CN107436692A - 一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法 - Google Patents

一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法 Download PDF

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    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
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    • G06F3/0346—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of the device orientation or free movement in a 3D space, e.g. 3D mice, 6-DOF [six degrees of freedom] pointers using gyroscopes, accelerometers or tilt-sensors

Abstract

本发明公开了一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法，(a)在空中鼠标上安装两个同样的陀螺仪传感器，安装位置为：陀螺仪1的X轴正方向与陀螺仪2的X轴负方向相同，陀螺仪1的Y轴正方向与陀螺仪2的Y轴负方向相同，陀螺仪1的Z轴正方向与陀螺仪2的Z轴负方向相同。其结构简单，使用方便，操作简单，可抑制温飘、噪声等共模干扰，鼠标可以长时间精确控制光标，可控制并修正误差，适用范围广，使用寿命长。

Description

一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法
技术领域
本发明属于鼠标领域，具体涉及一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法。
背景技术
目前市场上的鼠标主要还是在平面上使用的光电鼠标。但传统的在平面上使用的鼠标已经远远不能满足人们的要求，例如当人们在坐在沙发上操控智能网络电视或者站在讲台上用PPT进行演示时，迫切需要一种能够脱离桌面束缚的鼠标，空中鼠标应运而生。
如今微机电系统MEMS朝着微型化、智能化方向快速发展，MEMS三轴陀螺仪能够检测空中三个轴向的角速度，可以作为控制鼠标的策略。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，使用方便，操作简单，可抑制温飘、噪声等共模干扰，鼠标可以长时间精确控制光标，可控制并修正误差，适用范围广，使用寿命长的基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法，
(a)在空中鼠标上安装两个同样的陀螺仪传感器，安装位置为：陀螺仪1的X轴正方向与陀螺仪2的X轴负方向相同，陀螺仪1的Y轴正方向与陀螺仪2的Y轴负方向相同，陀螺仪1的Z轴正方向与陀螺仪2的Z轴负方向相同；
(b)读取陀螺仪1绕X1轴、Y1轴和Z1轴的角速度，分别gx1、gy1、gz1；
(c)读取陀螺仪2绕X2轴、Y2轴和Z2轴的角速度，分别gx2、gy2、gz2；
(d)对两个陀螺仪得到的数据进行处理，抑制温度漂移和噪声等干扰，得到gx、gy、gz；
(e)对gx、gy、gz进行实时修正，避免误差累积；
(f)由gx、gy、gz计算得到得到相应的四元数再转化为欧拉角Pitch、Roll、Yaw；
(g)将Pitch、Roll、Yaw映射为鼠标的移动以及左击和右击。
作为优选的技术方案，抑制温度漂移和噪声等干扰，由于两个陀螺仪处在相同的环境和电路中，温度带来的漂移和噪声等干扰对两个陀螺仪的影响几乎相同，测得的陀螺仪值由真实值和干扰产生的误差值组成，干扰值的正负并不与鼠标的倾角相关，当鼠标发生倾斜时，由于安装方向相反，两个陀螺仪的测量值分别为：
(1)gx1＝gxreal+gxerror；
(2)gx2＝-gxreal+gxerror；
则gx1-gx2即可消除误差，同理可得gy、gz。
作为优选的技术方案，gx、gy、gz进行实时修正，防止误差累积，由于陀螺仪不易受到震动等的干扰，短期内测量的值非常精确，首先利用刚开始短期内测量的gx、gy、gz计算得到相应的四元数q0、q1、q2、q3，再将四元数转换为方向余弦矩阵中第三列的三个元素vxreal、vyreal、vzreal作为重力向量的标准值，由于鼠标只在很小的范围内移动，所以可以认为在鼠标使用过程中标准重力向量的方向是不变的：
(3)vxreal＝2*(q1q3-q0q2)；
(4)vyreal＝2*(q0q1+q2q3)；
(5)vzreal＝q0q0-q1q1-q2q2+q3q3；
在此以后测得的gx、gy、gz都利用标准重力向量[vxreal vyreal vzreal]来修正，由最新测量的gx、gy、gz转化为重力向量的测量值[vx vy vz]，测量重力向量和标准重力向量叉乘，得到两向量的差：
(6)ex＝(vyreal×vz-vzreal×vy)；
(7)ey＝(vzreal×vx-vxreal×vz)；
(8)ez＝(vxreal×vy-vyreal×vx)；
再对误差进行PID运算后，与陀螺仪数据相加，修正陀螺仪数据。
作为优选的技术方案，将欧拉角Pitch、Roll、Yaw映射为鼠标的移动以及左击和右击，Pitch、Roll和Yaw分别为绕X轴、Y轴和Z轴旋转的角度，鼠标绕Z轴左转和右转的的角度乘以系数K分别定义为鼠标的左移距离和右移距离；鼠标绕X轴往上转动和往下转动的角度乘以系数K定义为鼠标的上移和下移；鼠标绕Y轴左转一定的角度定义为左击，右转一定的角度定义为右击；改变系数K可以改变鼠标的灵敏度。
本发明一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法的有益效果是：结构简单，使用方便，操作简单，可抑制温飘、噪声等共模干扰，鼠标可以长时间精确控制光标，可控制并修正误差，适用范围广，使用寿命长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法的两个陀螺仪的安装位置图；
图2为本发明一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法的误差修正流程图；
图3为本发明一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法的欧拉角示意图。
具体实施方式
参阅图1、图2和图3所示的一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法，
(a)在空中鼠标上安装两个同样的陀螺仪传感器，安装位置为：陀螺仪1的X轴正方向与陀螺仪2的X轴负方向相同，陀螺仪1的Y轴正方向与陀螺仪2的Y轴负方向相同，陀螺仪1的Z轴正方向与陀螺仪2的Z轴负方向相同；
(b)读取陀螺仪1绕X1轴、Y1轴和Z1轴的角速度，分别gx1、gy1、gz1；
(c)读取陀螺仪2绕X2轴、Y2轴和Z2轴的角速度，分别gx2、gy2、gz2；
(d)对两个陀螺仪得到的数据进行处理，抑制温度漂移和噪声等干扰，得到gx、gy、gz；
(e)对gx、gy、gz进行实时修正，避免误差累积；
(f)由gx、gy、gz计算得到得到相应的四元数再转化为欧拉角Pitch、Roll、Yaw；
(g)将Pitch、Roll、Yaw映射为鼠标的移动以及左击和右击。
本发明中一个较佳的实施例，抑制温度漂移和噪声等干扰，由于两个陀螺仪处在相同的环境和电路中，温度带来的漂移和噪声等干扰对两个陀螺仪的影响几乎相同，测得的陀螺仪值由真实值和干扰产生的误差值组成，干扰值的正负并不与鼠标的倾角相关，当鼠标发生倾斜时，由于安装方向相反，两个陀螺仪的测量值分别为：
(1)gx1＝gxreal+gxerrar；
(2)gx2＝-gxreal+gxerror；
则gx1-gx2即可消除误差，同理可得gy、gz。
本发明中一个较佳的实施例，gx、gy、gz进行实时修正，防止误差累积，由于陀螺仪不易受到震动等的干扰，短期内测量的值非常精确，首先利用刚开始短期内测量的gx、gy、gz计算得到相应的四元数q0、q1、q2、q3，再将四元数转换为方向余弦矩阵中第三列的三个元素vxreal、vyreal、vzreal作为重力向量的标准值，由于鼠标只在很小的范围内移动，所以可以认为在鼠标使用过程中标准重力向量的方向是不变的：
(3)vxreal＝2*(q1q3-q0q2)；
(4)vyreal＝2*(q0q1+q2q3)；
(5)vzreal＝q0q0-q1q1-q2q2+q3q3；
在此以后测得的gx、gy、gz都利用标准重力向量[vxreal vyreal vzreal]来修正，由最新测量的gx、gy、gz转化为重力向量的测量值[vx vy vz]，测量重力向量和标准重力向量叉乘，得到两向量的差：
(6)ex＝(vyreal×vz-vzreal×vy)；
(7)ey＝(vzreal×vx-vxreal×vz)；
(8)ez＝(vxreal×vy-vyreal×vx)；
再对误差进行PID运算后，与陀螺仪数据相加，修正陀螺仪数据。
本发明中一个较佳的实施例，将欧拉角Pitch、Roll、Yaw映射为鼠标的移动以及左击和右击，Pitch、Roll和Yaw分别为绕X轴、Y轴和Z轴旋转的角度，鼠标绕Z轴左转和右转的的角度乘以系数K分别定义为鼠标的左移距离和右移距离；鼠标绕X轴往上转动和往下转动的角度乘以系数K定义为鼠标的上移和下移；鼠标绕Y轴左转一定的角度定义为左击，右转一定的角度定义为右击；改变系数K可以改变鼠标的灵敏度。
进一步的，抑制温飘、噪声等共模干扰，温度漂移、噪声等干扰是所有MEMS仪器面对的棘手问题，本发明提出的采用两个陀螺仪传感器反方向同时测量，对消除温度漂移、噪声等共模干扰有很好的效果。
进一步的，鼠标可以长时间精确控制光标，基陀螺仪采集的数据始终都会存在一定的误差，在计算旋转角度时会导致误差不断累积，偏差逐渐增大。本发明提出了用陀螺仪初始时刻的测量值建立标准重力向量，采用PID控制闭环修正陀螺仪的采集数据，使整个系统更加稳定。
进一步的，操作简便，鼠标的左击和右击一般都需要按键或者触摸来实现，本发明提出用左右的旋转来实现左击和右击功能，包括鼠标的移动，所有操作都可以用手的轻微摆动来实现，非常便捷。
进一步的，使用范围广，本发明中只采用了陀螺仪这一种传感器，陀螺仪对抖动造成的干扰不敏感，对环境的温度、磁场等也无特殊要求，适合在各种环境下使用。
本发明一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法具有以下优点：其结构简单，使用方便，操作简单，可抑制温飘、噪声等共模干扰，鼠标可以长时间精确控制光标，可控制并修正误差，适用范围广，使用寿命长。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法，其特征在于：
(a)在空中鼠标上安装两个同样的陀螺仪传感器，安装位置为：陀螺仪1的X轴正方向与陀螺仪2的X轴负方向相同，陀螺仪1的Y轴正方向与陀螺仪2的Y轴负方向相同，陀螺仪1的Z轴正方向与陀螺仪2的Z轴负方向相同；
(b)读取陀螺仪1绕X1轴、Y1轴和Z1轴的角速度，分别gx1、gy1、gz1；
(c)读取陀螺仪2绕X2轴、Y2轴和Z2轴的角速度，分别gx2、gy2、gz2；
(d)对两个陀螺仪得到的数据进行处理，抑制温度漂移和噪声等干扰，得到gx、gy、gz；
(e)对gx、gy、gz进行实时修正，避免误差累积；
(f)由gx、gy、gz计算得到得到相应的四元数再转化为欧拉角Pitch、Roll、Yaw；
(g)将Pitch、Roll、Yaw映射为鼠标的移动以及左击和右击。
2.根据权利要求1所述的基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法，其特征在于：抑制温度漂移和噪声等干扰，由于两个陀螺仪处在相同的环境和电路中，温度带来的漂移和噪声等干扰对两个陀螺仪的影响几乎相同，测得的陀螺仪值由真实值和干扰产生的误差值组成，干扰值的正负并不与鼠标的倾角相关，当鼠标发生倾斜时，由于安装方向相反，两个陀螺仪的测量值分别为：
(1)gx1＝gxreal+gxerror；
(2)gx2＝-gxreal+gxerror；
则gx1-gx2即可消除误差，同理可得gy、gz。
3.根据权利要求1所述的基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法，其特征在于：gx、gy、gz进行实时修正，防止误差累积，由于陀螺仪不易受到震动等的干扰，短期内测量的值非常精确，首先利用刚开始短期内测量的gx、gy、gz计算得到相应的四元数q0、q1、q2、q3，再将四元数转换为方向余弦矩阵中第三列的三个元素vxreal、vyreal、vzreal作为重力向量的标准值，由于鼠标只在很小的范围内移动，所以可以认为在鼠标使用过程中标准重力向量的方向是不变的：
(3)vxreal＝2*(q1q3-q0q2)；
(4)vyreal＝2*(q0q1+q2q3)；
(5)vzreal＝q0q0-q1q1-q2q2+q3q3；
在此以后测得的gx、gy、gz都利用标准重力向量[vxreal vyreal vzreal]来修正，由最新测量的gx、gy、gz转化为重力向量的测量值[vx vy vz]，测量重力向量和标准重力向量叉乘，得到两向量的差：
(6)ex＝(vyreal×vz-vzreal×vy)；
(7)ey＝(vzreal×vx-vxreal×vz)；
(8)ez＝(vxreal×vy-vyreal×vx)；
再对误差进行PID运算后，与陀螺仪数据相加，修正陀螺仪数据。
4.根据权利要求1所述的基于陀螺仪传感器的空中鼠标控制方法，其特征在于：将欧拉角Pitch、Roll、Yaw映射为鼠标的移动以及左击和右击，Pitch、Roll和Yaw分别为绕X轴、Y轴和Z轴旋转的角度，鼠标绕Z轴左转和右转的的角度乘以系数K分别定义为鼠标的左移距离和右移距离；鼠标绕X轴往上转动和往下转动的角度乘以系数K定义为鼠标的上移和下移；鼠标绕Y轴左转一定的角度定义为左击，右转一定的角度定义为右击；改变系数K可以改变鼠标的灵敏度。
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