基于姿态传感器的手写输入装置设计(附件)【字数：10775】
摘 要随着电子产品的日益增多，如今我们已经越来越少地运用笔手写书面汉字了。更多的手写输入装置被设计出来运用在各种各样的电子产品里，然而这些手写输入被广泛应用于计算机和手机输入，其大多基于电容或电阻触摸屏来获取笔在屏幕上的运动，从而识别出字出来。我们可以在一张普通的纸上，手握笔，通过固定在笔上的姿态传感器，就可以方便获得手写运动过程，为人机交互提供了便利。通过姿态传感器的加速度及角度数据，再进行译码操作，获取手写笔划，进而实现手写输入具有较好的演示效果。目前，国内的手写体汉字识别技术多数基于Windows平台，在姿态传感器下，手写识别装置几乎是没有的，而且不同的硬件实现识别技术也是天差地别。所以，本设计装置希望对今后的姿态手写装置的研究起到些许的作用。本设计采用六轴（三轴陀螺仪、三轴加速度）姿态传感器MPU6050作为核心传感器，其运动产生的数据直接通过透传蓝牙模块HC05直接将数据通过电脑蓝牙传输到电脑上，并通过译码，完成数据的转化，识别出其运动轨迹，实现手写输入。本设计能识别简单的手写数字识别。设计的创新点在于使用的硬件为姿态传感器，不再需要电容或电阻触摸屏，调整姿态传感器在笔上的位置，来增加其识别的准确度。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2基于姿态传感器的手写输入装置的研究背景与意义 1
1.3姿态传感器及蓝牙技术的发展状况与特点 1
1.3.1国外发展状况 1
1.3.2国内发展状况 2
1.3.3姿态传感器用于手写的特点 2
1.4本文主要研究内容 3
1.5本章小结 3
第二章 姿态传感器技术 4
2.1姿态传感器的分类和选型 4
2.2本章小结 6
第三章 基于姿态传感器的手写输入装置电路整体方案 8
3.1系统总体框图 8
3.2姿态传感器模块介绍 9
3.2.1 GY25Z模块 9
3.2.2 GY25Z模块连接电路 12
3.3蓝牙模块设计 13
3.3.1 蓝牙透传介绍 13
3.3.2 HC05模块 13
3.4识别设 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
计 14
3.5本章小结 15
第四章 手写识别实验 16
4.1实验方法 16
4.2成品图 19
4.3本章小结 19
第五章 总结与展望 20
5.1论文工作情况总结 20
5.2对设计创新的思考 20
5.3对字形准确度的思考 21
5.4未来展望 21
结束语 22
致谢 23
参考文献 24
附录A 26
第一章 绪论
1.1引言
最近几年，谷歌、微软、苹果这几个公司都在汉字识别的研究中投资，目前，这些公司的手写识别产品都已经先后进入了我国市场[1]。由于这些手写技术的核心依旧掌握在欧美国家手中，中国的研究技术也一直跟不上，基于姿态传感器的手写输入国内更是少之又少。本设计便是研究姿态传感器下的手写装置。
1.2基于姿态传感器的手写输入装置的研究背景与意义
1988年，刘迎建等人提出了一批优秀的汉字识别分类器，这些分类跟汉字的手写特征，大大降低了识别汉字的难度，对研究汉字手写输入提供了坚实的基础和方向，为之后的基于姿态传感器对手写运动识别汉字降低了识别的错误率，提高正确识别的能力。此外，多个研究机构制作了一批优秀的手写体汉字样本库，代表的有哈尔滨工业大学的HITMW样本字体库、北京邮电大学的HCL2000样本字体库等[1]。
所以基于姿态传感器的手写输入装置的设计相比于那些基于电阻或电容触摸屏的手写装置来说，显得更加自由，没有拘束，也显得具有科技感，在一张普通的纸或者空中就可以写出能识别的字体出来。若此装置的设计可以成熟稳定运行，我相信会很快占领市场，并迅速挤掉写字板称为主流产品，产品的前景光明，所以本设计的研究是非常具有意义的。
1.3姿态传感器及蓝牙技术的发展状况与特点
1.3.1国外发展状况
姿态传感器的嵌入应用有很多，基于单片机开发的应用技术也已经足够成熟。例如，Elisa Morgantia的嵌入式传感器手表就是如此，从外部的角度看，一个大的带子覆盖了射频识读器的天线。在腰带的内侧，一组力传感器可以检测到肌腱的运动。在显示器的下面，运行Linux嵌入式系统的ARM9微控制器详细阐述了来自传感器的数据。特别是手表中心嵌入了一个三轴加速度计，磁力计和陀螺仪。射频识读器一种用于触觉反馈的振动电机，一种用于音频反馈的扬声器。蓝牙模块允许传输来自嵌入式微控制器的原始数据或手势[5]。通过手表内嵌传感器，并发送给ARM9单片机处理数据，就可以更直观地知道手带者的运动状态、运动方式及运动的动作。
1.3.2国内发展状况
针对矢量姿态传感器，有一种微型MEMS姿态传感器，并将其封装在声矢量传感器内部，实现基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计。首先根据声矢量传感器姿态测量与校正原理，采用四元数姿态解算方法及扩展卡尔曼滤波器设计MEMS姿态传感器，并对其进行姿态精度测试；然后基于MEMS姿态传感器进行声矢量传感器样机设计、制作、参数测试，最终验证了利用MEMS姿态传感器设计声矢量传感器的可行性。
白万民研究的XGZTIII型姿态传感器。XGZTIII型姿态传感器检测平台具有检测精度高、体积小、长期稳定性好、安装携带方便以及能够适应复杂使用环境等的特点，对提高军队作战攻击能力具有十分重要的意义。[2]
蓝牙技术目前在我国应用的领域主要是手机、PC等，在未来的市场上，除了这些蓝牙产品外，根据我国的各方面大发展情况，目前蓝牙技术已经将个人数字助理，行动电话，笔记型计算机、打印机、数字相机等这些有线的产品变成无线，已衍生出的实际应用包含了计算机与?计算机之间的档案传送、自动数据同步，三合一的行动电话、头戴耳机、计算机上的免持听筒应用、无线遥控PC连接应用、汽车无线耳机使用、网络桥接、互动会议等。这些成功应用的任一模式都可根据远程、移动、网络教育的需要直接或稍加改造移植开发出多种蓝牙教学多媒体或教学环境。
1.3.3姿态传感器用于手写的特点
（1）无需线路连接。利用蓝牙技术，通过无线通讯，免去了线路的连接，直接通过蓝牙将数据传输到PC端。是手写不受线的拘束，可以直接提笔就写。减少了线路传输的成本，也不必用到串口/USB转接的，省去了线路的成本，能够节约资源。
（2）便捷又可靠。传统的手写装置都会有一个笔记本大小的手写板，并且只能在手写板上书写想要写的字，大大的限制了手写装置的携带，也限制了手写的范围，由于设计是基于姿态传感器和蓝牙的，以后，一只笔上就可以集成蓝牙、姿态传感器和电源，便于携带，只要连接上蓝牙，就可实现手写输入，十分方便。
（3）抗干扰性能强。蓝牙技术相比与其它技术，蓝牙采用了更频繁跳频技术和更小的数据分组，这样蓝牙技术就更加可靠。
（4）不足。目前该手写装置还存在很多弊端，比如电池体积大，不便于放置在笔上手写；传感器和蓝牙用电，有时需要跟换电池；传输距离很短；识别错误率高。此外手写装置的姿态传感器对电路要求比较高，如果电路不稳定，造成短路，姿态传感器很容易就会烧坏。现在解决无线充电技术的当务之急就是减小电池的体积及是别的正确率。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2基于姿态传感器的手写输入装置的研究背景与意义 1
1.3姿态传感器及蓝牙技术的发展状况与特点 1
1.3.1国外发展状况 1
1.3.2国内发展状况 2
1.3.3姿态传感器用于手写的特点 2
1.4本文主要研究内容 3
1.5本章小结 3
第二章 姿态传感器技术 4
2.1姿态传感器的分类和选型 4
2.2本章小结 6
第三章 基于姿态传感器的手写输入装置电路整体方案 8
3.1系统总体框图 8
3.2姿态传感器模块介绍 9
3.2.1 GY25Z模块 9
3.2.2 GY25Z模块连接电路 12
3.3蓝牙模块设计 13
3.3.1 蓝牙透传介绍 13
3.3.2 HC05模块 13
3.4识别设 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
计 14
3.5本章小结 15
第四章 手写识别实验 16
4.1实验方法 16
4.2成品图 19
4.3本章小结 19
第五章 总结与展望 20
5.1论文工作情况总结 20
5.2对设计创新的思考 20
5.3对字形准确度的思考 21
5.4未来展望 21
结束语 22
致谢 23
参考文献 24
附录A 26
第一章 绪论
1.1引言
最近几年，谷歌、微软、苹果这几个公司都在汉字识别的研究中投资，目前，这些公司的手写识别产品都已经先后进入了我国市场[1]。由于这些手写技术的核心依旧掌握在欧美国家手中，中国的研究技术也一直跟不上，基于姿态传感器的手写输入国内更是少之又少。本设计便是研究姿态传感器下的手写装置。
1.2基于姿态传感器的手写输入装置的研究背景与意义
1988年，刘迎建等人提出了一批优秀的汉字识别分类器，这些分类跟汉字的手写特征，大大降低了识别汉字的难度，对研究汉字手写输入提供了坚实的基础和方向，为之后的基于姿态传感器对手写运动识别汉字降低了识别的错误率，提高正确识别的能力。此外，多个研究机构制作了一批优秀的手写体汉字样本库，代表的有哈尔滨工业大学的HITMW样本字体库、北京邮电大学的HCL2000样本字体库等[1]。
所以基于姿态传感器的手写输入装置的设计相比于那些基于电阻或电容触摸屏的手写装置来说，显得更加自由，没有拘束，也显得具有科技感，在一张普通的纸或者空中就可以写出能识别的字体出来。若此装置的设计可以成熟稳定运行，我相信会很快占领市场，并迅速挤掉写字板称为主流产品，产品的前景光明，所以本设计的研究是非常具有意义的。
1.3姿态传感器及蓝牙技术的发展状况与特点
1.3.1国外发展状况
姿态传感器的嵌入应用有很多，基于单片机开发的应用技术也已经足够成熟。例如，Elisa Morgantia的嵌入式传感器手表就是如此，从外部的角度看，一个大的带子覆盖了射频识读器的天线。在腰带的内侧，一组力传感器可以检测到肌腱的运动。在显示器的下面，运行Linux嵌入式系统的ARM9微控制器详细阐述了来自传感器的数据。特别是手表中心嵌入了一个三轴加速度计，磁力计和陀螺仪。射频识读器一种用于触觉反馈的振动电机，一种用于音频反馈的扬声器。蓝牙模块允许传输来自嵌入式微控制器的原始数据或手势[5]。通过手表内嵌传感器，并发送给ARM9单片机处理数据，就可以更直观地知道手带者的运动状态、运动方式及运动的动作。
1.3.2国内发展状况
针对矢量姿态传感器，有一种微型MEMS姿态传感器，并将其封装在声矢量传感器内部，实现基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计。首先根据声矢量传感器姿态测量与校正原理，采用四元数姿态解算方法及扩展卡尔曼滤波器设计MEMS姿态传感器，并对其进行姿态精度测试；然后基于MEMS姿态传感器进行声矢量传感器样机设计、制作、参数测试，最终验证了利用MEMS姿态传感器设计声矢量传感器的可行性。
白万民研究的XGZTIII型姿态传感器。XGZTIII型姿态传感器检测平台具有检测精度高、体积小、长期稳定性好、安装携带方便以及能够适应复杂使用环境等的特点，对提高军队作战攻击能力具有十分重要的意义。[2]
蓝牙技术目前在我国应用的领域主要是手机、PC等，在未来的市场上，除了这些蓝牙产品外，根据我国的各方面大发展情况，目前蓝牙技术已经将个人数字助理，行动电话，笔记型计算机、打印机、数字相机等这些有线的产品变成无线，已衍生出的实际应用包含了计算机与?计算机之间的档案传送、自动数据同步，三合一的行动电话、头戴耳机、计算机上的免持听筒应用、无线遥控PC连接应用、汽车无线耳机使用、网络桥接、互动会议等。这些成功应用的任一模式都可根据远程、移动、网络教育的需要直接或稍加改造移植开发出多种蓝牙教学多媒体或教学环境。
1.3.3姿态传感器用于手写的特点
（1）无需线路连接。利用蓝牙技术，通过无线通讯，免去了线路的连接，直接通过蓝牙将数据传输到PC端。是手写不受线的拘束，可以直接提笔就写。减少了线路传输的成本，也不必用到串口/USB转接的，省去了线路的成本，能够节约资源。
（2）便捷又可靠。传统的手写装置都会有一个笔记本大小的手写板，并且只能在手写板上书写想要写的字，大大的限制了手写装置的携带，也限制了手写的范围，由于设计是基于姿态传感器和蓝牙的，以后，一只笔上就可以集成蓝牙、姿态传感器和电源，便于携带，只要连接上蓝牙，就可实现手写输入，十分方便。
（3）抗干扰性能强。蓝牙技术相比与其它技术，蓝牙采用了更频繁跳频技术和更小的数据分组，这样蓝牙技术就更加可靠。
（4）不足。目前该手写装置还存在很多弊端，比如电池体积大，不便于放置在笔上手写；传感器和蓝牙用电，有时需要跟换电池；传输距离很短；识别错误率高。此外手写装置的姿态传感器对电路要求比较高，如果电路不稳定，造成短路，姿态传感器很容易就会烧坏。现在解决无线充电技术的当务之急就是减小电池的体积及是别的正确率。
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