本發(fā)明涉及一種基于vc++和matlab混合編程的emotiv腦控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)及方法。具體的說，包括emotiv腦電信號采集模塊（1），matlab腦電信號在線分析模塊（2）和無人機(jī)飛行控制模塊（3）三部分，能夠?qū)Σ杉哪X電信號顯示、保存、在線識別，控制無人機(jī)飛行并在matlab編寫的gui界面上顯示結(jié)果。具有可移植性強(qiáng)、操作簡單且功能全面等特點(diǎn)。

背景技術(shù)：

腦機(jī)接口是指通過電極從頭皮或顱內(nèi)獲得含有控制意圖的腦電信號，經(jīng)過預(yù)處理、特征提取與分類，識別出不同的用戶意圖，并將之轉(zhuǎn)化為能夠控制外部設(shè)備的命令。它包含腦電信號檢測和腦電信號識別兩方面，其中腦電信號的識別最為重要，主要完成腦電信號的預(yù)處理、特征提取與分類。

現(xiàn)有的腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究大多還是在實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)際應(yīng)用少之又少。其中一個主要因素在于腦機(jī)接口系統(tǒng)中關(guān)鍵在于腦電信號識別環(huán)節(jié)，而采集腦電信號的好壞直接影響了識別結(jié)果的正確性。由于工藝和技術(shù)的限制，制作腦電采集設(shè)備的難度較大，造成應(yīng)用于腦機(jī)接口中腦電采集設(shè)備價格非常昂貴，不便于推廣。其次腦電采集設(shè)備所使用的放大器體積較大，通道連接線多，不夠便攜。再者，進(jìn)行腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)時需要涂上導(dǎo)電膏增強(qiáng)腦電信號，過程較為繁瑣，這都不便于應(yīng)用的實(shí)際使用和推廣。近幾年市場上也陸續(xù)出現(xiàn)了很多無線的腦電采集設(shè)備，無線設(shè)備價格相對傳統(tǒng)設(shè)備低很多，體積小，便攜，使用也簡便，便于實(shí)際應(yīng)用和推廣。但是普遍存在導(dǎo)聯(lián)數(shù)少，采樣頻率低等缺點(diǎn)，使得采集到的腦電信號信息缺失過于嚴(yán)重，無法準(zhǔn)確還原信息，對分析處理造成了很大的干擾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是考慮到目前在腦機(jī)接口領(lǐng)域的實(shí)際使用少，推廣難的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種實(shí)時高效便攜的基于vc++和matlab混合編程的emotiv腦控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)及方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：

腦機(jī)接口系統(tǒng)包含信號采集，信號分析處理和控制器三個部分。本文采用emotivepoc作為腦電采集設(shè)備作為研究的一個基本出發(fā)點(diǎn)，采用matlab自編預(yù)處理、特征提取和分類函數(shù)處理腦電信號，采用無人機(jī)作為控制器，構(gòu)成了一個完整便攜的腦機(jī)接口系統(tǒng)。emotivepoc是近幾年才推出的一個較新無線腦電采集設(shè)備，有14個通道可以采集腦電信號，采樣頻率128hz，emotiv的這些設(shè)備特點(diǎn)讓其具有推廣優(yōu)勢同時，其采集的腦電信號的信息還原度也很高，降低了信號分析處理的難度。

根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

基于vc++和matlab混合編程的emotiv腦控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)及方法，其特征在于：由emotiv腦電信號采集模塊（1）經(jīng)matlab腦電信號在線分析模塊（2）連接無人機(jī)飛行控制模塊（3）構(gòu)成，其中，emotiv腦電信號采集模塊（1）使用emotivepoc設(shè)備采集受試者控制無人機(jī)飛行時的腦信號，腦信號通過無線方式傳輸給電腦上的vc++采集軟件，采集軟件采用tcp/ip協(xié)議傳輸給所述matlab腦電信號在線分析模塊（2）；matlab腦電信號在線分析模塊（2）接收到腦信號之后，對其顯示，保存，進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和分類識別，最終分析出腦信號中的有效成分并將其轉(zhuǎn)換成控制指令通過無線串口方式傳輸給所述無人機(jī)飛行控制模塊（3）；無人機(jī)飛行控制模塊（3）包括通信協(xié)議的調(diào)試和控制協(xié)議的設(shè)計(jì)，最終無人機(jī)飛行控制模塊（3）接收到控制指令控制無人機(jī)執(zhí)行起飛，降落，左飛，右飛一系列飛行操作。

一種基于vc++和matlab混合編程的emotiv腦控?zé)o人機(jī)方法，采用上述系統(tǒng)進(jìn)行操作，其特征在于：（一）所述emotiv腦電信號采集模塊（1）采用vc++軟件編寫，并使用多線程編程以及tcp/ip通信協(xié)議技術(shù)；matlab腦電信號在線分析模塊（2）采用matlab編程實(shí)現(xiàn)，識別函數(shù)采用matlab編寫；具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

1-1)參數(shù)設(shè)置：需要設(shè)置的信息包括采樣通道的名稱、采樣通道數(shù)、tcp/ip傳輸協(xié)議的ip地址及端口號、串口傳輸?shù)亩丝谔柤安ㄌ芈?、文件保存時間，在matlabgui界面中通過對相應(yīng)控件編程實(shí)現(xiàn)；

1-2)由emotiv腦電信號采集模塊（1）實(shí)現(xiàn)腦電信號的實(shí)時采集、顯示、停止、保存，采用vc++編寫：

（1-2-1）采集：一個線程接收emotivepoc設(shè)備采集的腦電數(shù)據(jù)，另外一個線程通過tcp/ip通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳輸給matlab編寫的腦電信號在線分析模塊（2）；

（1-2-2）顯示：當(dāng)采集的數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)定點(diǎn)數(shù)時，在matlabgui界面的顯示控件中顯示數(shù)據(jù)；

（1-2-3）停止：判斷采集的數(shù)據(jù)是否達(dá)到設(shè)定點(diǎn)數(shù)，到所需點(diǎn)數(shù)時，停止采集數(shù)據(jù)；

（1-2-4）保存：將采集到的數(shù)據(jù)以文本形式存儲，同時可以清除顯示控件中的波形；

1-3)matlab腦電信號在線分析模塊（2）對實(shí)時采集到的腦電信號進(jìn)行在線識別，在matlab環(huán)境中調(diào)用自編預(yù)處理、特征提取以及分類函數(shù)實(shí)現(xiàn)；

（1-3-1）調(diào)用matlab預(yù)處理函數(shù)：在matlab編譯環(huán)境下，自編預(yù)處理函數(shù)ica.m，，對應(yīng)獨(dú)立成分分析方法；

（1-3-2）濾除噪聲：通過獨(dú)立成分分析方法，濾除掉眼電、肌電偽跡，同時獲取受試者的眨眼狀態(tài)，用作后續(xù)的無人機(jī)飛行控制模塊（3）的一種控制信號。

（1-3-3）調(diào)用matlab特征提取函數(shù)：在matlab編譯環(huán)境下，自編特征提取函數(shù)ar.m，對應(yīng)自回歸模型參數(shù)特征提取方法；

（1-3-4）獲得初始特征數(shù)組：根據(jù)選定的特征提取函數(shù)提取信號特征，構(gòu)建初始特征數(shù)組：ar.m特征提取函數(shù)對信號時域波形提取4階ar模型系數(shù)，組成初始特征數(shù)組；

（1-3-5）調(diào)用matlab模式分類函數(shù)：在matlab編譯環(huán)境下，自編分類識別函數(shù)svm.m對應(yīng)支持向量機(jī)分類方法；

（1-3-6）獲得識別結(jié)果：將初始特征數(shù)組送入分類器分析識別，得到識別結(jié)果：svm.m分類函數(shù)將初始特征數(shù)組作為svm分類器的輸入，進(jìn)行模式分類，輸出識別結(jié)果，識別結(jié)果分為想象左手運(yùn)動和想象右手運(yùn)動；

（1-3-7）將反映受試思維狀態(tài)的識別結(jié)果回顯到matlabgui界面的顯示控件中，同時將識別結(jié)果通過無線串口的方式傳輸給無人機(jī)飛行控制模塊（3）。

（二）所述無人機(jī)飛行控制模塊（3）采用c51編程實(shí)現(xiàn)；具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

2-1)控制協(xié)議制定：通過眨眼來控制無人機(jī)的起飛和降落；想象左手運(yùn)動控制無人機(jī)左飛，想象右手運(yùn)動控制無人機(jī)右飛；

2-2)無人機(jī)飛行控制：通過c51編程接收matlab腦電信號在線分析模塊（2）通過無線串口發(fā)送的控制指令，同時將控制指令轉(zhuǎn)換為單片機(jī)pwm數(shù)字信號口的信號，控制無人機(jī)上電機(jī)按照預(yù)定的速度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)起飛、降落、左飛和右飛；

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：界面友好，操作靈活，便攜易推廣；能夠?qū)崿F(xiàn)腦電數(shù)據(jù)的實(shí)時識別，是腦機(jī)接口技術(shù)在在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的一次嘗試。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明的總體流程圖。

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例emotiv腦控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)matlab主程序界面圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下：

實(shí)施例一：

參見圖1，本基于vc++和matlab混合編程的emotiv腦控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)，由emotiv腦電信號采集模塊（1）經(jīng)matlab腦電信號在線分析模塊（2）連接無人機(jī)飛行控制模塊（3）構(gòu)成。emotiv腦電信號采集模塊（1）采用vc++軟件編寫，并使用多線程編程以及tcp/ip通信協(xié)議技術(shù)；matlab腦電信號在線分析模塊（2）采用matlab編程實(shí)現(xiàn)，具體識別函數(shù)采用matlab編寫；無人機(jī)飛行控制模塊（3）采用了c51編程實(shí)現(xiàn)。

實(shí)施例二：

參見圖2，基于vc++和matlab混合編程的emotiv腦控?zé)o人機(jī)方法，完成參數(shù)設(shè)置之后，vc++采集軟件開始采集腦信號，然后采用tcp/ip協(xié)議傳輸給matlab腦電信號在線分析模塊（2）；matlab腦電信號在線分析模塊（2）接收到腦信號之后，對其顯示，保存，然后調(diào)用matlab自編預(yù)處理函數(shù)ica.m濾除眼電和肌電偽跡、調(diào)用matlab自編特征提取函數(shù)ar.m獲取初始特征數(shù)組、調(diào)用matlab自編分類函數(shù)svm.m對已獲取的特征數(shù)組進(jìn)行分類，最終分析出腦信號中的有效成分并將其轉(zhuǎn)換成控制指令，傳輸給無人機(jī)飛行控制模塊（3）控制無人機(jī)執(zhí)行起飛，降落，左飛，右飛一系列飛行操作。

參見圖3，基于vc++和matlab混合編程的emotiv腦控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)matlab主程序界面圖，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、接收vc++軟件傳輸?shù)哪X電信號、腦電信號顯示及保存，腦電信號分析處理及通過串口給無人機(jī)飛行控制模塊（3）發(fā)送控制指令的功能。具體操作步驟如下:

1)參數(shù)設(shè)置：包括信號采集ip設(shè)置和端口設(shè)置，無人機(jī)連接端口號設(shè)置和波特率設(shè)置以及通道選擇設(shè)置。在‘信號采集面板’設(shè)置tcp/ip傳輸ip地址以及端口號；在‘無人機(jī)連接’面板設(shè)置無線wifi模塊設(shè)備的端口號及波特率；在‘通道選擇’面板設(shè)置采樣通道。

2)信號采集、顯示及保存：點(diǎn)擊‘信號采集面板’的‘開始采集’按鈕，vc++編寫的采集軟件開始從emotivepoc設(shè)備采集腦電數(shù)據(jù)；點(diǎn)擊‘連接’按鈕，‘連接狀態(tài)’控件將顯示‘已連接’，數(shù)據(jù)將傳輸?shù)絤atlab編寫的主程序中，同時顯示在‘信號顯示’控件當(dāng)中。點(diǎn)擊‘停止’按鈕，數(shù)據(jù)停止采集；點(diǎn)擊‘保存’按鈕，將之前采集的腦電數(shù)據(jù)以.txt或者.mat的格式存儲。

3)信號在線分析及控制無人機(jī)飛行：點(diǎn)擊‘無人機(jī)連接’面板的‘連接’按鈕，‘連接狀態(tài)’控件將顯示‘已連接’；點(diǎn)擊‘開始’按鈕，將調(diào)用自編預(yù)處理、特征提取及分類函數(shù)對采集的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的在線分析，同時將分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制指令通過無線串口的方式傳輸給無人機(jī)的飛行控制模塊控制無人機(jī)飛行。其中2s內(nèi)連續(xù)眨眼2次控制無人機(jī)的起飛，連續(xù)4s閉眼控制無人機(jī)降落，想象左手運(yùn)動控制無人機(jī)左飛，想象右手運(yùn)動控制無人機(jī)右飛。點(diǎn)擊‘停止’按鈕，結(jié)束數(shù)據(jù)在線分析和信號采集。

實(shí)施例三：

參見圖2，本基于vc++和matlab混合編程的emotiv腦控?zé)o人機(jī)方法，采用上述系統(tǒng)進(jìn)行操作，其特征在于：（一）所述emotiv腦電信號采集模塊（1）采用vc++軟件編寫，并使用多線程編程以及tcp/ip通信協(xié)議技術(shù)；matlab腦電信號在線分析模塊（2）采用matlab編程實(shí)現(xiàn)，識別函數(shù)采用matlab編寫；具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

1-1)參數(shù)設(shè)置：需要設(shè)置的信息包括采樣通道的名稱、采樣通道數(shù)、tcp/ip傳輸協(xié)議的ip地址及端口號、串口傳輸?shù)亩丝谔柤安ㄌ芈?、文件保存時間，在matlabgui界面中通過對相應(yīng)控件編程實(shí)現(xiàn)；

1-2)由emotiv腦電信號采集模塊（1）實(shí)現(xiàn)腦電信號的實(shí)時采集、顯示、停止、保存，采用vc++編寫：

（1-2-1）采集：一個線程接收emotivepoc設(shè)備采集的腦電數(shù)據(jù)，另外一個線程通過tcp/ip通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳輸給matlab編寫的腦電信號在線分析模塊（2）；

（1-2-2）顯示：當(dāng)采集的數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)定點(diǎn)數(shù)時，在matlabgui界面的顯示控件中顯示數(shù)據(jù)；

（1-2-3）停止：判斷采集的數(shù)據(jù)是否達(dá)到設(shè)定點(diǎn)數(shù)，到所需點(diǎn)數(shù)時，停止采集數(shù)據(jù)；

（1-2-4）保存：將采集到的數(shù)據(jù)以文本形式存儲，同時可以清除顯示控件中的波形；

1-3)matlab腦電信號在線分析模塊（2）對實(shí)時采集到的腦電信號進(jìn)行在線識別，在matlab環(huán)境中調(diào)用自編預(yù)處理、特征提取以及分類函數(shù)實(shí)現(xiàn)；

（1-3-1）調(diào)用matlab預(yù)處理函數(shù)：在matlab編譯環(huán)境下，自編預(yù)處理函數(shù)ica.m，，對應(yīng)獨(dú)立成分分析方法；

（1-3-2）濾除噪聲：通過獨(dú)立成分分析方法，濾除掉眼電、肌電偽跡，同時獲取受試者的眨眼狀態(tài)，用作后續(xù)的無人機(jī)飛行控制模塊（3）的一種控制信號。

（1-3-3）調(diào)用matlab特征提取函數(shù)：在matlab編譯環(huán)境下，自編特征提取函數(shù)ar.m，對應(yīng)自回歸模型參數(shù)特征提取方法；

（1-3-4）獲得初始特征數(shù)組：根據(jù)選定的特征提取函數(shù)提取信號特征，構(gòu)建初始特征數(shù)組：ar.m特征提取函數(shù)對信號時域波形提取4階ar模型系數(shù)，組成初始特征數(shù)組；

（1-3-5）調(diào)用matlab模式分類函數(shù)：在matlab編譯環(huán)境下，自編分類識別函數(shù)svm.m對應(yīng)支持向量機(jī)分類方法；

（1-3-6）獲得識別結(jié)果：將初始特征數(shù)組送入分類器分析識別，得到識別結(jié)果：svm.m分類函數(shù)將初始特征數(shù)組作為svm分類器的輸入，進(jìn)行模式分類，輸出識別結(jié)果，識別結(jié)果分為想象左手運(yùn)動和想象右手運(yùn)動；

（1-3-7）將反映受試思維狀態(tài)的識別結(jié)果回顯到matlabgui界面的顯示控件中，同時將識別結(jié)果通過無線串口的方式傳輸給無人機(jī)飛行控制模塊（3）。

（二）所述無人機(jī)飛行控制模塊（3）采用c51編程實(shí)現(xiàn)；具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

2-1)控制協(xié)議制定：通過眨眼來控制無人機(jī)的起飛和降落；想象左手運(yùn)動控制無人機(jī)左飛，想象右手運(yùn)動控制無人機(jī)右飛；

2-2)無人機(jī)飛行控制：通過c51編程接收matlab腦電信號在線分析模塊（2）通過無線串口發(fā)送的控制指令，同時將控制指令轉(zhuǎn)換為單片機(jī)pwm數(shù)字信號口的信號，控制無人機(jī)上電機(jī)按照預(yù)定的速度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)起飛、降落、左飛和右飛。