晉佳月 崔紅玉 張璐瑤 李剛 王猛

摘要：在信息工程領(lǐng)域，越來越多的場景需要遠程使用鼠標，例如多媒體教學(xué)、集體會議、游戲、工程應(yīng)用控制、移動信號等。鼠標作為重要的人機交互設(shè)備，而傳統(tǒng)光學(xué)鼠標受限于二維平面，限制了用戶的使用范圍。本文就信息工程專業(yè)“穿戴式鼠標”課程設(shè)計展開探討。

關(guān)鍵詞：信息工程;遠程;穿戴式鼠標;無線發(fā)射

引言

隨著《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》和《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的全面落實，創(chuàng)新被提到了相當高的位置上。專業(yè)方向課程設(shè)計對創(chuàng)新實訓(xùn)起著重要的作用，其對實操環(huán)節(jié)的重要性愈加突出。

1可穿戴式無線空中鼠標系統(tǒng)原理與總體方案設(shè)計

可穿戴式無線空中鼠標的由兩個設(shè)備組成：主控制無線發(fā)射設(shè)備和無線USB接受設(shè)備。主控制無線發(fā)射設(shè)備主要由四個模塊組成，分別是電源管理模塊、STM32核心控制模塊、NRF24L01無線通信模塊和MPU6050傳感器模塊。首先MPU6050六軸傳感器不斷接受用戶的手勢信息，由STM32微控制處理器利用中斷查詢的方式接受六軸傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過補償濾波算法之后，通過NRF24L01通訊芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。無線USB接受設(shè)備主要由兩個模塊組成，STM32控制模塊與NRF24L01無線通信模塊。無線USB接受設(shè)備捕獲主控制無線發(fā)射設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，再按照協(xié)議進行編碼，通過USB接口完成和電腦的交互通信。此時完成用戶控制電腦指針的全部過程。

2硬件設(shè)計

2.1設(shè)計原理

本文列舉了穿戴式鼠標設(shè)計，其框架如圖1所示。穿戴式鼠標分為發(fā)射器和接收器兩部分。發(fā)射器主要有手指手掌動作采集模塊、處理器模塊、無線發(fā)射模塊和電源模塊組成;接收器主要有射頻接收模塊、處理器模塊和USB接口電路。發(fā)射器以手套和表帶的方式戴在人的手腕上，傳感器實時采集手指和手腕的動作，經(jīng)處理器模塊處理后以無線方式發(fā)送給接收器。接收器收到發(fā)射器的信息，經(jīng)處理器解析為光標位移和按鍵信息，編碼后由USB接口傳至計算機，實現(xiàn)對計算機操作的控制。

2.2硬件支持

為了實現(xiàn)所提出的系統(tǒng)的所有功能，需要另外兩種可穿戴硬件設(shè)備，其中可穿戴顯示設(shè)備（VR眼鏡）用于顯示，觸摸板用于用戶輸入。為了提供一個更真實的可視化虛擬世界，使用的是基于Android系統(tǒng)的VR眼鏡。選擇此硬件設(shè)備的原因是因為它基于Android系統(tǒng)，在這個平臺上安裝虛擬鼠標的應(yīng)用程序比較方便。選擇的另一個硬件設(shè)備是觸摸鍵盤，此鍵盤只有一個鍵，用于用戶的遠程控制。該系統(tǒng)的整個過程為：在VR眼鏡上安裝交互系統(tǒng)，觸摸板作為用戶輸入設(shè)備，與VR眼鏡相連。當用戶需要與系統(tǒng)進行交互時，按壓觸摸板，即可獲得系統(tǒng)的反饋。輸出設(shè)備可以是多樣的，例如由軟件系統(tǒng)控制的揚聲器可以連接到虛擬現(xiàn)實眼鏡，以便每當病人作出選擇時，護工可以被及時通知到。顯示器同樣可以作為此系統(tǒng)的輸出設(shè)備，可將使用者的所有選擇輸出到屏幕上方便使用者及其家屬護工實時掌握。硬件的選擇是以改善和方便殘疾人和外部世界的溝通為目的。

2.3MPU6050傳感器模塊

系統(tǒng)的慣性測量單元采用MPU6050六軸傳感器作為手勢運動的信息采集元件。MPU6050六軸傳感器中既有陀螺儀與加速度傳感器，更在內(nèi)部嵌入了數(shù)字運動處理器DMP。數(shù)字運動處理器可以通過融合算法解出傳感器的姿態(tài)和四元數(shù)，因此使用者不需要額外進行數(shù)字運算。由數(shù)字運動處理器實現(xiàn)融合算法后，單片機便釋放了大量的運算資源。單片機只需要設(shè)置好外部中斷等待數(shù)字運動處理器傳送數(shù)據(jù)即可，這些數(shù)據(jù)即是用戶的手勢運動初始的信息。這樣以來，單片機有更多的資源與更多的時間來完成補償濾波算法濾波以及其他控制邏輯。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要有鼠標移動、點擊、手勢（滾輪滑動、切換窗口、顯示桌面）、手臂運動狀態(tài)檢測等幾部分組成，其中發(fā)射端和接收端的流程圖如圖1所示。發(fā)射端通過讀取MPU6050數(shù)據(jù)和檢測Flex-4.5信號獲取手指和手腕的姿態(tài)和運動，轉(zhuǎn)換成為坐標和標志量后發(fā)送給接收器。手臂運動狀態(tài)用于排除無意義操作。接收器初始化后實時接收2.4G頻道數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成為鼠標和鍵盤的控制指令，發(fā)送給上位機計算機。系統(tǒng)還結(jié)合3根手指的彎曲狀態(tài)組合，對操作手勢判別后實現(xiàn)鼠標滾輪、切換任務(wù)窗口（Win+Tab）、顯示桌面（Win+D）這3項普通鼠標沒有的快捷功能。滾輪滑動的手勢識別流程圖如圖2所示。

結(jié)語

隨著微機電系統(tǒng)的快速發(fā)展，陀螺儀與加速度傳感器的出現(xiàn)促使產(chǎn)生了新一代的空中鼠標。本文提出的可穿戴式空中鼠標設(shè)計方案是有效的，而且具有較高的平滑性和穩(wěn)定性。

參考文獻：

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河南科技大學(xué) 471023