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(jī)端(數(shù)據(jù)接收處理模塊)，手持端和主機(jī)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(jìn)行采集;主機(jī)端可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)接口，并可對手勢數(shù)據(jù)進(jìn)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。

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

1 系統(tǒng)功能實(shí)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(jìn)行采集和初步識別，結(jié)合無線通信和USB接口技術(shù)，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(jī)，使用戶能夠以更符合肢體動作習(xí)慣的方式對PC進(jìn)行控制，給用戶帶來全新的操作體驗(yàn)。

Smartmouse智能輸入系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。

(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(jìn)行連續(xù)且準(zhǔn)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(jī)USB接口上的主機(jī)端。本系統(tǒng)采用美新公司生產(chǎn)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(dá)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(jī)USB口上的主機(jī)端，即數(shù)據(jù)接收與處理模塊，將自身例化為PC機(jī)的鼠標(biāo)和鍵盤復(fù)合設(shè)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(jìn)行智能處理，將處理后的結(jié)果以鼠標(biāo)鍵盤操作數(shù)據(jù)的形式傳輸給PC機(jī)。數(shù)據(jù)接收與處理模塊與PC機(jī)的連接過程無需安裝任何驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)即插即用。對手勢數(shù)據(jù)的識別率能夠滿足消費(fèi)類電子要求。本系統(tǒng)中以AVR單片機(jī)為核心處理單元，負(fù)責(zé)將設(shè)備按照USB協(xié)議枚舉為USB復(fù)合設(shè)備，管理無線收發(fā)模塊，并通過無線模塊對手持端進(jìn)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(jìn)行分析，將結(jié)果發(fā)送給主機(jī)端。

(3)數(shù)據(jù)的傳輸

采集的手勢數(shù)據(jù)的傳輸采用當(dāng)前在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的2.4G頻段，在保證帶寬的前提下準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，同時可實(shí)現(xiàn)設(shè)備休眠等降低功耗的操作。

(4)主機(jī)端與PC接口

主機(jī)端即手勢數(shù)據(jù)處理模塊通過USB接口與PC機(jī)進(jìn)行連接，將自身例化為PC機(jī)的鍵盤鼠標(biāo)復(fù)合設(shè)備，在不需要任何驅(qū)動的前提下實(shí)現(xiàn)即插即用。[!--empirenews.page--]

(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(jìn)行重復(fù)充電與使用。同時通過休眠、停機(jī)等操作降低系統(tǒng)功耗。

主機(jī)端通過主機(jī)USB接口供電，在長時間不使用情況下可進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jìn)行復(fù)雜操作。本設(shè)計(jì)中通過32位AVR單片機(jī)對接收到的手勢數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合本團(tuán)隊(duì)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(fù)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(jìn)行：

功能實(shí)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(chǎn)的eZ430無線收發(fā)模塊;算法硬件實(shí)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(shí)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(chǔ)上，使用Atmel公司的生產(chǎn)的ATXMEGA32D4單片機(jī)和無線收發(fā)芯片AT86RF212自制手持端;采用AT32UC3L064單片機(jī)和無線收發(fā)芯片AT86RF212實(shí)現(xiàn)主機(jī)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(gòu)

本系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)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(jī)端的控制下對手勢數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并按一定的格式打包準(zhǔn)備進(jìn)行傳輸;

無線通訊協(xié)議：管理手持端與主機(jī)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(jìn)行處理，得出手勢所具有的意義;

USB接口協(xié)議：管理主機(jī)端與PC或接收機(jī)之間的連接，將主機(jī)端枚舉為電腦的鼠標(biāo)鍵盤復(fù)合設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在無驅(qū)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(jī)端程序，程序流程圖如下圖3所示。

5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

借助Atmel提供的EVK1100系列開發(fā)板和TieZ430無線模塊實(shí)現(xiàn)樣機(jī)一套，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)所有功能，并能對簡單的瀏覽軟件進(jìn)行控制，同時達(dá)到識別準(zhǔn)確率90%以上。自制產(chǎn)品初級模型一套，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)所有功能，同時具有“空中畫筆”功能，能對簡單的瀏覽軟件進(jìn)行流暢的控制，達(dá)到準(zhǔn)確識別90%以上。