前系统的运行状态。

7.一种基于三维空间的演示屏幕指针定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用传感器模块采集指针在某一位置时其XYZ三个垂直方向上的加速度信息、角速度信息以及地磁分量信息，并同时采集按键信息；

S2、将所述传感器模块采集的信息和按键信息经处理器模块处理后，发送至上位机；

S3、所述上位机基于所述处理器模块传送的数据，确定系统的方向向量，并对所述指针进行定位；所述系统的方向向量和演示屏幕的交点为指针的坐标。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S31、所述上位机基于所述处理器模块传送的数据，计算系统的俯仰角Pitch_i、横滚角Roll_i以及偏航角Yaw_i；

S32、根据所述系统的俯仰角Pitch_i、横滚角Roll_i以及偏航角Yaw_i，计算所述系统的方向向量；

S33、计算所述系统的方向向量和演示屏幕的交点，该交点为指针的坐标。

9.如权利要求8所示的方法，其特征在于，所述步骤S31进一步包括：

S311、所述上位机根据所述传感器模块中三轴陀螺仪的数据，计算系统的第一俯仰角分量GPitch_i、第一横滚角分量GRoll_i和第一偏航角分量GYaw_i；

S312、所述上位机根据所述传感器模块中三轴加速度传感器的数据，计算系统的第二俯仰角分量APitch_i和第二横滚角分量ARoll_i；

S313、所述上位机根据所述传感器模块中三轴电子罗盘的数据，计算系统的第二偏航角分量MYaw_i；

S314、结合步骤S311、S312及S313的计算结果，计算所述系统的俯仰角Pitch_i、横滚角Roll_i以及偏航角Yaw_i；

其中，当所述上位机接收到第一条传感器数据时，初始偏航角为0；初始俯仰角Pitch₁为该系统第二俯仰角分量APitch₁；初始横滚角Roll₁为该系统第二横滚角分量ARoll₁。