基于互補濾波算法的體感鼠標研究與實現

景傳奇+張鳳登

摘要：建立體感鼠標的空間坐標系模型，利用STM32微處理器采集六軸微慣性傳感器MPU6050和地磁計HMC5883L數據，進行數據融合和互補濾波，實時檢測人體手指的姿態變化。將數據無線傳輸到電腦接收端對應鼠標光標的位移變化，實現了人只需要輕輕揮動手指就可控制鼠標光標的移動、單雙擊和滾輪等操作。設計了鋰電池充放電電路，增加了鼠標續航時間。

關鍵詞：體感；姿態解算；互補濾波；MPU6050；HMC5883L；STM32

DOIDOI：10.11907/rjdk.171883

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：1672-7800（2018）001-0116-06

Abstract：Based on the establishment of the spatial coordinate system model of human arm， this design uses STM32 microprocessor to collect the data of six axis micro inertial sensor MPU6050 and magnetometer HMC5883L， then uses data fusion and complementary filtering algorithm to detect the posture change of human finger. Finally， the mouse sends data to a receiver through the wireless network， and corresponds to the displacement of the mouse cursor. this kind of mouse realize that people only need to gently waving fingers to control the movement of the mouse cursor， double click and scroll operation， and uses for a long time with the lithium battery charging and discharging circuit design.

Key Words：Somatosensory； attitude solution； complementary filter； MPU6050； HMC5883L； STM32

0引言

人們通常使用的是PS/2接口或USB通過接口的有線光電鼠標，這種鼠標底部光電傳感器檢測鼠標在平面上的位移變化，但受到鼠標線的限制，使用空間范圍有限。隨著無線電子技術的發展，基于2.4Ghz的射頻或藍牙通訊的無線鼠標使用越來越多。這些無線鼠標雖然擺脫了有線的束縛，但大多數還是屬于光電式的，在使用過程中需要平坦不透明的平面，使用體驗并不是很理想。本文設計了基于人體姿態實時檢測的體感鼠標，利用手指的移動控制鼠標光標移動，更加方便和智能。

1體感鼠標模型

實現手指姿態角度的變化對應電腦鼠標光標的位移變化，建立合適的姿態坐標系模型很重要。圖1為人的手臂結構圖形，為便于理論分析，以手肘關節為原點，構建空間直角坐標系，其中上臂作為Z軸，下臂作為Y軸，垂直紙面的方向作為X軸。

通過手臂控制體感鼠標，在豎直平面內的水平方向-60°～+60°和豎直方向-70°～+70°范圍內，對應電腦屏幕（如分辨率1 920*1 080）光標的移動。

1.1坐標系與姿態角

在姿態檢測和慣性導航領域，檢測物體的位移或姿態需要先建立相應的坐標系，通常以慣性坐標系作為基準坐標系，此外還有地球坐標系、載體坐標系和地理坐標系，其它坐標系可由慣性坐標系變換而來，下面介紹常用坐標系[2]及其方向定義。

（1）慣性坐標系（i-OiXiYiZi）。慣性坐標系以地心作為坐標原點，Zi軸指向地球北極方向，Xi與Yi軸在赤道平面成90°角，Zi與Xi、Yi構成右手坐標系，簡稱i系，通常作為參考坐標系使用。

（2）載體坐標系（b-ObXbYbZb）。載體坐標系指固定在一個載體上隨載體位置和方向變化的坐標系，坐標系原點Ob一般取載體的質心，Xb與Yb在載體所確定平面，Xb指向載體右側，Yb沿載體縱軸方向指向，Zb垂直于Xb與Yb所確定平面豎直向上，簡稱b系，如圖4所示。

（3）地理坐標系（n-OnXnYnZn）。地理坐標系指原點On位于載體所在的地球表面，其中一軸為與地理垂線重合的右手直角坐標系，簡稱n系。

姿態檢測領域通常涉及b系與n系之間數據的相互轉換，這個過程需要使用兩個坐標系之間的軸夾角進行計算，將b系與n系之間的夾角進行如下描述和定義，方便后續研究使用：

俯仰角θ：載體坐標系繞地理坐標系旋轉，OnXn軸旋轉所得角度（向上轉動為正），以ObZb與ObZb軸重合處為起點，取值范圍：-90°～90°。

橫滾角γ：載體坐標系繞地理坐標系旋轉，OnYn軸旋轉所得角度（向上轉動為正），以ObXb與ObXb軸重合處為起點，取值范圍：-180°～180°。

航向角ψ：載體坐標系繞地理坐標系旋轉，OnZn軸旋轉所得角度（順時針轉為正），以ObYb與ObYb軸重合處為起點，取值范圍：0°～360°。

以上姿態角描述了從地理坐標系開始，沿OnZn、OnXn、OnYn順序進行轉動，經過3次轉動可得到載體坐標系ObXbYbZb，旋轉角度分別為ψ、θ、γ，如圖5所示。

2.3系統軟件設計

系統上電后，首先進行設備和傳感器初始化，檢測人體姿態數據和按鍵操作，經過內部姿態解算，對電腦接收端發送不同的指令信號，實現對電腦鼠標光標和滾輪的控制。發射端軟件流程如圖10所示。

電腦無線接收端接受鼠標光標移動指令和按鍵操作指令后，通過USB協議控制鼠標相應動作，接收端軟件流程如圖11所示。

3結語

本文研究了姿態解算的四元數和更新算法，設計了基于STM32嵌入式系統的體感鼠標，利用NRF24L01實現體感鼠標和電腦接收端之間數據的通訊。32字節的報文可以支持USB鍵盤智能化設備的開發。優化了鼠標光標定位算法，使體感鼠標在運動過程中光標移動更加平穩，提高了分辨率。開發電腦端的應用程序，識別人手指在空中畫出的字母，通過API調用計算機上的應用軟件（如畫Q打開QQ，畫e打開瀏覽器等），提高了用戶的使用體驗。

參考文獻：

[1]魯海波.基于三軸向加速度計的電子教鞭系統設計[D].蘇州：蘇州大學，2014.

[2]丁君.基于微慣性傳感器的姿態算法研究[D].上海：上海交通大學，2013.

[3]秦永元.慣性導航[M].北京：科學出版社，2006：12-70.

[4]程慶.微型組合導航計算機系統硬件平臺設計與實現[D].南京：南京航空航天大學，2014.

[5]李哲.基于微慣性傳感器的豬只姿態檢測[D].太原：太原理工大學，2015.

[6]高洪濤.基于微慣性組合的旋翼飛行器姿態檢測及控制算法研究[D].成都：電子科技大學，2016.

[7]張金橋.基于人體姿態的跌倒檢測算法研究與應用[D].大連：大連海事大學，2016.

[8]王窕麗，孫玉國.基于MEMS傳感器的姿態檢測系統[J].電子科技，2015（10）：86-89.

（責任編輯：杜能鋼）endprint