一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入系统，属于输入设备技术领域。本发明主控芯片与MPU6050芯片相连接并使用MPU6050芯片的DMP功能将采集的加速度信号和陀螺仪信号进行融合处理，取得四元数进行姿态角解算；无线模块发射器与主控芯片连接，负责姿态角和按键信息的传送；无线模块接收器负责接收姿态角和按键信息，通过无线模块接收器发送给数据处理模块解析姿态角和按键数据，数据处理模块根据获取的姿态角和按键信息用于识别和确认当前选中的为虚拟键盘中的哪个按键。本发明减少了按键的数量和按动按键的次数，提高了字母输入的效率。
【专利说明】
一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入系统，属于输 入设备技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，传统电视逐渐过渡发展为智能电视。区别于传统电视，智能 电视可以利用字母简拼按照用户的意愿搜索节目，传统的以五向按键操作作为基础的遥控 器在进行字母输入上需要不断的按下按键，存在操作繁琐，效率低下等缺点。因此现有遥控 器还存在较大的改造空间，以提高字母输入的效率。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入系统，以用 于解决现有智能电视遥控器字母输入操作繁琐、效率低下的缺点。
[0004] 本发明的技术方案是:一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入系 统，包括采集模块4、无线传输模块7和数据处理模块8;所述采集模块4由按键单元1、 MPU6050芯片2和主控芯片3组成，其中MPU6050芯片2为一个集成了 3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS 加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP的MPU6050芯片;所述无线传输模块7包括 一个无线模块发射器5和一个无线模块接收器6;
[0005] 所述按键单元1包括一个轻触开关，其连接至主控芯片3负责实现确认选中虚拟键 盘中按键的功能，主控芯片3通过数字I2C接口与MPU6050芯片2相连接并使用MPU6050芯片2 的DMP功能将采集的加速度信号和陀螺仪信号进行融合处理，取得四元数进行姿态角解算； 无线模块发射器5通过USART接口与主控芯片3连接，负责姿态角和按键信息的传送;无线模 块接收器6与数据处理模块8集成在一个智能电视机顶盒装置内，无线模块接收器6负责接 收姿态角和按键信息，通过无线模块接收器6发送给数据处理模块8解析姿态角和按键数 据，数据处理模块8根据获取的姿态角和按键信息用于识别和确认当前选中的为虚拟键盘 中的哪个按键；
[0006] 所述用于识别和确认当前选中的为虚拟键盘中的哪个按键的具体步骤如下：
[0007] 步骤1:获取当前选中的列号:取得姿态角中的横滚角P，则虚拟键盘当前选中的列
号R由公式：
计算得出；其中， 表示货位于(-120°/j，120°/j)范围时确定的列号；如果当前识的角度大于等于60°，数据处 理模块8将当前0的角度矫正为59° ;如果当前⑦的角度小于等于-60°，数据处理模块8将当 前供的角度矫正为-59° ;j表示当前虚拟键盘的列数总和；
[0008] 步骤2:获取当前选中的层号：取出姿态角中的俯仰角Θ:当Θ的角度由大于等于45° 改变为小于45°，则当前选中的层号L加一；当Θ的角度由大于等于45°改变为小于45°且上次 选中的层号L为第i层，则当前选中的层号L改变为第一层；当Θ的角度由小于等于-45°改变 为大于-45°，则当前选中的层号L减一；当Θ的角度由小于等于-45°改变为大于-45°且上次 选中的层号L为第一层，则当前选中的层号L为第i层;其中，i表示当前虚拟键盘的层数总 和；
[0009] 步骤3:获取轻触开关按键信息:根据列号R和层号L确认当前选中的按键，如果按 键单元1的轻触开关被按下则确认执行当前选中按键的操作:如果当前选中的为英文字符 或标点符号按键则输出该字符，如果当前选中的按键为空格键则在原有输出字符的基础上 插入一个空格符，如果当前选中的按键为删除键则删除上一次输出的字符。
[0010] 所述当前虚拟键盘的层数总和i为3。
[0011] 所述主控芯片3采用STM32F103单片机。
[0012] 所述无线传输模块的无线传输采用低能耗蓝牙4.0通信协议;所述数据处理模块 为一个配备了蓝牙4.0的智能电视机顶盒;所述无线传输模块采用HM-11蓝牙模块。
[0013] 其中，所述主控芯片使用MPU6050的DMP功能取得四元数进行姿态解算的算法如 下：
[0014] 1)设MPU6050的DMP输出的四元数为q=[w X y ζ]τ;
[0015] 2)由于MPU6050取得的四元数为q30格式，也就是浮点数放大了 2的30次方倍。在换 算成姿态角之前必须先将其进行还原，即除以2的30次方倍，还原后的四元数为qQ=[W0 xo y0 ζ0]τ；
[0017] 3)设所计算的姿态角为p 其中Θ为俯仰角，为横滚角，四元数到姿态角之 间的转换公式为：
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] 1)字符的输入通过手腕的活动进行，减少了按键的数量和按动按键的次数，提高 了字母输入的效率。
[0021] 2)在动态操作条件下，由于本发明使用了MPU6050的DMP功能，因此更加稳定，精度 更尚。
[0022] 3)通过构建一种符合该交互方式的虚拟键盘布局，因此操纵更加高效，操作的疲 劳感降低。
【附图说明】
[0023]图1是本发明系统结构框图；
[0024] 图2是本发明虚拟键盘的优化布局结构示意图；
[0025] 图3是本发明手腕活动的4个自由度。
【具体实施方式】
[0026] 实施例1:如图1-3所示，一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入 系统，包括采集模块4、无线传输模块7和数据处理模块8;所述采集模块4由按键单元1、 MPU6050芯片2和主控芯片3组成，其中MPU6050芯片2为一个集成了 3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS 加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP的MPU6050芯片;所述无线传输模块7包括 一个无线模块发射器5和一个无线模块接收器6;
[0027] 所述按键单元1包括一个轻触开关，其连接至主控芯片3负责实现确认选中虚拟键 盘中按键的功能，主控芯片3通过数字I2C接口与MPU6050芯片2相连接并使用MPU6050芯片2 的DMP功能将采集的加速度信号和陀螺仪信号进行融合处理，取得四元数进行姿态角解算； 无线模块发射器5通过USART接口与主控芯片3连接，负责姿态角和按键信息的传送;无线模 块接收器6与数据处理模块8集成在一个智能电视机顶盒装置内，无线模块接收器6负责接 收姿态角和按键信息，通过无线模块接收器6发送给数据处理模块8解析姿态角和按键数 据，数据处理模块8根据获取的姿态角和按键信息用于识别和确认当前选中的为虚拟键盘 中的哪个按键；
[0028] 所述用于识别和确认当前选中的为虚拟键盘中的哪个按键的具体步骤如下：
[0029] 步骤1:获取当前选中的列号:取得姿态角中的横滚角P，则虚拟键盘当前选中的列
表示口位于（-120°/j，120°/j)范围时确定的列号；如果当前W的角度大于等于60° (即 60°<^^180°)，数据处理模块8将当前供的角度矫正为59°;如果当前供的角度小于等于-60° (即-180°S-60°)，数据处理模块8将当前P的角度矫正为-59° ; j表示当前虚拟键盘 的列数总和；
[0030] 步骤2:获取当前选中的层号:取出姿态角中的俯仰角Θ:当Θ的角度由大于等于45° 改变为小于45°，则当前选中的层号L加一；当Θ的角度由大于等于45°改变为小于45°且上次 选中的层号L为第i层，则当前选中的层号L改变为第一层；当Θ的角度由小于等于-45°改变 为大于-45°，则当前选中的层号L减一；当Θ的角度由小于等于-45°改变为大于-45°且上次 选中的层号L为第一层，则当前选中的层号L为第i层;其中，i表示当前虚拟键盘的层数总 和；
[0031] 步骤3:获取轻触开关按键信息:根据列号R和层号L确认当前选中的按键，如果按 键单元1的轻触开关被按下则确认执行当前选中按键的操作:如果当前选中的为英文字符 或标点符号按键则输出该字符，如果当前选中的按键为空格键则在原有输出字符的基础上 插入一个空格符，如果当前选中的按键为删除键则删除上一次输出的字符。
[0032] 所述主控芯片3采用STM32F103单片机。
[0033] 实施例2:如图1-3所示，一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入 系统，包括采集模块4、无线传输模块7和数据处理模块8;所述采集模块4由按键单元1、 MPU6050芯片2和主控芯片3组成，其中MPU6050芯片2为一个集成了 3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS 加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP的MPU6050芯片;所述无线传输模块7包括 一个无线模块发射器5和一个无线模块接收器6;
[0034] 所述按键单元1包括一个轻触开关，其连接至主控芯片3负责实现确认选中虚拟键 盘中按键的功能，主控芯片3通过数字I2C接口与MPU6050芯片2相连接并使用MPU6050芯片2 的DMP功能将采集的加速度信号和陀螺仪信号进行融合处理，取得四元数进行姿态角解算； 无线模块发射器5通过USART接口与主控芯片3连接，负责姿态角和按键信息的传送;无线模 块接收器6与数据处理模块8集成在一个智能电视机顶盒装置内，无线模块接收器6负责接 收姿态角和按键信息，通过无线模块接收器6发送给数据处理模块8解析姿态角和按键数 据，数据处理模块8根据获取的姿态角和按键信息用于识别和确认当前选中的为虚拟键盘 中的哪个按键；
[0035] 所述用于识别和确认当前选中的为虚拟键盘中的哪个按键的具体步骤如下：
[0036] 步骤1:获取当前选中的列号:取得姿态角中的横滚角P，则虚拟键盘当前选中的列
表示P位于(-120°/j，120°/j)范围时确定的列号；如果当前供的角度大于等于60°，数据处 理模块8将当前P的角度矫正为59° ;如果当前识的角度小于等于-60°，数据处理模块8将当 前令的角度矫正为-59° ;j表示当前虚拟键盘的列数总和；
[0037]步骤2:获取当前选中的层号:取出姿态角中的俯仰角Θ:当Θ的角度由大于等于45° 改变为小于45°，则当前选中的层号L加一；当Θ的角度由大于等于45°改变为小于45°且上次 选中的层号L为第i层，则当前选中的层号L改变为第一层；当Θ的角度由小于等于-45°改变 为大于-45°，则当前选中的层号L减一；当Θ的角度由小于等于-45°改变为大于-45°且上次 选中的层号L为第一层，则当前选中的层号L为第i层;其中，i表示当前虚拟键盘的层数总 和；
[0038] 步骤3:获取轻触开关按键信息:根据列号R和层号L确认当前选中的按键，如果按 键单元1的轻触开关被按下则确认执行当前选中按键的操作:如果当前选中的为英文字符 或标点符号按键则输出该字符，如果当前选中的按键为空格键则在原有输出字符的基础上 插入一个空格符，如果当前选中的按键为删除键则删除上一次输出的字符。
[0039] 实施例3:如图1-3所示，一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入 系统，包括采集模块4、无线传输模块7和数据处理模块8;所述采集模块4由按键单元1、 MPU6050芯片2和主控芯片3组成，其中MPU6050芯片2为一个集成了 3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS 加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP的MPU6050芯片;所述无线传输模块7包括 一个无线模块发射器5和一个无线模块接收器6;
[0040] 所述按键单元1包括一个轻触开关，其连接至主控芯片3负责实现确认选中虚拟键 盘中按键的功能，主控芯片3通过数字I2C接口与MPU6050芯片2相连接并使用MPU6050芯片2 的DMP功能将采集的加速度信号和陀螺仪信号进行融合处理，取得四元数进行姿态角解算； 无线模块发射器5通过USART接口与主控芯片3连接，负责姿态角和按键信息的传送;无线模 块接收器6与数据处理模块8集成在一个智能电视机顶盒装置内，无线模块接收器6负责接 收姿态角和按键信息，通过无线模块接收器6发送给数据处理模块8解析姿态角和按键数 据，数据处理模块8根据获取的姿态角和按键信息用于识别和确认当前选中的为虚拟键盘 中的哪个按键；
[0041 ] 所述主控芯片3采用STM32F103单片机。
[0042]如图2所示，所述当前虚拟键盘的层数总和i为3，当前虚拟键盘的列数总和j为10; 其中，虚拟键盘由26个英文字符按键、2个标点符号按键和2个功能按键构成，2个标点符号 按键分别为英文标点符号"逗号"和英文标点符号"句号"，2个功能按键分别为空格按键和 删除按键。则，所述用于识别和确认当前选中的为虚拟键盘中的哪个按键的具体步骤如下：
[0043] 步骤1:获取当前选中的列号:取得姿态角中的横滚角0，则虚拟键盘当前选中的列 号R由公式：
计算得出；其中，如果当前P的角度大于等于 60°，数据处理模块8将当前F的角度矫正为59° ;如果当前於的角度小于等于-60°，数据处理 模块8将当前0的角度矫正为-59°;当前虚拟键盘的列数总和为10;
[0044] 步骤2:获取当前选中的层号:取出姿态角中的俯仰角Θ:当Θ的角度由大于等于45° 改变为小于45°，则当前选中的层号L加一；当Θ的角度由大于等于45°改变为小于45°且上次 选中的层号L为第3层，则当前选中的层号L改变为第一层；当Θ的角度由小于等于-45°改变 为大于-45°，则当前选中的层号L减一；当Θ的角度由小于等于-45°改变为大于-45°且上次 选中的层号L为第一层，则当前选中的层号L为第3层；
[0045] 步骤3:获取轻触开关按键信息:根据列号R和层号L确认当前选中的按键，如果按 键单元1的轻触开关被按下则确认执行当前选中按键的操作:如果当前选中的为英文字符 或标点符号按键则输出该字符，如果当前选中的按键为空格键则在原有输出字符的基础上 插入一个空格符，如果当前选中的按键为删除键则删除上一次输出的字符。
[0046] 当层数为3时，到达每一层都只需要一步(即一层），距离短，效率更高。
[0047] 上面结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但是本发明并不限于上述 实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前 提下作出各种变化。
【主权项】
1. 一种基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入系统，其特征在于:包括采 集模块（4)、无线传输模块（7)和数据处理模块（8);所述采集模块（4)由按键单元（1)、 MPU6050芯片（2)和主控芯片（3)组成，其中MPU6050芯片（2)为一个集成了 3轴MEMS陀螺仪、3 轴MEMS加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP的MPU6050芯片;所述无线传输模块 (7) 包括一个无线模块发射器(5)和一个无线模块接收器(6); 所述按键单元（1)包括一个轻触开关，其连接至主控芯片(3)负责实现确认选中虚拟键 盘中按键的功能，主控芯片（3)通过数字I2C接口与MPU6050芯片（2)相连接并使用MPU6050 芯片(2)的DMP功能将采集的加速度信号和陀螺仪信号进行融合处理，取得四元数进行姿态 角解算;无线模块发射器(5)通过USART接口与主控芯片(3)连接，负责姿态角和按键信息的 传送;无线模块接收器(6)与数据处理模块(8)集成在一个智能电视机顶盒装置内，无线模 块接收器(6)负责接收姿态角和按键信息，通过无线模块接收器(6)发送给数据处理模块 (8) 解析姿态角和按键数据，数据处理模块(8)根据获取的姿态角和按键信息用于识别和确 认当前选中的为虚拟键盘中的哪个按键； 所述用于识别和确认当前选中的为虚拟键盘中的哪个按键的具体步骤如下： 步骤1:获取当前选中的列号：取得姿态角中的横滚角P，则虚拟键盘当前选中的列号Ra八- ％?为奇数时主 ^/为偶数时表 示供位于(-120°/j，120°/j)范围时确定的列号；如果当前⑦的角度大于等于60°，数据处理 模块(8)将当前梦的角度矫正为59° ;如果当前识的角度小于等于-60°，数据处理模块(8)将 当前P的角度矫正为-59° ;j表示当前虚拟键盘的列数总和； 步骤2:获取当前选中的层号:取出姿态角中的俯仰角Θ:当Θ的角度由大于等于45°改变 为小于45°，则当前选中的层号L加一；当Θ的角度由大于等于45°改变为小于45°且上次选中 的层号L为第i层，则当前选中的层号L改变为第一层；当Θ的角度由小于等于-45°改变为大 于_45°，则当前选中的层号L减一；当Θ的角度由小于等于-45°改变为大于-45°且上次选中 的层号L为第一层，则当前选中的层号L为第i层;其中，i表示当前虚拟键盘的层数总和； 步骤3:获取轻触开关按键信息：根据列号R和层号L确认当前选中的按键，如果按键单 元（1)的轻触开关被按下则确认执行当前选中按键的操作：如果当前选中的为英文字符或 标点符号按键则输出该字符，如果当前选中的按键为空格键则在原有输出字符的基础上插 入一个空格符，如果当前选中的按键为删除键则删除上一次输出的字符。2. 根据权利要求1所述的基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入系统，其 特征在于:所述当前虚拟键盘的层数总和i为3。3. 根据权利要求1或2所述的基于加速度计和陀螺仪传感器的无线英文文本输入系统， 其特征在于:所述主控芯片(3)采用STM32F103单片机。
【文档编号】H04N21/475GK106028107SQ201610442902
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】王 锋, 文宽
【申请人】昆明理工大学