摘 要

随着VR（Virtual Reality）游戏、现代化教学、信息化办公的流行，高效、便捷等字眼越来越多的出现在我们生活中，与传统的电脑游戏、PPT教学、公司会议不同，新的娱乐方式与教学方式要求有一款不依托于平面的控制器，更确切的说是鼠标，来满足其所要的功能，可以使其在空中实现对光标的操纵。

本论文主要设计了典型无线定位系统----无线空中鼠标，其采用mpu6050六轴传感器输出加速度测量值及角速度测量值并通过FPGA（Field－Programmable Gate Array）进行姿态解算得到姿态角，最后通过蓝牙与电脑传输姿态控制光标，达到空中鼠标的目的。利用FPGA实现本系统，具有运行速度快、使用操作简单方便、便携式和成本低的特点。

关键词： 空中鼠标； FPGA ； mpu6050

Abstract

With VR (Virtual Reality) game, modern teaching, information office of the popular, efficient and convenient other words more and more present in our lives, and traditional computer games, PPT teaching, different corporate meetings, new entertainment Style and teaching methods require a plane without relying on the controller, more precisely, is the mouse to meet their desired function, you can make it in the air to achieve the cursor manipulation.

In this thesis, the basic design of a left and right buttons function with air mouse, which uses a six-axis sensor output mpu6050 acceleration and angular velocity measured value and the measured value by FPGA (Field-Programmable Gate Array) were obtained solving attitude attitude angle Finally, to control the cursor with the computer via Bluetooth transmission posture, achieve the purpose of the air mouse. Using FPGA to realize the present system, with a fast, simple and easy to operate, portable and low cost.

Keywords: Air Mouse；FPGA；mpu6050

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 研究内容与主要工作 4

第2章 姿态测量与解算理论基础 6

2.1空间欧拉角的定义 6

2.2方向余弦矩阵的推导 7

2.3四元数与欧拉角关系 8

2.4 一阶互补算法 10

第3章 系统的硬件设计 11

3.1 系统整体框图 11

3.2 FPGA芯片简介 11

3.2.1 电源管脚 12

3.2.2 时钟与锁相环管脚 12

3.2.3 配置管脚与特殊管脚 12

3.3 FPGA最小系统的设计 12

3.3.1 电源电路设计 13

3.3.2 时钟电路设计 13

3.3.3 JTAG模式配置电路 13

3.3.4 AS模式配置电路 14

3.4 Mpu6050电路 15

3.5 HC05蓝牙串口模块 17

第4章 印刷电路板PCB的设计 19

第5章 系统的软件设计 21

5.1 软件流程 22

5.2 I2C通讯协议 23

5.3 六轴传感器的初始配置 23

5.4姿态解算算法流程 24

5.5指针映射编码程序流程 25

5.6空中鼠标实际实现效果 26

第6章 结论 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1 课题背景

无线定位系统是指利用无线电波直线恒速传播特性通过测量固定或运动的物体的位置以进行定位的技术。一般认为，无线定位系统可以分为4大类，分别为基于卫星、基于专用无线局域网、基于特定网络、基于公共无线通信系统的定位系统。无线鼠标则是基于专用无线局域网络的定位系统的典型应用之一^[1]。

无线定位是现代技术中一项重要的技术，它的基于定位的特性有着很可观的市场前景，比如在儿童走失这个非常严重的问题上，微型定位系统的发展就显得尤关重要，同样的微型定位系统也可以在自行车防盗系统、展览防盗系统等各种防盗系统中大显神通。在安全问题上，定位系统可以举出好多例子，如原始森林的探险保障系统，博物馆的到点清人系统^[2]。所有这些系统的共同特点就是可以在人或物体上安装信号发射器，通过系统接收到信号并返回从而确定方位。而随着技术的发展，室内定位技术的发展受到越来越高的重视，比如商场，景区等等，而相比于wifi高耗电的缺点，GPS在室内信号衰落巨大的特点，3/4G基地费用昂贵等限制因素，蓝牙定位系统的出现就比较解渴。在商场中NFC标签的使用可以非常方便地节省人力物力，达到现代化物流网的标准。它定位精确，能耗低，费用低廉，唯一的缺点传输速度慢也可以被数据的小容量化解，可以说是物流网定位的最佳选择。NFC是在RFID的基础上演变而来，它可以快速建立蓝牙设备之间的P2P无线通信^[3]。

 本文主要介绍基于蓝牙技术的无线定位系统。

蓝牙传输具有传输速度快，延迟低，安全性好的优势。蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格、基于蓝牙的应用是否能成为规模。而现在的蓝牙技术的不足在于它的器件和设备的价格比较昂贵，因此开发人员的数目相对于其他通信技术较少，而且在复杂的空间环境中，蓝牙技术的稳定性较差，比较易受干扰，因此相比于这些不足，必须尽可能地扩大蓝牙其他方面的优势，比如安全性、传输速度、成本上做文章，使其生产达到更大的规模化，使更多的开发人员感兴趣并受益其中，从而推动蓝牙产业的发展，解决其易受干扰的缺点，在市场分额不高的情况下，只有努力凸显其价值才能提高其价值，在家具、办公用品中使用蓝牙技术都是非常方便的。

蓝牙方面最强的应用之一在于一个公司把蓝牙技术嵌入了假肢中，使一名失去双腿的患者重获行走能力。其原理在于两个假肢的踝部都装有蓝牙接收器，该装置可以互相沟通，协调他们的行动步调，并保持一致的速度、方向和力量。他们之间互相模仿，互相借鉴，用于控制步幅。蓝牙假肢可以上坡、下坡。他们之间可以有不同的速度，并通过蓝牙控制器使他们的步调一致^[4]。