基于MPU6050的空中鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)答辯

碩士學(xué)位論文答辯基于MPU6050的空中鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄課題背景國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本課題主要工作測試結(jié)果及分析總結(jié)與展望目錄課題背景國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本課題主要工作測試結(jié)果及分析總結(jié)與展望課題背景一方面，作為智能家居控制一部分的無線遙控功能正朝著越來越集中、便捷控制的方向發(fā)展。另一方面，電視機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)的正在越來越緊密的結(jié)合在一起。用戶慢慢將家庭娛樂中心集中到了客廳，更希望舒服的躺在沙發(fā)上就能夠操縱家里的一切。這樣傳統(tǒng)的鼠標(biāo)由于需要支撐平面越來越不能滿足用戶的需求。將鼠標(biāo)的功能納入到傳統(tǒng)的遙控器，實(shí)現(xiàn)便捷控制室內(nèi)家電、燈光等及自由無阻礙網(wǎng)上沖浪功能的“空中鼠標(biāo)”，越來越成為新的發(fā)展趨勢。目錄課題背景國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本課題主要工作測試結(jié)果及分析總結(jié)與展望國內(nèi)外研究現(xiàn)狀實(shí)現(xiàn)空中鼠標(biāo)的幾種方法基于圖像識(shí)別技術(shù)：用戶手中的空鼠安裝紅外光源，在移動(dòng)的時(shí)候，攝像頭拍下圖片，將圖片實(shí)時(shí)傳遞給圖像處理芯片，圖像處理芯片通過紅外光源的發(fā)光圖像來計(jì)算位置信息國內(nèi)外研究現(xiàn)狀實(shí)現(xiàn)空中鼠標(biāo)的幾種方法基于MEMS加速度計(jì)：以重力加速度對(duì)兩個(gè)傾斜軸的影響作為鼠標(biāo)移動(dòng)的判斷。基于MEMS陀螺儀：以相對(duì)角位移信號(hào)作為鼠標(biāo)指針X軸方向和Y軸方向上的位移信息。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以上幾種方法存在的缺點(diǎn)和局限基于圖像識(shí)別技術(shù)：設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用戶使用不方便，成本較大，功耗較大。基于MEMS加速度計(jì)：定位不夠準(zhǔn)確。利用數(shù)值積分的方法對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分，又進(jìn)一步引入誤差。基于MEMS陀螺儀：陀螺儀存在固有的零點(diǎn)漂移，使得鼠標(biāo)的輸出存在累積誤差，定位不準(zhǔn)確。目錄課題背景國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本課題主要工作測試結(jié)果及分析總結(jié)與展望本課題主要工作空中鼠標(biāo)傳感器數(shù)據(jù)處理的算法設(shè)計(jì)方案。針對(duì)加速度計(jì)陀螺儀信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)校正和預(yù)處理環(huán)節(jié)?？罩惺髽?biāo)姿態(tài)解算方案。將互補(bǔ)濾波的算法加以改進(jìn)，僅利用加速度計(jì)和陀螺儀信號(hào)進(jìn)行鼠標(biāo)姿態(tài)的解算。設(shè)計(jì)空中鼠標(biāo)發(fā)送端硬件電路。并進(jìn)行空中鼠標(biāo)收發(fā)端固件程序的編寫空中鼠標(biāo)傳感器數(shù)據(jù)處理的算法設(shè)計(jì)方案

——加速度陀螺儀信號(hào)特點(diǎn)加速度計(jì)信號(hào)特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)特性好，容易摻雜低頻噪聲，零點(diǎn)漂移，存在野值現(xiàn)象陀螺儀信號(hào)特點(diǎn)：低頻高噪聲，存在野值現(xiàn)象?？罩惺髽?biāo)傳感器數(shù)據(jù)處理的算法設(shè)計(jì)方案

——加速度陀螺儀信號(hào)誤差原因分析及誤差數(shù)學(xué)模型影響MEMS加速度計(jì)誤差的主要因素有：三軸安裝誤差、常值漂移誤差、標(biāo)尺因素誤差和隨機(jī)噪聲。其中，常值漂移和標(biāo)度因數(shù)誤差對(duì)傳感器的輸出誤差帶來的影響是最大的。根據(jù)誤差產(chǎn)生原因，建立傳感器誤差模型，如下圖所示（以加速度計(jì)為例）空中鼠標(biāo)傳感器數(shù)據(jù)處理的算法設(shè)計(jì)方案

——加速度陀螺儀校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的采集方法以加速度計(jì)為例，采集方法如下圖所示：2013-4-25東南大學(xué)陀螺儀加速度計(jì)數(shù)據(jù)滑動(dòng)窗口均值濾波空中鼠標(biāo)傳感器數(shù)據(jù)處理的算法設(shè)計(jì)方案

——利用滑動(dòng)均值濾波進(jìn)行進(jìn)一步預(yù)處理

陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)值標(biāo)定算法僅能使處理后的傳感器數(shù)據(jù)更加接近傳感器輸出的‘真實(shí)’值，但是在傳感器數(shù)據(jù)的平滑輸出方面效果有限，為此，引入滑動(dòng)窗口均值濾波算法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的預(yù)處理?？罩惺髽?biāo)姿態(tài)解算方案

——空中姿態(tài)定位基礎(chǔ)地理坐標(biāo)系就是所謂的東北天坐標(biāo)系，地理坐標(biāo)系在飛行器上用來表示飛行器所在位置的東向、北向和垂線方向的坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系的原點(diǎn)選在飛行器的重心處，X指向東，Y指向北，Z沿垂線方向指向天。機(jī)體坐標(biāo)系是固連在機(jī)體上的，機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于飛行器的重心處，X軸沿橫軸橫指向右，Y軸沿機(jī)體縱向指向前，Z軸垂直于OXY，并沿飛行器豎軸指向上。慣性導(dǎo)航坐標(biāo)系a）地理坐標(biāo)系b）載體坐標(biāo)系2013-4-25東南大學(xué)鼠標(biāo)姿態(tài)描述及姿態(tài)表示方法鼠標(biāo)空中姿態(tài)是利用慣性導(dǎo)航理論中的yaw、pitch、roll即航向角、俯仰角和橫滾角來描述的，具體示意圖如圖所示：空中鼠標(biāo)姿態(tài)解算方案

——空中姿態(tài)定位基礎(chǔ)航行角是物體縱軸與地球北極之間的夾角，范圍為0~180°之間，俯仰角是物體縱軸和水平面的夾角，范圍為：-90°~+90°。橫滾角是物體橫軸與水平面的夾角，范圍為-180°~+180°之間。在本論文中，規(guī)定將橫滾角的相對(duì)角位移定義為鼠標(biāo)在X軸方向上的位移，將俯仰角的相對(duì)角位移定義為鼠標(biāo)在Y軸方向的位移。2013-4-25東南大學(xué)四元數(shù)理論a)四元數(shù)表示三維旋轉(zhuǎn)設(shè)B坐標(biāo)系繞A坐標(biāo)系的軸旋轉(zhuǎn)角度，如圖所示：

空中鼠標(biāo)姿態(tài)解算方案

——空中姿態(tài)定位基礎(chǔ)則描述該轉(zhuǎn)動(dòng)的四元數(shù)是：可以將上式展開以獲得四元數(shù)的另一種表示方法：2013-4-25東南大學(xué)四元數(shù)理論b）四元乘法四元數(shù)乘法用表示，假設(shè)代表一種旋轉(zhuǎn)，代表另一種旋轉(zhuǎn)，那么代表兩種旋轉(zhuǎn)合并的效果。四元數(shù)單位化后才可以表示旋轉(zhuǎn)，每次計(jì)算完之后都需要單位化。則該四元數(shù)的模為鼠標(biāo)空中姿態(tài)定位方法

—空中姿態(tài)定位基礎(chǔ)2013-4-25東南大學(xué)四元數(shù)理論C）四元微分方程由于載體不停的運(yùn)動(dòng)，所以表示兩個(gè)坐標(biāo)系相對(duì)旋轉(zhuǎn)的四元數(shù)為變量設(shè)：機(jī)體坐標(biāo)系（系）到地理坐標(biāo)系（系）的四元數(shù)為：

對(duì)兩邊求導(dǎo)整理得：，其中為載體坐標(biāo)系測量得到的角速度。將上式展開得到四元數(shù)的微分方程為：

鼠標(biāo)空中姿態(tài)定位方法

—空中姿態(tài)定位基礎(chǔ)2013-4-25東南大學(xué)互補(bǔ)濾波器的推導(dǎo)以

表示鼠標(biāo)真實(shí)姿態(tài)的方向余弦矩陣，

表示互補(bǔ)濾波器計(jì)算輸出的姿態(tài)方向余弦矩陣，

代表由加速度傳感器觀測到的方向余弦矩陣，

表示的高頻觀測噪聲，則：鼠標(biāo)空中姿態(tài)定位方法

—基于互補(bǔ)濾波的空中姿態(tài)解算2013-4-25東南大學(xué)互補(bǔ)濾波機(jī)框架為：鼠標(biāo)空中姿態(tài)定位方法

—基于互補(bǔ)濾波的空中姿態(tài)解算互補(bǔ)濾波器估計(jì)的重力加速度矢量為旋轉(zhuǎn)矩陣的第三行，其與加速度傳感器測量的重力加速度矢量的偏差，即為橫滾角和俯仰角的誤差整理為：具體計(jì)算過程算法實(shí)現(xiàn)部分。2013-4-25東南大學(xué)空中鼠標(biāo)軟硬件電路的實(shí)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的空中鼠標(biāo)發(fā)送端PCB設(shè)計(jì)圖硬件實(shí)物圖2013-4-25東南大學(xué)空中鼠標(biāo)發(fā)送端固件程序設(shè)計(jì)空中鼠標(biāo)收發(fā)端固件2013-4-25東南大學(xué)空中鼠標(biāo)接收端固件程序設(shè)計(jì)空中鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包空中鼠標(biāo)收發(fā)端固件D7D6D5D4D3D2D1D0Byte1

Y

X

Y

XNC

中鍵按下

右鍵按下

左鍵按下Byte2

X

Byte3

Y

Byte4

滾輪變化鼠標(biāo)端點(diǎn)數(shù)據(jù)填充方式25目錄課題背景國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本課題主要工作測試結(jié)果及分析總結(jié)與展望2013-4-25東南大學(xué)開發(fā)調(diào)試環(huán)境的搭建測試結(jié)果與分析2013-4-25東南大學(xué)傳感器數(shù)值標(biāo)定算法仿真及鼠標(biāo)性能測試2013-4-25東南大學(xué)滑動(dòng)均值濾波進(jìn)一步預(yù)處理算法仿真及鼠標(biāo)性能測試2013-4-25東南大學(xué)傳感器數(shù)據(jù)融合算法仿真

算法仿真及鼠標(biāo)性能測試2013-4-25東南大學(xué)空鼠指針的測試算法仿真及鼠標(biāo)性能測試回報(bào)率測試2013-4-25東南大學(xué)空鼠指針的測試算法仿真及鼠標(biāo)性能測試分辨率測試2013-4-25東南大學(xué)空鼠指針的測試算法仿真及鼠標(biāo)性能測試鼠標(biāo)靈敏度、光滑度綜合測試2013-4-25東南大學(xué)空鼠指針的測試算法仿真及鼠標(biāo)性能測試指針定位精度測試2013-4-25東南大學(xué)按鍵功能測試算法仿真及鼠標(biāo)性能測試按鍵功能測試主要包括左鍵單擊、左鍵雙擊、左鍵長按移動(dòng)、右鍵單擊功能的測試2013-4-25東南大學(xué)按鍵正確率測試算法仿真及鼠標(biāo)性能測試鼠標(biāo)的正確率測試主要通過各單擊鼠標(biāo)左鍵、右鍵、喚醒鍵、復(fù)位鍵100次，其中能夠正確操作的次數(shù)來決定的按鍵名稱敲擊次數(shù)正確次數(shù)正確率左鍵1009898%右鍵1009797%喚醒鍵1009595%復(fù)位鍵1009999%2013-4-25東南大學(xué)空中鼠標(biāo)靜態(tài)功耗測試算法仿真及鼠標(biāo)性能測試鼠標(biāo)靜態(tài)功耗測試主要測試鼠標(biāo)進(jìn)入PowerDown狀態(tài)時(shí)的電流和時(shí)間，本文通過萬用表和秒計(jì)時(shí)器來進(jìn)行測試，繪制鼠標(biāo)進(jìn)入PowerDown待機(jī)電流測試圖2013-4-25東南大學(xué)空鼠傳輸距離測試算法仿真及鼠標(biāo)性能測試當(dāng)測試距離小于10m時(shí)，鼠標(biāo)接收端能夠準(zhǔn)確接受發(fā)送端信號(hào)。當(dāng)測試距離大于10m時(shí)，接收端能夠準(zhǔn)確接受的最大距離為15m。2013-4-25東南大學(xué)測試結(jié)果和設(shè)計(jì)指標(biāo)綜合對(duì)比算法仿真及鼠標(biāo)性能測試

對(duì)比參數(shù)

對(duì)比項(xiàng)

設(shè)計(jì)指標(biāo)測試結(jié)果鼠標(biāo)傳輸距離≥10m10m-15m按鍵單擊、雙擊以及長按動(dòng)作準(zhǔn)確率≥90%95%鼠標(biāo)分辨率轉(zhuǎn)過30°時(shí)分辨率≥400Dpi474Dpi鼠標(biāo)靜態(tài)工作電流≤0.1mA0.05mA鼠標(biāo)回報(bào)率125Hz左右94Hz3928首先，在準(zhǔn)備論文之初，做了大量的調(diào)研工作，了解到‘智能家居’以及三網(wǎng)融合背景下開發(fā)空中鼠標(biāo)的必要性、空中鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)要求、國內(nèi)外現(xiàn)有的空中鼠標(biāo)技術(shù)，最后提出了本文設(shè)計(jì)空中鼠標(biāo)的技術(shù)指標(biāo)。在選用空鼠傳感器、主控芯片、射頻芯片的基礎(chǔ)上進(jìn)行空中鼠標(biāo)硬件的設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試。該空鼠發(fā)送端硬件主要包括傳感器模塊、主控芯片模塊以及射頻模塊和USB模塊。根據(jù)用戶級(jí)