基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)手套設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)調(diào)試研究目錄摘要 摘要隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日漸成熟，局限于鍵盤，鼠標(biāo)的輸入方式已經(jīng)不再適用，急需一種兼容虛擬技術(shù)有操作方便不受約束的輸入方式，數(shù)據(jù)手套以其符合人體工程學(xué)的輸入方式從眾多形形色色的輸入方式中脫穎而出，成為了當(dāng)今比較熱門的研究方向之一。對于人類這種擅長制造且使用工具的物種而言，手是唯一一個(gè)結(jié)合了感知世界且輕易能夠?qū)崿F(xiàn)與外界零距離貼身交流的器官，一相對比手有著其他感知器官所無法比擬的優(yōu)勢。本課題中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)手套采取單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理的核心，以陀螺儀姿態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)對手部數(shù)據(jù)的測量。本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)手套是以單片機(jī)為核心，采用陀螺儀姿態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)對手部數(shù)據(jù)的測量，單片機(jī)對讀取的參數(shù)進(jìn)行濾波處理，并以串口通信的方法發(fā)送給虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Unity3D進(jìn)行三維顯示。本文主要講述了基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)手套硬件設(shè)計(jì)過程、軟件設(shè)計(jì)流程、以及軟硬件聯(lián)合調(diào)試的過程，最終實(shí)現(xiàn)一種可以穩(wěn)定地為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供姿態(tài)并可以實(shí)時(shí)跟蹤的數(shù)據(jù)手套。關(guān)鍵詞：串口通信、Unity3D、卡爾曼濾波、姿態(tài)第1章緒論1.1研究背景及意義人是一種天性浪漫又愛幻想的生物，得益于這一天性人類開發(fā)出了游戲這一釋放天性，娛樂大眾的第九藝術(shù)，隨著科技的發(fā)展和電子設(shè)備技術(shù)的革新虛擬現(xiàn)實(shí)這一新興名詞成為了當(dāng)下科技工作者和資本大亨們的寵兒，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)相對成熟的今天玩家們的注意力已經(jīng)從一個(gè)旁觀者轉(zhuǎn)移到了如何與虛擬現(xiàn)實(shí)中的物品進(jìn)行互動。第一代的操縱手柄因?yàn)闃邮焦殴智也灰撞僮饕呀?jīng)嚴(yán)重影響了玩家們的游戲體驗(yàn)，在眼睛進(jìn)入虛擬世界的同時(shí)，如果手也能同時(shí)觸摸到眼睛所看到的東西那將會是何等的歡愉，但是受限于材料和技術(shù)的發(fā)展我們能做的只有改變操縱手柄的操作方式。人手是除了眼睛，鼻子和耳朵以外人類感知世界的核心手段，如果將操縱方式改為人手式操作這將會是多么的便利，考慮到人還需要用手進(jìn)行操作那么數(shù)據(jù)手套將會是最好的方式[1]。數(shù)據(jù)手套的出現(xiàn)引起了新一波的研發(fā)浪潮，討論的議題很多，由于數(shù)據(jù)手套發(fā)展的時(shí)間有限，當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r距離各行各業(yè)的實(shí)際需求仍然相差甚遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)手套要得到市場的接受還有很長的一段路要走[2]。數(shù)據(jù)手套的技術(shù)難度主要表現(xiàn)在手套檢測精度差，導(dǎo)致手套的沉浸感低，而精度高的數(shù)據(jù)手套其成本也大大提高，在一定程度上阻止了數(shù)據(jù)手套的推廣。同時(shí)數(shù)據(jù)手套也存在著一些硬件設(shè)備的材料老化快，不能長時(shí)間應(yīng)用等問題，對于數(shù)據(jù)手套的使用結(jié)果影響很大。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求越來越高，從而出現(xiàn)了各種類型的數(shù)據(jù)手套，目前數(shù)據(jù)手套從數(shù)據(jù)采集方法上可分為光學(xué)類、光纖類和慣性類。光學(xué)數(shù)據(jù)手套主要在手的各個(gè)部位布置紅外傳感器，通過對紅外攝像頭拍攝的畫面進(jìn)行定位，從而檢測手部的姿態(tài)，該類數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)手套的捕捉的手部動作容易被其它東西屏蔽，且對相機(jī)的拍攝幀率要求較高，同時(shí)它的成本也很高；光纖數(shù)據(jù)手套，顧名思義，采用的就是光纖傳感器，這類數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)采集精度較高，且穩(wěn)定性也很好，其昂貴的售價(jià)局限了它的發(fā)展，使它一般只用于數(shù)據(jù)要求較高的科研場合以及一些大公司的商業(yè)項(xiàng)目，并不適合大規(guī)模的應(yīng)用與市場上；慣性傳感式的數(shù)據(jù)手套因?yàn)槠洳皇芄庹障拗?，輕便耐用等優(yōu)點(diǎn)與其他數(shù)據(jù)手套拉開了一段距離，不需要特定的場合，可以做到隨時(shí)使用，但是它也有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，低廉的慣性傳感器導(dǎo)致它的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，這是硬件本身的問題[3]。目前慣性數(shù)據(jù)手套更滿足市場的發(fā)展和需求，實(shí)際上通過合適的濾波算法，是可以解決數(shù)據(jù)漂移以及噪聲干擾的問題。根據(jù)上述背景，本設(shè)計(jì)將研究一款基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大規(guī)模發(fā)展以來，人機(jī)交互技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)已經(jīng)成為了國內(nèi)外研究學(xué)者的寵兒，數(shù)據(jù)手套作為符合人體行為邏輯的一種人機(jī)交互手段會是未來研究的一個(gè)熱門方向。目前美國StanfordLabs的延伸公司開發(fā)的CyberGlove，其應(yīng)用在數(shù)據(jù)手套上的技術(shù)也極其成熟，所配備的傳感器為嬌貴的光纖傳感器，數(shù)量一般為18或22個(gè)，檢測的精度非常高，可精確測量多達(dá)22個(gè)關(guān)節(jié)角度，優(yōu)于市場上大多數(shù)據(jù)手套，但是同時(shí)這款數(shù)據(jù)手套的價(jià)格也十分昂貴[4][5]。和一些發(fā)達(dá)國家相比，我國的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起步晚，但近幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展比較迅速，受到相關(guān)部門以及各界的重視。在國家的發(fā)展規(guī)劃綱要中將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)認(rèn)定為前沿技術(shù)中信息技術(shù)部分的三大技術(shù)之一，很多重點(diǎn)院校也積極投入這一領(lǐng)域的工作[6]。目前，國內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)憑借自己廣大的平臺，紛紛向VR行業(yè)靠攏，在自己擅長的平臺繼續(xù)發(fā)揮自己的優(yōu)勢。在2016年5月底，百度就上線了VR社區(qū)——百度VR+，旗下子公司愛奇藝也上線VR眼鏡等產(chǎn)品，提升觀眾的觀影體驗(yàn)?；ヂ?lián)網(wǎng)巨頭騰訊也與2016年發(fā)布了VR技術(shù)白皮書，表示VR社交將會成為VR技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用方面，并表示未來的VR社交有三大特點(diǎn)：UGC、顯示捕捉和虛實(shí)結(jié)合。阿里也推出了新的購物方式——Buy+，只需要使用VR眼鏡，就能享受身臨其境的購物體驗(yàn)[7]。國內(nèi)的智能穿戴行業(yè)近些年涌現(xiàn)了很多的可穿戴設(shè)備，包括虛擬設(shè)備VR眼鏡，VR手套等。與其他的可穿戴設(shè)備比起來，數(shù)據(jù)手套的價(jià)格昂貴，市場很小，但是數(shù)據(jù)手套的應(yīng)用前景大好，很多的機(jī)構(gòu)對其做了大量的研究工作，取得了顯著的成果[8]。國內(nèi)的Demxo是全球第一款商業(yè)化便攜式雙手無線力反饋手套，由深圳岱仕科技研發(fā)，岱仕科技致力于數(shù)據(jù)手套的研發(fā)與普及，利用先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)為VR/MR創(chuàng)造下一代交互界面，是全球領(lǐng)先的交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造商。Demxo源自岱仕科技的創(chuàng)始人谷逍馳的個(gè)人項(xiàng)目，Demxo能夠捕捉手部的動作，以及力的反饋，在各行各界都有使用。廣東工業(yè)大學(xué)潘燕彬研究將數(shù)據(jù)手套引進(jìn)虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)交互技術(shù)中，最后建立了數(shù)據(jù)手套與虛擬手的映射關(guān)系[9]。揚(yáng)州大學(xué)張銳通過研究發(fā)現(xiàn)將反饋信號施加給兩個(gè)分別位于垂直與水平方向的磁鐵時(shí)，兩者將彼此吸合并形成電磁力，并最終產(chǎn)生反饋力，從而成功研發(fā)出一款高精度的數(shù)據(jù)手套[10]。李兆基等人在其文章中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)手套利用一組彎曲度傳感器以及九軸運(yùn)動姿態(tài)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[11]。王賦攀等人在其文章中通過結(jié)合3指彎曲數(shù)據(jù)與視覺采集模型相結(jié)合的方法，使手勢建模過程的復(fù)雜度大大降低，快速識別出特定的手勢[12]。1.3本課題的章節(jié)安排第一章的主要內(nèi)容是數(shù)據(jù)手套的背景和研究意義，國內(nèi)外數(shù)據(jù)手套的研究現(xiàn)狀，第二章的主要內(nèi)容是系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與各模塊的器件選型，第三章的主要內(nèi)容是硬件電路設(shè)計(jì)，第四章的主要內(nèi)容是系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，第五章的主要內(nèi)容是系統(tǒng)的調(diào)試與分析，最后，對本設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)與展望。

第2章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究的，單片機(jī)通過對采集模塊的數(shù)據(jù)處理，將傳感器檢測的角度發(fā)送給數(shù)據(jù)顯示模塊行顯示。數(shù)據(jù)手套的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)主要由四個(gè)部分組成，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)框圖數(shù)據(jù)采集模塊由陀螺儀傳感器構(gòu)成，主要是對手部姿態(tài)三維角速度以及三維加速度。主控模塊由單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成，其主要進(jìn)行姿態(tài)的讀取和解算。數(shù)據(jù)傳輸模塊用來控制上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)的交互，將單片機(jī)處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊。數(shù)據(jù)顯示端將讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換顯示在屏幕上，達(dá)到手部姿實(shí)時(shí)態(tài)顯示的目的。2.2系統(tǒng)各模塊的選型2.2.1主控模塊作為一個(gè)系統(tǒng)的核心，主控芯片尤其重要。選擇合適的一款單片機(jī)成為設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。51系列單片機(jī)內(nèi)部擁有一套按位操作的完整系統(tǒng)，處理的對象不是字而是位，且一次能夠處理8位數(shù)據(jù)。使用者能夠直接使用乘法以及除法指令，這在其它大多8位單片機(jī)上是不具有的。51單片機(jī)的缺點(diǎn)主要是運(yùn)行速度相對較慢，還有一些常見的功能需要從外部擴(kuò)展，如ERROM。51單片機(jī)的I/O口使用雖然簡單，但需要使用高電平時(shí)，卻并沒有輸出能力。且51單片機(jī)相比如其它單片機(jī)，其電路的保護(hù)能力較差，如果出現(xiàn)過壓過流的問題，就會造成芯片燒壞，此款芯片一般用在性能、穩(wěn)定性不高的場合。stm32是一款能夠同時(shí)處理32位數(shù)據(jù)的單片機(jī)，有著非常豐富的接口。工作的速度很快，同時(shí)功耗也控制的很好，保持高集成度和開發(fā)簡易的特點(diǎn)。其單片機(jī)程序都是模塊化的，編寫方便。以本設(shè)計(jì)擬采用的STM32F103C8T6為例，此款芯片價(jià)格低廉，存儲容量大，內(nèi)部集成有128k的ROM，I/O口數(shù)量較多，很適合本設(shè)計(jì)的開發(fā)。綜上所述，在考慮各種因素的情況下，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6作為主控芯片。2.2.2數(shù)據(jù)采集模塊陀螺儀模塊是數(shù)據(jù)手套的核心工作器件，它控制著數(shù)據(jù)的輸入，目前市場上比較流行的陀螺儀模塊有MPU9250和MPU6050兩種。MPU9250內(nèi)部集成有角速度計(jì)，加速度計(jì)以及磁力計(jì)，是一個(gè)9軸的運(yùn)動處理傳感器。其陀螺儀是由三個(gè)獨(dú)立檢測三軸的MEMS組成，響應(yīng)特性表現(xiàn)優(yōu)秀。但是市場上大多數(shù)MPU9250傳感器的穩(wěn)定性較差，可讀性不好。MPU6050是一款集角速度計(jì)與加速度計(jì)于一體的運(yùn)動處理傳感器，性能與MPU9250相當(dāng)。用戶可以通過程序控制傳感器的測量范圍，使用起來及其友好。另外，MPU6050的加速度計(jì)與陀螺儀間敏感度被移除，這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)給予的影響與數(shù)據(jù)漂移被大大降低。市場上MPU6050的封裝相較于MPU9250封裝更小，工作更加穩(wěn)定，且價(jià)格也低一些。綜上所述，為降低設(shè)計(jì)的成本，增加設(shè)計(jì)的可靠性，本次設(shè)計(jì)采用MPU6050芯片。2.2.3數(shù)據(jù)傳輸模塊通信是數(shù)據(jù)正常顯示的前提，常見的單片機(jī)通信方案有藍(lán)牙通信、WiFi通信，以及串口通信。無線通信的傳輸依靠電波傳輸，不需要數(shù)據(jù)線，適合較復(fù)雜的信息傳輸，不受距離的影響。串口通信是一種普及率很高的通信技術(shù)，大部分的設(shè)備都會預(yù)留串口端口，同樣在PC上也是標(biāo)配。從設(shè)計(jì)角度來說，串口通信程序編寫簡單，硬件接口比無線傳輸簡單，而且直接能夠用電腦上的串口助手顯示調(diào)試信息，不需要借助其他硬件以及軟件，使得設(shè)計(jì)與調(diào)試更加簡單，適合低速率與短距離的通信。單片機(jī)通信接口的電平邏輯不同于PC機(jī)通信接口的電平邏輯，PC機(jī)上只有USB通信接口，其電平邏輯遵循USB設(shè)計(jì)原則，而單片機(jī)上的電平邏輯遵循TTL原則。因此需要用到USB轉(zhuǎn)TTL串口的硬件設(shè)備。對于本次設(shè)計(jì)，優(yōu)先考慮短距離可靠傳輸，綜合以上因素，選擇串口進(jìn)行通信。

第3章硬件電路設(shè)計(jì)與分析本設(shè)計(jì)主要研究通過單片機(jī)，在虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)引擎unity3D中實(shí)現(xiàn)對手部姿態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤。此系統(tǒng)的基本思路是：單片機(jī)上電后，將初始化指令發(fā)送給陀螺儀傳感器，傳感器正確初始化后，開始檢測手的姿態(tài)，將角度信號傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)與PC之間建立串口通信，將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給PC端口由上位機(jī)進(jìn)行處理。3.1主控電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6型號的單片機(jī)，該型號的單片機(jī)封裝體積小，存儲容量高，其程序存儲器FLASH容量是64KB，RAM容量是20KB。工作溫度為-40℃-85℃，穩(wěn)定性高，功能強(qiáng)大且功耗很低，很適合小項(xiàng)目開發(fā)的需求。STM32F103內(nèi)置單片機(jī)的最小系統(tǒng)由控制芯片、電源、復(fù)位、時(shí)鐘以及LED五大部分組成。3.1.1控制芯片STM32F103的是相對基礎(chǔ)的一款芯片，其引腳數(shù)目多而不雜，功能相當(dāng)豐富，性能較高，本次設(shè)計(jì)需要用到VCC、GND端口以及四個(gè)I/O口，使用3.3V電壓進(jìn)行供電，GND與電腦連接進(jìn)行共地，其中兩個(gè)I/O口與傳感器進(jìn)行連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，另外兩個(gè)I/O口與CH340連接，與PC端進(jìn)行通信?？刂菩酒囊_如圖2所示。圖2控制芯片引腳3.1.2電源供電電路電源系統(tǒng)由電源，電容，RT9193組成。最小系統(tǒng)的輸入電壓為5V，由LDO低壓差線性穩(wěn)壓器將其轉(zhuǎn)換為3.3V，為主控芯片供電。電源系統(tǒng)原理圖如圖3所示。圖3電源系統(tǒng)3.1.3復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位有很多類型，例如軟件復(fù)位、上電復(fù)位、手動復(fù)位等，復(fù)位電路能夠使單片機(jī)恢復(fù)到原始狀態(tài)，屬于手動復(fù)位，它的操作原理與其它常見設(shè)備的重啟功能有著異曲同工之妙，當(dāng)設(shè)定的程序運(yùn)行錯(cuò)誤，不能正常工作時(shí)，就可以手動復(fù)位。復(fù)位電路原理圖如圖4所示，可以看出此處采用硬件按鍵復(fù)位。主控芯片STM32F103是NRST引腳的低電平復(fù)位，按鍵的接觸/松開的接觸過程大約有10ms的抖動，由于電容的電壓不會突變，所以采用電容C2消除按鍵抖動，防止在按鍵剛剛接觸/松開時(shí)的電平抖動引發(fā)誤動作。圖4最小系統(tǒng)復(fù)位電路3.1.4時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號，為主控芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘，保證電路可靠運(yùn)行，晶振的大小能夠直接決定單片機(jī)的工作效率，目前大部分的單片機(jī)內(nèi)部都集成有晶體振蕩器。STM32F103系列單片機(jī)內(nèi)部集成有8MHZ的晶振，當(dāng)系統(tǒng)上電后，默認(rèn)使用內(nèi)部時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘電路采用外接時(shí)鐘電路，時(shí)鐘電路的原理圖如圖5所示。圖5中，外部8M晶振可讓單片機(jī)在72MHz下滿負(fù)荷工作，而32.768KHz可以讓單片機(jī)在極低主頻下工作以降低功耗。圖5最小系統(tǒng)時(shí)鐘電路3.1.5LED電路在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，需要不斷的通電斷電進(jìn)行調(diào)試。在接上電源的時(shí)候，D1會被點(diǎn)亮，起到通電指示的作用。D2為單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示燈，單片機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，處于熄滅狀態(tài)。LED電路如圖6所示。圖6調(diào)試接口電路3.2數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，首先需要MPU6050模塊為系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。MPU6050具有體積小、自帶DMP、支持IIC從機(jī)地址設(shè)置和中斷、兼容3.3V/5V系統(tǒng)，使用方便等特點(diǎn)。MPU6050包含加速度計(jì)和角速度計(jì)兩個(gè)部分，分別用來測模塊的角速度和加速度。該模塊基本特性及功能如表1所示。表1MPU6050特性及功能表接口特性3.3V/5V通信接口IIC接口通信速率400KHz測量緯度加速度：3維；角速度：3維加速度測量范圍±2/±4/±8/±16g角速度測量范圍±250/±500/±1000/±2000°/秒ADC位數(shù)16位分辨率加速度；16384LSB/g(Max)；角速度：131LSB/(°/s)(Max)輸出速率加速度：1Khz(Max);角速度：8Khz(Max)姿態(tài)解算輸出速率200Hz(Max)工作溫度-40℃-85℃模塊尺寸16mm*18mm角速度計(jì)由科里典利效應(yīng)來檢測每個(gè)軸的轉(zhuǎn)動，原理是：傳感器的電容會隨著某個(gè)軸發(fā)生變化而變化，傳感器再將信號放大、調(diào)解和濾波，輸出一個(gè)與角速度成正比的電壓，最后將這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成16位的數(shù)據(jù)。用戶還可以選擇使用低通濾波器過濾掉一部分雜波。MPU6050的三軸加速度計(jì)也進(jìn)行相互獨(dú)立檢測，同樣根據(jù)軸的偏差度引起軸上的電容的變化，從結(jié)構(gòu)上減少了各種因素造成的偏差。在水平的地面上，加速度計(jì)的X軸和Y軸會輸出0g的加速度，Z軸會輸出1g的加速度。MPU6050的電路原理圖如圖7所示。在圖7中管腳1為MPU6050的VCC，管腳2為GND，分別與單片機(jī)的VCC，GND相連；管腳3為SDA，是IIC通信數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)I/O口的PB7相連；管腳4為SCL，為IIC通信時(shí)鐘線，與單片機(jī)的I/O口的PB6相連；管腳5與管腳6為INT、ADO，分別為中斷輸出的引腳，以及IIC從機(jī)輸出地址設(shè)置，本設(shè)計(jì)中不需要用到這兩個(gè)引腳，因此在設(shè)計(jì)電路過程中懸空管腳5管腳6即可。圖7MPU6050電路原理圖3.3數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)使用串口通信的時(shí)候，需要使用USB轉(zhuǎn)TTL電路將單片機(jī)和PC的電平轉(zhuǎn)換為雙方可以識別的信號，本設(shè)計(jì)采用CH340來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。CH340是一種極為常見的USB轉(zhuǎn)TTL的設(shè)備，在PC端WINDOWS操作系統(tǒng)下，不需要修改串口的應(yīng)用程序，完全兼容。其硬件最簡單時(shí)只需要三根線：GND,TXD,RXD，通訊波特率支持50bps-2Mbps之間，適合進(jìn)行程序調(diào)試及信息傳輸。CH340原理圖如圖8所示。圖8CH340電路原理圖管腳1可選擇連接單片機(jī)的VCC，也可以選擇不連接；管腳2為TXD，即CH340的數(shù)據(jù)發(fā)送，連接單片機(jī)I/O口的A10管腳；管腳3位RXD，即CH340的數(shù)據(jù)接收，連接單片機(jī)I/O口的A9管腳；管腳4連接單片機(jī)的GND，單片機(jī)在與電腦進(jìn)行通信的過程中，必須與CH340共地。

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在對模塊選型和電路搭建之后，需要進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這是完成設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，是協(xié)調(diào)各個(gè)模塊正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)部分：第一部分為下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)主程序的設(shè)計(jì)，傳感器子程序的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)的濾波程序；第二部分設(shè)計(jì)上位機(jī)Unity3D腳本程序，包括串口接收，字節(jié)處理等功能。通過這兩部分的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)虛擬手對現(xiàn)實(shí)世界中手的顯示和追蹤。系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示。圖9系統(tǒng)軟件流程圖首先給單片機(jī)上電，系統(tǒng)開始運(yùn)行。隨后對模塊進(jìn)行初始化，初始化成功，讀取數(shù)據(jù)采集模塊中的數(shù)據(jù)，初始化失敗則一直發(fā)送初始化指令。模塊中的數(shù)據(jù)被單片機(jī)接收之后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算以及濾波。再打開串口，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)判斷有沒有接收到串口的數(shù)據(jù)，若有對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并更新Unity3D中模型屬性的數(shù)據(jù)，然后返回循環(huán)。若沒有接收到數(shù)據(jù)，上位機(jī)則無響應(yīng)，同時(shí)系統(tǒng)也返回循環(huán)。4.1軟件介紹在程序設(shè)計(jì)過程中，需要使用KeiluVision5以及VisualStudio進(jìn)行程序的編寫，下面對這兩款軟件進(jìn)行介紹。KeiluVision5是一款經(jīng)典的編寫C語言程序的軟件，該軟件擁有靈活的窗口管理系統(tǒng)，方便代碼的閱讀。并且軟件內(nèi)部集成了C編譯器，連接器等強(qiáng)大的功能，可直接通過該軟件編譯并且下載程序，方便調(diào)試。VisualStudio是微軟開發(fā)的工具包系列產(chǎn)品，作為一款高效的編寫程序的軟件，能夠使用VisualStudio提供的通用代碼庫在Windows、Linux等大操作系統(tǒng)上快速開發(fā)應(yīng)用軟件。在編寫C#語言方面，配置簡單，適合Unity腳本的開發(fā)。本次設(shè)計(jì)使用的是2015版本的VisualStudio，相較于前面的幾代，此版本支持更多優(yōu)秀的功能，例如移動端的跨平臺開發(fā)、Web和云開發(fā)等。4.2下位機(jī)程序設(shè)計(jì)4.2.1單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)中，首先需要對串口以及傳感器模塊進(jìn)行初始化，等待初始化成功后，單片機(jī)開始接收MPU6050部分發(fā)送的三軸加速度計(jì)以及三軸陀螺儀原始數(shù)據(jù)，將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理以及姿態(tài)解算，等待與電腦建立通信后，將處理完成后的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端口。單片機(jī)控制著下位機(jī)的運(yùn)行以及上位機(jī)的輸入，在模塊初始化之后，單片機(jī)會進(jìn)入循環(huán)的處理運(yùn)行。單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)如圖10所示。圖10單片機(jī)主程序4.2.2數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)在整個(gè)程序設(shè)計(jì)過程中，數(shù)據(jù)采集模塊作為本系統(tǒng)的輸入部分，起著至關(guān)重要的作用，對于MPU6050的操作主要有寫寄存器和讀寄存器兩個(gè)操作。在MPU6050模塊初始化后，如果要寫入MPU6050寄存器，需要在單片機(jī)發(fā)出開始位的信號之后，然后加上一個(gè)讀/寫位，其中0表示寫，1表示讀。直到第9個(gè)時(shí)鐘周期，MPU6050會產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號，然后單片機(jī)向MPU6050傳送寄存器的地址，仍然要有應(yīng)答信號，開始向傳送寄存器數(shù)據(jù)，依次類推。如果要讀取MPU6050寄存器的值，首先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)開始信號，再繼續(xù)發(fā)送MPU6050設(shè)備地址和一個(gè)讀數(shù)據(jù)位，作為從設(shè)備的MPU6050開始產(chǎn)生應(yīng)答信號，并將寄存器數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。MPU6050和單片機(jī)的通信以單片機(jī)產(chǎn)生的拒絕應(yīng)答信號和結(jié)束標(biāo)志結(jié)束。拒絕應(yīng)答信號產(chǎn)生定義為SDA數(shù)據(jù)在第9個(gè)時(shí)鐘周期一直為高。本程序主要讀取MPU6050寄存器中存取的三軸加速度及三軸角速度的數(shù)據(jù)，讀取寄存器流程圖如圖11所示：圖11MPU6050寄存器讀取流程MPU6050正確初始化之后，會向其寄存器寫入讀取的加速度和角速度，此時(shí)單片機(jī)需要向MPU6050發(fā)送開始位來確認(rèn)讀取數(shù)據(jù)，再把此設(shè)備的地址發(fā)送以及讀信號發(fā)送給MPU6050，傳感器確認(rèn)了信息準(zhǔn)確之后，會產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號，單片機(jī)接收到之后繼續(xù)發(fā)送寄存器地址，開始讀取MPU6050中的數(shù)據(jù)。4.2.3姿態(tài)解算子程序設(shè)計(jì)在將MPU6050的數(shù)據(jù)讀取到之后，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，將加速度以及角速度解算成三軸旋轉(zhuǎn)的角度，首先對加速度進(jìn)行解算。當(dāng)MPU6050水平置于地面上時(shí)，Z軸受到重力加速度的影響，其加速度為1g，X軸以及Y軸的加速度為0g?？梢詫⑵鋵懗上蛄?0,0,g)，對每個(gè)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)就是對此向量進(jìn)行操作。基于此，可以將一個(gè)任意的旋轉(zhuǎn)分解為三步，先對Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)：（4.1）其中，為Z軸旋轉(zhuǎn)的角度，、、分別為三個(gè)軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)后的加速度。再對Y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)：（4.2）其中，為Y軸旋轉(zhuǎn)的角度，、、分別為三個(gè)軸繞Y軸旋轉(zhuǎn)后的加速度。最后對X軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)：（4.3）其中，為X軸旋轉(zhuǎn)的角度，、、分別為三個(gè)軸繞X軸旋轉(zhuǎn)后的加速度。通過對上述各部分的運(yùn)算最終可以求得：（4.4）這是一個(gè)關(guān)于，的方程，通過解這個(gè)方程，可以求得，。以上是對加速度的解算，在繞Z軸旋轉(zhuǎn)過程中，重力加速度始終為g，因此通過加速度無法解算。角速度解算成的角度主要用于姿態(tài)的更新，主要通過對角速度進(jìn)行積分，計(jì)算出旋轉(zhuǎn)的角度。假設(shè)時(shí)刻X軸旋轉(zhuǎn)的角度為，時(shí)刻內(nèi)角度變化量為，所以時(shí)刻的角度為。在角速度的解算過程中，Z軸旋轉(zhuǎn)的角度為時(shí)，用于姿態(tài)更新的角速度則為，此時(shí)各軸讀到角速度可寫為：（4.5）此時(shí)繞Y軸的角速度還需要經(jīng)歷一次旋轉(zhuǎn)變化，而繞X軸就不需要。所以總的各軸角速度為：（4.6）經(jīng)過簡化、反解可得：（4.7）、、等求得的角度為姿態(tài)更新時(shí)需要用到的角度。角速度的解算是對相同時(shí)間段內(nèi)的角速度進(jìn)行積分，得到角度的變化量，將其加到上一個(gè)時(shí)刻角度，得到新的角度，這種方法可以求出、、三個(gè)角度。4.2.4濾波子程序設(shè)計(jì)MPU6050讀取數(shù)據(jù)會有噪聲的影響，產(chǎn)生零漂現(xiàn)象，所以要對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計(jì)濾波方案采用的是卡爾曼濾波?？柭鼮V波作為最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)的處理算法，能夠去除干擾及噪聲還原近乎真實(shí)的數(shù)據(jù)。卡爾曼濾波于上個(gè)世紀(jì)60年代被提出，其利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)的輸入和輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。在觀測數(shù)據(jù)中，這種最優(yōu)估計(jì)已經(jīng)考慮了噪聲以及干擾的影響，所以其廣義上可以認(rèn)為是一個(gè)濾波過程。假如在不同的時(shí)刻系統(tǒng)受到了一定的擾動以及測量上誤差的影響，此時(shí)只需要為它的某些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，然后對這些難以處理的噪聲信號進(jìn)行處理，所求的誤差進(jìn)行一個(gè)平均運(yùn)算，就可以估計(jì)認(rèn)為所得數(shù)值為最小真實(shí)信號值，由此可以看出卡爾曼濾波是可以處理各種復(fù)雜的信號和噪聲的。所以，各行各業(yè)中都有應(yīng)用到卡爾曼濾波理論，得益于這一理論的出現(xiàn)，在該理論所應(yīng)用到的領(lǐng)域中逐漸涌現(xiàn)出具有代表性和劃時(shí)代性的應(yīng)用成就[13]?？柭鼮V波的核心為2個(gè)時(shí)間更新方程以及3個(gè)狀態(tài)更新方程。時(shí)間更新方程是基于系統(tǒng)的上一狀態(tài)而預(yù)測出現(xiàn)在的狀態(tài)：（4.8）（4.9）為系統(tǒng)噪聲方差，這里忽略了系統(tǒng)的噪聲，這個(gè)系統(tǒng)的噪聲就成了需要手動設(shè)置的值，其意義在于能夠給人工干預(yù)留下一個(gè)入口。是協(xié)方差，描述估計(jì)值的準(zhǔn)確程度。計(jì)算現(xiàn)在狀態(tài)的最優(yōu)化估算值：（4.10）（4.11）其中為卡爾曼增益，其作用是用來調(diào)整濾波程度的大小?？柭鼮V波器在每一次循環(huán)處理最后還需要更新迭代狀態(tài)下的的協(xié)方差。（4.12）其中為1的矩陣，對于只有一個(gè)模型測量的量，=1。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)時(shí)，就是式子（4.9）的。這樣，算法就可以自回歸運(yùn)算下去[14]。在本設(shè)計(jì)中，卡爾曼濾波設(shè)計(jì)思路如圖12所示。圖12卡爾曼濾波設(shè)計(jì)思路通過加速度求出的旋轉(zhuǎn)角度，將其輸入卡爾曼濾波器，使用角速度求出的角度來進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合計(jì)算，從而得出可靠穩(wěn)定的新數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為本設(shè)計(jì)所求真實(shí)角度。4.3上位機(jī)程序設(shè)計(jì)Unity3D是一款由UnityTechnologies公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎軟件，具有很高的靈活性。Unity3D作為一個(gè)先進(jìn)的國際專業(yè)游戲引擎，能夠更方便的創(chuàng)建游戲以及創(chuàng)造三維互動內(nèi)容。Unity3D能夠?yàn)閯?chuàng)作者提供超過20個(gè)平臺創(chuàng)作和優(yōu)化，包括一些大型主流平臺，如Windows、iOS、Android、Swtich等，內(nèi)部組件能夠及時(shí)的更新跌代[15]。Unity3D在移動平臺幾乎成為3D游戲開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)工具，使用它開發(fā)的游戲數(shù)不勝數(shù)。本次模型設(shè)計(jì)及演示使用的是2019版本。在Unity3D上顯示傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，首先需要建立實(shí)際的模型，通過Unity3D中的各個(gè)組件來設(shè)計(jì)手的模型，并在窗口以文本形式顯示出數(shù)據(jù)，便于對模型進(jìn)行更加直觀的調(diào)試。建立模型完成后，需要通過腳本來控制Unity3D實(shí)時(shí)讀取端口數(shù)據(jù)，并將腳本附加給Unity3D的模型。上位機(jī)運(yùn)行流程圖如圖13所示，主要有以下幾個(gè)步驟：（1）創(chuàng)建串口并設(shè)置端口的基本信息，主要包括端口的串口名，波特率，校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位，停止位。（2）使用內(nèi)置串口類，進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的接收。設(shè)置的波特率為9600，則設(shè)置每次接收的字節(jié)數(shù)組長度為24位，并判斷是否接收到“\r”，結(jié)束本次接收。圖13上位機(jī)程序流程圖（3）接收的數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制字節(jié)的數(shù)組，需要將其轉(zhuǎn)換為明文。首先將數(shù)組轉(zhuǎn)換成字符串，并在數(shù)組的每一個(gè)元素之間插入空格組成字符串，再使用C#中的convert方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（4）更新Unity3D模型的數(shù)據(jù)，在Unity3D固定更新函數(shù)FixedUpdate中，將旋轉(zhuǎn)的角度發(fā)送至模型的旋轉(zhuǎn)組件以及文本組件，F(xiàn)ixedUpdate的更新頻率為每0.0025s更新一次。

第5章系統(tǒng)調(diào)試在完成對硬件電路以及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)之后，首先根據(jù)原理圖，在面包板上搭建仿真電路。然后通過CH340模塊燒寫程序，正確連接單片機(jī)與PC的通信線路。根據(jù)出現(xiàn)的情況不斷進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)。對于本設(shè)計(jì)，使用到的軟件較多，需要調(diào)試的參數(shù)也很多，下面從一些常用的軟件介紹展開，從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹對系統(tǒng)調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的一些問題及分析。5.1硬件調(diào)試本次硬件設(shè)計(jì)過程中，我主要進(jìn)行了以下的幾個(gè)步驟：（1）在加工PCB板之前，首先對自己的原理圖以及PCB是否出現(xiàn)問題。檢查過程中發(fā)現(xiàn)PCB圖未正確走線，單層板會導(dǎo)致直接短路。（2）拿到PCB裸板之后，仔細(xì)檢查加工怎么樣，使用萬用表測量電源和地有沒有被短路。未發(fā)現(xiàn)異常后，再進(jìn)行電子元器件的焊接。焊接一部分調(diào)試一部分元器件，降低不必要的工作量，以達(dá)到事半功倍的效果。焊接完成后，檢查是否有漏焊、虛焊，使得每一個(gè)焊點(diǎn)飽滿勻稱，確保板子的質(zhì)量以及不會因?yàn)槎秳釉斐珊更c(diǎn)的脫落。在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)板子上兩個(gè)焊點(diǎn)中間的錫因?yàn)檎`操作沒有被清理干凈，進(jìn)行及時(shí)處理之后，未有新問題發(fā)現(xiàn)。（3）接著通電進(jìn)行整機(jī)的調(diào)試，首先觀察單片機(jī)上檢測短路的LED是否亮起，以防出現(xiàn)線路短路問題。再檢查是否有元器件過熱問題出現(xiàn)，未出現(xiàn)任何問題，硬件調(diào)試完成。5.2軟件調(diào)試軟件調(diào)試是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要步驟，軟件調(diào)試的過程問題也是很多的。下面對軟件的調(diào)試步驟進(jìn)行說明。（1）進(jìn)行程序的燒寫。為了方便調(diào)試，同樣使用CH340進(jìn)行ISP方式下載程序燒寫軟件為FlyMcu。將單片機(jī)的BOOT0置1，單片機(jī)將從系統(tǒng)存儲器啟動。上電之后，選擇正確的端口進(jìn)行程序下載。在下載之前，還要檢查DTR和RTS的是否設(shè)置正確，正常情況下缺省即為正確，否則下載可能失敗。（2）燒寫完成之后，將BOOT0置0，上電之后，程序開始運(yùn)行，先使用串口助手讀取串口接收的數(shù)據(jù)是否是期望的數(shù)據(jù)。要注意端口號和波特率是否正確，否則讀不到數(shù)據(jù)或者讀到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼。（3）在串口助手出現(xiàn)期望的數(shù)據(jù)之后，可以將上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，讀取串口的數(shù)據(jù)。如果在Unity3D中無數(shù)據(jù)顯示，要檢查是否將C#腳本正確移到模型組件里。在交互的過程