陀螺儀可感應空間的變化，與位置無關，能夠檢測運動過程中每個軸上旋轉的角速度(角度/s) [1-2]。目前已有的無線空中鼠標大多數(shù)所采用的技術有：Gyration公司的無線空中鼠標GYM1100NA,采用傳統(tǒng)的微機械數(shù)字陀螺儀方式來實現(xiàn),其型號為MG1101BA,靈敏度達+/-500°/s，該數(shù)字陀螺儀的售價為8美元。然而隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的飛速發(fā)展和不斷成熟，MEMS的陀螺儀應運而生,如羅技公司應用了MEMS陀螺儀技術設計實現(xiàn)了無線空中鼠標MX Air。它采用了應美盛(INVENSENSE)公司的IXZ-500兩軸模擬陀螺儀來實現(xiàn)，靈敏度達+/-500°/s,該模擬陀螺儀的售價約為3美元。但采用模擬陀螺儀，單片機內部需要完成AD轉換，需要另外再增加0.5美元左右的單片機成本。因此，要實現(xiàn)數(shù)字陀螺儀同樣的功能，成本為3.5美元左右。由此可見，采用模擬陀螺儀加AD轉換的方案成本減少了4.5美元，同時傳統(tǒng)的微機械陀螺儀MG1101的體積為13.8 mm×14.75 mm×16 mm，而IXZ-500的MEMS陀螺儀的體積僅為4 mm×5 mm×1.2 mm。為了節(jié)省空中鼠標的生產(chǎn)成本和縮小鼠標的體積,本文采用兩軸MEMS模擬陀螺儀(IXZ-500)+AD轉換的方式來實現(xiàn)空中鼠標指針空中姿態(tài)控制。

1 兩軸模擬陀螺儀的外圍硬件設計
    本文研究的兩軸模擬陀螺儀為INVENSENSE公司的IXZ-500陀螺儀，它的每軸靈敏度達+/-500°/s，兩路模擬輸出，工作電壓為3.0  V。采用該陀螺儀實現(xiàn)無線空中鼠標的空中指針控制的外圍硬件設計如圖1所示。

2 兩軸模擬陀螺儀的數(shù)據(jù)處理及轉化
2.1 兩軸陀螺儀數(shù)據(jù)的模數(shù)轉換
    (1)帶AD功能的單片機選型
　因為兩軸陀螺儀輸出的是2路模擬信號，輸出后需要經(jīng)過AD轉換。因此在選擇主控單片機時，要選擇至少帶2路AD的單片機。為了提高采樣的精度，可選擇AD在10位以上、采樣速率在100 b/s以上的主控單片機。但采樣精度的提高會影響采樣速度，在采樣精度和速率選擇上，可以先通過理論分析，然后經(jīng)過實際性能的測試，選擇合適的采樣精度和速率，從而獲得一個較好的空中鼠標姿態(tài)感知的靈敏度。本文選擇的是12位2路以上AD的單片機,采樣速率可達480  b/s。
　(2)AD時鐘及采樣率設置
　設置單片機的CPU時鐘CPU_Clock為12 MHz，AD采樣的時鐘DataClock為8 MHz，采樣精度為12 bit。則：
 
    (3)IXZ-500工作原理及AD轉換的實現(xiàn)
　IXZ-500陀螺儀的工作靈敏度為+/-500°/s，當陀螺儀在平面上發(fā)生旋轉時，每個軸上會輸出一個與旋轉角度相關的模擬電壓信號，在工作范圍之內，旋轉的角度大小與電壓變化大小成正比。設計中，通過單片機的AD轉換器來檢測電壓變化的大小以檢測平面上旋轉角度的變化大小，從而實現(xiàn)空中旋轉角度的檢測，即實現(xiàn)空中鼠標在空中的旋轉角度檢測。
　當IXZ-500陀螺儀開始通電工作后，陀螺儀保持靜止不動時,每個軸會輸出一個大小為1.25 V的靜態(tài)電壓值；當陀螺儀發(fā)生旋轉后，電壓會在靜態(tài)電壓值的兩側發(fā)生變化。旋轉方向不同，電壓變化的方向也不同(增大或者減少)，即1.25 V +/-?駐V。旋轉的角度與電壓變化大小關系為：2 mV/(°/s)。
　單片機啟動AD轉換后，完成對陀螺儀輸出電壓的轉換，AD完成1次電壓轉換需要約2 ms的時間。本設計設置為10 ms采樣一次,通過采用定時器10 ms的中斷方式進行控制。
2.2 靜態(tài)基準點的捕捉
　當陀螺儀保持靜止不動時，芯片的數(shù)據(jù)手冊給出的參考靜態(tài)電壓值為1.25 V。然而在實際工作中，由于器件的差異性、外圍環(huán)境溫度變化等，都會使每個陀螺儀工作在靜止狀態(tài)時，靜態(tài)電壓值并不一定是數(shù)據(jù)手冊給定的值[3]。因此需要對靜止狀態(tài)下的輸出電壓進行重新檢測，即靜態(tài)基準點的捕捉。
　靜態(tài)基準點的捕捉方法如下：
　(1)保持兩軸陀螺儀在靜止狀態(tài)，由單片機的AD轉換器采樣陀螺儀的輸出電壓并完成AD轉換。假設兩軸陀螺儀AD轉換后的值為：Current_x和Current_z。
　(2)由于陀螺儀本身存在噪聲的影響，需要屏蔽噪聲。這里Current_x和Current_z都為12 bit的數(shù)值，設計時將其最低2位數(shù)據(jù)屏蔽掉，即將Current_x和Current_z分別與0xffc位進行“與”操作。
　(3)為了進一步消除誤差，將上述的數(shù)據(jù)連續(xù)讀取兩次，求平均值。
　(4)因為兩軸陀螺儀在靜止狀態(tài)下，輸出的電壓基本上不變化，所以可以連續(xù)檢測多次，然后進行數(shù)據(jù)比較。如果連續(xù)檢測多次經(jīng)過屏蔽及平均之后的數(shù)據(jù)都相等，則表明兩軸陀螺儀是處在靜止狀態(tài)。
　(5)分別記錄此時Current_x和Current_z的值。這兩個值即為靜態(tài)基準點的值：Static_x和Static_z。
　(6)在實際應用中，將Static_x和Static_z寫入主控器的EEPROM中，其目的是使得下次Static_x和Static_z的值可以直接從EEPROM中讀出，不必要每次都檢測靜態(tài)基準點。
2.3 動態(tài)旋轉角度變化率的測量
　當兩軸陀螺儀發(fā)生旋轉時，每個軸的輸出電壓會發(fā)生變化，即在靜態(tài)基準電壓的兩側變化。
　(1)兩軸陀螺儀發(fā)生旋轉時，計算兩維方向上的旋轉角度變化率：
  
式中，Current_x表示x軸上的輸出量，Static_x表示x軸上的沒有發(fā)生旋轉時輸出量；q為陀螺儀的靈敏度系數(shù)(系數(shù)的大小可根據(jù)實際的需要進行設置，要提高靈敏度則可以減小系數(shù)的大小)。z軸上旋轉角度變化率的計算方法同x軸。
　當物體發(fā)生旋轉時，陀螺儀也跟著旋轉，通過對旋轉角度變化率的測量，就能測量出陀螺儀在平面上旋轉角度的變化，從而得知物體在空中的旋轉變化。
　(2)在空中鼠標的應用中，本文將陀螺儀的靈敏度系數(shù)q的值設置為20，經(jīng)過實際鼠標的測試，已能滿足鼠標指針在空中的位移控制需要。
3 無線空中鼠標指針控制流程
　無線空中鼠標指針的空中旋轉控制流程如圖2所示。對于2.4 GHz的無線通信部分，可以參考文獻[4]。

4 兩軸陀螺儀的參數(shù)動態(tài)自校正
　由于兩軸陀螺儀在環(huán)境溫度變化或工作電壓下降后，兩軸陀螺儀靜態(tài)的基準點會發(fā)生改變即發(fā)生零點漂移[5]，使得Static_x和Static_z的值發(fā)生改變。因此需要對靜態(tài)的基準點進行校正,即重新捕捉Static_x和Static_z的值。為此本文提出一種動態(tài)自校正的算法，對相應的Static_x和Static_z參數(shù)進行自校正,取得較好的校正效果。
　動態(tài)自校正的算法引用靜態(tài)基準點的捕捉方法進行控制，控制過程如圖3所示。

　對于參數(shù)i、j用戶可以根據(jù)具體不同的實際需要進行調整，i、j增大會增加校正的時間，但可以增加靜態(tài)捕捉點的精度。本文i、j的設置是根據(jù)空中鼠標實際性能的測試后得出的。通過對鼠標的實際測試，該控制方法校正時間小于2 s。
    本文通過對傳統(tǒng)的微機械陀螺儀、數(shù)字陀螺儀及MEMS陀螺儀進行了比較研究，提出了一種采用兩軸模擬陀螺儀技術實現(xiàn)低成本的空中鼠標指針的控制方法。該方法目前已成功應用于無線空中鼠標中，在空中可以檢測旋轉角度范圍為+/-500°/s，實現(xiàn)了空中鼠標指針在空中的自由控制,已獲得實用新型專利一項[6]。此外，該方法還可應用于人體動作跟蹤、游戲控制器、機器人及自動導航等人機輸入設備中。
參考文獻
[1]  董煜茜,高鐘毓,張嶸. 微機械陀螺儀的性能分析[J]. 清華大學學報<自然科學版>,1998, 38(11):1-3.
[2]  谷慶紅. 微機械陀螺儀的研制現(xiàn)狀[J]. 中國慣性技術學報, 2003,11(5):67-72.
[3]  葛海江, 陶姍. 姿態(tài)感知鼠標指針的控制方法[J]. 機電工程. 2009,26(3):105-107.
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[5]  金光明，張國良,陳林鵬,等. MEMS陀螺儀靜態(tài)漂移模型與濾波方法研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2007,26(11):48-50.
[6]  戴國駿, 葛海江，姜若林，等. 一種多功能無線鼠標裝置: 中國, 專利申請?zhí)?200710164504.7.2008-05-14.