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1、题 目3D无线鼠标的算法研究目录摘要1Abstract2第一章概述3第1.1节课题背景3第1.2节本文的研究内容与意义4第1.3节本文的主要结构5第二章数据采集与传输7第2.1节数据采集传输平台介绍7第2.2节软件框架选择与分析9第2.3节无线传输功能实现11第2.4节低功耗软件实现13第2.4.1节传感器模块低功耗13第2.4.2节无线传输模块低功耗14第三章USB功能实现16第3.1节USB简介16第3.2节USB描述符的具体设计17第3.3节USB自定义功能实现17第四章姿态算法研究及优化19第4.1节姿态表示方法及简化19第4.2节常见姿态算法比较20第4.3节姿态解算实现步骤21第4
2、.4节实验分析与比较23第4.4.1节姿态角跟踪实验24第4.4.2节高非重力加速度实验25第五章组合功能实现1第5.1节按键消抖的实现1第5.2节按键状态判断流程3第5.3节功能实现框图5第六章总结与展望7第6.1节本论文的主要工作7第6.2节存在的问题与改进方向7参考文献9致谢10附录一 姿态解算具体程序11附录二 USB描述符具体配置14苏州大学本科生毕业设计（论文）摘要随着PPT演讲的流行，演讲者几乎人手一个激光翻页笔。但是因为投影设备的进步以及PPT功能的增多，传统的激光翻页笔在会场、教学等场景就有了它的局限性。比如，激光射束在相对较亮的液晶或LED屏幕上显得很不明显，不易识别。同时
3、它对音频视频播放，画笔的实现，重点标注等的功能显得无能为力。此时3D无线鼠标应运而生，但是目前市面上的3D无线鼠标在使用时，仍然存在一些问题：首先是不灵敏，有滞后感。其次是不准确，存在漂移的问题。最后是功能比较复杂，设计不人性化，存在按键过多的情况。本论文主要针对目前3D无线鼠标出现的四个问题进行分析以及提出解决方案：如何实现鼠标跟随手的移动而移动？怎样减小滞后感？怎样降低漂移感？以及人性化的功能怎么实现？本文的研究内容包括3D无线鼠标的实现，姿态算法的优化以及自定义功能的实现。首先进行3D无线鼠标相关硬件的软件配置与结构设计，然后根据手持场景进行姿态解算的优化，降低漂移感和滞后感，最后实现一
4、些便于PPT控制的功能，在此基础上配合低成本的硬件，实现低功耗。关键词：无线鼠标，激光翻页笔，姿态解算AbstractWith the popularity of PPT speeches, most people have a laser pointer with remote control. However, due to the development of projection equipment and the increase in PPT capabilities, the use of traditional page turning laser pointers in ve
5、nues, teaching and other scenes has its limitations. For example, the laser spot is very dark on the LCD or LED screen and it is not easy to identify. At the same time, it has become incapable of more and more functions such as audio and video playback, brush implementation, and key annotation.As a
6、result, 3D wireless mouse has appeared. However, there are many problems with the current 3D wireless mouse. First, they are insensitive and have a sense of lag. Second, it is inaccuracy and has a sense of drift. In the end, the functions are more complex and impersonal, and there are too many keys.
7、This thesis mainly analyzes and presents the solution to the four problems existing in the current 3D wireless mouse: How to move the pointer following hand? How to reduce the sense of lag? How to reduce the sense of drift? How to achieve personal features?The thesis researches the realization of th
8、e 3D wireless mouse, the optimization of the attitude algorithm and the realization of the custom function. First, we make software configuration and structural design with the hardware of the 3D wireless mouse, and then optimize attitude solution according to the handheld scene, to reduce the sense
9、 of drift and lag, and finally achieve some of the PPT control of humanized functions. At the same time, achieve low power consumption with low-cost hardware.Keywords: 3D Wireless Mouse, Presenter, Attitude Calculation,概述课题背景随着PPT演讲的流行，几乎人手一个激光翻页笔，但是因为投影设备的进步以及PPT功能的增多，传统的激光翻页笔在会场、教学等场景就有了它的局限性。比如，激
10、光点在液晶或LED屏幕上显得很暗，不易识别。同时它对音频视频播放，画笔的实现，重点标注等越来越多的功能显得无能为力。但是随着时代的发展，PPT的功能只会越来越绚丽，演示器里丰富的功能也越来越重要，而这些很多都离不开鼠标指针的基本功能。3D无线鼠标是利用一些传感器，获得鼠标在三维空间中的移动轨迹或者角度变化，通过无线传输的方式将数据传输给PC端，如此来实现鼠标键盘等复杂的功能。因为它可以脱离桌面的限制而在三维空间中运动，所以也被形象的成为空中飞鼠。Alan H. F. Lam等人研制出基于二维加速度计的虚拟键盘鼠标系统1, 操控者只需将加速度计装在指环上，数据信息就可以通过戴在手腕上的无线传输模
11、块传送至电脑，然后通过解析和显示的软件实时解算这些数据，最后完成输入控制。这个方案比较久远，目前来看，大部分的空中飞鼠采用的类似这种方案。只是把加速度计换成了六轴传感器，比如周获制作的无线空中鼠标4。然而接下来无线空中鼠标的痛点就集中在了鼠标轨迹上。起初，是利用加速度二次积分，偏移非常的大，例如王海红设计的三维鼠标5，也有利用加速度的数据计算鼠标的翻滚角，来对应鼠标的位置，这样做出来的效果体验感并不好。后来的3D无线鼠标大都用上了陀螺仪，情况才有所改善，比如罗技的MX Air利用两轴陀螺仪进行控制，实际效果就已经很好了。现在用上了六轴传感器之后姿态算法更加精确，轨迹也更加准确。但是低端产品滞后
12、感以及漂移感依旧存在，因此有不同的传感器的出现，比如基于视频采集的方案，刘刚开发的激光笔辅助教学系统6，是通过识别投影屏幕上的激光点的位置，来确定鼠标的位置，这样可以达到像鼠标一样指哪点哪的操作体验，但是系统的便捷性和成本限制了这种方案的发展。赵士龙发表的无线手持控制器2是借助触控屏来移动鼠标指针的，想法比较新颖，但并不实用。另外3D无线鼠标并不是只有鼠标的功能，最大的需求还是在它功能的实现上，但是纵观淘宝，空中飞鼠的产品有些就把键盘直接移过去，或者按键繁多，演讲紧张的环境，按错一个怎么办，甚至实现一个画线功能甚至要多个按键实现，我们需要人性化的功能，让每个按键都变得更加自然实用。罗技 Spo
13、tlight 无线演示器3在这方面做得很好，但是价格很高。当然我们希望实现的功能不止这些，各行各业也有着不同需求，因此功能方面我们需要更多的创新。对此提出了以下四个问题，怎么实现鼠标跟随手的移动？为什么又会有滞后感？为什么会有漂移感？人性化的功能怎么实现？ 本文的研究内容与意义本文的意义是为了解决以上四个问题，首先如何实现鼠标跟随手的运动。一个方案是检测手的轨迹，但是事实证明加速度计的数据并不可靠，同时目前的算法并不能将轨迹完美的还原，如果想要达到较好的体验，需要达到毫米级别的轨迹识别，这并不现实，经过调研本文认为可以尝试增加传感器，比如光流传感器可以更加精确直观的获得二维平面上的移动，但是目
14、前并没有人尝试，由于镜头较大，考虑到系统的便携性，本文并不考虑第一个方案。另一个方案是，将手运动时设备的航向角和俯仰角速度映射为垂直平面上X，Z轴的速度，由于手持设备的运动一般都是绕着一个支点，比如手肘或者手腕，在半径不变的情况下，角速度和运动速度成正比。但是缺点是，其实半径会有较小的变化，所以不同的姿势灵敏度不同，不是按照真实轨迹，手感来说并没有第一种方案真实。但是由于陀螺仪的数据很准确，得出来的角速度很可靠。因此本文采用这种方案，并在本文介绍具体的实现过程。然后是滞后问题，滞后问题需要系统的考虑，首先传感器采集，传感器数据本身是否有滞后，传感器数据的采集是否不及时，其次是数据处理，算法处理
15、也需要时间，我们怎么减少计算时间？本文采用两个方案，一是简化算法，二是将算法分解，分别在姿态算法和数据采集与传输章节进行详细说明。最后是数据传输，由于是无线传输，存在接收的不稳定性，例如没有接收到，需要重新发送，可以减少重新发送的间隔时间；数据接收不稳定，经常接收不到，就会缺少一些数据，同样会造成滞后。接下来是漂移感，由于第一个问题的考虑，我们采用的方案会和真实的轨迹有出入。但这并不是造成主要的原因，更大的原因是我们并不能精确的知道鼠标相对于水平面的倾角。加速度计测的是手运动的加速度加上重力，用来测量重力方向必然不准，而陀螺仪测到的只有角速度，具体的角度需要积分，但是积分会有累计误差，时间一长就不准了，因此需要参考四旋翼的姿态算法。但是四旋翼算法是趋于稳定的，而手持鼠标一直是晃动的，这个时候我们就需要根据手持场景对姿态算法加以优化。最后是人性化功能的实现，首先我们需要按键去实现各种功能，但是按键在按下的过程中抖动很厉害，因此需要消抖，但是又必须要能够很快的和拖拽动作区分开来。其次，按键过多会带来繁琐的操作，因此本文希望用更少更简洁的按键达到想要的功能。这就需要区分按键的单击，双击，长按等操作。最后我们希望我们做的3D鼠标可以控制电脑，这个时候有两种方案，一种方案是电脑可以自动识别设备，并实现我们的功能；另外就是用上位机接收数据
