腦電波遙控車及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及腦-機(jī)交互的自動(dòng)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種腦電波遙控車及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]腦-機(jī)交互技術(shù)(BCI)，研究的是如何溝通腦內(nèi)信息和外界環(huán)境。它為大腦和環(huán)境提供了雙向傳輸通道，外界信息能從人體傳感器輸入到神經(jīng)系統(tǒng)，神經(jīng)信號(hào)也可以用于控制外部電子機(jī)械裝置，該項(xiàng)技術(shù)可以修復(fù)、改善甚至擴(kuò)展神經(jīng)系統(tǒng)原有功能，提供了一種嶄新的信息交互模式。
[0003]目前，BCI的應(yīng)用主要集中于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，BCI可以幫助肢體障礙患者提高他們的生活質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新，新型的腦-機(jī)接口系統(tǒng)也可以應(yīng)用于汽車安全駕駛、殘疾人輪椅控制、高危險(xiǎn)性警覺度評(píng)估、情緒分析等領(lǐng)域。
[0004]通過生物醫(yī)學(xué)工程的手段幫助患者實(shí)現(xiàn)與外界的通信及日常行為控制，將極大地提高殘疾患者的生活質(zhì)量。同時(shí)BCI還可為人們提供無需體力操作的新的人機(jī)交互通訊方式，適合于特殊環(huán)境下，當(dāng)不便采用傳統(tǒng)控制方式時(shí)，用腦電控制外界設(shè)備。腦-機(jī)接口還可以通過實(shí)時(shí)反映人體的生理指標(biāo)和狀態(tài)，作為一種判別標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在具體的產(chǎn)品中。目前，腦-機(jī)接口的研究在世界范圍內(nèi)得到高度的關(guān)注和強(qiáng)大的支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種腦電波遙控車及控制方法，使用腦-機(jī)交互模塊獲取腦電信號(hào)，對(duì)原始腦電信號(hào)進(jìn)行分析及提取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車體運(yùn)動(dòng)的控制。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種腦電波遙控車，包括腦電信號(hào)采集部、通訊部、控制部和車體，其中:
[0007]所述腦電信號(hào)采集部包括附于人體頭部用于采集腦電信號(hào)的腦電波傳感器；還包括腦電信號(hào)放大部，所述腦電信號(hào)放大部與所述腦電波傳感器連接以將所述腦電波傳感器所采集的腦電信號(hào)做放大處理；
[0008]所述通訊部用于將所述腦電信號(hào)放大部處理后的信號(hào)傳送至所述控制部；
[0009]所述控制部包括與所述車體的驅(qū)動(dòng)部件電連接的控制器，還包括將接收自所述通訊部的信號(hào)處理后發(fā)送給所述控制器的處理機(jī)，所述控制器根據(jù)接收自所述處理機(jī)的信號(hào)控制所述車體的驅(qū)動(dòng)部件以控制所述車體的動(dòng)作。
[0010]作為優(yōu)選，所述控制部采用ARM微控制器實(shí)現(xiàn)。
[0011]作為優(yōu)選，所述ARM微控制器采用STM32F103芯片。
[0012]作為優(yōu)選，所述控制器包括驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路采用L9110H電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)所述車體的驅(qū)動(dòng)部件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0013]作為優(yōu)選，所述通訊部包括藍(lán)牙通訊裝置。
[0014]本發(fā)明還提供一種應(yīng)用于如上所述的腦電波遙控車的控制方法，包括以下步驟:
[0015]S1:采集人腦的腦電信號(hào)，包括德爾塔腦波、塞他腦波、阿爾法腦波和倍他腦波，并將所述腦電信號(hào)做信號(hào)放大處理；
[0016]S2:根據(jù)放大處理后的腦電信號(hào)輸出數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包包含按順序輸出的多種腦電功率值，以及人腦精神集中度指數(shù)和人腦精神放松度指數(shù)；
[0017]S3:過互相比較多種腦電功率值，并結(jié)合人腦精神集中度指數(shù)和人腦精神放松度指數(shù)，并通過預(yù)先評(píng)測(cè)出人腦精神集中度指數(shù)的第一數(shù)值區(qū)間，再確定數(shù)值大于所述第一數(shù)值區(qū)間的第二數(shù)值區(qū)間和小于所述第一數(shù)值區(qū)間的第三數(shù)值區(qū)間，以生成控制指令對(duì)所述車體的動(dòng)作進(jìn)行控制。
[0018]作為優(yōu)選，所述步驟S2中，多種腦電功率包括德爾塔腦電功率、塞他腦電功率、低頻阿爾法腦電功率、高頻阿爾法腦電功率、低頻倍他腦電功率、高頻倍他腦電功率、低頻伽馬腦電功率和高頻伽馬腦電功率。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的腦電波遙控車及控制方法的有益效果在于:使用腦-機(jī)交互模塊獲取腦電信號(hào)，對(duì)原始腦電信號(hào)進(jìn)行了分析及提取，獲取最便于控制的人腦精神集中度指數(shù)和人腦精神放松度指數(shù)，對(duì)車體進(jìn)行控制。本發(fā)明可以不依賴于外部肌肉和神經(jīng)就可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，對(duì)研發(fā)殘疾人和老年人自理自助系統(tǒng)，特別是對(duì)認(rèn)知障礙疾病的康復(fù)等問題具有重要的應(yīng)用前景和社會(huì)意義。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的腦電波遙控車的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的腦電波遙控車的驅(qū)動(dòng)電路圖一(車體前輪驅(qū)動(dòng))；
[0022]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的腦電波遙控車的驅(qū)動(dòng)電路圖二 (車體后輪驅(qū)動(dòng))；
[0023]圖4為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例的腦電波遙控車的運(yùn)動(dòng)控制表；
[0024]圖5為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例的控制方法輸出數(shù)據(jù)包的示意圖；
[0025]圖6為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例的控制方法采集到一種腦電信號(hào)的示例圖；
[0026]圖7為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例的控制方法的測(cè)試數(shù)據(jù)(基于人腦精神集中度指數(shù))。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的腦電波遙控車及控制方法作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0028]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的腦電波遙控車的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的腦電波遙控車的驅(qū)動(dòng)電路圖一(車體前輪驅(qū)動(dòng))，圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的腦電波遙控車的驅(qū)動(dòng)電路圖二(車體后輪驅(qū)動(dòng))，圖4為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例的腦電波遙控車的運(yùn)動(dòng)控制表。本發(fā)明的實(shí)施例的腦電波遙控車，包括腦電信號(hào)采集部、通訊部、控制部和車體，其中，所述腦電信號(hào)采集部包括附于人體頭部用于采集腦電信號(hào)的腦電波傳感器；還包括腦電信號(hào)放大部，所述腦電信號(hào)放大部與所述腦電波傳感器連接以將所述腦電波傳感器所采集的腦電信號(hào)做放大處理，所述通訊部用于將所述腦電信號(hào)放大部處理后的信號(hào)傳送至所述控制部，所述控制部包括與所述車體的驅(qū)動(dòng)部件電連接的控制器，還包括將接收自所述通訊部的信號(hào)處理后發(fā)送給所述控制器的處理機(jī)，所述控制器根據(jù)接收自所述處理機(jī)的信號(hào)控制所述車體的驅(qū)動(dòng)部件以控制所述車體的動(dòng)作。本實(shí)施例基于腦-機(jī)接口系統(tǒng)本身的要求和性價(jià)比的考慮，采用ThinkGear AM開發(fā)套件，該套件集成腦電信號(hào)采集、放大、濾波處理功能，將腦電信號(hào)進(jìn)行輸出。處理機(jī)操作系統(tǒng)可選用目前流行的Windows系列、高穩(wěn)定性的Unix等多種操作系統(tǒng)以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW等軟件環(huán)境。使用時(shí)只需將USB接口插入計(jì)算機(jī)內(nèi)任何一個(gè)USB接口插座中，其I/O信號(hào)、脈沖輸入及脈沖輸出信號(hào)均由模塊上的雙排針插頭與外部信號(hào)源及設(shè)備連接。模擬數(shù)據(jù)輸入部分，可根據(jù)實(shí)際需要選擇單端或雙端輸入方式，其A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式可以選用程控觸發(fā)、外部觸發(fā)兩種方式。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果通過先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(FIFO)緩存后由USB總線讀出。本發(fā)明可以不依賴于外部肌肉和神經(jīng)就可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，對(duì)研發(fā)殘疾人和老年人自理自助系統(tǒng)，特別是對(duì)認(rèn)知障礙疾病的康復(fù)等問題具有重要的應(yīng)用前景和社會(huì)意義。
[0029]作為一種改進(jìn)，所述控制部采用ARM微控制器實(shí)現(xiàn)。作為本實(shí)施例優(yōu)選方案，所述ARM微控制器采用STM32F103芯片，其具有豐富的外設(shè)接口、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)，滿足實(shí)際需要及擴(kuò)展?？梢允蛊渫ㄟ^無線通訊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的無線鏈接，使得上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)控制車體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)時(shí)鐘電路選用8MHZ的HSE晶體作為振蕩器晶振，與電容組構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)鐘電路。HSE晶體可以通過設(shè)置時(shí)鐘控制寄存器里RCC_CR中的HSEON位被啟動(dòng)和關(guān)閉。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路選擇LSE時(shí)鐘模式，通過LSE旁路提供一個(gè)32.768kHz頻率的外部時(shí)鐘源。LSE晶體是一個(gè)32.768kHz的低速外部晶體或陶瓷諧振器，它為實(shí)時(shí)時(shí)鐘或者其他定時(shí)功能提供一個(gè)低功耗且精確的時(shí)鐘源。啟動(dòng)模式方面，可以通過B00T1和Β00Τ0引腳電平組合選擇主閃存存儲(chǔ)器(主閃存存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域)、系統(tǒng)存儲(chǔ)器(系統(tǒng)存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域)和內(nèi)置SRAM (內(nèi)置SRAM被選為啟動(dòng)區(qū)域)三種不同啟動(dòng)模式，在系統(tǒng)復(fù)位后，SYSCLK的第4個(gè)上升沿，BOOT引腳的值將被鎖存，此時(shí)可以通過設(shè)置B00T1和Β00Τ0弓I腳的狀態(tài)，來選擇在復(fù)位后的啟動(dòng)模式。
[0030]作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述控制器包括驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路采用L9110H電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)所述車體的驅(qū)動(dòng)部件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。STM32F103芯片采用3.3V供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用5V與12V，紅外收發(fā)檢測(cè)電路采用5V與3.3V，液晶顯示與觸角傳感電路均采用3.3V供電，外部電源采用12V的直流電壓。STM32F103芯片外部擴(kuò)展的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用L9110H芯片控制，其基本電路圖2和圖3所示，車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過前輪電機(jī)和后輪電機(jī)的不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三種狀態(tài)，每個(gè)電機(jī)由各自L9110H電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片I/O 口(如圖所示IA和IB引腳)的電平組合進(jìn)行控制。Headerf為接插件，舉例說明，如圖4所示，當(dāng)圖2中M0T0R_HM3_CH1和M0T0R_HM3_CH2的電平組合為“ 10”時(shí)，前輪電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)圖3中STEER_TIM2_CH1和STEER_HM2_CH2的電平組合為“01”時(shí)，后輪電機(jī)反轉(zhuǎn)。
[0031]作為更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述通訊部采用藍(lán)牙通訊裝置，與STM32F103芯片的外圍擴(kuò)展接口兼容性好。
[0032]軟件開發(fā)平臺(tái)方面，本實(shí)施例采用Keil開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺(tái)和JLINKUSB-JTAG接口適配器。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境UVis1n)將這些功能組合在一起，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。JLINK USB-JTAG是一個(gè)用于連接PCUSB 口和開發(fā)板JTAG 口的小硬件適配器，通過ULINK可以在真實(shí)的目標(biāo)板上創(chuàng)建，下載和測(cè)試嵌入式應(yīng)用。具體的控制程序設(shè)計(jì)思路是，通過藍(lán)牙與車體進(jìn)行通信，通過傳輸數(shù)據(jù)計(jì)算出電機(jī)的占空比，控制STM32F103芯片定時(shí)器中的PWM波占空比來控制小車的速度，通過控制??Μ2的通道2中PWM輸出來控制小車前進(jìn)，??Μ2的通道3中PWM輸出來控制小車后退，TIM3中通道I和2來控制小車的轉(zhuǎn)向。
[0033]圖5為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例的控制方法輸出數(shù)據(jù)包的示意圖，圖6為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例的控制方法采集到一種腦電信號(hào)的示例圖。本發(fā)明還提供一種應(yīng)用于如上所述的腦電波遙控車的控制方法，包括以下步驟:
[0034]S1:采