基于HID类的USB手势输入系统设计与实现

滕鹏++姜昌华++王春慧++王丽++刘梁

摘要：基于自然人机交互的手势交互技术应用越来越广，本文基于HID类设计了一种USB手势输入系统，该系统集成加速度传感器、数字陀螺仪和磁力计等多种传感器，采集的数据通过手势运动识别算法处理后，可以实现对计算机光标的控制。经测试证明，该设计方案是可行的。

关键词：输入设备；USB设备；手势识别

中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0180-02

1 引言

传统的用于计算机的USB输入设备主要有鼠标、键盘、操纵杆等。随着技术的发展，以手势识别、语音识别等更贴近人类的自然交互手段发展迅速。其中手势是一种符合人类日常习惯的交互手段。本文结合手势识别技术，设计了一种USB手势控制器，可以使用手势实现类似鼠标的功能对计算机光标进行控制。

2 HID协议简介

人机接口设备（HID）是USB协议的一个子类规范，主要应用于人与计算机进行交互的设备，如键盘、鼠标、操纵杆等，HID设备必须符合USB相关的HID规范要求。正因为USB严谨的规范，在Windows XP以上系统中，都集成了USB HID协议，而无需安装驱动。HID设备主要有以下特点：

（1）设备必须按照HID报告格式进行数据上报。

（2）不同速度的设备对上传的数据有限制。低速设备每包数据最大为8byte，全速设备每包数据最大为64byte，高速设备则可达到1024byte。

（3）低速USB设备最快10ms一笔事务，而全速USB设备最快1ms一笔事务；在高速设备中，可达125us一笔事务，最高速度达24.576MB/s。

（4）计算机对数据采用查询处理，相比中断传输，没有传输速度的保证。

计算机识别HID设备的过程如下：插入设备后，计算机会向设备请求各种描述符来识别设备。设备应在定义描述符的时候按照HID规范定义设备的类别。USB规范中，定义了各种描述符约束设备的定义。图1列出了HID各种描述符之间的关系。在应用中，每个设备也能用多个接口描述符来实现多接口设备，而且在每个接口描述符下还可有多个端点描述符。

由图1中所示，除了按照USB规范定义的描述符外，HID设备还必须遵守HID描述符。另外，设备与计算机之前的数据传输也是通过报告的形式来实现的，所以还必须定义报告描述符；而物理描述符不是必需的。HID描述符是关联于接口（而不是端点）的，所以设备不需要为每个端点都提供一个HID描述符。USB设备有4种传输方式与计算机进行数据传输，分别为控制方式、中断方式、批量方式和同步方式。每种方式都有它的应用场合。对于HID设备，只支持控制和中断两种传输方式。

标准USB鼠标报告描述符描述4个字节，如表1所示，第一个字节表示按键，第二个字节表示鼠标X轴偏移值（正值为右移，负值为左移），第三个字节表示鼠标Y轴偏移值（正值为下移，负值为上移），第四个字节表示滚轮（正值为往上滚动，负值为往下滚动）。手势输入设备就是通过采集手势信息，转换成对应的光标移动信息，组包成USB数据包发送给计算机。设备将采集的手部运动信息转换为计算机光标的移动数据，通过HID协议控制计算机光标。

3 控制器硬件实现

设备采用带有USB控制器的C8051F380作为控制器，使用JY901九轴惯性传感器作为手势识别传感器。其硬件电路如图2所示。设备含两个按键，一个按键A功能为使能及鼠标左键，另一个按键B为鼠标右键。使用时，单击按键A不松开，则设备通过USB的HID协议输出鼠标移动信息，双击按键A，输出鼠标左键按下的鼠标移动信息（相当于鼠标拖拽），三击按键A输出鼠标双击信息，按键B与鼠标右键功能相同。

4 软件算法

USB鼠标HID协议中输出的是光标X轴和Y轴偏移值，可以采用惯性传感器的角速度进行对应。而设备在移动中三维坐标轴也会变化从而产生偏差。为减小偏差，引入传感器提供的角度数据进行分析，得到设备的姿态，从而对陀螺仪的数据进行坐标转换。所得角速度数据中与大地平行的方向为屏幕Y轴，与大地垂直的为屏幕X轴，使输出的数据始终一致。

姿态角计算时所使用的坐标系为“东-北-天”坐标系。欧拉角表示姿态时的坐标系旋转顺序定义为z-y-x（φ-θ-Ψ），[φ θ Ψ]T为惯性传感器当前坐标系相对于大地坐标系的欧拉角，即先绕z轴转ψ，再绕y轴转θ，再绕x轴转φ。在惯性传感器坐标系下的角速度为[ωφωθωΨ]T，则根据欧拉角转换方程，在大地坐标系下的角速度[ωx ωy ωz]T为（图4）。

手势鼠标的主要算法流程为：首先检测按键A是否按下，再启动定时器，检测按键A是否有双击或三击操作，并发送相对应的USB报文；在按键A持续按下中，将采集惯性传感器的角度值和角速度值，并通过旋转矩阵后获取鼠标两个轴的偏移值，最后通过HID协议将USB数据包发送到计算机。如图5所示。

在windows7系统中将设备加电后自动将设备识别为USB输入设备，按下按键A上下左右晃动设备，计算机光标按预期的方向移動，且双击按键A和三击按键A也实现了对应的鼠标左键拖动和鼠标左键双击的效果。

5 结语

惯性传感器具有不受空间限制的特点，用于手势识别可以灵活的应用于各种场合。本文设计了一种USB手势输入设备，该系统应用新型的手势识别方式，更自然的实现了人与计算机的交互控制，稍加改进可用于激光电子笔、电子教鞭等场合。

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