СИСТЕМА ЧЕЛОВЕКО-МАШИННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА БАЗЕ АКСЕЛЕРОМЕТРА

«Разработка программного обеспечения»
Система человеко-машинного взаимодействия на базе
акселерометра
Аксёнов К.В МИЭМНИУВШЭ, каф. ИТАС
Введение
Безусловно, каждый человек, работавший с компьютером, осознает важность наличия компьютерной мыши. Это устройство проверено годами, тем не менее, все более развивающийся функционал компьютерного обеспечения требует изменения самих манипуляторов. К примеру, как альтернативный вид манипулятора давно зарекомендовал себя графический планшет, позволяющий художникам разговаривать с компьютером на более понятном им языке движения пера, а так же появились и имеют большой успех сенсорные экраны, для которых манипулятор - наши руки. Что может быть естественнее этого?
В связи с этим разделением манипуляторов на отдельные группы появляется так же уйма проблем, связанных с необходимостью привыкать к новому виду манипулятора, если перед человеком внезапно встает такая необходимость. Художник, замечательно управляющийся с обычным пером, ни за что не нарисует красивой картины пером планшета. Он умеет обращаться с пером, но на бумаге, он умеет обращаться с компьютером, но с помощью компьютерной мыши. И проблема перехода, переучивания, останавливает многих на пути освоения всех возможностей современной компьютерной техники.
Это лишь один пример, заставляющий задуматься над решением проблемы усовершенствования компьютерных манипуляторов. Ведь объем информации, получаемой нами через компьютер и объем работ, проводимых с помощью него, растет непомерными темпами, и в дополнение к вопросу универсальности увеличивается значение эргономичности всех окружающих нас устройств. Активно продвигаемые сейчас сенсорные экраны этому требованию не вполне отвечают. Они прекрасно подходят для короткого взаимодействия, когда человеку нужно срочно найти какую-либо информацию в сети, к примеру, адрес, название чего-либо, или включить фильм для просмотра. Но если представить себе домашний или рабочий компьютер, взаимодействовать через который можно только с помощью сенсорного экрана? Во-первых, монитор такого компьютера не может быть очень большим, чтобы вся его область была доступна. Во-вторых, человек не сможет долго с ним работать - ведь для этого руку придется практически все время держать на весу, или вовсе поднятой! Даже если рассматривать экраны, расположенные горизонтально или почти горизонтально.
Так что за бумом сенсорных экранов абсолютно точно не последует исчезновение манипуляторов. Вопрос - в каком виде они останутся? В данной статье представленна беспроводная система взаимодействия с компьютером на базе акселерометров, которая не будет нагружать руку человека излишним весом, облегчая работу с ней, и может работать на любой поверхности.
Структура системы
Цель этого проекта - спроектировать более эргономичный компьютерный манипулятор и добиться его подстраивания под разные сферы работ. Манипулятор должен по максимуму использовать функционал человеческой руки, и потому на ней не должно быть ничего лишнего.
Проектируемый манипулятор будет состоять из следующих компонентов:
• Две насадки-клипсы на кончики указательного и среднего пальцев, содержащие в себе датчики ускорения;
• Браслет, содержащий в себе блок питания;
• Чип, обрабатывающий данные с датчиков;
• Bluetooth передатчик, обеспечивающий связь с компьютером;
• Провода, соединяющие датчики на кончиках пальцев с браслетом, крепящимся на запястье.
Так же компьютер, с которым предполагается работать, должен иметь встроенное или подключаемое Bluetooth устройство.
Ускорение, фиксируемое датчиками, будет соответствовать движению мыши по столу, позволяя нам определить вектор перемещения, который легко можно конвертировать в движение указателя на мониторе. Постукивание указательным или средним пальцем по столу равнозначно клику левой или правой кнопки мыши.
Подобная конфигурация позволяет достичь гибкости не только в смене рабочей области, но и замечательно подходит для использования устройства как правшой, так и левшой (которому для работы левой рукой необходимо только поменять клипсы на пальцах местами).
Анализ предметной области
Несмотря на всю точность новейших приборов и датчиков, любой из них на выходе дает вовсе не чистый сигнал, а шум в некотором диапазоне, так как любой измерительный прибор обладает некоторой погрешностью, и на него может оказывать влияние большое количество внешних и внутренних воздействий. Это и приводит к тому, что информация с него оказывается зашумленной. Чем сильнее зашумлены данные, тем сложнее обрабатывать такую информацию. Пример сигнала датчика представлен на рис. 1.
ьооо
150 200 250 300 350 400
Рис.1. Пример сигнала, получаемого с датчика
Для анализа этого шума существует большое количество алгоритмов, но мною выбран фильтр Калмана.
Фильтр Калмана — это, наверное, самый популярный алгоритм фильтрации, используемый во многих областях науки и техники. Благодаря своей простоте и эффективности, его можно встретить в GPS-приемниках, обработчиках показаний датчиков, при реализации систем управления и т.д.
Слово «фильтр» подразумевает под собой алгоритм обработки данных, который убирает шумы и лишнюю информацию. В фильтре Калмана есть возможность задать априорную информацию о характере системе и связи переменных, и на основании этого строить более точную оценку. Но даже в простейшем случае он дает отличные результаты.
Результат применения фильтра Калмана представлен на рис.2.
4000
ЗООС
2000
1000
Q —-т-т-^-у--р-г~~т--Г-"Г—-Г-"Г-1--Т-1.....Г--Г-"Р-т-у-Г-1--г"^
О Ш 200 300 400
Рис.2. Фильтрация сигнала с использованием фильтра Калмана
Фильтр Калмана использует динамическую модель системы (например, физический закон движения), известные управляющие воздействия и множество последовательных измерений для формирования оптимальной оценки состояния. Алгоритм состоит из двух повторяющихся фаз: предсказание и корректировка (рис.3.).
На первом рассчитывается предсказание состояния в следующий момент времени (с учетом неточности их измерения). На втором новая информация с датчика корректирует предсказанное значение (также с учетом неточности и зашумленности этой информации).
Как видно из представленной UML-схемы (рис.4.), в рассматриваемой системе четыре основных элемента:
• Пользователь;
• Акселерометр;
• Платформа Arduino;
• Компьютер.
• Связь между пользователем и акселерометром осуществляется путем
закрепления датчиков на кончиках пальцев, движение которых отслеживается. Данные с датчиков по проводам передаются обрабатывающей платформе Arduino, которая с помощью передатчика Bluetooth передает обработанные
данные на соединенный с ней компьютер. Далее данные поступают в разработанную программу для обработки.
Рис.3. Алгоритм оценки сигнала
Структура системы
Рис.4. иИЬ-схема устройства
Заключение
В данной статье была описана система человеко машинного взаимодействия, лишенная многих недостатков сегодняшних аналогов - узкопрофильности, низкой эргономичности, неудобства в использования на многих поверхностях. В ходе разработки были решены проблемы шума, которого невозможно избежать в виду вибрации рук человека, а также учтена возможность использования разработанной системы различными типами пользователей, по максимуму учтены их потребности и условия работы.
Особенности построения графического интерфейса для ИПС Серелекс на платформе Windows 8
А. Романов, П. Романов
МГТУ имени Н.Э. Баумана
В современном мире все чаще начинают использоваться новые, инновационные, способы работы с информацией. На смену клавиатуре и мыши приходит сенсорный экран и взаимодействие с объектами на нем с помощью жестов и прикосновения пальца (или стилуса), и данную особенность нельзя не учитывать при проектировании новых, современных интерфейсов взаимодействия человека-оператора с информационной системой.
Рассмотрим пример такого взаимодействия на примере приложения «Серелекс», предназначенного для визуализации семантических отношений между некоторыми словами (подробнее -- http://serelex.it-claim.ru/page/about)
После запуска приложения пользователь видит окно для ввода запроса, причем это окно имеет такой размер, что бы человек мог легко попасть в него пальцем, и кнопку «Поиск», также соответствующего размера. После нажатия на неё происходит поиск слов, семантически связанных с данным (синонимов, гиперонимов, ко-гипонимов и ассоциаций). Результаты выводятся на экран в формате, указанном на Рис 1.
© papaya Serelex
Рис 1. Результат поиска по запросу «papaya»
Как видно из Рис. 1, результаты поиска выводятся в специальном виде, а не просто простым списком, как принято в классических системах. Каждое слово из результата символизируется изображением 250x250 пикселей, что позволяет легко попасть пальцем или стилусом именно по этому результату для осуществления поиска по данному слову. Кроме того, в нижней части отображается само слово, а также его порядковое место в результатах поиска.