专利名称：一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线头控鼠标的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线头控鼠标，特别是一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线头控鼠标。
背景技术：
目前针对手残疾的残疾人使用的鼠标研究较多的是使用头部的运动来控制鼠标移动。主要有两种方法来检测头部的移动一种是使用图像传感器，通过算法对图像中的头部进行识别、跟踪，计算出它的位移来控制鼠标移动；另外一种是通过使用MEMS (微机电系统)传感器来检测头部的运动，从而来控制鼠标的移动，目前较多的是单独使用加速度计或单独使用陀螺仪来检测头部的运动。两种方法相比，基于图像传感器的检测方法对于环境影响较为敏感，且算法较复杂占用电脑大量资源；而基于使用MEMS的检测方法基本对环境没有任何要求，不占用电脑资源，但是单独使用加速度计或单独使用陀螺仪的测量信号通常存在噪声，影响测量的精度。加速度计和陀螺仪的噪声具有各自的特点，目前还未见同时使用加速度计和陀螺仪来提高测量精度的鼠标系统。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线头控鼠标，通过加权算法对加速度计和陀螺仪的数据进行融合来提高姿态角的测量精度，得到最优的姿态角。在静止条件下加速度计的测量数据比陀螺仪的测量数据具有更高的可信度，而在动态条件下陀螺仪的数据比加速度计具有更高的可信度。通过使用一个加权系数来融合加速度计的数据和陀螺仪的数据，可以使得鼠标在静止条件下和动态条件下的精度比单独使用加速度计或陀螺仪时更加稳定。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案
一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线头控鼠标，包括采集模块、接收模块和电脑； 所述采集模块由加速度计、陀螺仪、主控芯片和无线发射模块组成；所述主控芯片通过数字 I2C接口与所述加速度计和所述陀螺仪连接，所述主控芯片通过SPI接口与无线发射模块连接；所述接收模块由无线接收模块和USB接口芯片组成；所述USB接口芯片通过SPI接口与所述无线接收模块连接，并通过USB接口与所述电脑连接；
所述主控芯片使用加权算法将所述加速度计的信号和所述陀螺仪的信号进行融合处理，获得最优的姿态角，并使用映射函数把姿态角的变化映射为鼠标移动距离，所述加权算法如下
1)设所计算的姿态角为
g Τ ,其中β为俯仰角，φ为横滚角，姿态角的计算公式为
Φ=αφ + (I-O)(I)gjlo
其中为使用所述加速度计(1)数据计算得到的姿态角；为使用所述陀螺仪数据计算得到的姿态角；式中《为加权系数；
2)φ脇中所述加速度计计算俯仰角0的公式为θ = sTcsin(xg/g)；横滚角φ的计
算公式为Φ = wstm(Ygizg)，其中J^、、Zs分别为加速度计X、Y、Z轴测得的加速度值，g为重力加速度；
3)Ogyro中所述陀螺仪计算俯仰角4的公式为钆=Λ-ι+ Ym* T ；横滚角i的计算公式为么=织α=1，2，……，η，η为正整数)，其中办和必为左时刻的俯仰角和翻滚角；Xgyr、Fgf,,分别是绕X、Y轴的转动角速度；？^为采样周期；
4)加权系数的计算公式为=，其中ρ为衰减系数， ge= ^Xl + Yl+Zl , g为重力加速度。所述加速度计为三轴加速度计，所述陀螺仪为三轴陀螺仪。所述无线发射模块和无线接收模块的无线传输工作在开放的2. 4GHz工业、科学、 医疗频段。本发明通过构造一个函数使测得的角度通过这个函数映射为相应的鼠标移动的数据，横轴表示输入的角度，纵轴表示输出鼠标移动的距离。当头部转动的角度较小时函数的值为零。通过不断调整这个函数使得头部对鼠标的控制更加自然并且消除了头部无意识抖动导致的鼠标移动。当抬头则鼠标上移，低头则鼠标向下移，头向左倾则鼠标向左移动， 向右倾鼠标向右移动。本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点
1)在鼠标静止条件下，由于本发明中使用了加速度计，因此相比单独使用陀螺仪更加稳定，精度更高。2)在鼠标动态条件下，由于本发明中使用了陀螺仪，因此相比单独使用加速度计更加稳定，精度更高。3)通过使用一个映射函数消除了头无意识抖动对鼠标的影响。
图1为本发明鼠标的整体结构框图； 图2为本发明构造的映射函数； 图3为本发明鼠标的操作界面。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明方法进一步说明。如图1所示，一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线头控鼠标，包括采集模块 5、接收模块8和电脑9 ；所述采集模块5由加速度计1、陀螺仪2、主控芯片3和无线发射模块4组成；所述主控芯片3通过数字I2C接口与所述加速度计1和所述陀螺仪2连接，所述主控芯片3通过SPI接口与无线发射模块4连接；所述接收模块8由无线接收模块6和USB 接口芯片7组成；所述USB接口芯片7通过SPI接口与所述无线接收模块6连接，并通过USB 接口与所述电脑9连接；在本实施例中，采集模块5主要实现对头部倾角的测量。该模块的主控芯片3 (STM32F103)使用IIC总线读取加速度计1 (MMA8452)和陀螺仪2 (L3G4200D) 的信号。然后采集模块的主控芯片使用加权融合算法对传感器的信号进行处理，获得最优姿态角。 所述加权算法如下
1)设所计算的姿态角为Φ=[沒，其中5为俯仰角《力横滚角，姿态角的计算公式为
其中为使用所述加速度计(1)数据计算得到的姿态角；φ^^为使用所述陀螺仪 (2)数据计算得到的姿态角；式中a为加权系数；
2) 中所述加速度计(1)计算俯仰角5的公式为^ =；横滚角
的计算公式为# = ITGtan(FgZZf),其中Zs、rg、Zf分别为加速度计X、Y、Z轴测得的加速度值，g为重力加速度；
3)Φ^ο中所述陀螺仪(2)计算俯仰角β的公式为ftzftq + J^^T ;横滚角梦的
计算公式为=(k=l, 2,……，n，n为正整数),其中街和么为*时刻的
俯仰角和翻滚角；JTg^、Fe,分别是绕X、Y轴的转动角速度；为采样周期；
4)加权系数的计算公式为Qj=，其中f为衰减系数， ge = 4x1 +Y2g + Z2s ， g为重力加速度。如图2所示，主控芯片通过一个映射函数，将最优俯仰角和翻滚角映射为两个字节的鼠标移动数据。映射函数的表达式为当X大于0时Y = Cfe)2 ;当X小于0时 Y =-(办f。其中χ为姿态角度数据，Y为鼠标的移动数据，点为比例系数。点取1.5。该映射函数的作用主要是消除头无意识抖动而使鼠标产生的移动。主控芯片3使用SPI总线将两个字节的鼠标数据传递给无线发射模块4 (nRF24L01)，实现数据的无线传输。无线接收模块6 (nRFMLOl)接收到与最优姿态角相对应的两字节的鼠标移动数据，数据接收模块主控芯片采用具有USB通信功能的USB接口芯片7 (C8051F320)。USB接口芯片7通过SPI总线将数据从无线接收模块6中读出，并将其扩展为四字节的标准鼠标控制信号。由于鼠标没有左右键和中键的点击以及滚轮滚动的数据，可将这扩展的两个字节直接取为O。USB接口芯片7使用标准的HID (人机接口设备)鼠标程序将四字节数据发送给电脑，实现鼠标的移动控制。如图3所示，使用鼠标点击软件实现点击操作。当鼠标静止移动一定时间后，在
电脑显示器上，鼠标左下角或右下角出现图3的操作界面。然后移动鼠标到按钮10、11、12
或13，完成按钮上标示的操作。例如，想要实现对桌面图标“我的电脑”进行双击打开操作，
具体操作如下首先将鼠标移动到“我的电脑”桌面图标上，鼠标静止2秒钟后就会在鼠标附近出现操作界面，将鼠标移动到按钮8上，鼠标静止2秒钟后会自动在“我的电脑”的图标上进行左键双击操作。
权利要求
1. 一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线头控鼠标，其特征在于包括采集模块 (5)、接收模块(8)和电脑(9);所述采集模块(5)由加速度计(1)、陀螺仪(2)、主控芯片(3) 和无线发射模块(4)组成；所述主控芯片(3)通过数字I2C接口与所述加速度计(1)和所述陀螺仪(2)连接，所述主控芯片(3)通过SPI接口与无线发射模块(4)连接；所述接收模块 (8)由无线接收模块(6)和USB接口芯片(7)组成；所述USB接口芯片(7)通过SPI接口与所述无线接收模块(6 )连接，并通过USB接口与所述电脑(9 )连接；所述主控芯片(3 )使用加权算法将所述加速度计(1)的信号和所述陀螺仪(2)的信号进行融合处理，获得最优的姿态角，并使用映射函数把姿态角的变化映射为鼠标移动距离，所述加权算法如下 1)设所计算的姿态角为Φ=[θ φ]Τ，其中g力俯仰角，#为横滚角，姿态角的计算公式为其中CDi2tr为使用所述加速度计α)数据计算得到的姿态角；CDsto为使用所述陀螺仪(2)数据计算得到的姿态角；式中”力加权系数；2)①縱中所述加速度计(ι)计算俯仰角5的公式为沒=erc:sinCrg/f)；横滚角·的计算公式为Φ = arctan(rg/Zg)，其中&、rg、分别为加速度计χ、υ、ζ轴测得的加速度值，g为重力加速度；3)Ogyro中所述陀螺仪⑵计算俯仰角θ的公式为= 0k-l + Ygyr ·Τ ；横滚角#的计算公式为Ι,* 1 α=1，2，……，η，η为正整数)，其中办和^为左时刻的俯仰角和翻滚角；Jfsr ^Ym分别是绕X、Y轴的转动角速度〒力采样周期；4)加权系数的计算公式为a=,其中为衰减系数，ge = ^jxl + Υ + Z2g， g为重力加速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线头控鼠标，其特征在于所述加速度计(1)为三轴加速度计，所述陀螺仪(2)为三轴陀螺仪。
3.根据权利要求1所述的一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线头控鼠标，其特征在于所述无线发射模块(4)和无线接收模块(6)的无线传输工作在开放的2. 4GHz工业、 科学、医疗频段。
全文摘要
一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线头控鼠标，包括采集模块、接收模块和电脑；所述采集模块由加速度计、陀螺仪、主控芯片和无线发射模块组成；所述接收模块由无线接收模块和USB接口芯片组成；所述主控芯片使用加权算法将所述加速度计的信号和所述陀螺仪的信号进行融合处理，获得最优的姿态角，并使用映射函数把姿态角的变化映射为鼠标移动距离，并消除了头无意识抖动对鼠标的影响。本发明中同时使用了加速度计和陀螺仪，因此更加稳定，精度更高。
文档编号G06F3/033GK102411440SQ201110443340
公开日2012年4月11日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者丁卫, 沈春涛, 罗均, 饶进军, 高同跃, 高新闻, 龚振邦 申请人:上海大学