CN104345904A - 一种手指式空中鼠标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手指式空中鼠标，所述鼠标能够佩戴于食指等手指上，通过惯性传感器进行动作感知，并通过对食指的动作识别区分光标移动、左单击、双击、右单击、滚动、拖动等动作，通过无线发射模块将结果发送给PC端的无线接收模块，从而实现鼠标功能，佩戴于食指的数据采集分析模块采用锂电池供电。实现了鼠标的微型化，可佩戴于食指，鼠标的操作通过动作识别实现，可大大提高人机交互体验。

Description

一种手指式空中鼠标

技术领域

本发明涉及一种新型人机交互方式，具体来说是通过对手指的动作识别来完成一系列由鼠标完成的交互，由此完成对于PC、机顶盒、游戏机等计算设备的控制。 

背景技术

鼠标是当前人机交互中的一个重要设备，鼠标光标的定位方式发展经过了滚轮式、光电式以及现在的激光式，与计算设备的连接方式也由有线向无线发展。尽管如此，传统的鼠标仍然不能离开桌面，需要以桌面为参考，因此鼠标在使用过程中仍然存在一些限制，在人机结合方面仍然不够完美。 

近年来，随着网络智能电视的快速发展，在电视上浏览网页、看视频、玩游戏等逐渐成了客厅生活的组成部分，因此能够离开桌面的鼠标成了市场的新宠。另外，可离开桌面的鼠标在教学、演讲中也有很大的实用性。因此，市场上出现了多种空中鼠标，这些空中鼠标的出现一定程度上满足了市场的需求，但还有很大的改进空间。这些空中鼠标在一定程度上更像是一个遥控器，仅实现了光标控制不依赖桌面等参考物，其它操作需要通过小鼠标上的小按钮实现，由于这些空中鼠标离开了桌面，无法像桌面鼠标那样轻松稳定的移动和按键，这无疑降低了空中鼠标的使用体验。 

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了手指式空中鼠标，实现了鼠标的微型化，可佩戴于手指，鼠标的操作通过动作识别实现，没有抓握鼠标的动作，也无需在鼠标上定位按钮的过程，大大提高了人机交互体验。 

本发明的技术方案是：一种手指式空中鼠标，包括可佩戴于手指上的数据采集分析模块。 

本发明的进一步改进包括： 

还包括可插于PC端的无线接收模块，所述的数据采集分析模块通过无线数据传输方式与所述无线接收模块连接。 

所述数据采集分析模块放置于设有用于嵌套手指的通孔的外壳内。 

所述数据采集分析模块包括一惯性传感器，通过所述惯性传感器进行动作感知，并通过对手指的动作识别。 

所述惯性传感器是MEMS六自由度惯性传感器，包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。 

所述数据采集分析模块包括主处理器，与主处理器连接的惯性传感器，与主处理器连接的用于射频发射芯片，以及锂电池。 

所述PC端的无线接收模块通过USB接口与PC通讯，该无线接收部分还提供可热插拔的接口可用于给锂电池充电。 

在对手指动作识别直接采用姿态解算算法对手指的姿态进行实时解算，获得手指在参考坐标系下的实时姿态，包括俯仰角、横滚角和方位角。 

手指方位角和俯仰角的变化量，且满足变化率小于设定的门限值和横滚角小于设定的门限值两个条件时，即分别表示被控制的光标的左右和上下移动量。 

对手指左单击动作的识别采用了导数法，即对手指的俯仰角变化曲线进行求导，当某段曲线中存在导数符号相反，且导数绝对值符号大于设定的门限值时，即表示出现单击动作；对手指右单击动作的识别方法在于对右单击的识别是对方位角的变化曲线进行求导计算。 

由可佩戴于手指的数据采集分析模块和可插于PC端的无线接收模块两部分组成，可佩戴于手指的数据采集分析模块由惯性传感器、主处理器、射频芯片和板载天线组成，采用锂电池供电。可插于PC端的无线接收模块通过USB接口与PC进行通讯，并提供了额外的接口，用于给锂电池充电。 

在可佩戴于手指的数据采集分析模块中，惯性传感器采用六自由度的MEMS传感器，包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，负责感知运动，包括直线加速度和角加速度。主处理器通过接口读取传感器数据后，采用姿态解算算法对手指的姿态进行实时解算，获得手指在参考坐标系下的实时姿态，包括俯仰角、横滚角和方位角。 

因为加速度计检测的直线加速度和陀螺仪检测的角加速度输出相对于手指是固定的，因此当手指处于不同姿态时，所做的上下左右运动将无法完全对应鼠标指针的变化。采用姿态解算的目的是得到手指在地理坐标系下的姿态，将姿态的变化对应于鼠标光标的变化，可以使手指在空间中任意动作而不会影响光标的控制。姿态的解算就是手指在一定初始姿态下，用陀螺仪输出计算下一时刻手指的姿态，可以采用四元数法、欧拉角法、余弦矩阵法等，这里的一种实现采用了四元数法。 

因为MEMS陀螺仪存在很大的动态误差，仅采用陀螺仪输出计算姿态，将存在极大的误差，因此还需要用数据融合算法，将加速计的静态数据对误差进行补偿，这里采用扩展卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到长期稳定的手指姿态数据。 

在手指的运动过程中，当手指方位角和俯仰角变化满足变化率小于设定的门限值和横滚角小于设定的门限值两个条件时，手指方位角和俯仰角的变化量，即分别表示被控制的光标的左右和上下移动量。对手指左单击动作的识别采用了导数法，即对手指的俯仰角变化曲线进行求导，当某段曲线中存在导数符号相反，且导数绝对值符号大于设定的门限值时，即表示出现单击动作。对手指右单击动作的识别也采用了导数法，即对手指的方位角变化曲线进 行求导，当某段曲线中存在导数符号相反，且导数绝对值符号大于设定的门限值时，即表示出现单击动作。 

佩戴于手指上的鼠标部分采用锂电池供电，且该部分提供插拔式接口，锂电池可方便的通过热插拔进行安装和拆卸。PC端的无线接收部分通过USB接口与PC通讯，该无线接收部分还提供可热插拔的接口可用于给锂电池充电。整个鼠标系统提供两个锂电池模块，一个用于供电，另一个可进行备份充电，通过方便的拆卸和安装满足该鼠标的长时间使用要求。 

附图说明 

图1是本发明的整体示意图。 

图2是姿态解算结合卡尔曼滤波融合得到姿态的计算流程。 

图中：1、佩戴于手指的数据采集分析模块，2、固定配件，3、PC端的无线接收模块，1、板载微带天线，12、锂电池，13、射频芯片，14、主处理器，15、惯性传感器，31、USB接口，32、电池充电接口。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。 

如图1所示，该手指式空中鼠标首先需要一个外壳和佩戴于手指的固定配件，外壳上设有一个电源按键和工作指示灯，并留有一个接口用于电池供电。固定配件可采用松紧带。 

模块中的惯性传感器采用InvenSense公司的MPU6050六自由度MEMS惯性传感器，该传感器具有集成的三轴加速度计和三轴陀螺仪，可通过IIC接口与主处理器通信。可以通过设置该芯片内部寄存器来设定传感器的检测量程。主处理器这里选用ST公司的STM32f103，该处理器可支持高达72M主频，具有IIC、SPI等外设接口，可满足姿态解算、动作识别等的计算要求以及与传感器、射频芯片的通信要求。射频芯片选用了NORDIC公司的NRF24L01芯片，这是一款工作于2.4Ghz全球开放ISM频段的无线通信芯片，通过SPI接口与主处理器通信。 

在无线接收端内部主要有无线接收射频芯片和主处理器组成。无线接收芯片仍选用NORDIC公司的NRF24L01芯片，主处理器选用C8051F320，该芯片具有USB通信接口，可方便实现HID协议，另该芯片也提供了SPI接口与射频芯片进行通信。 

下面采用四元数法结合扩展卡尔曼滤波算法进行手指的姿态解算与融合。 

四元数是由一个实数单位1和三个虚数单位i,j,k组成的含有四个元的数，其表达式为： 

Q=（q₀，q₁，q₂，q₃）=q₀+q₁i+q₂j+q₃k=q₀+q    （1） 

其中q₀是，q为矢量。 

在刚体定点转动理论中，根据欧拉定理，动坐标系相对参考坐标系的方位，等效于动坐标系绕某一个等效转轴转动一个角度θ。如果用u表示等效转轴方向的单位向量，则动坐标系的方位完全由u和θ两个参数确定。用u和θ可构造一个四元数： 

$Q=\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}+u\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}---\left(2\right)$

这个四元数的范数为：称为规范化四元数。这就将三维空间和一个四维空间联系起来了，三维空间的一个矢量可以看作是标量为零的四元数。 

假定矢量r绕通过定点O的某一轴转动了一个角度θ，则转动四元数为（2）式。如转动后的矢量用r'表示，则以四元数描述的r'和r的坐标变换关系为： 

r'=Q*r*Q'其中 $Q^{\′}=\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}-u\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}$

如果矢量固定不动，而动坐标系相对参考坐标系转动了一个角度，则以四元数描述的矢量在两个坐标系上的分量的变换关系为： 

R_b=Q'*R_r*Q    （3） 

由此，姿态矩阵的四元素运动学微分方程可以表示为： 

$\left[\begin{array}{c}{q}_0^{\′}\\ q_1^{\′}\\ q_2^{\′}\\ q_3^{\′}\end{array}\right]=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^b\left[\begin{array}{c}{q}_0\\ q_1\\ q_2\\ q_3\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}0& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nbx}}^b& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nby}}^b& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nbz}}^b\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nbx}}^b& 0& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nbz}}^b& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nby}}^b\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nby}}^b& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nbz}}^b& 0& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nbx}}^b\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nbz}}^b& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nby}}^b& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nbx}}^b& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{q}_0\\ q_1\\ q_2\\ q_3\end{array}\right]---\left(\text{4}\right)$

姿态矩阵速率通过测量和计算得到： 

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nb}}^b={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ib}}^b-C_n^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n$

其中是陀螺仪测量得到的值，是上一步姿态矩阵，是地球角速率在地理坐标系中的投影。 

姿态微分方程（4）可以用四阶龙格—库塔法在主处理器中求解。 

通过以上计算得到手指的实时姿态后，接下来进行动作识别。这里以左单击为例进行说明。建立一个长度100的先进先出队列，用于存放俯仰角计算结果。当前50个数据的差值之和为负值，后50个数据的差值为正数，当两差值的绝对值之和大于100，且横滚角小于20 度是，认为有点击事件发生，否则将俯仰角变化映射为鼠标光标的纵向移动。同理可以检测到鼠标的右单击，没有右单击发生时，将方位角映射成鼠标光标的横向移动。 

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (10)

1.一种手指式空中鼠标，其特征在于，包括可佩戴于手指上的数据采集分析模块。

2.根据权利要求1所述的一种手指式空中鼠标，其特征在于，还包括可插于PC端的无线接收模块，所述的数据采集分析模块通过无线数据传输方式与所述无线接收模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种手指式空中鼠标，其特征在于，所述数据采集分析模块放置于设有用于嵌套手指的通孔的外壳内。

4.根据权利要求1所述的一种手指式空中鼠标，其特征在于，所述数据采集分析模块包括一惯性传感器，通过所述惯性传感器进行动作感知，并通过对手指的动作识别。

5.根据权利要求4所述的一种手指式空中鼠标，其特征在于，所述惯性传感器是MEMS六自由度惯性传感器，包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。

6.根据权利要求1或2所述的一种手指式空中鼠标，其特征在于，所述数据采集分析模块包括主处理器，与主处理器连接的惯性传感器，与主处理器连接的用于射频发射芯片，以及锂电池。

7.根据权利要求2所述的一种手指式空中鼠标，其特征在于，所述PC端的无线接收模块通过USB接口与PC通讯，该无线接收部分还提供可热插拔的接口可用于给锂电池充电。

8.根据权利要求1所述的一种手指式空中鼠标，其特征在于：在对手指动作识别直接采用姿态解算算法对手指的姿态进行实时解算，获得手指在参考坐标系下的实时姿态，包括俯仰角、横滚角和方位角。

9.根据权利要求1所述的一种手指式空中鼠标，其特征在于：手指方位角和俯仰角的变化量，且满足变化率小于设定的门限值和横滚角小于设定的门限值两个条件时，即分别表示被控制的光标的左右和上下移动量。

10.根据权利要求1所述的一种手指式空中鼠标，其特征在于：对手指左单击动作的识别采用了导数法，即对手指的俯仰角变化曲线进行求导，当某段曲线中存在导数符号相反，且导数绝对值符号大于设定的门限值时，即表示出现单击动作；对手指右单击动作的识别方法在于对右单击的识别是对方位角的变化曲线进行求导计算。