基于MEMS惯性传感器的多功能体感输入系统研究

摘要

现如今，随着Kinect、Xbox、PS3等体感游戏设备的兴起，体感输入设备在多媒体场合的应用越来越广泛。体感输入设备相比于传统输入设备，具有操作方便、使用简单、不依赖于平面等众多优点。然而，市面上常见的体感输入设备设计复杂、功能单一、价格昂贵。鉴于MEMS惯性传感器在智能电子系统领域的广泛使用，将微加速度芯片应用于计算机输入设备，势必会克服传统输入设备依赖于平面及操作不舒适等缺点，并且为设备多功能的实现带来可能。所以，本文提出一种基于MEMS加速度传感器的多功能体感输入系统。
　　本设计采用单个加速度传感器感应手掌在空间各个轴向上的静态和动态加速度大小，将加速度信号处理转换成手掌的倾角姿态、转动角速度、位移等运动参数，并且采用基于低功耗蓝牙(BLE4.0)设计技术的TI CC2540蓝牙片上系统(SOC)芯片实现设备与计算机间的无线数据传输。同时，根据用户选择的设备功能模式动态调用相应的控制算法对手势运动进行分析处理，实现鼠标、四向滚轮、手柄等常见计算机外设输入功能。
　　系统硬件设计上主要由 MMA7361加速度感测电路、CC2540蓝牙控制电路、按键电路以及电源等组成。加速度信号的采样、转换、编码及发送这一系列的处理均由CC2540芯片编程完成，所以只需很少一部分的外围器件，这样便减小了电路噪音干扰和硬件成本。此外，文章提出硬件功能软件化的设计理念，基于NI LabVIEW图形化编程平台设计并实现鼠标、滚轮、手柄等不同外设的控制功能，开发了一套具备人机交互功能的体感输入软件程序，拓宽了软件应用前景。
　　测试结果表明该输入系统在300cm距离内报告率高达125Hz，能顺利反映用户操作意图，具有操作简便、工作稳定、定位精准等优点，特别适合会议、教室、展厅等场合。

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1 绪论

1.1 微机电系统概述

1.2 体感交互技术国内外研究现状

1.3 课题背景及研究意义

1.4 本文的工作和内容章节安排

2 多功能体感输入系统研究与设计

2.1 手势动作分析

2.2 系统设计方案

2.3 输入系统硬件设计

2.4 输入系统软件设计

2.5 本章小结

3 输入系统原理及相关控制算法设计

3.1 算法需求分析

3.2 控制算法分析与设计

3.3 滤波及校准

3.4 本章小结

4 低功耗蓝牙协议栈架构分析与通信程序设计

4.1 BLE软件协议栈剖析

4.2 BLE 4.0控制器接口HCI分析及设计

4.3 主从机一体串口透传软件设计

4.4 本章小结

5 系统性能测试与结果分析

5.1 实验平台

5.2 测试与分析

5.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果