基于虛擬現(xiàn)實(shí)的3D無線鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

夏金晶 方浩

摘 要：鼠標(biāo)作為電腦的一個(gè)基本部件，扮演著重要角色?，F(xiàn)今的鼠標(biāo)即使可以脫離桌面載體的使用，其對于二維桌面環(huán)境（Windows系統(tǒng)）本質(zhì)上二維平面屬性未能改變，若針對三維桌面環(huán)境，即增加可視化窗口的維度，現(xiàn)今的鼠標(biāo)在空間進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)未能有真實(shí)效果。文中基于三軸加速度計(jì)ADXL345和Cortex-M0處理器，對三維鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索。通過加速度計(jì)ADXL345完成x，y，z方向的數(shù)據(jù)采集，使用I2C將數(shù)據(jù)傳輸給Cortex-M0處理器;處理器對數(shù)據(jù)加工處理后，使用UART將動(dòng)作的偏移量傳輸給PC機(jī);根據(jù)三維方向的偏移量實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的三維控制。

關(guān)鍵詞：二維桌面;三維鼠標(biāo);虛擬環(huán)境;縱深方向;ADXL345;Cortex-M0

中圖分類號：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-0-03

0 引 言

自從美國科學(xué)家在1968年制造出世界上第一只鼠標(biāo)（以其外形類似老鼠而命名）以來，鼠標(biāo)已經(jīng)有近60年的歷史。最初，鼠標(biāo)普遍都是滾輪式，而隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，當(dāng)前人們開始越來越多地使用更為先進(jìn)的光電子鼠標(biāo)。然而，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)在許多場合沒有臺式機(jī)時(shí)（例如在長途車和礦井中），傳統(tǒng)鼠標(biāo)在操作中存在較大的缺陷，便捷性較低;即使應(yīng)用到目前最為先進(jìn)的觸摸屏技術(shù)，往往也達(dá)不到較高的使用效果。而隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)的研究不斷成熟，基于這一系統(tǒng)的傳感器也開始得到越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是在三維空間的定位中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[1]。

1 整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分為軟件和硬件這兩個(gè)部分。其中，對于硬件而言，選取使用到了三軸加速度計(jì)，完成了對三維數(shù)據(jù)采集電路的前期設(shè)計(jì)工作，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步得出了x，y，z這三個(gè)不同方向上的加速度信號強(qiáng)弱;接著，完成了對存儲電路的設(shè)計(jì)工作，借助于數(shù)據(jù)分析處理，及時(shí)得出了在x，y，z這三個(gè)方向的數(shù)據(jù)偏移[2]。對于軟件而言：第一步是對整個(gè)數(shù)據(jù)處理的流程做出設(shè)計(jì)，將加速度計(jì)進(jìn)一步移動(dòng)至原始數(shù)據(jù)中，并完成對該數(shù)據(jù)的及時(shí)存儲，最終將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)格式進(jìn)行處理;除此之外，還針對I2C接口驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)[3]。圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 MEMS加速度傳感器

本文設(shè)計(jì)選擇三軸加速度計(jì)ADXL345是因?yàn)樗腥齻€(gè)軸，并且獲得的信號是三維的，不需要像單軸和雙軸加速度計(jì)那樣使用幾個(gè)芯片同時(shí)工作，只需要執(zhí)行復(fù)雜的操作來集成它們，以獲得想要的三維信號。選擇ADXL345是出于簡單的設(shè)計(jì)、簡化的電路和時(shí)間限制的考慮[4]。

2.1.1 工作原理

圖2為MEMS加速度傳感器工作原理。根據(jù)圖2可知，該傳感器工作原理即在實(shí)際運(yùn)行的過程中應(yīng)用到的工作原理。此時(shí)進(jìn)一步引入Hook定理，可以得出：

式中：F表示外力;m表示質(zhì)量;a代表加速度;x代表距離;k表示彈簧彈性系數(shù)[5]。正是因?yàn)檫@樣，就可以借助于距離、質(zhì)量和彈簧系數(shù)這三種量，精確地測量出加速度a的實(shí)際大小。文中，闡述了處于垂直位置關(guān)系的兩個(gè)加速度傳感器，獲得了單軸加速度。類似地，對于三軸加速度而言，其在本質(zhì)上就是基于三個(gè)相互垂直單軸加速度傳感器而得出的。

2.1.2 傾斜角測量原理

根據(jù)圖2可以進(jìn)一步得出，二維加速度傳感器在傾斜角測量中應(yīng)用到的原理。此時(shí)，可以將傾斜角表示為：

式中ax和ay分別代表了在x軸和y軸這兩個(gè)不同方向上的加速度大小。

當(dāng)單軸加速度傳感器放置在物體上方，也能夠進(jìn)行傾斜角的測定工作。但是需要注意的是，針對微機(jī)電系統(tǒng)傳感器而言，其在實(shí)際運(yùn)用的過程中具有一定的局限性，如果工作環(huán)境中存在噪聲，則會(huì)大大影響最終的應(yīng)用效果?；谶@樣的考慮，選取了二維加速度傳感器，從而達(dá)到減少噪聲干擾的目的，保障最終測定結(jié)果的精確性。

二維加速度傾角測量如圖3所示?；谌S加速度和重力，能夠得出θ，ψ和φ這三類傾斜角。其中，θ，ψ分別是

X'軸，Y'軸與地面投影的夾角，而φ則代表Z'軸與垂直軸Z的夾角。因此可以進(jìn)一步得出以下的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

可以得出這樣的結(jié)論：姿態(tài)角的確定是基于三軸加速度計(jì)的輸出。所以，借助于這一特點(diǎn)，可以有效地減少工作環(huán)境中噪聲的干擾。但是需要注意的是，針對微機(jī)電系統(tǒng)而言，其在實(shí)際運(yùn)行中必然會(huì)受到環(huán)境噪聲的影響，所以最終測定的結(jié)果往往不可避免存在細(xì)微的誤差。物體在三維空間中的姿態(tài)主要由三軸加速度的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)特性決定。若物體在三維空間處于高速移動(dòng)的狀態(tài)，基于上述的表達(dá)式也難以精確地測定出物體的瞬時(shí)姿態(tài)[6]。三維加速度傾角測量如圖4所示。

2.2 微控制器設(shè)計(jì)

在該電路中，應(yīng)用到的是Cortex-M0處理器。這一處理器在實(shí)際運(yùn)用中具備較大的性能優(yōu)勢，整體能耗較低，同時(shí)也能夠達(dá)到較強(qiáng)的節(jié)能效果。此外，該處理器能夠及時(shí)高效地完成對三軸加速度的數(shù)據(jù)處理，從三個(gè)方向獲得加速度計(jì)的偏移量，并通過串行端口將其發(fā)送到PC。

3 軟件設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)思想是通過ADXL345收集三軸加速值，通過Cortex-M0計(jì)算加速值并獲得偏移量，并通過串行端口將產(chǎn)生的偏移量傳遞給計(jì)算機(jī)，以控制鼠標(biāo)光標(biāo)的移動(dòng)和其他必要的功能[7]。

該系統(tǒng)的鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序在微軟Win7平臺上實(shí)現(xiàn)。電腦接收從通用串行總線接口發(fā)送的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，借助于式（3）～式（5），把它進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成方位角[3-8]。此外，必須要利用鼠標(biāo)動(dòng)作，基于屏幕來調(diào)控方位角和鼠標(biāo)控制的聯(lián)系。在此過程中，運(yùn)用驅(qū)動(dòng)程序來開啟虛擬鼠標(biāo)設(shè)備文件。緊接著，利用掛鉤鼠標(biāo)類驅(qū)動(dòng)程序，借助于相關(guān)回調(diào)函數(shù)，把鼠標(biāo)操作及時(shí)傳送到類驅(qū)動(dòng)程序，具體的步驟如圖5所示[9]。

系統(tǒng)在完成了對USB數(shù)據(jù)的接收之后，基于按鈕值來判定此時(shí)的鼠標(biāo)操作。在這一操作中，若測定的是傾斜角，就把其轉(zhuǎn)變?yōu)槠聊幌袼刂?，同時(shí)調(diào)整鼠標(biāo)位置。此外，進(jìn)一步明確按鈕的具體動(dòng)作。 在此基礎(chǔ)上，判定電子穩(wěn)定控制鍵是否存在，若已存在，那么指示退出。

4 系統(tǒng)測試

利用微機(jī)控制光標(biāo)左右移動(dòng)，光標(biāo)上下移動(dòng)，鼠標(biāo)通過鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序使用x方向偏移量放大和縮小。基于x，y，z這三個(gè)方向的多維度定義，實(shí)現(xiàn)了三維運(yùn)動(dòng)的功能[6]。

根據(jù)圖5所示的流程可以發(fā)現(xiàn)，基于傳感器的處理，最終測定出鼠標(biāo)的加速度。在一般的運(yùn)行狀態(tài)下，如果鼠標(biāo)處在x方向，此時(shí)加速度的大小處在-12g～12g，同時(shí)，其在y軸和z軸的加速度都處在-1g～1g;當(dāng)沿y方向移動(dòng)時(shí)，x軸的加速度范圍為-1g～1g，y軸的加速度范圍為-12g～12g，z軸加速度值范圍為-1g～1g;當(dāng)在z方向上移動(dòng)時(shí)，x軸加速度值范圍為-1g～1g，y軸加速度值范圍為-1g～1g，z軸的加速度值范圍為-12g～12g。

圖6為在加速度值被處理之后傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)的三維方向數(shù)據(jù)的偏移。

針對微機(jī)而言，其應(yīng)用的是視窗操作系統(tǒng)。PC運(yùn)用USB模擬串行信道，并及時(shí)接收三個(gè)不同方向發(fā)生的偏移。 而借助于可視化VC 6.0++，編寫出的驅(qū)動(dòng)程序，繼而使得該設(shè)計(jì)可在三個(gè)方向達(dá)到基于偏移控制的目的。

5 結(jié) 語

文中利用ADXL345來獲取三軸加速度值，同時(shí)借助Cortex-M0獲得偏移量。基于串行口，把偏移量傳送至計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)光標(biāo)移動(dòng)控制的功能。該設(shè)計(jì)已在計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)的應(yīng)用中全面運(yùn)行，具有良好的可操作性。另外，基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備的研究，接收端數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)設(shè)計(jì)具有更好的三維使用和擴(kuò)展空間，可以開發(fā)一系列專用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，具有良好的三維體驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]孫在尚，劉凡齊.無線空中鼠標(biāo)[J].電子測試，2017（19）：12-13.

[2]張鵬飛，李亞，蔣亞飛，等.一種可適用于虛擬現(xiàn)實(shí)的3D無線鼠標(biāo)的探討與設(shè)計(jì)[J].電子世界，2016（7）：148-149.

[3]陶志成，張海.MPU6050和STM32L152的微功耗三維無線鼠標(biāo)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015，15（12）：1-4.

[4]李佰財(cái)，寧偉勛.基于三軸加速計(jì)的三維鼠標(biāo)設(shè)計(jì)探索[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013，16（9）：122-123.

[5]周獲.基于MEMS技術(shù)的無線空中鼠標(biāo)的研究[D].廈門：華僑大學(xué)，2013.

[6]江朝強(qiáng)，石睿，王云飛.基于MEMS指環(huán)式低功耗無線三維鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2013，28（9）：12-14.

[7]陳建新，臧晶，楊璐璐.基于MEMS傳感器的三維鼠標(biāo)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2012，38（24）：274-278.

[8]朱文杰.高速數(shù)控加工中心虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)[D].西安：陜西科技大學(xué)，2015.

[9]朱曉林，黃敏純.基于三維鼠標(biāo)的X3D虛擬場景人機(jī)交互技術(shù)研究[J].機(jī)電技術(shù)，2014（6）：25-28.

[10]張曉亮，王炳愷.基于移動(dòng)終端的VR技術(shù)在汽車檢測與維修專業(yè)中的應(yīng)用[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2018（11）：210.