一種基於mems加速度計的三維無線輸入裝置的製作方法
2023-11-11 21:49:22 1
專利名稱：一種基於mems加速度計的三維無線輸入裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種三維無線輸入裝置，具體說，是涉及一種基於MEMS加速度計的三維無線輸入裝置。
背景技術：
人在正常進行人機互動的過程中，對計算機的系統狀態和運行過程中的理解，都是通過人機界面來實現的。目前市面上的電腦輸入設備有:鍵盤、滑鼠、觸控板、指點杆、軌跡球和觸控螢幕等。鍵盤輸入是用戶進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 採用I / 2in見方的按鍵，按鍵之間的空間為I / 4in。鍵面稍微下凹，採用磨沙面，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市場，滑鼠是現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備。與滑鼠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備；觸控螢幕是一種直接在屏幕上進行操作的輸入模式；指點杆是另一種流行於筆記本電腦的輸入設備，是IBM公司專為ThinkPad研發的指取用戶輸入模式；軌跡球的工作原理和滑鼠相似，是一個倒置的滑鼠。其球體旋轉的運動量被轉換成XY方向的位移，來控制屏幕上的光標移動。綜上所述，現有的無線輸入裝置都是通過按鈕的方式來控制設備的輸入和響應，存在反應時間慢、靈敏度不高及局限於光滑平整的操作表面等缺陷問題。
發明內容
針對現有技術存在的上述問題，本發明的目的是提供一種基於MEMS加速度計的三維無線輸入裝置，以MEMS替換機械控制部件，實現採用旋轉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展其使用範圍，使其能夠在任意空間隨意操作。為實現上述目的，本發明採用的技術方案如下:一種基於MEMS加速度計的三維無線輸入裝置，包括一個二維輸入系統和一個三維加速度計運動模型；所述的二維輸入系統包括遠端子系統和主機端子系統，所述的遠端子系統包括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採集、處理和無線傳輸，所述的主機端子系統包括無線收發模塊、主控制器和USB接口，以實現無線射頻的接收和輸入信號的通訊協議編碼處理，並通過USB接口與主機進行連接；所述的三維加速度計運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端子系統中的MEMS加速度傳感器相連接。作為一種優選方案，所述的雙軸加速度計設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置在立方體載體的側面上，其敏感軸指向重力加速度的方向。作為進一步優選方案，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。作為一種優選方案，所述的無線射頻傳輸模塊採用跳頻方式擴展頻譜。作為一種優選方案，所述的無線收發模塊採用GFSK調製模式提供傳輸速率。作為一種優選方案，所述的無線收發模塊為nRF2401晶片。作為一種優選方案，所述的微控制器包括徑向基函數(Radial basisfunction, RBF)神經網絡、EMD分解模塊、小波包分解模塊和S-G(Savitzky-Golay)平滑濾波器。作為進一步優選方案，所述的微控制器進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加速度傳感器採集到的加速度信號並傳輸給RBF神經網絡；b)將經RBF神經網絡預測分析後的加速度信號傳輸給EMD分解模塊；c)將經EMD分解模塊分解後的加速度信號傳輸給小波包分解模塊；d)將經小波包分解模塊再分解後的加速度信號傳輸給S-G平滑濾波器；e)將經S-G平滑濾波器進行濾波去噪後的加速度信號傳輸給無線射頻傳輸模塊。
與現有技術相比，本發明提供的基於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動數據，併集成無線射頻、嵌入式和ARM技術及USB通訊等技術，通過設計一個包括遠端子系統和主機端子系統的二維輸入系統及利用加速度計各輸出軸之間的位置耦合關係建立的一個三維加速度計運動模型，實現了三維環境下的實時旋轉運動跟蹤，從而實現了採用旋轉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後、左右轉動，來控制屏幕上光標的上下、左右移動；這種工作模式既區別於一般滑鼠的平動模式，又增加了輸入裝置的靈敏度，同時還擴展了其使用範圍，使其不再局限於光滑平整的操作表面，而能夠在空間隨意操作，具有極強的實用價值和廣闊的應用前景。
圖1是實施例中所述的二維輸入系統的結構示意圖；圖2是實施例中所述的三維加速度計運動模型的結構示意圖。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合附圖和具體實施例對本發明的技術方案做進一步詳細闡述:本發明提供的一種基於MEMS加速度計的三維無線輸入裝置，包括一個二維輸入系統(如圖1所示)和一個三維加速度計運動模型(如圖2所示)，所述的二維輸入系統包括遠端子系統和主機端子系統，所述的遠端子系統包括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採集、處理和無線傳輸，所述的主機端子系統包括無線收發模塊、主控制器和USB接口，以實現無線射頻的接收和輸入信號的通訊協議編碼處理，並通過USB接口與主機進行連接；所述的三維加速度計運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均與遠端子系統中的MEMS加速度傳感器相連接。作為一種優選方案，所述的雙軸加速度計設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置在立方體載體的側面上，其敏感軸Ac3指向重力加速度的方向；由此可得到三維MEMS加速度計模型的運動方程組:
權利要求
1.一種基於MEMS加速度計的三維無線輸入裝置，其特徵在於:包括一個二維輸入系統和一個三維加速度計運動模型；所述的二維輸入系統包括遠端子系統和主機端子系統，所述的遠端子系統包括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採集、處理和無線傳輸，所述的主機端子系統包括無線收發模塊、主控制器和USB接口，以實現無線射頻的接收和輸入信號的通訊協議編碼處理，並通過USB接口與主機進行連接；所述的三維加速度計運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端子系統中的MEMS加速度傳感器相連接。
2.如權利要求1所述的三維無線輸入裝置，其特徵在於:所述的雙軸加速度計設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置在立方體載體的側面上，其敏感軸指向重力加速度的方向。
3.如權利要求2所述的三維無線輸入裝置，其特徵在於: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.如權利要求 1所述的三維無線輸入裝置，其特徵在於:所述的無線射頻傳輸模塊採用跳頻方式擴展頻譜。
5.如權利要求1所述的三維無線輸入裝置，其特徵在於:所述的無線收發模塊採用GFSK調製模式提供傳輸速率。
6.如權利要求5所述的三維無線輸入裝置，其特徵在於:所述的無線收發模塊為nRF2401 晶片。
7.如權利要求1所述的三維無線輸入裝置，其特徵在於:所述的微控制器包括徑向基函數(RBF)神經網絡、EMD分解模塊、小波包分解模塊和S-G平滑濾波器。
8.如權利要求7所述的三維無線輸入裝置，其特徵在於，所述的微控制器進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加速度傳感器採集到的加速度信號並傳輸給RBF神經網絡； b)將經RBF神經網絡預測分析後的加速度信號傳輸給EMD分解模塊； c)將經EMD分解模塊分解後的加速度信號傳輸給小波包分解模塊； d)將經小波包分解模塊再分解後的加速度信號傳輸給S-G平滑濾波器； e)將經S-G平滑濾波器進行濾波去噪後的加速度信號傳輸給無線射頻傳輸模塊。
全文摘要
本發明公開了一種基於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和一個三維加速度計運動模型；所述的二維輸入系統包括遠端子系統和主機端子系統，所述的三維加速度計運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。本發明可實現採用旋轉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後、左右轉動，來控制屏幕上光標的上下、左右移動；這種工作模式既區別於一般滑鼠的平動模式，又增加了輸入裝置的靈敏度，同時還擴展了其使用範圍，使其不再局限於光滑平整的操作表面，而能夠在空間隨意操作，具有極強的實用價值和廣闊的應用前景。
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 優先權日2013年5月9日
發明者錢莉 申請人:上海工程技術大學