本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種空中鼠標(biāo)多數(shù)據(jù)融合方法、空中鼠標(biāo)及空中鼠標(biāo)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前存在兩種鼠標(biāo)技術(shù)，一是傳統(tǒng)的機(jī)械滾輪和光學(xué)二維鼠標(biāo)，而是的激光空中三維鼠標(biāo)。傳統(tǒng)滾輪光學(xué)鼠標(biāo)有如下缺點(diǎn)：(1)只能在二維平面操縱，且對(duì)平面光潔度有較高要求。(2)鼠標(biāo)不能大范圍移動(dòng)導(dǎo)致肩膀長(zhǎng)時(shí)間保持和一個(gè)姿勢(shì)，造成肩膀酸痛，造成“鼠標(biāo)手”問(wèn)題。(3)鼠標(biāo)左右按鍵，使用時(shí)會(huì)發(fā)出“卡擦”噪聲。

目前的空中三維鼠標(biāo)有如下缺點(diǎn)：(1)傳統(tǒng)位移傳感器數(shù)據(jù)算法易造成數(shù)據(jù)失真，空中鼠標(biāo)操縱精度低。(2)體積較大、較重，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)有較大負(fù)擔(dān)。(3)功耗較大，受電池容量影響，續(xù)航能力不強(qiáng)。(4)成本高，價(jià)格昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出了一種用于空中鼠標(biāo)的多數(shù)據(jù)融合方法，可以提高鼠標(biāo)的操縱精度，并給出了一種高精度空中指環(huán)鼠標(biāo)的技術(shù)方案，具有操作精度高、體積小的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明采用下面的技術(shù)方案：

一種用于空中鼠標(biāo)的多數(shù)據(jù)融合方法，包括：

通過(guò)空中鼠標(biāo)中的加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取手指的三維加速度數(shù)據(jù)，通過(guò)空中鼠標(biāo)中的陀螺儀實(shí)時(shí)獲取手指的三維角速度數(shù)據(jù)，采用聯(lián)合式多數(shù)據(jù)融合算法處理所述三維加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)，生成精確的空中鼠標(biāo)控制信息；所述聯(lián)合式多數(shù)據(jù)融合算法包括一個(gè)主濾波器和多個(gè)子濾波器，多個(gè)子濾波器接收所述三維加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)，生成子估計(jì)信息，再發(fā)送至主濾波器融合成最終的估計(jì)信息，用于生成精確的空中鼠標(biāo)控制信息。

進(jìn)一步的，實(shí)時(shí)獲取手指的三維加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)之后，首先采用溫度補(bǔ)償算法對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，用于提高空中鼠標(biāo)的控制精度。

進(jìn)一步的，所述主濾波器和子濾波器采用卡爾曼濾波器。

進(jìn)一步的，所述聯(lián)合式卡爾曼濾波算法采用下列公式：

xi(k)＝ai(k)xi(k-1)+bi(k)wi(k)

yi(k)＝ci(k)xi(k)+vi(k)

上式及圖2中，xi(k)表示第i組狀態(tài)變量的多維狀態(tài)向量；ai(k)、bi(k)都是有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定的與xi(k)相對(duì)應(yīng)的第i個(gè)矩陣；wi(k)是第i組激勵(lì)信號(hào)；p(k)為誤差協(xié)方差；ci(k)是第i組觀測(cè)矢量；vi(k)是測(cè)量噪聲序列，且wi(k)和vi(k)是互不相關(guān)零均值高斯白噪聲；yi(k)是第i組中，一時(shí)刻到第k時(shí)刻，作k次觀測(cè)得到的k個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)y(1)，y(2)，y(3)，…，y(n)；q(k)為系統(tǒng)噪聲方差陣，r(k)為測(cè)量噪聲方差陣。

本發(fā)明還提出了一項(xiàng)采用上述方法的高精度空中指環(huán)鼠標(biāo)，包括指環(huán)和附著在指環(huán)上的多傳感器融合模塊；所述多傳感器融合模塊包括上蓋和下蓋，上蓋和下蓋之間設(shè)有依次連接的微處理器模塊、位移傳感模塊、第一通信模塊和電源；

所述位移傳感模塊獲取手指三維數(shù)據(jù)并發(fā)送至微處理器模塊，微處理器模塊內(nèi)置有聯(lián)合式多數(shù)據(jù)融合算法，用于對(duì)所述手指三維數(shù)據(jù)進(jìn)行融合估計(jì)，生成精確的空中鼠標(biāo)控制信息；

所述第一通信模塊接收所述精確的空中鼠標(biāo)控制信息，并發(fā)送至通信終端。

進(jìn)一步的，所述多傳感器融合模塊替換為包括封閉殼體和固定在殼體內(nèi)部的微處理器模塊、位移傳感模塊、第一通信模塊和電源。

進(jìn)一步的，所述第一通信模塊采用藍(lán)牙通信、wifi通信或zigbee通信模塊。

進(jìn)一步的，所述指環(huán)采用橡膠材料制成。

進(jìn)一步的，所述多傳感器融合模塊的體積不大于10cm³。

本發(fā)明還提出了一種采用上述高精度控制指環(huán)鼠標(biāo)的空中鼠標(biāo)控制系統(tǒng)，包括：

空中指環(huán)鼠標(biāo)，包括指環(huán)和附著在指環(huán)上的多傳感器融合模塊，用于獲取用戶(hù)手指的三維角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)；

通信終端，通信終端，具有第二通信模塊、解析模塊和顯示單元，第二通信模塊用于接收空中指環(huán)鼠標(biāo)傳送的控制信息，解析模塊用于解析手指的姿態(tài)，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的操作。

進(jìn)一步的，本系統(tǒng)具有多個(gè)空中指環(huán)鼠標(biāo)，分別用于獲取不同手指的三維角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)，通過(guò)通信終端，解析不同手指的姿態(tài)，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的操作。

本發(fā)明的有益效果：

1.操作精度高，較當(dāng)前空中鼠標(biāo)精度提高近74％，接近傳統(tǒng)光學(xué)鼠標(biāo)的操縱精度。

2.體積較小，指環(huán)上殼體體積為9.5cm3；重量輕，總重量為21.5克。

3.使用時(shí)無(wú)噪聲。

4.解決了傳統(tǒng)鼠標(biāo)帶來(lái)的“鼠標(biāo)手”的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明空中鼠標(biāo)使用方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明采用的聯(lián)合式卡爾曼濾波算法原理圖；

圖3為本發(fā)明的一種高精度空中指環(huán)鼠標(biāo)產(chǎn)品總裝圖；

圖4為本發(fā)明的一種高精度空中指環(huán)鼠標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明的第一通信模塊的電路圖；

圖6為本發(fā)明的微處理器模塊電路圖；

圖7為本發(fā)明的陀螺儀模塊電路圖；

圖8為本發(fā)明的加速度傳感器電路圖；

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

本發(fā)明的一種典型實(shí)施例是一種用于空中鼠標(biāo)的多數(shù)據(jù)融合方法：通過(guò)空中鼠標(biāo)中的加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取手指的三維加速度數(shù)據(jù)，通過(guò)空中鼠標(biāo)中的陀螺儀實(shí)時(shí)獲取手指的三維角速度數(shù)據(jù)，采用聯(lián)合式多數(shù)據(jù)融合算法處理三維加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)，生成精確的空中鼠標(biāo)控制信息；所述聯(lián)合式多數(shù)據(jù)融合算法包括一個(gè)主濾波器和多個(gè)子濾波器，多個(gè)子濾波器接收所述三維加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)，生成子估計(jì)信息，再發(fā)送至主濾波器融合成最終的估計(jì)信息，用于生成精確的空中鼠標(biāo)控制信息。

本實(shí)施例中主、子濾波器采用卡爾曼濾波器，采用聯(lián)合式卡爾曼濾波算法處理三維加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)，利用信息分享原理，實(shí)現(xiàn)子濾波器之間的信息分享。各個(gè)子濾波器要從主濾波器中分享信息。各個(gè)子濾波器并不相互獨(dú)立，并且主濾波器完全利用子濾波器的估計(jì)信息融合成系統(tǒng)的估計(jì)信息，與平行濾波算法不一樣，平行濾波算法需要子系統(tǒng)的狀態(tài)預(yù)測(cè)信息和系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測(cè)信息。圖2本發(fā)明采用的聯(lián)合式卡爾曼濾波算法原理圖，本實(shí)施例的關(guān)鍵計(jì)算公式如下：

xi(k)＝ai(k)xi(k-1)+bi(k)wi(k)

yi(k)＝ci(k)xi(k)+vi(k)

上式及圖2中，xi(k)表示第i組狀態(tài)變量的多維狀態(tài)向量；ai(k)、bi(k)都是有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定的與xi(k)相對(duì)應(yīng)的第i個(gè)矩陣；wi(k)是第i組激勵(lì)信號(hào)；p(k)為誤差協(xié)方差；ci(k)是第i組觀測(cè)矢量；vi(k)是測(cè)量噪聲序列，且wi(k)和vi(k)是互不相關(guān)零均值高斯白噪聲；yi(k)是第i組中，一時(shí)刻到第k時(shí)刻，作k次觀測(cè)得到的k個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)y(1)，y(2)，y(3)，…，y(n)；q(k)為系統(tǒng)噪聲方差陣(非負(fù)定)，r(k)為測(cè)量噪聲方差陣(正定陣)。

作為對(duì)上述實(shí)施例的一種改進(jìn)，在采用聯(lián)合式卡爾曼濾波算法處理三維加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)之前，可采用溫度補(bǔ)償算法對(duì)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，以提高鼠標(biāo)精度。

本發(fā)明再一實(shí)施例是一種高精度空中指環(huán)鼠標(biāo)，包括指環(huán)和附著在指環(huán)上的多傳感器融合模塊；多傳感器融合模塊包括上蓋和下蓋，上蓋和下蓋之間設(shè)有依次連接的微處理器模塊、位移傳感模塊、第一通信模塊和電源；位移傳感模塊獲取手指三維數(shù)據(jù)并發(fā)送至微處理器模塊，微處理器模塊內(nèi)置有聯(lián)合式多數(shù)據(jù)融合算法，用于對(duì)手指三維數(shù)據(jù)進(jìn)行融合估計(jì)，生成精確的空中鼠標(biāo)控制信息；所述第一通信模塊接收所述精確的空中鼠標(biāo)控制信息，并發(fā)送至通信終端。

本實(shí)施例中的指環(huán)采用橡膠材料，通過(guò)鼠標(biāo)的橡膠指環(huán)可將鼠標(biāo)佩戴在手指上，鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)布局為立體式布局，最下層是2下蓋，上層依次是3微處理器模塊、4位移傳感器及藍(lán)牙通信模塊、5電源、6上蓋，其整體外形如圖3所示，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

本實(shí)施例中鼠標(biāo)的主控單元及電路元件使用聚合物鋰電池進(jìn)行供電。通過(guò)加速度傳感器與陀螺儀雙傳感器采集手指的三維加速度和三維角速度信號(hào)，使用聯(lián)合式卡爾曼濾波融合算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理。鼠標(biāo)通過(guò)bluetooth技術(shù)與pc端通信，pc端通過(guò)鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序?qū)κ髽?biāo)的指令進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)控制指令。高精度空中指環(huán)鼠標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

藍(lán)牙通信模塊可替換為其它方式，如wi-fi通信、zigbee通信等通信方式。

作為對(duì)上述實(shí)施例的一種變形，多傳感器融合模塊包括封閉殼體和固定在殼體內(nèi)部的微處理器模塊、位移傳感模塊、第一通信模塊和電源。鼠標(biāo)的電路元件及電源被聚碳酸酯塑料殼體保護(hù)，鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)布局同樣為立體式布局。

本實(shí)施例中指環(huán)上殼體體積為9.5cm³，總重量為21.5克，具有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)電源可以選擇太陽(yáng)能電源模塊，可以較為方便的獲取電能，省去充電的麻煩。

本發(fā)明的又一實(shí)施例是一種空中鼠標(biāo)控制系統(tǒng)，包括：空中指環(huán)鼠標(biāo)，包括指環(huán)和附著在指環(huán)上的多傳感器融合模塊，用于獲取用戶(hù)手指的三維角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)；

通信終端，具有第二通信模塊、解析模塊和顯示單元，第二通信模塊用于接收空中指環(huán)鼠標(biāo)傳送的控制信息，解析模塊用于實(shí)時(shí)解析手指的點(diǎn)擊、移動(dòng)等姿態(tài)，將其轉(zhuǎn)換為通信終端顯示單元上光標(biāo)的點(diǎn)擊、移動(dòng)等操作。

系統(tǒng)可具有多個(gè)空中指環(huán)鼠標(biāo)，分別用于獲取不同手指的三維角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)，通過(guò)通信終端，解析不同手指的姿態(tài)，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的操作。

圖5至圖8分別為本發(fā)明的第一通信模塊的電路圖、微處理器模塊電路圖、陀螺儀電路圖和加速度傳感器電路圖。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。