專利名稱：一種基于mems加速度計的三維無線輸入裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維無線輸入裝置，具體說，是涉及一種基于MEMS加速度計的三維無線輸入裝置。
背景技術(shù)：
人在正常進(jìn)行人機(jī)交互的過程中，對計算機(jī)的系統(tǒng)狀態(tài)和運(yùn)行過程中的理解，都是通過人機(jī)界面來實現(xiàn)的。目前市面上的電腦輸入設(shè)備有:鍵盤、鼠標(biāo)、觸控板、指點桿、軌跡球和觸摸屏等。鍵盤輸入是用戶進(jìn)行字符敲擊輸入的主要輸入模式，市面上最常見的鍵盤是QWERT鍵盤，一般 采用I / 2in見方的按鍵，按鍵之間的空間為I / 4in。鍵面稍微下凹，采用磨沙面，減少了按鍵的光反射和手指打滑，讓指尖和按鍵有良好的接觸；無論是在筆記本電腦還是在臺式機(jī)市場，鼠標(biāo)是現(xiàn)今除鍵盤外最為流行的以點擊和移動為主要輸入模式的輸入設(shè)備。與鼠標(biāo)點擊和移動的輸入模式不同，觸控板(Touch Pad或Track Pad)是以手觸及移動為主要輸入模式的輸入設(shè)備；觸摸屏是一種直接在屏幕上進(jìn)行操作的輸入模式；指點桿是另一種流行于筆記本電腦的輸入設(shè)備，是IBM公司專為ThinkPad研發(fā)的指取用戶輸入模式；軌跡球的工作原理和鼠標(biāo)相似，是一個倒置的鼠標(biāo)。其球體旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動量被轉(zhuǎn)換成XY方向的位移，來控制屏幕上的光標(biāo)移動。綜上所述，現(xiàn)有的無線輸入裝置都是通過按鈕的方式來控制設(shè)備的輸入和響應(yīng)，存在反應(yīng)時間慢、靈敏度不高及局限于光滑平整的操作表面等缺陷問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS加速度計的三維無線輸入裝置，以MEMS替換機(jī)械控制部件，實現(xiàn)采用旋轉(zhuǎn)加速度計的工作模式來操縱二維裝置的二維平動，以增加輸入裝置的靈敏度和擴(kuò)展其使用范圍，使其能夠在任意空間隨意操作。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種基于MEMS加速度計的三維無線輸入裝置，包括一個二維輸入系統(tǒng)和一個三維加速度計運(yùn)動模型；所述的二維輸入系統(tǒng)包括遠(yuǎn)端子系統(tǒng)和主機(jī)端子系統(tǒng)，所述的遠(yuǎn)端子系統(tǒng)包括MEMS加速度傳感器、微控制器和無線射頻傳輸模塊，以完成加速度信號的采集、處理和無線傳輸，所述的主機(jī)端子系統(tǒng)包括無線收發(fā)模塊、主控制器和USB接口，以實現(xiàn)無線射頻的接收和輸入信號的通訊協(xié)議編碼處理，并通過USB接口與主機(jī)進(jìn)行連接；所述的三維加速度計運(yùn)動模型包括一個立方體載體及一個雙軸加速度計和一個單軸加速度計，所述的雙軸加速度計和單軸加速度計分別設(shè)置在立方體載體的兩個相互正交的平面上，且所述的雙軸加速度計和單軸加速度計均與遠(yuǎn)端子系統(tǒng)中的MEMS加速度傳感器相連接。作為一種優(yōu)選方案，所述的雙軸加速度計設(shè)置在立方體載體的頂面上，其兩個敏感軸分別指向水平方向的X軸和Y軸；所述的單軸加速度計設(shè)置在立方體載體的側(cè)面上，其敏感軸指向重力加速度的方向。作為進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述的雙軸加速度計為ADXL203型雙軸加速度計，所述的單軸加速度計為ADXL103型單軸加速度計。作為一種優(yōu)選方案，所述的無線射頻傳輸模塊采用跳頻方式擴(kuò)展頻譜。作為一種優(yōu)選方案，所述的無線收發(fā)模塊采用GFSK調(diào)制模式提供傳輸速率。作為一種優(yōu)選方案，所述的無線收發(fā)模塊為nRF2401芯片。作為一種優(yōu)選方案，所述的微控制器包括徑向基函數(shù)(Radial basisfunction, RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、EMD分解模塊、小波包分解模塊和S-G(Savitzky-Golay)平滑濾波器。作為進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述的微控制器進(jìn)行加速度信號的處理過程包括如下步驟:a)通過I/O接口獲取MEMS加速度傳感器采集到的加速度信號并傳輸給RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；b)將經(jīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測分析后的加速度信號傳輸給EMD分解模塊；c)將經(jīng)EMD分解模塊分解后的加速度信號傳輸給小波包分解模塊；d)將經(jīng)小波包分解模塊再分解后的加速度信號傳輸給S-G平滑濾波器；e)將經(jīng)S-G平滑濾波器進(jìn)行濾波去噪后的加速度信號傳輸給無線射頻傳輸模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于MEMS加速度計的三維無線輸入裝置，利用MEMS加速度傳感器來敏感運(yùn)動數(shù)據(jù)，并集成無線射頻、嵌入式和ARM技術(shù)及USB通訊等技術(shù)，通過設(shè)計一個包括遠(yuǎn)端子系統(tǒng)和主機(jī)端子系統(tǒng)的二維輸入系統(tǒng)及利用加速度計各輸出軸之間的位置耦合關(guān)系建立的一個三維加速度計運(yùn)動模型，實現(xiàn)了三維環(huán)境下的實時旋轉(zhuǎn)運(yùn)動跟蹤，從而實現(xiàn)了采用旋轉(zhuǎn)加速度計的工作模式來操縱二維裝置的二維平動，即:通過一個雙軸加速度計的前后、左右轉(zhuǎn)動，來控制屏幕上光標(biāo)的上下、左右移動；這種工作模式既區(qū)別于一般鼠標(biāo)的平動模式，又增加了輸入裝置的靈敏度，同時還擴(kuò)展了其使用范圍，使其不再局限于光滑平整的操作表面，而能夠在空間隨意操作，具有極強(qiáng)的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是實施例中所述的二維輸入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實施例中所述的三維加速度計運(yùn)動模型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1、立方體載體；2、雙軸加速度計；3、單軸加速度計。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)闡述:本發(fā)明提供的一種基于MEMS加速度計的三維無線輸入裝置，包括一個二維輸入系統(tǒng)(如圖1所示)和一個三維加速度計運(yùn)動模型(如圖2所示)，所述的二維輸入系統(tǒng)包括遠(yuǎn)端子系統(tǒng)和主機(jī)端子系統(tǒng)，所述的遠(yuǎn)端子系統(tǒng)包括MEMS加速度傳感器、微控制器和無線射頻傳輸模塊，以完成加速度信號的采集、處理和無線傳輸，所述的主機(jī)端子系統(tǒng)包括無線收發(fā)模塊、主控制器和USB接口，以實現(xiàn)無線射頻的接收和輸入信號的通訊協(xié)議編碼處理，并通過USB接口與主機(jī)進(jìn)行連接；所述的三維加速度計運(yùn)動模型包括一個立方體載體I及一個雙軸加速度計2和一個單軸加速度計3，所述的雙軸加速度計2和單軸加速度計3分別設(shè)置在立方體載體I的兩個相互正交的平面上，且所述的雙軸加速度計2和單軸加速度計3均與遠(yuǎn)端子系統(tǒng)中的MEMS加速度傳感器相連接。作為一種優(yōu)選方案，所述的雙軸加速度計設(shè)置在立方體載體的頂面上，其兩個敏感軸Acl和Ac2分別指向水平方向的X軸和Y軸；所述的單軸加速度計設(shè)置在立方體載體的側(cè)面上，其敏感軸Ac3指向重力加速度的方向；由此可得到三維MEMS加速度計模型的運(yùn)動方程組:
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS加速度計的三維無線輸入裝置，其特征在于:包括一個二維輸入系統(tǒng)和一個三維加速度計運(yùn)動模型；所述的二維輸入系統(tǒng)包括遠(yuǎn)端子系統(tǒng)和主機(jī)端子系統(tǒng)，所述的遠(yuǎn)端子系統(tǒng)包括MEMS加速度傳感器、微控制器和無線射頻傳輸模塊，以完成加速度信號的采集、處理和無線傳輸，所述的主機(jī)端子系統(tǒng)包括無線收發(fā)模塊、主控制器和USB接口，以實現(xiàn)無線射頻的接收和輸入信號的通訊協(xié)議編碼處理，并通過USB接口與主機(jī)進(jìn)行連接；所述的三維加速度計運(yùn)動模型包括一個立方體載體及一個雙軸加速度計和一個單軸加速度計，所述的雙軸加速度計和單軸加速度計分別設(shè)置在立方體載體的兩個相互正交的平面上，且所述的雙軸加速度計和單軸加速度計均與遠(yuǎn)端子系統(tǒng)中的MEMS加速度傳感器相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的三維無線輸入裝置，其特征在于:所述的雙軸加速度計設(shè)置在立方體載體的頂面上，其兩個敏感軸分別指向水平方向的X軸和Y軸；所述的單軸加速度計設(shè)置在立方體載體的側(cè)面上，其敏感軸指向重力加速度的方向。
3.如權(quán)利要求2所述的三維無線輸入裝置，其特征在于:所述的雙軸加速度計為ADXL203型雙軸加速度計，所述的單軸加速度計為ADXL103型單軸加速度計。
4.如權(quán)利要求 1所述的三維無線輸入裝置，其特征在于:所述的無線射頻傳輸模塊采用跳頻方式擴(kuò)展頻譜。
5.如權(quán)利要求1所述的三維無線輸入裝置，其特征在于:所述的無線收發(fā)模塊采用GFSK調(diào)制模式提供傳輸速率。
6.如權(quán)利要求5所述的三維無線輸入裝置，其特征在于:所述的無線收發(fā)模塊為nRF2401 芯片。
7.如權(quán)利要求1所述的三維無線輸入裝置，其特征在于:所述的微控制器包括徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、EMD分解模塊、小波包分解模塊和S-G平滑濾波器。
8.如權(quán)利要求7所述的三維無線輸入裝置，其特征在于，所述的微控制器進(jìn)行加速度信號的處理過程包括如下步驟: a)通過I/O接口獲取MEMS加速度傳感器采集到的加速度信號并傳輸給RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； b)將經(jīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測分析后的加速度信號傳輸給EMD分解模塊； c)將經(jīng)EMD分解模塊分解后的加速度信號傳輸給小波包分解模塊； d)將經(jīng)小波包分解模塊再分解后的加速度信號傳輸給S-G平滑濾波器； e)將經(jīng)S-G平滑濾波器進(jìn)行濾波去噪后的加速度信號傳輸給無線射頻傳輸模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于MEMS加速度計的三維無線輸入裝置，其包括一個二維輸入系統(tǒng)和一個三維加速度計運(yùn)動模型；所述的二維輸入系統(tǒng)包括遠(yuǎn)端子系統(tǒng)和主機(jī)端子系統(tǒng)，所述的三維加速度計運(yùn)動模型包括一個立方體載體及一個雙軸加速度計和一個單軸加速度計。本發(fā)明可實現(xiàn)采用旋轉(zhuǎn)加速度計的工作模式來操縱二維裝置的二維平動，即通過一個雙軸加速度計的前后、左右轉(zhuǎn)動，來控制屏幕上光標(biāo)的上下、左右移動；這種工作模式既區(qū)別于一般鼠標(biāo)的平動模式，又增加了輸入裝置的靈敏度，同時還擴(kuò)展了其使用范圍，使其不再局限于光滑平整的操作表面，而能夠在空間隨意操作，具有極強(qiáng)的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G06F3/03GK103235649SQ20131017051
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月9日
發(fā)明者錢莉 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué)