新概念多媒体控制笔

【摘 要】 本款新型PPT控制笔通过进行轨迹追踪和设定特定姿态，以数字形式输出融合演算数据。再通过SPI总线传输给MCU利用欧拉角公式进行计算，并向电脑发送数据，实现调用画笔进行空中书写和各种特定指令的操作。

【关键词】 MPU6050 陀螺仪 加速度计 欧拉公式 NRF24L01

伴随着PPT进行教学的广泛应用，而传统PPT控制笔功能单一，给许多的老师带来很多不变，影响了课堂的进度和节奏性，根据这些问题，我们有针对性的设计了这一款新概念多媒体控制笔，满足教学等领域的需求。

1 姿态信息的处理

控制笔在空间的不同姿态在通过MPU6050有不同的值，在此我们采用欧拉角对控制笔的姿态进行描述。我们首先定义一个绝对的直角坐标系称之为固定参考系，而在控制笔上建立一个新的直角坐标系称之为动参考系。则动参考系相对于固定参考系的变化反映出空间构件――控制笔的姿态调整。假定开始时两参考系对应轴重合，动坐标系绕固定坐标系的Z轴旋转α角度，再绕Y轴旋转β角度，最后绕X轴旋转γ角度。

由于我们采用Z-Y-X的变换顺序，因而最终姿态矩阵（方向余弦矩阵）的欧拉角形式为：

矩阵A中就包含了全部的姿态信息，由于陀螺仪直接测量的物理量是其载体角速度，我们可将角速度用欧拉角微分方程进行转化，

但可知俯仰角β不能等于90度，无法全姿态描述控制笔的动作，所以引入四元数，且有助于姿态更新。将其转换为欧拉角格式，最后用欧拉角的形式对控制笔的姿态进行描述，首先将欧拉角格式转换为为四元数格式，

按Z-Y-X顺序，先绕Z轴转动α角，绕Y轴转动β角，绕X轴转动γ角，

根据四元数对旋转的运算规则：

因而可根据上述结果将欧拉角映射为四元数，然后根据上述公式可将欧拉角初始化为四元数：q0，q1，q2，q3.

下面对四元数进行实时更新：由于一阶 龙格――库塔 方法已经能满足控制笔对精度的要求，为用四元数表示方向余弦矩阵，需对四元数进行单位化处理：（m=0，1，2，3）

若点P绕空间单位向量旋转θ=2arccos（） 则对应的姿态矩阵的单位化四元数形式为：

为更为直观的描述出控制笔的姿态，我们再将四元数转换为欧拉角，转换公式如下：

α=arctan（），β=，γ=。

2 利用MPU6050获取实时姿态数

为了对操作者手部姿态变化实时采样处理，我们在PPT控制笔内部集成了一个MPU6050（九轴运动处理传感器）芯片。由于MPU6050内部集成有3轴MEMS陀螺仪和3轴MEMS加速度计以及一个可扩展数字运动处理器DMP，并且其内部还有三个16位的ADC将模拟信号转化为数字信号以输出融合演算数据。

3 利用卡尔曼滤波算法去掉“噪声”干扰

先用陀螺仪数据经过解算后得出的姿态角作为卡尔曼滤波中的状态值，根据加速度计解算出的另一组数据作为量测值。由卡尔曼滤波模型，对加速度计和陀螺仪设置合理的信任度（协方差），确定模型中的各参数。将传入的状态值与测量值进行比对，进而实现陀螺仪漂移误差的自动补偿，最终输出一组相对准确的融合姿态数据。

4 通讯部分―NRF2401

4.1 外部引脚与MCU的连接。

NRF24L01的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口。

4.2 数据收发

NRF24L01采用的收发模式是ShockBurstTM收发模式，接收模式下，当接到有效地址和控制笔在空中的位置数据时，IQR通知MCU，随后MCU可以将接受的数据从RX FIFO寄存器中读出，发送模式下，自动生成CRC校验发，送完毕后IRQ通知MCU，NRF24L01内部有三个不同的RX FIFO寄存器和三个不同的TX FIFO寄存器。MCU可以随时访问FIFO寄存器。这就允许SPI接口可以以低速进行数据传送。

NRF24L01配置为接收模式时可以接收6路不同地址相同频率的数据。每个数据通道拥有自己的地址并且可以通过寄存器来进行分别配置。

数据通道是通过寄存器EN_RXADDR来设置的，默认状态下只有数据通道0和数据通道1 是开启状态的。

每一个数据通道的地址是通过寄存器RX_ADDR_Px来配置的。通常情况下不允许不同的数据通道设置完全相同的地址。

数据通道0-5的地址为：32位共用地址+各自的地址（最低字节），其中各自地址不能相同。

5 结束语

本文介绍了有关此新型PPT控制笔的功能实现的途径，和其与其他普通PPT控制笔的不同之处，经过完善和改进，能够实现了空中书写和姿态命令，特别适合于多媒体教学，方便老师，提高教学质量。

参考文献

[1]袁信，郑锷.《捷联式惯性导航原理》.

[2]黄真，李艳文，高峰.空间运动构件姿态的欧拉角表示.

[3]陈志明，王惠南，刘海颖.全角度欧拉角与四元数转换研究.

[4]谭晖.nRF无线SOC单片机原理与高级应用.