本發(fā)明涉及腦電信號采集分析系統(tǒng)和四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于bci的飛行器控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

腦機(jī)接口(brain-computerinterface，以下簡稱bci)，是近年來發(fā)展起來的一種人機(jī)接口，它是不依賴于大腦的正常輸出通路(即外圍神經(jīng)和肌肉組織)，就可以實(shí)現(xiàn)人腦與外界(計(jì)算機(jī)或其它外部裝置)直接通信的系統(tǒng)。bci技術(shù)的出現(xiàn)，使得用大腦信號直接控制外界環(huán)境的想法成為可能。實(shí)現(xiàn)bci，有三個(gè)必要條件：第一，必須有一種能夠可靠反映大腦思維的信號；第二，這種信號能夠被實(shí)時(shí)且快速的收集；第三，這種信號有明確的分類。目前可用于bci的人腦信號有：eeg(腦電圖)，meg(腦磁圖)和fmri(功能性核磁共振圖象)等。目前大多數(shù)bci研究機(jī)構(gòu)采用的大腦信號是eeg。人類的每一閃思維，每一種情緒，每一個(gè)想法，在大腦中都會產(chǎn)生特定的eeg信號，這種信號由千百萬個(gè)神經(jīng)元共同產(chǎn)生，并在大腦內(nèi)傳播。不同思維情況下產(chǎn)生的神經(jīng)電活動信號表現(xiàn)出不同的時(shí)空變化模式，會導(dǎo)致eeg信號的不同，將檢測到的eeg信號傳送給計(jì)算機(jī)或相關(guān)裝置，經(jīng)過有效的信號處理與模式識別后，計(jì)算機(jī)就能識別出使用者的思維狀態(tài)，并完成所希望的控制行為，比如移動光標(biāo)、開門、打字和開機(jī)等。

目前，對小型四旋翼飛行器的開發(fā)屬于自動控制領(lǐng)域的熱門話題，四旋翼飛行器也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航拍，搜救，娛樂等諸多領(lǐng)域。然而，四旋翼飛行器由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，飛行狀態(tài)不固定以及對遙控器操縱的敏感反應(yīng)，總體操控難度較大。其主要局限在于，對于飛行中的四旋翼飛行器，其飛行姿態(tài)是由遙控器中的油門、航向、俯仰、橫滾四個(gè)通道輸出共同控制的，任何一個(gè)輸出的微小改變都會對飛行器的姿態(tài)造成很大變化，操作不當(dāng)極易造成墜機(jī)。對于普通使用者而言，較快較好地掌握四旋翼飛行器的控制有很大的難度，而本發(fā)明能很好地解決上面的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種基于bci的飛行器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過bci實(shí)現(xiàn)對小型四旋翼飛行器進(jìn)行基礎(chǔ)飛行動作的實(shí)時(shí)控制，達(dá)到穩(wěn)定控制起飛降落以及各種簡單飛行動作，方便普通用戶進(jìn)行控制并體驗(yàn)樂趣。本發(fā)明適用于以四旋翼飛行器為載體的航拍、搜救娛樂等多種控制場景，有助于用戶快速掌握飛行控制。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該系統(tǒng)由腦電采集裝置、便攜式腦電信號處理控制器和四旋翼飛行器組成，腦電采集裝置包括腦電波采集設(shè)備openbci和串口通信模塊；便攜式腦電信號處理控制器包括運(yùn)行腦電識別上位機(jī)的linux嵌入式處理器和無線通信模塊；四旋翼飛行器包括姿態(tài)傳感器、飛行控制器，當(dāng)腦電采集器采集到相應(yīng)腦電信號后，通過串口傳輸至linux嵌入式處理器，經(jīng)分析處理后，相應(yīng)控制信號通過無線模塊向四旋翼飛行器飛行控制器發(fā)出控制指令，四旋翼飛行器做出相應(yīng)的飛行動作，完成控制全過程。

更進(jìn)一步的，所述便攜式腦電信號處理控制器包括腦電信號分析比對算法，在便攜式腦電信號處理控制器中使用四種不同腦電信號特征對腦電信號識別庫進(jìn)行訓(xùn)練，分別代表起飛/降落，向前飛行預(yù)設(shè)距離，左轉(zhuǎn)預(yù)設(shè)角度，右轉(zhuǎn)預(yù)設(shè)角度。

更進(jìn)一步的，所述四旋翼飛行器接收四種飛行控制命令：起飛至預(yù)設(shè)高度/降落、左轉(zhuǎn)預(yù)設(shè)角度、左轉(zhuǎn)預(yù)設(shè)角度和前進(jìn)預(yù)設(shè)距離。

更進(jìn)一步的，所述四旋翼飛行器設(shè)置兩種飛行模式：一種是移動模式，四旋翼飛行器執(zhí)行飛行控制命令；另一種是懸停模式，四旋翼飛行器保持高度、航向角不變，機(jī)身水平，空間位置不變。

更進(jìn)一步的，所述四旋翼飛行器通過綜合gps、電子羅盤、陀螺儀、氣壓計(jì)、聲吶的姿態(tài)傳感器檢測當(dāng)前姿態(tài)和位置，用于校正四旋翼飛行器飛行狀態(tài)。

更進(jìn)一步的，所述便攜式處理控制器中將對腦電進(jìn)行識別與處理的上位機(jī)移植到linux嵌入式設(shè)備中，方便戶外使用。

更進(jìn)一步的，當(dāng)發(fā)生飛行高度異常變化時(shí)，強(qiáng)制切換至懸停模式，主動保護(hù)所述四旋翼飛行器。

更進(jìn)一步的，在完成一條飛行控制命令后和下一條控制命令到來之前，所述四旋翼飛行器保持懸停狀態(tài)。

更進(jìn)一步的，所述四旋翼飛行器的飛行控制命令直接來自于便攜式腦電信號處理控制器對使用者腦電信號的識別和處理結(jié)果。

本發(fā)明中使用者通過在腦中設(shè)想指定信息，產(chǎn)生易于分辨的特定腦電信號從而觸發(fā)相應(yīng)控制；四旋翼飛行器采用gps、氣壓計(jì)、磁力計(jì)等傳感器實(shí)現(xiàn)自身飛行穩(wěn)定和誤差校準(zhǔn)，在異常姿態(tài)下，強(qiáng)制恢復(fù)懸停模式；在保持穩(wěn)定的前提下，接收飛行控制裝置發(fā)出的控制命令，切換至移動模式做出相應(yīng)的姿態(tài)變化，在指令的間隔內(nèi)保持懸停。

本發(fā)明有益效果：

(1)本發(fā)明采用少數(shù)腦電信號控制四旋翼飛行器，大大降低了四旋翼飛行器的操控難度；

(2)本發(fā)明的腦機(jī)接口識別并處理四種不同特征信號，可將復(fù)雜的飛行動作化簡為這四種命令的疊加，簡化了飛行控制命令；

(3)本發(fā)明的自動飛行控制裝置克服了手動遙控器易出現(xiàn)誤操作的缺點(diǎn)；

(4)本發(fā)明的四旋翼飛行器使用具有主動保護(hù)功能的自穩(wěn)模式，減少了墜機(jī)事故；

(5)本發(fā)明的便攜式腦電信號處理控制器是將腦電分析處理程序移植到便攜式嵌入式設(shè)備中，克服了傳統(tǒng)電腦的不便。

附圖說明

圖1本發(fā)明的基于bci的飛行器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明的四旋翼飛行器控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖將對本發(fā)明的實(shí)施進(jìn)行更為詳細(xì)的說明。

如圖1和圖2所示，基于bci的飛行器控制系統(tǒng)，其包括腦電采集裝置、便攜式腦電信號處理控制器和四旋翼飛行器。腦電采集裝置包括腦電波設(shè)備和串口通信模塊。便攜式腦電信號處理控制器包括嵌入式處理器和無線通信模塊。四旋翼飛行器包括飛行控制器和多種姿態(tài)傳感器。當(dāng)腦電采集器采集到相應(yīng)腦電信號后，通過串口傳輸至腦電處理控制器，經(jīng)分析處理后，相應(yīng)控制信號通過無線模塊向四旋翼飛行器飛行控制器發(fā)出控制指令，四旋翼飛行器做出相應(yīng)的飛行動作，完成控制全過程。

本發(fā)明中四旋翼飛行器包含飛行控制器和多種姿態(tài)傳感器，姿態(tài)傳感器包括：陀螺儀、加速度計(jì)、氣壓計(jì)、gps和聲吶。飛行器飛行過程中姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)采集當(dāng)前姿態(tài)信息，包括航向角、俯仰角、橫滾角、當(dāng)前高度、當(dāng)前位置等，并將其傳送至飛行控制器；在執(zhí)行飛行命令時(shí)依據(jù)這些實(shí)時(shí)反饋完成相應(yīng)動作；在完成一個(gè)控制命令后，飛行控制器根據(jù)以上姿態(tài)信息判定飛行是否處于平穩(wěn)懸停狀態(tài)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行修正，同時(shí)等待下一條控制命令。

本發(fā)明系統(tǒng)各個(gè)功能模塊之間的通信方式如圖1所示。開源腦電波設(shè)備采集到腦電信號經(jīng)放大、濾波后通過串口通信模塊傳遞給嵌入式處理器，嵌入式處理器中運(yùn)行的腦電分析上位機(jī)將收到的腦電信號與預(yù)制訓(xùn)練庫進(jìn)行分析比對，若判斷出此信號為四種命令信號之一，則將相應(yīng)的飛行控制指令通過無線通信模塊傳送給飛行控制器，飛行控制器在收到控制命令后在姿態(tài)傳感器的實(shí)時(shí)反饋下進(jìn)行相應(yīng)的飛行動作，并在完成指定動作后下一條命令到來之前，維持懸停狀態(tài)。

本發(fā)明的系統(tǒng)主要用于控制四旋翼飛行器的兩種飛行狀態(tài)：懸停模式和移動模式。當(dāng)四旋翼飛行器需要懸停在某處進(jìn)行工作，例如拍照、探測等，受氣流，四旋翼飛行器自身誤差等因素影響，普通的遙控器手動操控模式很難維持飛行器的懸停靜止，而在本發(fā)明中引入了諸多姿態(tài)傳感器，使得飛行器自身通過多種姿態(tài)信息反饋配合pid算法實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定，并保持懸停。當(dāng)四旋翼飛行器需要向某處移動時(shí)，通過人腦的運(yùn)動想象產(chǎn)生特定腦電信號，經(jīng)便攜式處理控制器識別處理后轉(zhuǎn)化為指定飛行控制命令，經(jīng)無線傳輸模塊發(fā)送給四旋翼飛行器中的飛行控制器，飛行控制器控制四旋翼協(xié)作產(chǎn)生指定動作，并依據(jù)姿態(tài)傳感器返回的姿態(tài)信息校正誤差。依靠本發(fā)明的系統(tǒng)所述兩種功能可以很好地做到控制四旋翼飛行器完成指定動作，并減輕了用戶控制四旋翼飛行器的難度。

本發(fā)明中的便攜式腦電信號處理控制器不同于一般的pc機(jī)，而是將腦電分析上位機(jī)移植到linux嵌入式平臺，形成便攜式處理控制器，使得采用腦電控制飛行器的應(yīng)用場景不僅僅局限于室內(nèi)試驗(yàn)，而且可以應(yīng)用于戶外復(fù)雜環(huán)境中。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對本發(fā)明實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求書為準(zhǔn)。