高精度高靈敏體感空中鼠標的發(fā)射端設計*

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(大連東軟信息學院 電子工程系，大連 116000)

引 言

體感技術[1-2]可以使人們很直接地使用肢體動作，身臨其境地與周邊的裝置或環(huán)境互動，而無需使用任何復雜的控制設備，為生活工作帶來新的體驗和方便。近年來，體感技術已經(jīng)應用到了3D虛擬現(xiàn)實、體感游戲、運動監(jiān)測、健康醫(yī)療照護等領域，具有一定的經(jīng)濟和市場前景，因此無線體感設備也成為當下的熱點研究方向，如何實時并準確地捕捉用戶肢體動作是體感技術研究的重點和難點。

本文圍繞體感空中鼠標進行研究，具體介紹了發(fā)射端的設計與實現(xiàn)過程。發(fā)射端采集人體手部姿態(tài)數(shù)據(jù)，并利用無線通信及USB通信協(xié)議將偵測到的手部動作傳輸至個人電腦，實現(xiàn)鼠標的功能。通過機械制圖及3D打印機制作貼身的“手套式”外殼，徹底擺脫了鼠標必須在桌面上才能使用的操作模式。相比其他手部姿態(tài)解算方法，本文提出的方案精度更高、運算速度更快、運行更穩(wěn)定、體感效果更好，這是本研究的創(chuàng)新之處。

1 體感空中鼠標整體設計方案

體感空中鼠標分為發(fā)射端和接收端兩個部分。發(fā)射端以STM32F103C8T6作為處理器芯片，采集MPU6050傳感器數(shù)據(jù)，完成手部姿態(tài)分析，通過nRF24L01無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端。接收端由STM32F103ZET6處理器、USB轉換串口芯片及無線模塊組成，接收端處理器對收到的無線數(shù)據(jù)進行處理后，通過USB協(xié)議發(fā)送至電腦等智能終端，完成鼠標光標移動、線控按鍵點擊及滾輪等功能。整體結構框圖如圖1所示。

圖1 體感空中鼠標整體結構框圖

本文主要介紹體感空中鼠標發(fā)射端的信息采集處理和無線數(shù)據(jù)發(fā)送功能實現(xiàn)過程，具體包括3個方面：發(fā)射端硬件電路設計、發(fā)射端軟件程序設計和功能驗證實驗。

2 空中鼠標姿態(tài)解算原理

目前體感技術按照體感方式[2-3]與原理的不同，主要可分為三大類：慣性感測、光學感測以及慣性及光學聯(lián)合感測。慣性感測主要是以慣性傳感器為主，例如用重力傳感器、陀螺儀以及磁傳感器等來感測使用者肢體動作的物理參數(shù)如加速度、角速度以及磁場。再根據(jù)這些物理參數(shù)來求得使用者在空間中的各種動作。綜合分析三類體感方式、鼠標功能和應用場合，本設計選擇慣性感測方式對STM32處理器進行編程，完成姿態(tài)解算。

2.1 MPU6050六軸傳感器姿態(tài)解算

目前描述空中姿態(tài)[4]的方法可簡單地分為3類：歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法。歐拉角法在俯仰角為90°時,方程式會出現(xiàn)萬向軸鎖[5](Gimbal Lock)問題，所以歐拉角法只適用于水平姿態(tài)變化不大的情況，而不適用于全姿態(tài)飛行器的姿態(tài)確定。

方向余弦法雖避免了歐拉角算法的問題，但計算量大、工作效率低。

四元數(shù)法可以很好地解決萬向軸鎖問題，并且只求解四個未知量的線性微分方程組，計算量小，易于操作，是比較實用的工程方法，本設計即采用四元數(shù)法計算得到歐拉角，并加入校正算法完成空中鼠標姿態(tài)解算。

MPU6050是內部集成了陀螺儀和加速度計的六軸傳感器[1]，封裝空間大大減小，成本較低，市場應用廣泛。本設計使用MPU6050內部集成的數(shù)字運動處理單元直接運算出四元數(shù)，再經(jīng)過數(shù)學公式旋轉變換運算，求出歐拉角法中的x，y，z軸上的旋轉角度以及橫滾角roll、俯仰角pitch和航向角yaw。

2.2 四元數(shù)到歐拉角的變換運算

在三維空間中的旋轉可以用四元數(shù)的復數(shù)形式[6]來描述為：

Q=q0+q1i+q2j+q3k(1)

導航坐標系為n系，運載體機體軸坐標系為b系，由歐拉角描述的方向余弦矩陣[7]可以用四元數(shù)描述為：

(2)

設運載體橫滾角為γ，俯仰角為θ，航向角為ψ，則3次基本旋轉的坐標變換為：

(3)

(4)

θ=sin-1(T32)(5)

將DMP運算輸出的四元數(shù)存放到數(shù)組quat[4]中，并利用上述運算公式，采用q30格式轉換成浮點數(shù)(#define q30 1 073 741 824.0f)，再經(jīng)過綜合運算得到歐拉角。具體運算部分程序代碼如下：

float q0=1.0f,q1=0.0f,q2=0.0f,q3=0.0f;

q0 = quat[0] / q30;

q1 = quat[1] / q30;

q2 = quat[2] / q30;

q3 = quat[3] / q30;

*pitch = asin(-2×q1×q3 + 2×q0×q2)×57.3;

*roll = atan2(2×q2×q3 + 2×q0×q1, -2×q1×q1-2×q2×q2 + 1)×57.3;

*yaw = atan2(2×(q1×q2 + q0×q3),q0×q0+q1×q1-q2×q2-q3×q3)×57.3;

2.3 互補濾波校正算法

傳感器在靜態(tài)測量中較為精準，但在動態(tài)運動中加速度計會產(chǎn)生較大的噪聲，傳感器產(chǎn)生微小的偏差和漂移會造成一定的積分誤差，這樣的積分誤差會帶來歐拉角數(shù)據(jù)的漂移。所以，速度計需要使用高通濾波器，濾除陀螺儀的低頻噪聲，不能單獨使用 MPU6050的加速度計或陀螺儀來得到傾角，需要互補校正。

根據(jù)傳感器特性建立互補濾波器，使用低通濾波器消除最終融合后輸出較為精準的角度值。其算法[8]為：

anglen=K1×angle_m+K2(anglen-1+angle_dot×dt)(7)

其中，anglen和anglen-1分別為第n次和第(n-1)次濾波后得到的角度；angle_m和angle_dot分別為當前采集獲得的加速度值和角速度值；K1為低通濾波系數(shù)，K2為高通濾波系數(shù)，在程序調試過程中調整至最佳值；dt為采樣時間系數(shù)。經(jīng)測試對比，最終K1、K2分別取0.02和0.98。對于3個傾角：橫滾角、俯仰角和航向角，均使用互補濾波算法進行校正，從而減小積分誤差，進而減少漂移誤差。

3 發(fā)射端硬件電路設計

發(fā)射端的硬件電路主要由微處理器模塊、傳感器模塊、無線模塊、供電模塊、和按鍵模塊構成，其電路原理圖如圖2所示。其中，微處理器模塊STM32F103C876的PC14和PC15兩個引腳連接單獨的時鐘電路可實現(xiàn)低功耗設計；傳感器模塊直接將MPU6050及外圍支持電路設計到電路上；無線模塊接口直接設計至板子邊緣位置，方便模塊插接；供電模塊設計包含電容濾波及指示燈電路；按鍵模塊設計了五向按鍵用于對顯示屏進行控制，接有上拉電阻，軟件編程去抖，同時設計了線控按鍵，套在手指上實現(xiàn)鼠標點擊動作。接收端主要由現(xiàn)有的微處理器模塊和無線模塊構成。

圖2 發(fā)射端硬件電路原理圖

為了實現(xiàn)體感概念中的人體功能學要求，簡化了發(fā)射端的電路原理圖設計，元器件封裝也選擇小型表貼式以實現(xiàn)小巧輕便的效果。STM32芯片的封裝為QFP方型扁平式封裝；MPU6050為QFN封裝，尺寸為4 mm×4 mm×0.9 mm，使得發(fā)射端的體積大大減?。贿x用工業(yè)級小型nRF24L01模塊尺寸為19 mm×12 mm，插入電路板表面，該模塊功耗低，等待模式電流僅為22 μA，有效傳輸距離達10 m。由于選擇的芯片功耗低，電路板的供電電池選擇小型鋰電池膠裝至板背面，可以反復充電使用。經(jīng)過PCB布局和布線，發(fā)射端的電路板尺寸僅為35 mm×35 mm，其3D視圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射端電路板3D視圖

4 發(fā)射端軟件設計

發(fā)射端的軟件設計主要是實現(xiàn)MPU6050傳感器數(shù)據(jù)采集處理和無線數(shù)據(jù)發(fā)送功能兩部分。使用軟件I2C通信方式對STM32進行編程，實現(xiàn)對傳感器MPU6050的寄存器配置和讀取數(shù)據(jù)。將MPU6050的量程配置成±2 000°/s，靈敏度為16.4 LSB°/s。

將加速度配置為±2 g，靈敏度是 16 384 LSB/g，當鼠標在空中保持垂直狀態(tài)時，即與y軸垂直，y軸上的加速度是1g，其他兩軸上的加速度接近于0，此時讀取y軸數(shù)據(jù)為16 384。其他軸也可如此測試。使用DMP和數(shù)學公式運算獲得四元數(shù)和歐拉角[9-10]，由這些參數(shù)解算出手部姿態(tài)，并使用互補濾波算法[11]對姿態(tài)數(shù)據(jù)進行校正后再發(fā)送至無線模塊。使用硬件SPI通信方式對STM32進行編程，配置nRF24L01無線模塊芯片的寄存器參數(shù)。傳感器數(shù)據(jù)采集部分程序流程如圖4所示。

圖4 傳感器數(shù)據(jù)采集程序流程圖

nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段[2]，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01的工作模式有4種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關機模式。其中收發(fā)模式又分為ShockBurst TM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種。nRF24L01的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS3個引腳決定，通過編程設置上述引腳值確定工作模式。

本設計只使用ShockBurst TM收發(fā)模式進行數(shù)據(jù)的傳輸。收發(fā)模式下，nRF24L01自動處理字頭和CRC校驗碼。當接收數(shù)據(jù)時，自動把字頭和CRC校驗碼移去。當發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和CRC校驗碼，當發(fā)送過程完成后，微處理器通過讀取相關數(shù)據(jù)引腳值獲得數(shù)據(jù)發(fā)射完畢信號。無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程如圖5所示。

圖5 無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖

5 功能驗證實驗

為了驗證體感空中鼠標的功能，設計了功能驗證實驗。實驗過程如下：

① 將發(fā)射端戴在手上隨機運動，發(fā)射端會將空中鼠標的運動數(shù)據(jù)通過無線通信發(fā)送至接收端。

② 接收端通過USB口連接PC機，打開串口，利用四軸上位機觀察接收端接收到的數(shù)據(jù)波形，如圖6所示。

圖6 空中鼠標運動數(shù)據(jù)波形圖

③ 將每一次運動產(chǎn)生的陀螺儀x，y，z軸的數(shù)據(jù)波峰或波谷值，填入表1空中鼠標接收端運動數(shù)據(jù)表。圖6中的三條波形曲線的縱坐標顯示了陀螺儀x、y、z軸的讀數(shù)，定義為GYROx、GYROy、GYROz，橫坐標代表采集的第幾個數(shù)據(jù)；波形顯示了發(fā)射端的每次運動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變化。

④ 同時，在保證陀螺儀數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的情況下，通過上位機的“飛控狀態(tài)”實時觀察鼠標的空間運動3D模型圖，并每隔1分鐘測量一次歐拉角數(shù)值，測量10次，填入表1中。然后進行下一輪實驗，改變陀螺儀位置，直至穩(wěn)定后，記錄陀螺儀x、y、z軸數(shù)值，再次每隔1分鐘測量歐拉角值，測量10次。重復10輪實驗過程。最后統(tǒng)計分析計算找出10輪實驗中最大的漂移誤差。

表1 空中鼠標接收端運動數(shù)據(jù)表

從圖6中取出前4輪實驗的第1次歐拉角的測量數(shù)據(jù)，以此為示例,展示鼠標的空間運動3D模型圖，以及歐拉角(roll：橫滾角、pitch：俯仰角、yaw：航向角)的變化，如圖7所示。

圖7 空中鼠標運動3D模型圖及歐拉角計算結果

通過上述10輪實驗，每輪記錄10次運動數(shù)據(jù)，實驗過程中無線數(shù)據(jù)收發(fā)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象；每次手部運動，上位機3D模型都能跟著手部運動實時顯示運動方向和幅度情況，運行穩(wěn)定。分析計算結果得出空中鼠標精度和漂移誤差：橫滾角精度0.1°，漂移誤差小于0.05°，范圍-180°～+180°；俯仰角精度0.01°，漂移誤差小于0.05°，范圍-90°～+90°；航向角精度0.1°，漂移誤差小于0.12°，范圍-180°～+180°。以上結果表明本文采用的姿態(tài)解算方法具有較高的穩(wěn)定性和準確性，實驗結果驗證了體感空中鼠標的方案的可行性，具有很好的工程應用價值。

結 語

本文設計并實現(xiàn)了一種穩(wěn)定性高、準確率高、易操作的體感鼠標發(fā)射端，相比光學檢測手部姿態(tài)法，此方法計算量更小、速度更快、精度更高。此外，為了實現(xiàn)體感空中鼠標的產(chǎn)品化設計，使用Rhinoceros軟件繪制出發(fā)射端外殼的3D模型機械圖紙，再使用3D打印機打印出外殼。經(jīng)過裝聯(lián)后用戶便可將空中鼠標實物佩戴在手背上，將線控按鍵套在手指上實現(xiàn)鼠標單擊和雙擊功能，與電腦進行人機交互，使用方便靈活，用戶體驗效果良好，發(fā)射端外殼的機械制圖和實物照片如圖8所示。

圖8 發(fā)射端外殼3D打印機械制圖和實物照片

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高菲(講師)，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)挖掘技術；劉龍(副教授)，主要研究方向為嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā);鞠爾男(講師)，主要研究方向為虛擬制造、機電一體化設計。