基于MEMS加速度计的输入系统的研究

　　微机电系统, MEMS, 作为当今学科交叉的前沿研究领域, 是正在飞跃发展的微米/ 纳米技术的一项十分重要的技术。MEMS 将微电子、精密机械、生化和信息处理等高技术有机整合, 不仅能够采集、处理与发送信息或指令, 还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。

　　随着信息技术的飞速发展, 电脑已经成为人们日常工作、学习必不可少的工具。目前的电脑输入系统也各式各样, 品种繁多。而我们所设计的输入系统, 使用基于MEMS 的微加速度计测量敏感方向的信息。系统不仅有鼠标的功能, 而且可以在三维空间上同步操作者的三维运动, 可以用于游戏棒等电脑外设。

　　目前, 对这种MEMS 的输入系统, 国内外均有类似的研究。密西根大学设计了一种加速度传感器鼠标, 将双轴加速度传感器应用于鼠标, 通过测量手部运动的加速度, 进而转换为位移信号对应于双轴坐标系的位置来控制光标的运动[ 1] 。英国伯明翰大学的David Humphreys 等研制了一种输入设备, 利用回转仪的转动可以控制电脑屏幕上三维立体的旋转[ 2] 。

　　1 系统设计

　　系统主要的研究目的是实现电脑输入的功能,即无线鼠标和在三维条件下的人机交互。根据该设计思路, 我们确定了系统的整体设计, 即系统的功能构成以及系统各模块的具体组成。该无线输入系统由两个子系统组成: 远端发射子系统和主机端接收子系统。

　　在微加速度计工作方式上, 我们考虑水平移动和旋转移动两种方式。在实际实现时, 不可能保证微加速度计敏感轴处于绝对水平的位置, 而且由于人手操作产生的加速度在10 mg 这个数量级, 再加上噪声等因素的影响, 我们得到的误差信号会远大于有用信号, 水平移动的灵敏度很低。因此采用水平移动作为微加速度计的工作方式则效果不佳。

　　使用旋转移动方式时, 由于用户操作的特点, 旋转速度很缓慢, 所产生的旋转离心加速度、旋转切向加速度、径向及轴向振动的影响, 与重力加速度相比是可以忽略的, 因此微加速度计的输出主要是重力加速度在输出轴方向上的分量, 我们就可以得到比误差信号大得多的稳定信号, 从而提高输入系统的灵敏度。因此在本系统中, 根据微加速度计的倾斜特性, 我们采用旋转移动方式作为微加速度计在鼠标上的工作模式。

　　基本原理是: 绕X 轴旋转了H角度后( 以逆时针旋转为正方向) , 微加速度计的X 轴没有输出, 而Y 轴输出分别

　　根据上述定义, 微加速度计偏转时, 向右旋转,屏幕上指针向右移动( 即对应X 轴正方向) ; 向左旋转, 屏幕上指针向左移动( 即对应X 轴负方向) ; 向前旋转, 屏幕上指针向上移动( 即对应Y 轴负方向) ; 向后旋转, 屏幕上指针向下移动( 即对应Y 轴正方向) 。微加速度计近似处于水平位置, 则X 轴和Y 轴输出均为零, 此时屏幕上指针静止不动。