一種無線干電極腦電采集及動作識別方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及腦電采集與運動識別領域，尤其涉及一種無線干電極腦電采集及動作 識別方法及系統。
【背景技術】
[0002] 隨著社會與科學技術的發展，一些基于腦電意識的穿戴設備也進入人們的消費領 域，而現有的消費級干電極腦電采集設備主要為注意力及放松度測量的功能，此類產品只 有一維線性數據，在控制上功能單一，為人們帶來的使用感覺與效果單一。
【發明內容】
[0003] 本發明為克服上述的不足之處，目的在于提供一種無線干電極腦電采集及動作識 別方法，本方法通過采集腦電波數據與頭部姿態數據后計算完成動作識別，從而可以很好 地監測使用者的注意力，識別動作，增加對人腦信息識別的維度。
[0004] 本發明另一目的在于提供一種無線干電極腦電采集及動作識別的系統，包括腦電 信號采集電路、運動處理組件、CPU、藍牙模塊，可以準確地采集到腦電波數據和頭部姿態數 據。
[0005] 本發明是通過以下技術方案達到上述目的：一種無線干電極腦電采集及動作識別 方法，包括數據獲取與處理、數據計算與上傳；
[0006] 數據獲取與處理：
[0007] 1)腦電波數據的獲取與處理：通過腦電信號采集電路完成腦電采集與解析，并將 解析結果以數據包形式通過異步串口接口發送至CPU;
[0008] 2)頭部姿態數據的獲取與處理：利用端正姿勢矯正算法矯正人體坐姿，通過運動 處理組件獲得四元數和陀螺儀值，求解四元數得到頭部姿態數據，將頭部姿態數據經過坐 標變換后發送給CPU ;
[0009] 數據計算與上傳：
[0010] i)CPU接收到腦電波數據與頭部姿態數據后將有效數據提取出來，結合CPU主動 查詢得到的陀螺儀值，進行計算得到動作識別結果；
[0011] ii)對計算結果進行打包處理形成幀格式的文件，通過藍牙以固定的發送時間間 隔發送至應用主機，以達到數據的持續傳輸。
[0012] 作為優選，所述CPU接收腦電波數據包采用接口中斷方式，接口中斷方式的工作 方式為每讀取一個字節數據進入接收中斷，并將此數據賦給Data_temp ;包括數據偵查、有 效數據讀取、數據處理三步。
[0013] 作為優選，所述腦電波數據包包括腦電波長數據包和腦電波短數據包；腦電波長 數據包包括噪聲值、注意力值、放松度值三要素，頻率為IHZ ;腦電波短數據包為腦電波原 始數據，頻率為512HZ。
[0014] 作為優選，所述腦電波長數據包和腦電波短數據包是混合發送至CPU的，發送時 腦電波長數據包插入在腦電波短數據包的發送間隔。
[0015] 作為優選，所述端正姿勢矯正算法如下：
[0016] A)系統在檢測頭戴佩戴準確后做頭部端正姿勢的判斷；
[0017] B)系統為端正位置的中心點賦予初始值后并給出誤差范圍，以確保頭部姿態數據 有效。
[0018] 作為優選，所述求解四元數得到的頭部姿態數據為拖布繞X，Y，Z軸旋轉的數據。
[0019] 作為優選，所述固定的發送時間間隔為20-30ms。
[0020] 一種應用如上所述的無線干電極腦電采集及動作識別方法的系統，其特征在于包 括：腦電信號采集電路、運動處理組件、CPU、藍牙模塊；CPU分別與腦電信號采集電路、運動 處理組件、藍牙模塊連接。
[0021] 作為優選，所述的腦電信號采集電路包括干電極、腦電波傳感器芯片；干電極通過 與人體前額接觸獲得腦部模擬電信號，并將此信號發送給腦電波傳感器芯片。
[0022] 作為優選，所述的運動處理組件為自帶DMP的MPU6050 ;藍牙模塊為Bluetooth 4. OBLE0
[0023] 本發明的有益效果在于：（1)增加了頭部轉動控制，利用運動識別模塊對頭部運 動進行采集，增加控制維度，解決了單電極腦電控制維度單一的問題；（2)可以很好地監測 使用者的注意力，識別動作，增加對人腦信息識別的維度。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明系統結構示意圖；
[0025] 圖2是本發明腦電信號采集流程示意圖；
[0026] 圖3是本發明腦電波數據接收流程圖；
[0027] 圖4是本發明頭部姿態動作判斷流程圖；
[0028] 圖5是本發明數據發送流程示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述，但本發明的保護范圍并不僅限于 此：
[0030] 實施例：如圖1所示，一種應用如上所述的無線干電極腦電采集及動作識別方法 的系統，由腦電信號采集電路、運動處理組件、CPU、藍牙模塊組成。CPU分別與腦電信號采 集電路、運動處理組件、藍牙模塊連接。所述的腦電信號采集電路包括干電極、腦電波傳感 器芯片；如圖2所示，干電極通過與人體前額接觸獲得腦部模擬電信號，通過屏蔽線將此信 號傳輸給腦電波傳感器芯片，經由腦電波傳感器芯片處理后，獲得注意力值，噪聲值，并以 特定的格式將數據傳輸給CPU。本系統具有由STM32L052芯片組成的CPU系統，主要負責數 據獲取，數據處理，數據傳輸功能。所述的運動處理組件為自帶DMP的MPU6050;藍牙模塊 為 Bluetooth 4. OBLE0
[0031] 一種無線干電極腦電采集及動作識別方法，包括數據獲取與處理、數據計算與上 傳；
[0032] 數據獲取與處理：主要獲取腦電波數據和頭部姿態數據，兩種數據的獲取是并行 的。
[0033] 1)腦電波數據的獲取與處理：通過腦電信號采集電路完成腦電采集與解析，并將 解析結果以數據包形式通過異步串口接口發送至CPU ;
[0034] 腦電數據包主要有兩種1 :短數據包：腦電波原始數據，頻率為512Hz。數據格式： 2:長數據包（主要包括噪聲值，注意力值，放松度值），頻率為1Hz。其中數據包的發送是混 合的，即長數據包時在短數據包發送的中間插入的。
[0035] 對于本系統，腦電波數據的獲取的主要工作為將腦電長數據包和腦電短數據包分 離開來，在解析出腦電長數據包中的有效數據的同時，保證腦電短數據包的不丟失。鑒于以 上特點，采用USART接口的中斷方式對腦電數據進行接收。
[0036] 串口中斷的工作方式為每讀取一個字節數據進入接收中斷，并將此數據賦給 Data_temp，工作過程如圖3所示，每接收到一個數據執行一步。可將數據讀取分為三步：
[0037] 1.數據的偵查：如果連續接收到兩個OxAA的字節，則說明為腦電數據包開始傳 輸。
[0038] 2.有效數據的讀取：檢測到腦電數據包后，接下來一個數據為數據包有效數據長 度。長數據包為0x20,短數據包為0x20,以此為數據包類別判斷依據。對于腦電長數據包， 直接將數據放入緩沖區。對于腦電短數據包，因本系統采用Bluetooth 4. OBLE方式，無法 發送512HZ腦電短數據包。因此采用4個數據包里只接受一個包的形式，即接受頻率為 128Hz，接收后將短數據包放入Ori_temp 口。
[0039] 數據接收后處理：數據包的最后一個數據為校驗位，如果校驗正確，對于接收到腦 電長數據包后須立刻將接收標志為置位，等待主程序進入數據發送處理流程即可將數據發 送。對于腦電短數據包，本系統使用循環隊列的數據結構對腦電短數據包進行存儲，需注意 腦電短數據包入隊列操作，需保證隊列不溢出。
[0040] 2)頭部姿態數據的獲取與處理：利用端正姿勢矯正算法矯正人體坐姿，通過運動 處理組件獲得四元數和陀螺儀值，求解四元數得到頭部姿態數據，將頭部姿態數據經過坐 標變換后發送給CPU ;
[0041] 對于頭部姿態的檢測利用融合三軸加速度和三軸陀螺儀的MPU6050。此款傳感器 內部自帶DMP (Digital Motion Processor，數字運動處理器）。
[0042] 三軸加速度在傳感器靜止時的數據能較準確反應傳感器姿態，但在傳感器運動時 會疊加傳感器運動的加速度，加速度數據已不能反應傳感器姿態。三軸陀螺儀對于傳感器 的姿態變化較敏感，但在長時間使用時會有角度漂移的累加。因此，需要對三軸加速度和 三軸陀螺儀進行濾波融合才能在傳感器運動時較準確反應傳感器姿態。本系統選擇讀取 MPU6050的自帶DMP數據，此數據利用傳感器自帶的內部DMP對加速度和陀螺儀數據進行融 合，能準確反應傳感器姿態，并且不占用MCU資源。
[0043] MPU6050的數