信息工程專業“穿戴式鼠標”課程設計分析

晉佳月 崔紅玉 張璐瑤 李剛 王猛

摘要：在信息工程領域，越來越多的場景需要遠程使用鼠標，例如多媒體教學、集體會議、游戲、工程應用控制、移動信號等。鼠標作為重要的人機交互設備，而傳統光學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“穿戴式鼠標”課程設計展開探討。

關鍵詞：信息工程;遠程;穿戴式鼠標;無線發射

引言

隨著《國家創新驅動發展戰略綱要》和《國家教育事業發展“十三五”規劃》的全面落實，創新被提到了相當高的位置上。專業方向課程設計對創新實訓起著重要的作用，其對實操環節的重要性愈加突出。

1可穿戴式無線空中鼠標系統原理與總體方案設計

可穿戴式無線空中鼠標的由兩個設備組成：主控制無線發射設備和無線USB接受設備。主控制無線發射設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據，經過補償濾波算法之后，通過NRF24L01通訊芯片將數據發送出去。無線USB接受設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接受設備捕獲主控制無線發射設備發送的數據，再按照協議進行編碼，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硬件設計

2.1設計原理

本文列舉了穿戴式鼠標設計，其框架如圖1所示。穿戴式鼠標分為發射器和接收器兩部分。發射器主要有手指手掌動作采集模塊、處理器模塊、無線發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，經處理器模塊處理后以無線方式發送給接收器。接收器收到發射器的信息，經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，實現對計算機操作的控制。

2.2硬件支持

為了實現所提出的系統的所有功能，需要另外兩種可穿戴硬件設備，其中可穿戴顯示設備（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系統的VR眼鏡。選擇此硬件設備的原因是因為它基于Android系統，在這個平臺上安裝虛擬鼠標的應用程序比較方便。選擇的另一個硬件設備是觸摸鍵盤，此鍵盤只有一個鍵，用于用戶的遠程控制。該系統的整個過程為：在VR眼鏡上安裝交互系統，觸摸板作為用戶輸入設備，與VR眼鏡相連。當用戶需要與系統進行交互時，按壓觸摸板，即可獲得系統的反饋。輸出設備可以是多樣的，例如由軟件系統控制的揚聲器可以連接到虛擬現實眼鏡，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的輸出設備，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，更在內部嵌入了數字運動處理器DMP。數字運動處理器可以通過融合算法解出傳感器的姿態和四元數，因此使用者不需要額外進行數字運算。由數字運動處理器實現融合算法后，單片機便釋放了大量的運算資源。單片機只需要設置好外部中斷等待數字運動處理器傳送數據即可，這些數據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軟件設計

系統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）、手臂運動狀態檢測等幾部分組成，其中發射端和接收端的流程圖如圖1所示。發射端通過讀取MPU6050數據和檢測Flex-4.5信號獲取手指和手腕的姿態和運動，轉換成為坐標和標志量后發送給接收器。手臂運動狀態用于排除無意義操作。接收器初始化后實時接收2.4G頻道數據，并轉換成為鼠標和鍵盤的控制指令，發送給上位機計算機。系統還結合3根手指的彎曲狀態組合，對操作手勢判別后實現鼠標滾輪、切換任務窗口（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。

結語

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

參考文獻：

[1]滕飛.基于STM32F103的空中鼠標設計與論述[J].科技創新與應用，2015.

[2]陳莉.三軸陀螺儀的空中鼠標定位算法研究[J].信息與電腦（理論版），2015.

河南科技大學 471023