硕士学位论文答辩硕士学位论文答辩基于基于MPU6050MPU6050的空中鼠标的设计与实现的空中鼠标的设计与实现目录课题背景国内外研究现状本课题主要工作测试结果及分析总结与展望目录课题背景国内外研究现状本课题主要工作测试结果及分析总结与展望课题背景一方面，作为智能家居控制一部分的无线遥控功能正朝着越来越集中、便捷控制的方向发展。另一方面，电视机与互联网的正在越来越紧密的结合在一起。用户慢慢将家庭娱乐中心集中到了客厅，更希望舒服的躺在沙发上就能够操纵家里的一切。这样传统的鼠标由于需要支撑平面越来越不能满足用户的需求。将鼠标的功能纳入到传统的遥控器，实现便捷控制室内家电、灯光等及自由无阻碍网上冲浪功能的“空中鼠标”，越来越成为新的发展趋势。目录课题背景国内外研究现状本课题主要工作测试结果及分析总结与展望国内外研究现状实现空中鼠标的几种方法基于图像识别技术基于图像识别技术：用户手中的空鼠安装红外光源，在移动的时候，摄像头拍下图片，将图片实时传递给图像处理芯片，图像处理芯片通过红外光源的发光图像来计算位置信息国内外研究现状实现空中鼠标的几种方法基于基于MEMS加速度计加速度计：以重力加速度对两个倾斜轴的影响作为鼠标移动的判断。基于基于MEMS陀螺仪陀螺仪：以相对角位移信号作为鼠标指针X轴方向和Y轴方向上的位移信息。国内外研究现状以上几种方法存在的缺点和局限基于图像识别技术基于图像识别技术：设备结构复杂，用户使用不方便，成本较大，功耗较大。基于基于MEMS加速度计加速度计：定位不够准确。利用数值积分的方法对加速度信号进行积分，又进一步引入误差。基于基于MEMS陀螺仪陀螺仪：陀螺仪存在固有的零点漂移，使得鼠标的输出存在累积误差，定位不准确。目录课题背景国内外研究现状本课题主要工作测试结果及分析总结与展望本课题主要工作空中鼠标传感器数据处理的算法设计方案。针对加速度计陀螺仪信号特点，设计数据校正和预处理环节。空中鼠标姿态解算方案。将互补滤波的算法加以改进，仅利用加速度计和陀螺仪信号进行鼠标姿态的解算。设计空中鼠标发送端硬件电路。并进行空中鼠标收发端固件程序的编写空中鼠标传感器数据处理的算法设计方案加速度陀螺仪信号特点加速度计信号特点：动态特性好，容易掺杂低频噪声，零点漂移，存在野值现象陀螺仪信号特点：低频高噪声，存在野值现象。低频高噪声，存在野值现象。空中鼠标传感器数据处理的算法设计方案加速度陀螺仪信号误差原因分析及误差数学模型影响MEMS加速度计误差的主要因素有：三轴安装误差、常值漂移误差、标尺因素误差和随机噪声。其中，常值漂移和标度因数误差对传感器的输出误差带来的影响是最大的。根据误差产生原因，建立传感器误差模型，如下图所示（以加速度计为例）空中鼠标传感器数据处理的算法设计方案加速度陀螺仪校准数据的采集方法以加速度计为例，采集方法如下图所示：2013-4-25东南大学陀螺仪加速度计数据滑动窗口均值滤波陀螺仪加速度计数据滑动窗口均值滤波空中鼠标传感器数据处理的算法设计方案利用滑动均值滤波进行进一步预处理陀螺仪和加速度计的数值标定算法仅能使处理后的传感器数据更加陀螺仪和加速度计的数值标定算法仅能使处理后的传感器数据更加接近传感器输出的接近传感器输出的真实真实值，但是在传感器数据的平滑输出方面效值，但是在传感器数据的平滑输出方面效果有限，为此，引入滑动窗口均值滤波算法对传感器数据做进一步的果有限，为此，引入滑动窗口均值滤波算法对传感器数据做进一步的预处理。预处理。空中鼠标姿态解算方案空中姿态定位基础地理坐标系就是所谓的东北天坐标系，地理坐标系在飞行器上用来表示飞行器所在位置的东向、北向和垂线方向的坐标系。地理坐标系的原点选在飞行器的重心处，X指向东，Y指向北，Z沿垂线方向指向天。机体坐标系是固连在机体上的，机体坐标系的原点位于飞行器的重心处，X轴沿横轴横指向右，Y轴沿机体纵向指向前，Z轴垂直于OXY，并沿飞行器竖轴指向上。惯性导航坐标系惯性导航坐标系a）地理坐标系）地理坐标系b）载体坐标系）载体坐标系2013-4-25东南大学鼠标姿态描述及姿态表示方法鼠标姿态描述及姿态表示方法 鼠标空中姿态是利用惯性导航理论中的yaw、pitch、roll即航向角、俯仰角和横滚角来描述的，具体示意图如图所示：空中鼠标姿态解算方案空中姿态定位基础航行角是物体纵轴与地球北极之间的夹角，范围为航行角是物体纵轴与地球北极之间的夹角，范围为01800180之间，俯仰角是物体之间，俯仰角是物体纵轴和水平面的夹角，范围为：纵轴和水平面的夹角，范围为：-90-90+90+90。横滚角是物体横轴与水平面的夹。横滚角是物体横轴与水平面的夹角，范围为角，范围为-180-180+180+180之间。在本论文中，规定将横滚角的相对角位移定义之间。在本论文中，规定将横滚角的相对角位移定义为鼠标在为鼠标在X X轴方向上的位移，将俯仰角的相对角位移定义为鼠标在轴方向上的位移，将俯仰角的相对角位移定义为鼠标在Y Y轴方向的位移。轴方向的位移。2013-4-25东南大学四元数理论四元数理论 a) 四元数表示三维旋转四元数表示三维旋转 设B坐标系绕A坐标系的轴旋转角度，如图所示： 空中鼠标姿态解算方案空中姿态定位基础则描述该转动的四元数是：则描述该转动的四元数是：可以将上式展开以获得四元数的另一种表示方法：可以将上式展开以获得四元数的另一种表示方法：2013-4-25东南大学四元数理论四元数理论b）四元乘法）四元乘法 四元数乘法用 表示，假设 代表一种旋转，代表另一种旋转，那么代表两种旋转合并的效果。四元数单位化后才可以表示旋转，每次计算完之后都需要单位化。四元数单位化后才可以表示旋转，每次计算完之后都需要单位化。则该四元数的模为则该四元数的模为鼠标空中姿态定位方法空中姿态定位基础2013-4-25东南大学四元数理论四元数理论C）四元微分方程）四元微分方程 由于载体不停的运动，所以表示两个坐标系相对旋转的四元数 为变量设：机体坐标系（ 系）到地理坐标系（ 系）的四元数为： 对两边求导整理得： ，其中为载体坐标系测量得到的角速度。将上式展开得到四元数的微分方程为： 鼠标空中姿态定位方法空中姿态定位基础2013-4-25东南大学互补滤波器的推导互补滤波器的推导n 以 表示鼠标真实姿态的方向余弦矩阵， 表示互补滤波器计算输出的姿态方向余弦矩阵， 代表由加速度传感器观测到的方向余弦矩阵， 表示的高频观测噪声，则：鼠标空中姿态定位方法基于互补滤波的空中姿态解算2013-4-25东南大学互补滤波机框架为：互补滤波机框架为：鼠标空中姿态定位方法基于互补滤波的空中姿态解算互补滤波器估计的重力加速度矢量为旋转矩阵互补滤波器估计的重力加速度矢量为旋转矩阵 的第三行，的第三行，其与加速度传感器测量的重力加速度矢量的偏差，即为横滚角其与加速度传感器测量的重力加速度矢量的偏差，即为横滚角和俯仰角的误差和俯仰角的误差整理为：整理为：具体计算过程算法实现部分。2013-4-25东南大学空中鼠标软硬件电路的实现本文所设计的空中鼠标发送端本文所设计的空中鼠标发送端PCB设计图设计图硬件实物图硬件实物图2013-4-25东南大学空中鼠标发送端固件程序设计空中鼠标发送端固件程序设计空中鼠标收发端固件2013-4-25东南大学空中鼠标接收端固件程序设计空中鼠标接收端固件程序设计空中鼠标数据包空中鼠标数据包空中鼠标收发端固件D7D6D5D4D3D2D1D0Byte1 Y X Y X NC 中键按下 右键按下 左键按下Byte2 X Byte3 Y Byte4 滚轮变化鼠标端点数据填充方式鼠标端点数据填充方式25目录课题背景国内外研究现状本课题主要工作测试结果及分析总结与展望2013-4-25东南大学开发调试环境的搭建开发调试环境的搭建测试结果与分析2013-4-25东南大学传感器数值标定传感器数值标定算法仿真及鼠标性能测试2013-4-25东南大学滑动均值滤波进一步预处理滑动均值滤波进一步预处理算法仿真及鼠标性能测试2013-4-25东南大学传感器数据融合算法仿真传感器数据融合算法仿真 算法仿真及鼠标性能测试2013-4-25东南大学空鼠指针的测试空鼠指针的测试算法仿真及鼠标性能测试回报率测试回报率测试2013-4-25东南大学空鼠指针的测试空鼠指针的测试算法仿真及鼠标性能测试分辨率测试分辨率测试2013-4-25东南大学空鼠指针的测试空鼠指针的测试算法仿真及鼠标性能测试鼠标灵敏度、光滑度综合测试鼠标灵敏度、光滑度综合测试2013-4-25东南大学空鼠指针的测试空鼠指针的测试算法仿真及鼠标性能测试指针定位精度测试指针定位精度测试2013-4-25东南大学按键功能测试按键功能测试算法仿真及鼠标性能测试按键功能测试主要包括左键单击、左键双击、左键长按移动、右键单击功能的测试2013-4-25东南大学按键正确率测试按键正确率测试算法仿真及鼠标性能测试鼠标的正确率测试主要通过各单击鼠标左键、右键、唤醒键、复位键100次，其中能够正确操作的次数来决定的按键名称敲击次数正确次数正确率左键1009898%右键1009797%唤醒键1009595%复位键1009999%2013-4-25东南大学空中鼠标静态功耗测试空中鼠标静态功耗测试算法仿真及鼠标性能测试鼠标静态功耗测试主要测试鼠标进入PowerDown状态时的电流和时间，本文通过万用表和秒计时器来进行测试，绘制鼠标进入PowerDown待机电流测试图2013-4-25东南大学空鼠传输距离测试空鼠传输距离测试算法仿真及鼠标性能测试当测试距离小于当测试距离小于10m时，鼠标接收端能够准确接受发送端信号。当测试时，鼠标接收端能够准确接受发送端信号。当测试距离大于距离大于10m时，接收端能够准确接受的最大距离为时，接收端能够准确接受的最大距离为15m。2013-4-25东南大学测试结果和设计指标综合对比测试结果和设计指标综合对比算法仿真及鼠标性能测试 对比参数 对比项 设计指标测试结果鼠标传输距离10m10m-15m按键单击、双击以及长按动作准确率90%95%鼠标分辨率转过30时分辨率400Dpi474Dpi鼠标静态工作电流0.1mA0.05mA鼠标回报率125Hz左右94Hz3928首先，在准备论文之初，做了大量的调研工作，了解到智能家居以及三网融合背景下开发空中鼠标的必要性、空中鼠标的设计要求、国内外现有的空中鼠标技术，最后提出了本文设计空中鼠标的技术指标。在选用空鼠传感器、主控芯片、射频芯片的基础上进行空中鼠标硬件的设计、焊接、调试。该空鼠发送端硬件主要包括传感器模块、主控芯片模块以及射频模块和USB模块。根据用户级陀螺仪传感器存在严重的零点漂移的特点，提出了传感器数据校正传感器数据滑动窗口均值滤波进一步预处理互补滤波算法的传感器数据融合三种方法相结合的传感器数据处理办法，有效的抑制了陀螺仪的零飘，取得了良好的效果。论文最后，在采集陀螺仪加速度计传感器数据的基础上对所设计的算法进行MATLAB仿真以及对鼠标的综合性能进行测试。仿真和测试结果表明，本文所设计的空中鼠标能够很好满足应用需求。总结谢谢各位老师！29