速度傳感器

Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)分為手持端(手勢數(shù)據(jù)采集模塊)和主機端(數(shù)據(jù)接收處理模塊)，手持端和主機端通過無線方式連接。手持端可方便地佩戴在使用者手指上，對使用者的手勢數(shù)據(jù)進行采集;主機端可實現(xiàn)與PC機接口，并可對手勢數(shù)據(jù)進行接收和智能處理。

Smartmouse智能手勢輸入裝置的功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

Smartmouse智能手勢輸入裝置，可準確識別人的各種手勢并依據(jù)手勢流暢的進行如移動鼠標、左鍵、右鍵、刪除、確定、取消、移動文件等等相應操作。信號采集端可實時完整的采集人手部動作的信息，經(jīng)整理后以相應的數(shù)據(jù)格式通過2.4G無線頻段傳輸給PC或接收機上的主機端;主機端可在無需任何驅動程序的前提下將自身例化為USB接口形式的鼠標鍵盤復合設備;接收數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行智能化處理，識別出手勢所表達的意義，同時將相應操作反饋給PC或接收機。對手勢的識別率應達到消費類電子的水平。

1系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

Smartmouse智能輸入系統(tǒng)采用加速度傳感器對使用者的手部動作數(shù)據(jù)進行采集和初步識別，結合無線通信和USB接口技術，通過自創(chuàng)的簡單且智能的手勢識別處理算法，將得到的手部動作信息通過USB接口傳輸給PC或接收機，使用戶能夠以更符合肢體動作習慣的方式對PC進行控制，給用戶帶來全新的操作體驗。

Smartmouse智能輸入系統(tǒng)硬件結構框圖如下圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖

(1)手勢數(shù)據(jù)采集

Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)的手持端需對使用者手部動作數(shù)據(jù)進行連續(xù)且準確的采樣，并將采集到的手部動作數(shù)據(jù)通過無線形式傳輸給連接在PC機USB接口上的主機端。本系統(tǒng)采用美新公司生產的雙軸MEMS加速度傳感器芯片MXC6202xMP作為主要的手勢動作感知器件，在正確感知手部動作數(shù)據(jù)的同時，達到低功耗、高精度的要求。

(2)數(shù)據(jù)接收與處理

連接在PC機USB口上的主機端，即數(shù)據(jù)接收與處理模塊，將自身例化為PC機的鼠標和鍵盤復合設備，同時將通過無線方式接收到的手勢數(shù)據(jù)通過識別算法進行智能處理，將處理后的結果以鼠標鍵盤操作數(shù)據(jù)的形式傳輸給PC機。數(shù)據(jù)接收與處理模塊與PC機的連接過程無需安裝任何驅動，可實現(xiàn)即插即用。對手勢數(shù)據(jù)的識別率能夠滿足消費類電子要求。本系統(tǒng)中以AVR單片機為核心處理單元，負責將設備按照USB協(xié)議枚舉為USB復合設備，管理無線收發(fā)模塊，并通過無線模塊對手持端進行管理，同時將接收到的手勢數(shù)據(jù)通過自創(chuàng)的手勢識別算法進行分析，將結果發(fā)送給主機端。

(3)數(shù)據(jù)的傳輸

采集的手勢數(shù)據(jù)的傳輸采用當前在消費類電子產品領域應用比較廣泛的2.4G頻段，在保證帶寬的前提下準確傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，同時可實現(xiàn)設備休眠等降低功耗的操作。

(4)主機端與PC接口

主機端即手勢數(shù)據(jù)處理模塊通過USB接口與PC機進行連接，將自身例化為PC機的鍵盤鼠標復合設備，在不需要任何驅動的前提下實現(xiàn)即插即用。

(5)電源供給

手持端采用微型鋰電池作為電源，體積較小并可進行重復充電與使用。同時通過休眠、停機等操作降低系統(tǒng)功耗。

主機端通過主機USB接口供電，在長時間不使用情況下可進行休眠操作。

(6)智能識別率

Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)需要流暢的對PC機進行操作，對手勢的識別率有較高要求，同時能對現(xiàn)今比較流行的演示軟件進行復雜操作。本設計中通過32位AVR單片機對接收到的手勢數(shù)據(jù)進行處理，結合本團隊自創(chuàng)的手勢識別算法，識別出手勢具有的意義。

2硬件平臺選用及資源配置

由于本系統(tǒng)所包含的模塊眾多、算法復雜，同時對功耗、穩(wěn)定性又有很高要求，所以在平臺的選擇時分兩個步驟進行：

功能實現(xiàn)階段，主要為完善手勢識別算法、USB接口協(xié)議、無線通訊協(xié)議等。各個部分均使用現(xiàn)成模塊。無線收發(fā)部分采用TI公司生產的eZ430無線收發(fā)模塊;算法硬件實現(xiàn)和USB接口等的管理采用Atmel公司提供的EVK1100開發(fā)板。

作品完善階段，在實現(xiàn)手勢識別算法、USB接口協(xié)議、無線通訊協(xié)議等的基礎上，使用Atmel公司的生產的ATXMEGA32D4單片機和無線收發(fā)芯片AT86RF212自制手持端;采用AT32UC3L064單片機和無線收發(fā)芯片AT86RF212實現(xiàn)主機端的數(shù)據(jù)接收、手勢識別算法和USB接口管理。

3系統(tǒng)程序架構

本系統(tǒng)中，軟件設計主要分為手勢數(shù)據(jù)采集、無線通訊協(xié)議、手勢數(shù)據(jù)識別算法和USB接口協(xié)議幾部分。

手勢數(shù)據(jù)采集：在主機端的控制下對手勢數(shù)據(jù)進行采集并按一定的格式打包準備進行傳輸;

無線通訊協(xié)議：管理手持端與主機端之間的連接和數(shù)據(jù)傳輸;

手勢識別算法：為本系統(tǒng)中的算法核心，采用一種自創(chuàng)的基于加速度傳感器數(shù)據(jù)的智能識別算法，對手勢數(shù)據(jù)進行處理，得出手勢所具有的意義;

USB接口協(xié)議：管理主機端與PC或接收機之間的連接，將主機端枚舉為電腦的鼠標鍵盤復合設備，實現(xiàn)在無驅動條件下的即插即用。

4系統(tǒng)程序流程

本系統(tǒng)中程序主要分為手持端程序和主機端程序，程序流程圖如下圖3所示。

圖3 程序運行流程圖

5系統(tǒng)預計實現(xiàn)結果

借助Atmel提供的EVK1100系列開發(fā)板和TieZ430無線模塊實現(xiàn)樣機一套，實現(xiàn)鼠標所有功能，并能對簡單的瀏覽軟件進行控制，同時達到識別準確率90%以上。自制產品初級模型一套，實現(xiàn)鼠標所有功能，同時具有“空中畫筆”功能，能對簡單的瀏覽軟件進行流暢的控制，達到準確識別90%以上。