CN103336588B - 一种激光跟踪式无线三维鼠标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光跟踪式无线三维鼠标，通过采用激光跟踪测量技术提供一种用于三维空间操作的高精度无线鼠标，并可作为传统平面鼠标使用，可用手指直接控制显示器屏幕上光标的鼠标装置，解决现有鼠标依赖于桌面，使用不灵活的技术缺陷，同时用户在使用键盘的时候，可免去手在键盘和鼠标之间的来回动作。对于户外携带的笔记本用户，可将所述鼠标夹在笔记本平面上边缘，免去普通鼠标需要有一个相对静止的平面的烦恼，方便操作使用。使鼠标的使用更加方便，更加实用。并可适合于计算机、电视、投影仪、投影电视和室外大屏幕的可以的鼠标操作，同时控制距离可以达到20米左右的范围。

Description

一种激光跟踪式无线三维鼠标

技术领域：本发明涉及鼠标技术领域，尤其涉及一种基于激光跟踪测量技术的无线三维鼠标。

背景技术：

市场上现有的电脑鼠标，均是通过机械或光电传感器，检测平面上的二维运动和按键信息，配合电脑软件实现平面鼠标的功能，但鼠标不能离开台面在三维空间操作，不能检测三维空间的运动轨迹，无法检测运动过程中的加速度信息，而且需要有线连接，在操作键盘的同时不能使用鼠标操作，长时间多次交换使用键盘和鼠标时会大大降低办公效率，减少了用户自动化办公的舒适方便性。笔记本在户外使用时，光电鼠标的使用者需要一定的空间来握持鼠标沿一平面移动，才能有效控制光标移动，因此必定占去相当多空间，使用上并非十分方便，尤其对于常常随身携带的笔记本电脑，要求其尽量轻便、小巧，而鼠标则会占用一定的空间或重量，携带、使用时不够方便，用户常使用笔记本上小块触摸屏代替鼠标操作，触摸屏太小，也给用户带来诸多不便。另外也无法满足人们的远距离操作大显示屏幕诸如电视机、投影仪和室外等大显示屏电子产品，同时长时间的使用鼠标器特别容易产生肩周炎等职业病。因此本发明力图解决目前鼠标的缺陷，设计出一种可以在操作键盘的同时轻松实现三维无线鼠标的功能，并可适合于电脑、电视、投影仪、投影电视和室外大屏幕的可以三维空间运动的鼠标，可以兼具现有鼠标和遥控器的功能，同时控制距离可以达到80米左右的范围。

激光跟踪测量系统（Laser Tracker System）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量。

激光跟踪测量系统已经非常成熟，在国际上有很多激光跟踪仪生产厂家，SMART310是Leica公司在1990年生产的第一台激光跟踪仪，1993年Leica公司又推出了SMART310的第二代产品，其后，Leica公司还推出了LT/LTD系列的激光跟踪仪，以满足不同的工业生产需要。LTD系列的激光跟踪仪采用了Leica公司专利的绝对测距仪，测量速度快，精度高，配套的软件则在Leica统一的工业测量系统平台Axyz下进行开发，包括经纬仪测量模块、全站仪测量模块、激光跟踪仪测量模块和数字摄影测量模块等。

若能将激光跟踪系统应用于电脑输入设备，即可轻易实现无线三维高精密鼠标的操作。

发明内容:

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供在于避免上述不足之处而提供一种与键盘融合的、用手指直接控制显示器屏幕上光标的鼠标装置，用于解决现有鼠标依赖于桌面，使用不灵活的技术缺陷。所要解决的技术问题是使鼠标的使用更加方便，从而更加实用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:

一种激光跟踪式无线三维鼠标，主要组成部分包括：激光干涉测长系统，激光跟踪系统，指环控制器，外壳及夹持支架以及软件等组成。

激光干涉测长系统：用半导体激光发射器作为光源的激光干涉仪，用来测量长度，构成一个具有干涉作用的测量系统。

激光跟踪系统：由跟踪探测、跟踪轴架和伺服控制三部分组成。跟踪探测部分能根据瞄准偏差信号决定目标运动速度的方向和大小，包括光电探测器(如PSD,CCD或四象限光电池)、光学部分(如激光干涉仪、组合目标靶镜(角锥棱镜、猫眼反射镜)、跟踪反射镜、分光棱镜、1/4波片等;跟踪轴架部分保证使固定于其上的反射镜能够绕两个互相垂直并相交的轴旋转，其中包含两套角度编码器、电机以及光电接收器件等，能为高速、高精度、稳定跟踪提供保证，同时两套角度编码器产生的角度信号通过坐标换算成空间三维位置移动信号传送给计算机;伺服控制部分包含电源、编码器和干涉仪用计数器、电机放大器和跟踪处理器。跟踪处理器将跟踪器内的信号转化成角度和距离观测值，将数据传送到计算机上，伺服控制部分是跟踪瞄准系统的操作控制环节。在此部分的电路中加入一个蓝牙接收模块，接收来自指环上按键发出的信号。

指环控制器：指环控制器由指戴环扣，猫眼逆反射器，蓝牙发送模块，充电电池及左键、中键和右键按钮组成。指环环扣可以将控制器及反射器戴在食指上，猫眼逆反射器一般由两个不同半径的玻璃半球组成，两个半球对心胶合在一起，猫眼前半球的焦点落在后半球的球面上，并在后半球表面镀上反射膜。使得对于任一近轴光线，经前半球聚焦后落在后半球的球面上，在后半球球面上发生反射，此时相当于从前半球的焦点处发出一束光，故出射光线平行于入射光线，即具有逆反射性，作为激光跟踪系统的靶镜，提供反射光。蓝牙发送模块用以发送左键中键及右键按键信号。左键、中键和右键同普通鼠标提供的功能相同。

外壳及夹持支架：外壳用来保护内部器件不受破外和污染；夹持支架起固定作用，用来将激光跟踪器夹在显示器顶端。

软件：软件用来将处理器将激光干涉仪测得距离S和跟踪处理器获得的两轴的角度编码器信号转化为三维位置信号。所述软件可有两种工作模式:空间工作模式和平面工作。在空间工作模式下，戴在手指上的所述指环控制器的空间位置移动信号即为三维显示器光标移动信号；在平面工作模式下，所述软件会自动去除一维位置移动信号，若以激光跟踪器为坐标原点，其所在水平面为xy平面，竖直高度为z轴，可通过设置为xy，xz，yz三个不同的操作平面，所述软件会自动将指环控制器空间移动信号自动投影为所设置平面的移动命令。

所述一种激光跟踪式无线三维鼠标的具体实现过程：在空间工作模式下移动戴在手指上的所述指环控制器，指环控制器的空间位置移动信号即为三维显示器光标移动信号。所述鼠标可兼容平面工作模式，在平面工作模式下，所述软件会自动去除一维位置移动信号，若以激光跟踪器为坐标原点，其所在水平面为xy平面，竖直高度为z轴，可通过设置为xy，xz，yz三个不同的操作平面，所述软件会自动将指环控制器空间移动信号自动投影为所设置平面的移动命令，指环控制器的移动位置移动信号通过软件算法实现平面显示器光标移动信号。

本发明提供的一种激光跟踪式无线三维鼠标，可作为一种三维空间的鼠标操作，同时也可作为平面操作的鼠标，用户在使用键盘的时候，可免去手在键盘和鼠标之间的来回动作。对于户外携带的笔记本用户，可将所述鼠标夹在笔记本平面上边缘，免去普通鼠标需要有一个相对静止的平面的烦恼，方便操作使用。并可适合于电脑、电视、投影仪、投影电视和室外大屏幕的可以的鼠标操作，同时控制距离可以达到80米左右的范围。

附图说明：

图1为光跟踪测量系统结构示意图。

图2为指环控制器结构图。

图3指环控制器剖解示意图。

图4跟踪系统处于平衡态。

图5目标镜偏移了d后的光路图。

图6空间坐标测量计算方法示意图。

图7鼠标工作示意图。

图中1.步进电机A，2.跟踪转镜，3.角度编码器A，4.步进电机B，5.角度编码器B，6.分光镜A，7.反射镜，8.读数头，9.夹持结构，10.激光发射器，11.跟踪处理器电路系统，12.分光镜B，13.PSD位置探测器，14.外壳，15指环控制器右键，16.中键，17.左键，18.猫眼逆反射器，19.信号指示灯，20.指环控制器，21.锂电池，22.无线信号发射器。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的装置和方法作进一步详细的说明。

如图1至6所示，一种基于激光跟踪测量技术的无线三维鼠标由激光跟踪器（图1）和指环控制器（图2）组成，激光跟踪器由一个其轴向水平放置的步进电机A1和一个其轴向竖直放置步进电机B4驱动，步进电机A1与步进电机B4的同轴连接有角度编码器A3和角度编码器B5，两个编码器的数据输出连接到跟踪处理器电路系统11，跟踪转镜2与水平放置的步进电机同轴固连在一起，角度编码器B、角度编码器A3和步进电机A1与步进电机的转子固连在一起，并由步进电机B驱动运动，步进电机B的定子与外壳14固连在一起，外壳14与夹持结构9固连在一起，壳体内底部固连由一个激光发射器10和读数头8，分光镜A6和分光镜B12处于跟踪转镜2和激光发射器10之间，激光发射器10发射出激光依次经过分光镜A6和分光镜B12，将一束激光依次分射到反射镜7和PSD位置探测器13上，反射镜7将激光反射到读数头上，跟踪处理器电路系统11安装于激光发射器下面；指环控制器20设置有右键15、中键16、左键17和信号指示灯19，猫眼逆反射器18一半嵌入指环控制器20并固连在一起，锂电池21和无线信号发射器22安装于指环控制器20内部成，指环控制器20的按键信息通过无线发射模块发送给跟踪处理器系统11中的无线接收模块，跟踪转镜2将激光反射到猫眼逆反射器18，猫眼逆反射器18反射回一束平行的激光返回跟踪转镜2，再依次经过分光镜B12和分光镜A6，分光镜B12和分光镜A6依次将反射回的激光分射到PSD位置探测器13和反射镜7，反射镜7再将激光反射到读数头8上，并与通过分光镜A6和反射镜7反射到读数头的激光产生干涉条纹，有读数头8读出，读数头和位置传感器的探测数据通过数据线与跟踪处理器电路系统11连接。跟踪处理器电路系统11通过USB接口与电脑连接。

图4和图5为本发明一种激光跟踪式无线三维鼠标激光跟踪测量系统的工作原理示意图，图4跟踪系统处于平衡态，图5为目标镜18偏移了d后的光路图。激光跟踪测量系统的基本工作原理是：由激光干涉仪发射出的测量光束,经过分光镜6到达跟踪转镜2之后，由跟踪转镜2反射到目标镜18中心，由目标镜18中心入射的光线按原光路返回，到达分光镜6后一部分激光束被反射到光电位置检测器13，另一部分光束进入干涉系统与参考光束汇合进行位移测量。进入光电检测器的光束用于实现对目标镜的跟踪，平衡状态时位置检测器输出信号为零，此时控制系统没有信号输出；当目标镜18运动时，返回光束发生平移，在位置检测器13上产生偏差信号。该信号输入到跟踪控制系统11，驱动电机带动转镜围绕反射基点旋转，从而改变进入目标靶镜的光束方向，使偏差信号减小，实现对目标镜18的跟踪。

所述的跟踪处理器将跟踪器内的信号转化成角度和距离观测值，将数据传送到计算机上，在此部分的电路中设置一个蓝牙接收模块，接收来自指环控制器上蓝牙发送模块发出按键的无线信号。蓝牙发送模块用以发送左键中键及右键按键信号。左键、中键和右键同普通鼠标提供的功能相同。

所述鼠标中键设置为工作模式转换键，长按此键即可实现一次鼠标的工作模式的转换，可转换成平面工作模式和空间工作模式。

所述鼠标的激光跟踪器通过测量出水平角、垂直角和斜距,然后按球坐标或极坐标换算就可以得到空间点的三维坐标X，Y，Z来。如图6示，在球坐标测量系统中，设跟踪器的旋转中心为O点，被测靶镜的中心为P点。用两个角度编码器分别测量出P点的垂直方位角β和水平方位角α，用激光干涉仪测量O点到P点的距离S，则P点坐标(X,Y,Z)很容易由β，α和S计算得出，公式为

X=Ssinαcosβ

Y=Scosαcosβ

Z=Ssinβ

通过空间齐次坐标变换,可将P点的坐标转换到用户自定义的坐标系中，通过指环控制器从而实现对手指空间运动信号的获取。

所述鼠标通过软件将所获取的手指空间运动信号转换成显示器的光标的移动。

图7发明指戴式鼠标的一具体实施例的示意图。所述鼠标通过夹持结构可将激光跟踪器固定在笔记本显示器边缘、教室的投影仪投影屏幕的边缘等，指环控制器边缘戴在手指上，即可实现鼠标操作。

Claims (5)

1.一种激光跟踪式无线三维鼠标，其特征在于，其包括激光跟踪系统、激光干涉测长系统、指环控制器、外壳及夹持支架和计算机，激光干涉测长系统和激光跟踪系统内置在外壳里面，外壳底部为夹持支架，外壳底部设置有USB数据线与计算机连接，激光干涉测长系统用于测量指环控制器到激光发射器之间的距离，并将数据通过数据线传给激光跟踪系统的处理器；激光跟踪系统用于跟踪指环控制器的运动，并产生与指环控制器相对应的三维位移信号通过USB数据线传送给计算机；指环控制器戴在手指上感测手指的位移并传送鼠标的点击信号和鼠标的控制信号给激光跟踪系统的处理器；外壳及夹持支架，用于安置和固定激光跟踪系统于桌面或显示器的上面；计算机将激光干涉测长系统测得距离S和跟踪处理器获得的两轴的角度编码器信号处理转化为三维位置信号，并提供空间工作模式和平面工作两种可切换的工作模式；在激光跟踪系统的构成和工作过程如下：

激光跟踪系统由一个其轴向水平放置的步进电机A(1)和一个其轴向竖直放置步进电机B(4)驱动，步进电机A(1)与步进电机B(4)的同轴连接有角度编码器A(3)和角度编码器B(5)，两个编码器的数据输出连接到跟踪处理器电路系统(11)，跟踪转镜(2)与水平放置的步进电机同轴固连在一起，角度编码器B、角度编码器A(3)和步进电机A(1)与步进电机的转子固连在一起，并由步进电机B驱动运动，步进电机B的定子与外壳(14)固连在一起，外壳(14)与夹持结构(9)固连在一起，外壳(14)的壳体内底部固连由一个激光发射器(10)，分光镜B(12)处于跟踪转镜(2)和激光发射器(10)之间，激光发射器(10)发射出激光经过分光镜A(6)和分光镜B(12)，将一束激光分射到PSD位置探测器(13)上，指环控制器(20)设置有右键(15)、中键(16)、左键(17)和信号指示灯(19)，猫眼逆反射器(18)一半嵌入指环控制器(20)并固连在一起，锂电池(21)和无线信号发射器(22)安装于指环控制器(20)内部，跟踪转镜(2)将激光反射到猫眼逆反射器(18)，猫眼逆反射器(18)反射回一束平行的激光返回跟踪转镜(2)，再经过分光镜B(12)，分光镜B(12)和分光镜A(6)依次将反射回的激光分射到PSD位置探测器(13)，位置传感器的探测数据通过数据线与跟踪处理器电路系统(11)连接；跟踪处理器电路系统(11)通过USB接口与电脑连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光跟踪式无线三维鼠标，其特征在于：激光干涉测长系统中：

壳体内底部固连有一个激光发射器(10)和读数头(8)，分光镜A(6)处于跟踪转镜(2)和激光发射器(10)之间，激光发射器(10)发射出激光经过分光镜A(6)，将一束激光依次分射到反射镜(7)上，反射镜(7)将激光反射到读数头(8)上，跟踪处理器电路系统(11)安装于激光发射器下面；指环控制器(20)设置有右键(15)、中键(16)、左键(17)和信号指示灯(19)，猫眼逆反射器(18)一半嵌入指环控制器(20)并固连在一起，锂电池(21)和无线信号发射器(22)安装于指环控制器(20)内部成，指环控制器(20)的按键信息通过无线发射模块发送给跟踪处理器系统(11)中的无线接收模块，跟踪转镜(2)将激光反射到猫眼逆反射器(18)，猫眼逆反射器(18)反射回一束平行的激光返回跟踪转镜(2)，分光镜A(6)依次将反射回的激光分射到反射镜(7)，反射镜(7)再将激光反射到读数头(8)上，并与通过分光镜A(6)和反射镜(7)反射到读数头的激光产生干涉条纹，有读数头(8)读出，读数头数据线与跟踪处理器电路系统(11)连接；跟踪处理器电路系统(11)通过USB接口与计算机连接。

3.根据权利要求1所述的一种激光跟踪式无线三维鼠标，其特征在于：在指环控制器中：指环控制器(20)设置有右键(15)、中键(16)、左键(17)和信号指示灯(19)、猫眼逆反射器(18)，猫眼逆反射器(18)一半嵌入指环控制器(20)并固连在一起，锂电池(21)和无线信号发射器(22)安装于指环控制器(20)内部成，指环控制器(20)的按键信息通过无线发射模块发送给跟踪处理器系统(11)中的无线接收模块，跟踪转镜(2)将激光反射到猫眼逆反射器(18)，猫眼逆反射器(18)反射回一束平行的激光返回跟踪转镜(2)；猫眼逆反射器(18)由两个不同半径的玻璃半球组成，两个半球对心胶合在一起，猫眼前半球的焦点落在后半球的球面上，并在后半球表面镀上反射膜；使得对于任一近轴光线，经前半球聚焦后落在后半球的球面上，在后半球球面上发生反射，此时相当于从前半球的焦点处发出一束光，故出射光线平行于入射光线，即具有逆反射性，作为激光跟踪系统的靶镜，提供反射光；蓝牙发送模块用以发送左键中键及右键按键信号；左键、中键和右键同普通鼠标提供的功能相同。

4.根据权利要求1所述的一种激光跟踪式无线三维鼠标，其特征在于：所述的外壳及夹持支架将前述的激光跟踪系统和激光测长系统包装在壳体内，用来保护内部器件不受破外和污染；夹持支架(9)与外壳(14)的底部固连在一起，起到固定外壳的作用，用来将激光跟踪器夹在显示器或其他物体顶端。

5.根据权利要求1所述的一种激光跟踪式无线三维鼠标，其特征在于：所述计算机用来将激光干涉仪测得距离S和跟踪处理器获得的两轴的角度编码器信号转化为三维位置信号，所述激光跟踪式无线三维鼠标可有两种工作模式:空间工作模式和平面工作，在空间工作模式下，以步进电机A(1)与步进电机B(4)的两轴交接处为原点，戴在手指上的所述指环控制器的空间位置移动信号通过激光跟踪系统中的角度编码器A(3)和角度编码器B(4)的输出数据信息和激光测长系统的读数头读出的数据，即为三维显示器光标移动信号；在平面工作模式下，所述计算机会自动去除一维位置移动信号，若以激光跟踪器为坐标原点，其所在水平面为xy平面，竖直高度为z轴，可通过设置为xy，xz，yz三个不同的操作平面，所述计算机会自动将指环控制器空间移动信号自动投影为所设置平面的移动命令。