红外线定位鼠标教鞭

1一种红外线定位鼠标教鞭，其特征在于：它由红外线定位系统、教 鞭杆系统以及计算机软件组成，红外线定位系统包括在投影幕的两侧安装 有红外线收发装置，四个红外线发射灯分别位于收发装置的内部，红外线 发射灯位于收发装置的顶部，在收发装置中从上到下每隔0.75厘米安装一 个接收灯，在收发装置的下部均有数据采集线与数据采集控制器相连，而 数据采集器通过串口线与计算机主机的串口相连，计算机通过视频线与投 影设备相连，教鞭杆系统包括教鞭头、教鞭杆，在教鞭把上装有左右两个 按键，在教鞭把的内部还装有一个无线电发射装置，在计算机的鼠标内， 安装有一个无线电接收装置，接收教鞭的左右按键信息，红外线定位系统 及计算机控制系统完成红外线平面定位；教鞭杆系统由教鞭头、教鞭杆、 教鞭柄、教鞭柄上的左右键、教鞭柄内的无线发送器、以及计算机鼠标口 上的无线接收器组成，它完成红外线遮挡定位和鼠标左右键以及教鞭功能， 由单片机控制平面定位系统完成数据采集，再把数据发送到计算机，最后 由计算机软件完成当前教鞭头遮挡光标位置的计算和控制，单片机和计算 机之间数据传输可以采用有线传输或是无线传输，红外线遮挡定位方法采 用四点发射双侧接收方法，教鞭与电脑无线连接，完成红外线遮挡和鼠标 左右键以及教鞭功能，单片机控制平面定位系统完成数据采集，再把数据 发送到计算机，最后由计算机软件完成当前教鞭头遮挡光标位置的计算； 当红外发射灯点亮时，对面的红外线收发装置的接收灯能收到相应的被教 鞭头遮挡的位置，这两组数据通过数据采集线发送到数据采集控制器，经 过数据采集控制器对数据进行筛选处理，然后通过串口发送到计算机主机， 计算机主机对串口来的数据进行处理，得到点的在红外线收发装置测量面 上的以红外发射灯为坐标原点、坐标系中的绝对位置，通过软件相应设置 将点做为投影相对坐标的原点，只要当光标点到这个角上时，计算机屏幕 上的光标就立刻到这个地方，教鞭头所指的位置位于投影四个点之内，这 时，红外发射灯经过教鞭头时，形成一个由示意线形成的遮挡区，得到最 后教鞭头在屏幕上的位置。
2根据权利要求1所述的教鞭，其特征在于：所说的红外线定位系统 由红外线发射灯、红外线接收灯组成，红外线发射灯、红外线接收灯均位 于同一平面。
3.根据权利要求1所述的教鞭，其特征在于：单片机和计算机之间数 据传输可以采用有线传输或是无线传输。

技术领域：本发明涉及一种多媒体计算机大屏幕投影用的定位鼠标教 鞭，特别是一种即点即到控制计算机鼠标的教鞭。\n背景技术：随着计算机技术的发展和教育硬件环境的改善，各种多媒 体计算机大屏幕投影演示的应用，人们对计算机操作提出了更高的要求， 在以往的教学或演示中，大多采用鼠标进行控制，而鼠标定位目前主要是 看着光标进行操作，这样对于演讲者来说，在操作光标之前，必须知道当 前光标的位置，从而给使用带来多种不便。目前广泛使用的几种多媒体鼠 标教鞭，其实质是仍然采用移动鼠标的方法来实现对计算机光标的控制或 是实现其操作，而找当前光标对于一个面对听众的使用者来说，无疑有多 种不便。\n发明的内容：克服现有技术的不足，设计一种实现即点即到的(所 谓即点即到就是教鞭点到大屏幕的任何一个点上，光标就立即到该点)多 媒体计算机大屏幕投影用的红外线定位鼠标教鞭。红外线定位鼠标教鞭由 红外线定位系统、教鞭杆系统以及计算机控制系统组成，红外线定位系统 包括在投影幕的两侧安装有红外线收发装置，四个红外线发射灯分别位于 收发装置的内部，红外线发射灯位于收发装置的顶部，在收发装置中从上 到下每隔0.75厘米安装一个接收灯，在收发装置的下部均有数据采集线与 数据采集控制器相连，而数据采集器通过串口线与计算机主机的串口相连， 计算机通过视频线与投影设备相连，教鞭杆系统包括教鞭头、教鞭杆，在 教鞭把上装有左右两个按键，在教鞭把的内部还装有一个无线电发射装置， 在计算机的鼠标内，安装有一个无线电接收装置，接收教鞭的左右按键信 息，红外线定位系统及计算机控制系统完成红外线平面定位；教鞭杆系统 由教鞭头、教鞭杆、教鞭柄、教鞭柄上的左右键、教鞭柄内的无线发送器、 以及计算机鼠标口上的无线接收器组成，它完成红外线遮挡定位和鼠标左 右键以及教鞭功能，由单片机控制平面定位系统完成数据采集，再把数据发 送到计算机，最后由计算机软件完成当前教鞭头遮挡光标位置的计算和控 制，单片机和计算机之间数据传输可以采用有线传输或是无线传输，红外 线遮挡定位方法采用四点发射双侧接收方法，教鞭与电脑无线连接，完成 红外线遮挡和鼠标左右键以及教鞭功能，单片机控制平面定位系统完成数 据采集，再把数据发送到计算机，最后由计算机软件完成当前教鞭头遮挡 光标位置的计算；当红外发射灯点亮时，对面的红外线收发装置的接收灯 能收到相应的被教鞭头遮挡的位置，这两组数据通过数据采集线发送到数 据采集控制器，经过数据采集控制器对数据进行筛选处理，然后通过串口 发送到计算机主机，计算机主机对串口来的数据进行处理，得到点的在红 外线收发装置测量面上的以红外发射灯为坐标原点、坐标系中的绝对位置， 通过软件相应设置将点做为投影相对坐标的原点，只要当光标点到这个角 上时，计算机屏幕上的光标就立刻到这个地方，教鞭头所指的位置位于投 影四个点之内，这时，红外发射灯经过教鞭头时，形成一个由示意线形成 的遮挡区，得到最后教鞭头在屏幕上的位置。本发明由于采用当前光标、 即点即到的方式进行工作，避免在使用多媒体计算机投影屏幕进行教学或 演讲时用类如普通鼠标的看着光标操作，给使用者造成不便，使讲演者可 站在屏幕前任意点击实现教鞭点到那里，光标就跟到那里，因而提高演讲\n图15为本发明的教鞭结构视图；\n图16为本发明的总体结构视图；\n图17为红外线光栅位置检测电路示意图；\n图18为接收器电原理图；\n具体实施方式：如图16，在投影幕7的两侧安装有红外线收发 装置1、2，而四个红外线发射灯3、4、5、6分别位于收发装置1、2 的内部，红外线发射灯3、6位于收发装置1、2的顶部，红外线发射 灯4、5位于收发装置1、2距离顶部2.5米的位置，在收发装置1、2 中从上到下每隔0.75厘米安装一个接收灯，在收发装置1、2的下部 均有数据采集线11与数据采集控制器12相连，而数据采集器12通 过串口线15与计算机主机14的串口相连，计算机同时通过视频线与 投影设备相连，另外，教鞭头9是一个黑色直径为3厘米的泡沫塑料 制成，教鞭杆10则由高炭纤维制成，在教鞭把8分别装有左右两个 按键(即实现鼠标左右键功能)，在教鞭把8的内部还装有一个无线 电发射装置，在计算机的鼠标16内，安装有一个无线电接收装置， 以接收教鞭的左右按键信息。\n工作原理：如图16所示，计算机屏幕13上的内容通过投影机18 投影到投影幕7上，点23、24、25、26分别为投影投到幕上的投影 四个角，首先，用教鞭头9点到点23上，通过前面的定位方法，我们 得出，这时当红外发射灯3点亮时，对面的在红外线收发装置2中的 接收灯就能收到相应的被教鞭头遮挡的灯的位置，同理，当红外发射 灯6点亮时，对面的红外线收发装置1中的接收灯也能收到相应的被 教鞭头遮挡的位置，这两组数据通过数据采集线11发送到数据采集 控制器12，经过数据采集控制器12对数据进行筛选处理，然后通过 串口发送到计算机主机14，计算机主机14对串口来的数据进行处理， 得到点23的在红外线收发装置1、2形成的测量面上的以红外发射灯 3为坐标原点(注意坐标的向右和向下的值均为正值，这种坐标系统 与计算机屏幕显示的坐标系完全相同)的坐标系中的绝对位置，同时， 通过软件相应设置将点23做为投影相对坐标的原点，也就是说，只 要当光标点到这个角上时，计算机屏幕上的光标就立刻到这个地方， 同样，对点24、25、26进行定位，完成这点23、24、25、26的绝对 坐标定位之后，我们就可以正常地使用这个系统了。如图16所示， 教鞭头9所指的位置位于投影四个点23、24、25、26之内，这时， 红外发射灯3经过教鞭头9时，形成一个由示意线19和示意线20形 成的遮挡区，同理，红外发射灯6也一样，形成示意线21和示意线22 形成的遮挡区，利用前面介绍的原理，我们可以得到最后教鞭头在屏 幕上的位置，从使用效果看，只要教鞭头点到投影的一个位置，光标 就立刻跟到教鞭头所点的位置，即实现了即点即到的光标定位功能， 同时配合教鞭把上的左右键操作，我们则在投影幕上实现对计算机的 所有光标操作功能，特别适合使用在多媒体教学以及使用计算机进行 投影演的场所。红外线收发装置1、2的结构：红外线收发装置分别 安装在投影屏幕左右两侧，其内部电路一样，如下图示。图中WYJ1至 WYJn是并入串出寄存器，HK381B是红外线接收器，HK2051是红外线 发射器，BT是接触投影屏幕上的教鞭端点。工作过程是，在单片机 程序的控制下，红外线发射器D1灯亮，其BT投影落到A点上(实际 在A左右附近都有投影，经计算机处理后取A点)，接收器HK381B接 收到遮挡信号后输出为“1”(没接收到遮挡信号的各位为“0”)，接 着在单片机程序的控制下，M脉冲打入，将数据送入WYJ寄存器锁存， 然后，由移位脉冲CLK把数据通过串口送入上位机。接着发射灯D2亮， 其过程同D1，B点的信息也送入上位机。\n另一收发装置同样将D3、D4信息送入上位机，其后过程如前所 述。这就是收发装置1、收发装置2工作原理。\n采用HK381B红外线接收器如图18、、HK2051红外线发射器， 是为了提高抗干扰性能，接收、发射灯采用38KHZ调制方式，经 实际证明，该方法可消除外界光线干扰。图17为红外线光栅位置 检测电路示意图。\n计算机的鼠标16教鞭及教鞭把内的无线电发射器结构：鼠标接 收器、教鞭手柄内部发射器电原理图如图示：这里需要说明的是，鼠 标接收器、柄内部发射器只用来实现鼠标左右键单击、双击、拖牵功 能用。当按下发射器左键时，接收机左路模拟开关MK-Z闭合，使鼠 标左键也闭合，带替原来直接操作鼠标的过程，按发射器右键和拖牵 可达到同样目的。手柄下端可旋转打开，用来更换发射器电池。\n下面结合附图来说明实现即点即到功能的鼠标教鞭的定位原 理：对光标进行定位，获取教鞭头在投影幕上的位置，是本方案的核 心，从表面看，使用者拿着教鞭(或其它杆状物体)指到投影屏幕的 任何一个点时，相应的光标就指向该处，然后按动教鞭相应的左右按 键，光标将迅速响应动作，从而实现教鞭的功能，实际上，在动作的 背后，涉及复杂的定位方法，现以四点发射双侧接收的方案说明电子 教鞭的定位原理。\n这里，先介绍四点发射双侧接收的结构，如图1所示：矩形有 效平面AEFD，边AE等于边DF，高度为3000毫米，边AD等于EF， 宽度为4000毫米，AE等于DC，高度为2400毫米，BE等于CF，高度 为600毫米。\n在边AE和DF上每隔10毫米安装一个红外线接收灯，在点A， 点B，点C，点D上分别安装四个红外线发射灯，灯的序号即为A、B、 C、D。\n当灯A，灯B点亮时，矩形平面内无遮挡物时，安装在DF边上 的接收灯将全部接收到信号，每个灯的数据输出口这时均为零。\n当灯C，灯D点亮时，矩形平面内无遮挡物时，安装在AE边上 的接收灯全部收到信号，每个接收灯的数据输出口这时均为零。\n这里注意的是，ABCD为有效平面区，也就是当投影投到这个范 围内，所有的点将保证是有效的，而矩形BEFC是辅助测量区，之所 以设有辅助测量区的原因，在后面将进行详细的论述。\n下面以有一个遮挡点为例，进行进一步的参数说明，见图2，\n图中阴影区为遮挡点，从A点发出的红外光经过遮挡物(这里为 教鞭)时，被挡区域落在DF边上，将形成一个区间，上点为LA1，下 点为LA2，同理，B点发出的红外光落到DF边上形成一个以LB1到LB2 为界的区间，这里要注意的是落在区间内所有灯的数据输出端为1， 区间外的所以接收灯输出数据为0。\n由图2看出，A、B两个红外线发射灯与临界点之间形成四条线， A点为A——LA1，A——LA2；B点为B——LB1，B——LB2，这四条线 的交点分别为点1和点2，A——LA1与边AD夹角为a1，A——LA2与AD 夹角为a2；B——LB1与BC之间的夹角为b1，B——LB2与BC之间的 夹角为b2，下面为了方便其间，将LA1与D点形成的线段称为LA1， LA2与D点形成的线段称为LA2，LB1与D点形成的线段称为LB1，LB2 与D点形成的线段称为LB2，将AB和CD高称为H，将AD、BC和EF 的宽称为L，标定到图3，为方便公式推导，我们只对点1进行具体 说明，其它点灯类推。\n点1与AD距离为y1，点1与AD垂线点为G，AG长度为x1，计 算均以左上点A点为坐标原点，向右和向下均为正值坐标系，这个坐 标系与计算机采用的坐标系完全相同，从而得知，点1在这个坐标系 中的位置为(x1，y1)，得到这个坐标位置的过程如下：\n由三角函数可知：\n(1)tg a1＝y1/x1\n(2)tg a1＝LA1/L\n(3)tg b1＝(H-y1)/x1\n(4)tg b1＝(H-LB1)/L\n其中LA1，LB1，H，L均为已知数据，y1和x1为未知数据\n由(1)和(2)可得到：\ny1/x1＝LA1/L\n(5)y1＝LA1*x1/L\n由(3)和(4)可得到：\n(6)(H-y1)/x1＝(H-LB1)/L\n由(5)和(6)可得到：\n(7)x1＝(L*H)/(H-LB1+LA1)\n(8)y1＝(LA1*x)/L\n同理可得到2点的计算公式：\n(9)x2＝(L*H)/(H-LB2+LA2)\n(10)y2＝(LA2*x)/L\n将点1和点2求平均值：\n(11)x＝(x1+x2)/2\n(12)y＝(y1+y2)/2\n从而知道遮挡物近似中心的位置，结果的(x，y)就是我们所要 的坐标。\n以上是完成一个点的计算全过程，这个点是在A点B点有效情况 下测定的，下面我们将进一步分析在计算过程中出现的情况。\n如图2所示，我们注意到，在矩形ABCD中，做两条对角线，从而 将矩形ABCD分成四个三角区域，分别为三角形ABO，三角形BCO，三 角形CDO，三角形DAO，我们分别叫它们为第一区，第二区，第三区， 第四区，当遮挡点落到第一区的时候，这时点C点D数据将有效，同 理，当遮挡点落到第二区的时候，这时点B点C数据将有效，当遮挡 点落到第三区的时候，这时点A点B数据将有效，当遮挡点落到第四 区的时候，这时点D点A数据将有效，我们应当特别注意是的，不同 区中的点计算公式是不一样的，在前面，我们给出了A、B点有效的 计算公式，下面，我们就给出全部四个区的公式，\n第一区(DC点有效)见图5计算公式如下，推导过程略\nx1＝L-(H*L/(H_LC1+LD1))    y1＝LD1*(L-x 1)/L\nx2＝L-(H*L/(H_LC2+LD2))    y2＝LD1*(L-x2)/L\nx＝(x1+x2)/2    y＝(y1+y2)/2\n第二区(BC点有效)见图6计算公式如下，推导过程略\nx1＝L/((H-LB1)/(H-LC1)+1)    y1＝H-(H-LB1)*x1/L\nx2＝L/((H-LB2)/(H-LC2)+1)    y2＝H-(H-LB2)*x2/L\nx＝(x1+x2)/2    y＝(y1+y2)/2\n第三区(AB点有效)见图7计算公式如下，推导过程前面已详细 说明\nx1＝(L*H)/(H-LB1+LA1)    y1＝(LA1*x)/L\nx2＝(L*H)/(H-LB2+LA2)    y2＝(LA2*x)/L\nx＝(x1+x2)/2             y＝(y1+y2)/2\n第四区(DA点有效)见图8计算公式如下，推导过程略见图7\nx1＝L/(LA1/LD1+1)    y1＝LA1*x1/L\nx2＝L/(LA2/LD2+1)    y1＝LA2*x2/L\nx＝(x1+x2)/2         y＝(y1+y2)/2\n辅测区BEFC说明，见图9，上面说明的是点如果落到四个区中的 计算情况，那么，如果点落到了对角线AC和对角线BD上时，会出现 什么情况，如果没有辅测区的话，我们会注意到，A点发射的红外光， 经过遮挡物遮挡后的遮挡区落到了CD的外边CF上，也就是说，使得 落到对角线上的遮挡物的数据有效，如果没有这个辅测区，那么如果 遮挡物落到了对角线上，仅有一个点有效，或者四个点全无效(只有 当点位于矩形ABCD中心时，才可能出现这个情况)，当有了辅测区之 后，这样的问题就避免一部分。辅测区的大小和尺寸和许多参数有关， 其确定在论述相对坐标计算后再行论述。\n投影相对位置，如图10所示，矩形HI JK为投影面积，由于投影 的大小可跟据实际需要来调整，所以，当投影面积有所调整的话，就 需要重新定位。在实际使用过程中，当教鞭(或遮挡物)在投影区内， 这时，光标将起作用，其位置将是教鞭所指的位置。\n下面结合图11有遮挡点情况进行坐标转换的说明，如图所示， 有一遮挡点O位于HIJK矩形内，这里，矩形HIJK即是我们的投影的 计算机屏幕，通过以上介绍的定位方法，我们能够获得点H、I、J、K 四个点的绝对坐标，获取方法就是将教鞭放在这四个位置，用上面介 绍的定位方法计算得到，在已知这四个点的位置以后，如果教鞭放在 了如下位置O，同样的方法，我们能通过计算得到O点的坐标，然后 通过软件我们得到当前屏幕的分辨率，而光标体现的是屏幕坐标(这 里我们称为相对坐标)，这样我们就必须对坐标系加以换算，如图11 所示，通过坐标计算，我们得到HK、HI、OR、OS的实际尺寸，当前 屏幕的分辨率为M*N，其相对位置设为x｀、y｀，由图可得到以下对应 比例关系：\n(1)x｀/OR＝M/HK\n(2)y｀/OS＝N/HI\n由(1)得到：\nx｀＝OR*M/HK\ny｀＝OS*N/HI\n这里的x｀，y｀正是我们需要的最后结果，将这两个结果通知计 算机操作系统，操作系统将给出教鞭所指的当前位置。\n在前面，简单提到辅助测量区，那么辅助测量区多少为合适呢， 我们注意到，如果没有辅助测量区的话，如果遮挡物位于四个发射灯 形成矩形的交线上的话，那么，在一般情况下，我们只有一个点有效， 另外一个点将只有部分有效，另外一部分将落到接收灯区域以外，所 以将会接收不到，这将影响到定位的准确性，为了简化计算，我们在 主测区外，增加了辅助测量区，为了能够确定辅测区的大小，参见图 12，设定遮挡物的直径为D，通过数学分析，如果辅测区设在下部的 话，那么，最不利点应当在投影HIJK与两条对角线AC、DB的上交线 上，如图所示的点1和点2，我们注意到，点1和点2位置差可以近 似看作为遮挡物直径D，G点到2点的垂直距离为S，而辅测区为CF， 那么有以也比例存在：\nD/CF＝S/L\n于是有辅测区的大小应当为：\nCF＝D*L/S\n例如，投影屏幕距离AB为1000毫米，遮挡物直径为100毫米， L长为4000毫米，那么辅测区的尺寸应当为：\nCF＝100*4000/1000＝400毫米，同样，如果投影HIJK边距离测量 边距离缩小的话，辅测区随之减小，如投影屏幕距离AB为500，遮挡 物直径为100毫米，L长为4000毫米，那么辅测区为：\nCF＝100*4000/500＝800\n辅测区的设置跟实际的安装参数有关，可以根据现场需要定制。 见图12，\n通过以上说明我们可以看到，遮挡物体不一定就是教鞭头，只 要是杆状物体，甚至是人手，均可形成有效庶挡，通过相应的数据采 集和运算，最后计算机操作系统就会立即将光标就自动移动到相应的 遮挡处。另个，发射灯并不一定为四个，可为多个，但是其定位方法 核心，就是最少有两个发射灯，一排相当数量的接收灯来实现其定位 方法。这种红外线定位方法，是一种创新，在目前国内外均没有。\n(2)定位方法软件方案：\n软件包含两大部分，一部分是单片机软件，一部分是上微机软件， 单片机软件主要是用来处理红外接收灯采到的数据将采到的有效发射 点的两个临界接收数据通过串口送到上微机软件，上微机软件通过相 应的坐标转换，将光标的当前位置发送给操作系统，从而实现光标控 制功能。流程图见图13、图14。\n(3)教鞭的结构，见图15教鞭功能部分主要由教鞭头，可伸缩 教鞭杆和教鞭把组成，在教鞭把上，分别有一个左键和右键，左右键 和鼠标的左右键功能相同，教鞭头由轻质的泡沫塑料制成，为黑色， 教鞭杆为高炭纤维杆，教鞭把由适合的塑料制成，左右键为符合人性 化的专用按键，在教鞭把内部，有一个无线电发送器，将教鞭的左右 键信息发送到计算机鼠标口的无线电接收器，从而实现鼠标的控制。