本發(fā)明涉及的是一種飛行器高度控制方法，尤其涉及一種基于腦電信號(hào)控制飛行器高度的控制方法。

背景技術(shù)：

隨著近些年來飛行器的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的控制方法在控制的靈活性和控制方法均有所欠缺，應(yīng)新的技術(shù)需求，人們一直在尋找別的有效控制方法。

目前可以提取腦電信號(hào)來判斷大腦的專注度，而腦電信號(hào)提取的關(guān)鍵技術(shù)是腦機(jī)接口技術(shù)(Brain-Computer Interface,BCI)，它是一門涉及神經(jīng)科學(xué)、機(jī)器識(shí)別、信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理等多門學(xué)科的綜合技術(shù)。20多年來，腦機(jī)接口技術(shù)的研究進(jìn)步很大，出現(xiàn)了諸多實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)秀產(chǎn)品，在虛擬設(shè)備、機(jī)器手控制等領(lǐng)域表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)秀，而在國內(nèi)外的公開文獻(xiàn)中，未見有使用腦電信號(hào)中的專注度去控制飛行器高度的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種控制精度高，抗干擾性能好的基于腦電信號(hào)控制飛行器高度的控制方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

步驟一、操作人員佩戴的腦機(jī)接口設(shè)備讀入操作人員的腦電信號(hào)，并通過傳輸模塊傳送給飛行器的主控制芯片，主控制芯片中的主控程序?qū)鬏斶M(jìn)來的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，當(dāng)收到0XAA 0XAA 0X20時(shí)表示數(shù)據(jù)可以正常接收，其后的數(shù)據(jù)存入一個(gè)34個(gè)字節(jié)的數(shù)組里面，否則腦機(jī)接口設(shè)備繼續(xù)讀入腦電信號(hào)，直到主控制芯片收到0XAA 0XAA 0X20再進(jìn)行下一步操作；

步驟二、對(duì)存入的34字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取出其中的第32字節(jié)數(shù)據(jù)，即腦電信號(hào)中的注意力集中程度作為飛行器的輸入，其變化范圍為0到100，并將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的飛行器的高度；

步驟三、將步驟二得到的由注意力集中程度轉(zhuǎn)化的對(duì)應(yīng)的飛行器的高度作為預(yù)設(shè)高度，將飛行器的實(shí)際高度與預(yù)設(shè)高度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)它們二者相等時(shí)則等待下一次的給出高度，重復(fù)步驟一，否則利用高度反饋系統(tǒng)，對(duì)飛行器的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明還可以包括：

1、所述腦機(jī)接口設(shè)備讀入操作人員的腦電信號(hào)的具體實(shí)現(xiàn)方法為：腦機(jī)接口設(shè)備通過電極貼片和耳夾形成回路，捕捉神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的微弱電信號(hào)。

2、所述腦電信號(hào)中的注意力集中程度作為飛行器的輸入具體包括：將腦電信號(hào)的注意力集中程度分成五個(gè)部分：第一部分0-20、第二部分21-40、第三部分41-60、第四部分61-80、第五部分81-100，第一部分對(duì)應(yīng)的飛行器高度為0-1米、第二部分為1-2米、第三部分為2-3米、第四部分為3-4米、第五部分為4-5米。

3、所述飛行器的實(shí)際高度是超聲波傳感器的測(cè)量高度。

4、將飛行器的實(shí)際高度與預(yù)設(shè)高度進(jìn)行對(duì)比具體包括：預(yù)設(shè)高度與超聲波傳感器測(cè)量的當(dāng)前高度進(jìn)行做差,然后采用增量型數(shù)字PID算法進(jìn)行高度反饋，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)使測(cè)量高度趨近預(yù)設(shè)高度。

本發(fā)明以飛行器為對(duì)象，提供了一種基于腦電信號(hào)控制飛行器高度的方法。利用MindWave Mobile采集并分析操作人員的腦電信號(hào)，提取腦電信號(hào)中的eSense專注度，并以此信號(hào)做為飛行器的輸入信號(hào)，在超聲波傳感器的配合下實(shí)現(xiàn)高度反饋信號(hào)，使一定范圍的腦電信號(hào)大小對(duì)應(yīng)一定的飛行器高度。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的組成部分包括：

1、MindWave Mobile設(shè)備通過電極貼片和耳夾形成回路，能夠捕捉神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的微弱的電信號(hào)。當(dāng)人們的腦內(nèi)活動(dòng)處于不同的精神狀態(tài)的時(shí)候，大腦中的神經(jīng)細(xì)胞所放的生物電信號(hào)就會(huì)表現(xiàn)出不同的波形模式，這些波形已經(jīng)通過長(zhǎng)時(shí)間的研究得到了定義和描述，并通過算法分析出腦內(nèi)活動(dòng)狀態(tài)；

2、無線傳輸模塊通過與MindWave Mobile腦機(jī)接口設(shè)備的鏈接對(duì)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理并通過串口通信發(fā)向主控制芯片，其能自動(dòng)的與MindWave Mobile腦機(jī)接口設(shè)備進(jìn)行無線連接，并且自動(dòng)的接收數(shù)據(jù)，周期為1秒。

3、本發(fā)明除了MindWave Mobile設(shè)備采集腦電信號(hào)外，還包含信號(hào)處理模塊和飛行器主控制芯片，其中飛行器主控制芯片還與超聲波傳感器、電子羅盤、陀螺儀相連，通過對(duì)各部分的協(xié)調(diào)控制，共同完成數(shù)據(jù)采集、信息融合、參數(shù)計(jì)算、姿態(tài)輸出等任務(wù)，并最終表現(xiàn)在對(duì)飛行器的空中姿態(tài)的控制上。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

利用超聲波傳感器收集了高度反饋信號(hào)，精確的提供了飛行器的高度信息，在本發(fā)明中，使用超聲波傳感器作為高度傳感器，具有較高的精度；

本發(fā)明的控制信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾性能好。因此本發(fā)明的研究對(duì)飛行器高度的控制方法提供了新的思路，同時(shí)有助于幫助精神病患者和注意力不集中的小孩的康復(fù)治療，有一定的實(shí)用價(jià)值。

附圖說明

圖1 MindWave腦機(jī)接口設(shè)備示意圖；

圖2 MindWave數(shù)據(jù)通信協(xié)議；

圖3本發(fā)明整體流程圖；

圖4本發(fā)明根據(jù)腦電波大小控制飛行器高度的流程圖；

圖5 PID進(jìn)行參數(shù)修正控制框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的是在外界的刺激下(語言、圖像)，不需要任何的肢體動(dòng)作和語言，通過MindWave Mobile采集腦電波信號(hào)，由無線傳輸模塊發(fā)送給主控制芯片，主控程序?qū)δX電波信號(hào)進(jìn)行有效信號(hào)提取，利用此信號(hào)來控制飛行器的高度，并將超聲波傳感器采集到的高度信息與期望高度相對(duì)比，通過調(diào)節(jié)油門的大小，使其到達(dá)預(yù)設(shè)高度。繼續(xù)采集腦電波信號(hào)，重復(fù)以上過程，本發(fā)明是根據(jù)測(cè)試者的腦電波信號(hào)中的eSense專注度參數(shù)的大小來控制飛行器高度的。

結(jié)合圖1，MindWave Mobile腦機(jī)接口設(shè)備包括頭箍1、電極貼片2和耳夾3。

1腦電信號(hào)的提取

大腦頂部控制肢體活動(dòng)，大腦后部對(duì)視力進(jìn)行控制，而對(duì)人的情緒、精神狀態(tài)及專注狀態(tài)的控制是由大腦前額處的皮質(zhì)進(jìn)行控制，因此腦機(jī)設(shè)備把傳感器設(shè)置在前額的FPI區(qū)域，可以采集到eSense專注度參數(shù)、eSense冥想度參數(shù)、eSense眨眼檢測(cè)等信號(hào)。MindWave Mobile通過電極貼片和耳夾形成回路，能夠捕捉到最大信號(hào)為1mv的微小腦電波信號(hào)，通過算法分析出腦內(nèi)活動(dòng)狀態(tài)。例如，當(dāng)腦波處于12到30HZ之間時(shí)，為Beta波，表示大腦正處于專注狀態(tài)，當(dāng)腦波在8到12HZ時(shí)，即Alpha，表明大腦處于平靜放松的狀態(tài)。

腦電信號(hào)的處理流程大致分位四步，一、進(jìn)行信號(hào)采集：無源干式傳感器從頭皮檢測(cè)到電力信號(hào)；二、進(jìn)行信號(hào)過濾：把干擾噪音從腦電信號(hào)中過濾掉；三、進(jìn)行信息解讀：通過eSense算法將腦電波解讀為eSense參數(shù)，用于表示用戶當(dāng)前的精神狀態(tài)；四、人機(jī)交互：將eSense參數(shù)傳遞給計(jì)算機(jī)，手機(jī)等智能設(shè)備，從而可以通過腦電波進(jìn)行人機(jī)交互。

2 MindWave數(shù)據(jù)通信協(xié)議

結(jié)合圖2，本發(fā)明借助的是神念科技公司生產(chǎn)的MindWave腦機(jī)接口設(shè)備，內(nèi)置優(yōu)秀的腦電分析算法，且能夠自動(dòng)接收、分析腦電信號(hào)，并且通過無線發(fā)送。腦電接口設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包采用ASCII碼國際標(biāo)準(zhǔn)編碼，數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)包括同步字、報(bào)文長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)內(nèi)容、CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，總長(zhǎng)36字節(jié)。MindWave數(shù)據(jù)通信協(xié)議如下：當(dāng)傳輸設(shè)備收到0XAA 0XAA 0X20是即表示數(shù)據(jù)正常接收，檢驗(yàn)起始幀為0XAA 0XAA，當(dāng)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)幀便認(rèn)為一條數(shù)據(jù)包已經(jīng)正常開始接收，緊接著下一字節(jié)0X20便是整個(gè)要傳送的數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度，其后的數(shù)據(jù)可以存入一個(gè)34個(gè)字節(jié)的數(shù)組里面，最后一個(gè)字節(jié)是奇偶校驗(yàn)碼。根據(jù)協(xié)議第32個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)表示的是注意力集中程度(eSense Attention)，其值的變化范圍為0到100，頻率為1Hz。而本發(fā)明的最終控制量即油門變量，也是一個(gè)在一定范圍內(nèi)變化的量，這與專注度具有相似的變化，因此選取腦電信號(hào)中的eSense專注度參數(shù)的大小來控制飛行器的高度，通過專注度的變化來改變油門的大小，以此來控制飛行器上升和下降。

結(jié)合圖3，腦機(jī)接口設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制芯片是通過信號(hào)傳輸設(shè)備自動(dòng)完成的，通過串口通信向主控制芯片傳輸數(shù)據(jù)包，并在數(shù)據(jù)包中提取出所需要的表征專注度的腦電信號(hào)。在主控程序中對(duì)其進(jìn)行分析，再由超聲波傳感器采集的高度信息經(jīng)過PID數(shù)字算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后使飛行器的高度穩(wěn)定。

3依據(jù)腦電信號(hào)大小設(shè)計(jì)飛行器高度

結(jié)合圖4，首先，飛行器主控制芯片對(duì)于傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，當(dāng)收到0XAA 0XAA 0X20時(shí)表示數(shù)據(jù)可以正常接收，其后的數(shù)據(jù)可以存入一個(gè)34個(gè)字節(jié)的數(shù)組里面，根據(jù)協(xié)議，選取腦電信號(hào)中的注意力集中程度(eSense Attention)也就是第32個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)作為飛行器的輸入，其變化范圍為0到100，依據(jù)此信號(hào)來控制飛行器的高度。

將腦電信號(hào)的注意力集中程度(eSense Attention)分成五個(gè)部分：第一部分0-20；第二部分21-40；第三部分41-60；第四部分61-80；第五部分81-100。第一部分對(duì)應(yīng)的飛行器高度為0-1米；第二部分為1-2米；第三部分為2-3米；第四部分為3-4米；第五部分為4-5米。當(dāng)測(cè)試者受到不同的外界刺激(語言、圖像)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的腦電信號(hào)，利用MindWave采集，通過無線傳輸模塊發(fā)送到主控制芯片上，將數(shù)據(jù)包中的第32個(gè)字節(jié)計(jì)算出來，此時(shí)將注意力集中程度轉(zhuǎn)化為飛行器的高度信息，再與超聲波傳感器采集的高度信息進(jìn)行比對(duì)：當(dāng)實(shí)際高度小于預(yù)設(shè)高度時(shí)，加大油門使其上升，到達(dá)預(yù)設(shè)高度，反之減小油門，使其下降，根據(jù)飛行器的高度就能推斷出測(cè)試者當(dāng)前的注意力集中程度(專注度)。

由于腦控設(shè)備技術(shù)上的局限性，使得腦電控制信號(hào)傳輸?shù)念l率遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上控制信號(hào)所需的頻率，會(huì)使得飛行器在垂直空間上來回震蕩，如果直接控制油門很容易造成飛行器失控的現(xiàn)象。由于考慮到超聲波傳感器有很強(qiáng)的測(cè)距定高的效果，本發(fā)明選用超聲波傳感器輔助定高來實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的相對(duì)穩(wěn)定控制。

結(jié)合圖5，高度反饋信號(hào)的總體思路是：當(dāng)腦控設(shè)備發(fā)送一次控制信號(hào)，在程序里轉(zhuǎn)換成高度量，超聲波傳感器根據(jù)給定的高度量進(jìn)行高度的自我修正，這樣即使腦電信號(hào)的傳輸頻率很低，飛行器在未接收到腦電信號(hào)的時(shí)間里也能進(jìn)行高度的修正和保持，避免了失控現(xiàn)象的發(fā)生。由于需要超聲波傳感器自動(dòng)修正高度，所以需要建立一個(gè)高度反饋系統(tǒng)，采用PID進(jìn)行參數(shù)修正。

飛行器在飛行的過程中，超聲波傳感器通過檢測(cè)離地距離來測(cè)得飛行器的飛行高度，通過給定高度與當(dāng)前測(cè)量高度進(jìn)行做差,然后采用增量型數(shù)字PID算法進(jìn)行高度的反饋，經(jīng)過PID的調(diào)節(jié)使測(cè)量高度趨近給定高度，達(dá)到定高效果，實(shí)驗(yàn)表明，此反饋調(diào)節(jié)具有很好的適用性。

例如，某一時(shí)刻采集到測(cè)試人員的注意力集中程度(eSense Attention)為55，而此時(shí)的飛行器高度為4.3米，通過高度反饋系統(tǒng)，應(yīng)該減小油門的大小，使飛行器的高度在2-3米之間，很顯然，通過飛行器高度的變化可以直觀的反映出測(cè)試人員注意力集中程度下降。

4與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)：

在目前現(xiàn)有的飛行器控制方法中，尚未存在基于腦電信號(hào)的注意力集中程度控制飛行器高度的相關(guān)技術(shù)，因此本發(fā)明是一個(gè)新的技術(shù)方向，也為腦電信號(hào)(BCI)的應(yīng)用拓寬了思路。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了意念控制飛行器，將大腦中的想法轉(zhuǎn)化為實(shí)際的應(yīng)用操作，本發(fā)明設(shè)備簡(jiǎn)單，容易操作，適用性強(qiáng)，性價(jià)比高，為廣大青少年提供幫助，是一款非常出色的大腦訓(xùn)練系統(tǒng)。