专利名称：三维空间无线鼠标的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线鼠标设计方法，基于该方法实现的无线鼠标可以在三维空间自由移动，控制电脑操作。尤其适用于无桌面或其它辅助台面场景、无手残疾人对电脑的操作。属于人机交互技术领域。
背景技术：
鼠标是人机交互领域中一个重大突破，为计算机操作提供了便捷手段。当前市面上可见的鼠标大部分采用光电技术，需要通过辅助桌面或台面来完成运动位置的捕获。对于有线鼠标的使用者来说，不仅离不开桌面等辅助设施，而且由于受线路缠绕，导致鼠标不能在桌面上任意移动。近年来随着无线通信技术的发展，基于蓝牙通信技术的无线鼠标也越来越多地走向市场。这些无线鼠标只是消除了鼠标与电脑之间的连线约束，仍然无法摆脱对桌面或固定平面的依赖，不能实现在三维空间中自由运动。虽然目前已有学者提出利用三轴加速度传感器来实现三维空间无线鼠标，采用方法是基于三轴加速度传感器的测量输出，利用加速度值通过二次积分计算位移的方法来实现的。但由于三轴加速度传感器容易受背景噪声影响，经过二次积分得到的位移估计存在较大误差，因而很难准确判断鼠标移动的范围。
发明内容
为了克服当前光电无线鼠标的平面束缚问题和三维鼠标位移估计误差问题，本发明提出了一种新的实现方法，保证无线鼠标在三维空间中自由移动同时，能够准确与电脑进行交互。另一方面，由此技术实现的无线鼠标无需桌面辅助，因而适用于无臂(手)残疾人操作，比如脚或腿等其它身体部位。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:利用三轴加速度传感器倾斜角测量特性，来实现三维空间无线鼠标运动的轨迹追踪。具体说来，在无线鼠标中安置MEMS (微电子机械技术)三轴加速度传感器和低功耗无线发送模块。当无线鼠标在三维空间自由运动时，MEMS三轴加速度传感器输出三个彼此正交的加速度值。利用低功耗无线发送模块，把这三个加速度值发送给与PC (个人电脑)连接的低功耗无线接收模块。低功耗无线接收模块把此数据实时通过USB(通用串口)接口转发个PC。在PC中，基于彼此正交的三个加速度值和地球重力之间的关系，可以计算出此时鼠标在三维空间的三个角，其中有两个表示鼠标在三维空间的倾斜角。以此倾斜角的变化作为鼠标在二维空间移动控制，即一个角表不鼠标在屏幕水平方向移动，另外一个角表示鼠标在屏幕垂直方向移动。为进一步实现本发明，此处无线通信技术可以采用狼牙通信模块，也可以采用低功耗无线通信技术Zigbee/IEEE802.15.4。采用本发明实现的三维空间无线鼠标，包括以下四个步骤:步骤一:基于MEMS加速度传感器的无线鼠标在三维空间中的姿态检测:在三维空间中任意移动无线鼠标，测量与无线鼠标姿态相关的彼此正交的三轴加速度数据；步骤二:无线发送模块与接收模块进行通信:无线发送模块将加速度传感器检测到的三轴加速度数据实时发送给与PC相连的无线接收模块；步骤三:PC接收无线鼠标在三维空间中的瞬间加速度数据:无线接收模块将接收到的无线鼠标在三维空间中方位相关的三轴加速度数据，通过USB接口转发给PC。步骤四:PC对接收到的无线鼠标当前方位数据进行处理:PC对接收到的无线鼠标在三维空间中的方位数据进行处理，基于方位信息转换为屏幕上二维空间中的运动。与现有技术对比，本发明的优点如下:(I)本发明利用三轴加速度传感器实现的无线鼠标，不需要桌面或其它辅助台面，适合于三维空间中的自由移动。(2)本发明利用倾斜角测量特征，可以消除加速度传感器所受背景噪声的影响，提高无线鼠标定位精确度。(3)采用本发明基于MEMS加速度传感器的实现的无线鼠标操作简单，使用者不必局限于小范围空间，在无线信号覆盖范围内可以自由操作。(4)本发明基于倾斜角测量特性实现的无线鼠标装置，适合于无手(臂)的残疾人应用，扩大无线鼠标的使用对象和应用领域。
图1三维无线鼠标系统结构2三维加速度倾角测量原理3三维无线鼠标左右移动测试4三维无线鼠标上下移动测试图
具体实施例方式如图1所示，本发明实现的无线鼠标包括无线鼠标和无线接收模块两部分。其中无线鼠标包括MEMS三轴加速度传感器和无线数据发送模块。三轴MEMS加速度传感器用来采集鼠标在三维空间中彼此正交的加速度值ax，ay和az，并利用无线发送模块把采集到的加速度值ax，ay和az利用低功耗无线通信技术发送给与PC相连的无线接收模块。无线接收模块把射频信道接收到的加速度值重新组织，利用USB接口转发给相连的PC。本发明实现方法中，三轴加速度传感器采用市场上常用的MEMS三轴加速度传感器，如Freescale公司的MMA 7260Q。无线通信模块利用低功耗射频芯片支持Zigbee/IEEE802.15.4技术，如CC2420或CC2430。无线通信通信模块射频传输速率为250K比特/秒，频率为2.4G。三轴加速度传感器数据采样率不低于40Hz，以保证无线鼠标的平滑移动。网关接口板采用与射频发送模块相对应的低功耗无线通信模块，通过USB串口实时转发给PC。三轴加速度传感器为鼠标运动的检测装置，用来检测无线鼠标在三维空间中X、Y和Z三个轴向上的加速度。如图2三维加速度倾角测量原理图所示，在三维空间，考虑静态或准静态情况，利用三轴加速度和重力直接的关系，可以得到三个角θ、φ和ψ。其中Θ是X’轴与地面投影X”之间的夹角，Ψ是Y’轴与地面投影Y”之间的夹角，Φ是Z’轴与垂直轴Z之间夹角。从而有
权利要求
1.一种三维空间无线鼠标设计方法，其特征在于基于此方法实现的无线鼠标可以在三维空间中自由移动，不需要辅助台面或桌面的支撑。
2.根据权利要求1所述的三维空间无线鼠标设计方法，其特征在于利用MEMS三轴加速度传感器作为鼠标运动的检测装置，用来检测无线鼠标在三维空间X、Y和Z三个轴向的加速度值。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS加速度传感器的三维无线鼠标设计方法，其特征在于利用三轴加速度和重力直接的关系，计算鼠标在三维空间中的倾斜角θ、φ和ψ。其中Θ角的变化表示鼠标在屏幕水平方向移动角的变化表示鼠标在屏幕垂直方向移动。
4.根据权利要求1所述三维空间无线鼠标设计方法，其特征在于利用低功耗无线通信技术，如Zigbee/IEEE 802.15.4或者狼牙技术，实现鼠标无线通信。
全文摘要
一种三维空间无线鼠标设计方法，它是利用MEMS三轴加速度传感器和低功耗无线通信技术实现鼠标在三维空间中自由移动。MEME三轴加速度实时检测无线鼠标在三维空间中的加速度值，加速度值通过低功耗无线通信技术如Zigbee/IEEE802.15.4或狼牙技术发送个无线接收模块，无线接收模块与PC通过USB接口连接。无线接收模块把收到的无线鼠标在三维空间中的彼此正交的三轴加速度值通过USB接口送给PC。PC根据接收到的三轴加速度值，计算瞬间无线鼠标在三维空间中的姿态角(两个角)。与前一时刻姿态角进行比较，计算出鼠标瞬间倾斜角的变化，转化为屏幕中鼠标在水平方向和垂直方向的运动，实现鼠标二维操作。
文档编号G06F3/0354GK103176627SQ201110439489
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者陈建新, 杜月林, 林宏, 王荣 申请人:陈建新, 杜月林, 林宏