專利名稱：基于腦機接口的車模控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及腦機接口的應用研究領域，具體是一種基于腦機接口的車模控制裝置。
背景技術：
腦-機接口( Brain-Computer hterface，BCI)是在人腦和計算機或其他電子設備之間建立一種不依賴于常規大腦輸出通路(外周神經和肌肉組織)的直接信息交流和控制通道，是一種全新的人-機交互系統。腦-機接口作為一種全新的信息交換和控制技術，將為癱瘓病人，特別是那些喪失了基本肢體運動功能但思維正常的患者，提供一種與外界進行信息交流和控制的新途徑。BCI系統根據腦信號獲取的方式可分為侵入式和非侵入式，若植入電極到腦殼內稱為侵入式系統；若從頭皮采集信號則稱為非侵入式系統。腦電 (Electroencephalography, EEG)是腦細胞群體發放電所產生的宏觀現象，當大腦活動的時候，會產生特定的腦電信號。非侵入式腦機接口由于無需做手術，因此其研究較為普遍。基于運動想象的BCI是最為廣泛的一類，國際上很多研究機構在進行這方面的研究。清醒的受試者在從事任何與感覺運動相關的活動時，感覺運動皮層區域能夠檢測到8-12 Hz節律的腦電波，這種節律稱為Mu節律。通常Mu節律出現的同時，伴隨18-26HZ 的Beta節律出現。Beta節律的一部分是Mu節律的倍頻，另外一部分是獨立的腦電特征， 因此許多BCI系統都會采用這兩個節律作為腦電特征。Mu和Beta節律與腦的運動區域有關聯，準備運動或實際運動伴隨著對側的Mu和Beta節律的下降，稱為事件相關去同步(Event-related desynchronization, RED)，而運動的結束伴隨著這兩個節律的上升， 稱為事件相關同步(Event-related synchronization, ERS)，基于運動想象的腦機接口比較容易掌握，且相應的信號特征獲取方法多，其中具有代表的是共空域模式法(Common spatial patterns, CSP) CSP，自適應回歸(Adaptive autoregressive, ARR)模型和匹配足艮S宗·。另外基于事件相關電位(Event related Potential，ERP)的研究也是一個重要方向。P300是由小概率事件(視覺、聽覺、觸覺等形式)誘發的一種ERP，因對應于事件發生約 300毫秒后EEG中的一個正電位波形而得名。基于P300電位的BCI利用特定的事件刺激序列，誘發使用者的P300電位，通過P300的發生時刻來判斷用戶的意識活動，這種類型的 BCI特別適合從多個選擇中選擇一個目標的操作。實驗表明相關事件出現的概率越小，所引起的P300越顯著，并在頭部的頂骨區(中部或后部)最為顯著。目前融合多個腦機接口是目前腦機接口重要的研究方向，比如融合事件關聯電位和運動想象電位實現多自由度指令提取。以此來控制外部設備如車模、機械手、機器人、輪椅等。國際機器人聯合會給服務機器人的定義為服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類健康的服務和工作，但不包括從事生產的設備。在我國服務機器人的涵蓋范圍較廣，其定義為工業機器人之外的各種機器人，主要應用于第三產業，包括家庭機器人(Home Robot)與野外機器人(Field Robot)兩大類。服務機器人正在為人們提供越來越多方便、舒適的服務，引領人類生活方式發生變革，為人口老齡化等帶來的重大社會服務問題提供解決方案，為第三產業發展提供新的動力。目前我國60歲以上人口已達到1. 34億，殘疾人數量高達5千多萬，在不遠的將來，老年人和殘疾人的護理將成為社會的一個重要負擔，迫切需要一大批服務機器人提供家用智能服務，諸如清潔、取物、 遠程醫療、家庭保安、娛樂等，提高他們的生活質量，滿足整個社會對護理人員數量和質量的需求。國家中長期科技發展規劃綱要提出，2015年我國實現“人人享有康復服務”的國家戰略目標，并且把“康復工程”作為國家科技支撐計劃重點資助項目。目前作為新的學科制高點與經濟增長點，助殘與康復工程正在逐漸成為國家重點扶持產業，這給腦機接口研究由理論向產品轉化帶來新的契機，有利于相關研究進一步深入。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于腦機接口的車模控制裝置，本發明裝置能根據受試者的腦電信號，判斷出受試者的控制意圖，通過無線通訊的方式，控制車模啟動、停止、加、減檔及左、右轉向操作。實現本發明目的所采用的技術方案包括
基于腦機接口的車模控制裝置，包括電極帽、腦電采集儀、計算機、無線發射模塊、無線接收模塊以及車模運動控制系統；其中，電極帽與使用者的腦頭皮相接采集頭皮腦電信號， 電極帽與腦電采集儀信號相連并對信號進行濾波、放大及模數轉換的處理；所述計算機內部設有依次連接的腦電信號預處理模塊、特征提取模塊和分類識別模塊，上述經過腦電采集儀進行處理后的信號通過計算機上的1/0接口傳遞到腦電信號預處理模塊進行進一步濾波處理后，再傳遞到特征提取模塊分別提取出P300特征信息和ERD/ERS特征信息，分類識別模塊再分別對P300特征信息和ERD/ERS特征信息進行信號識別，并轉換成指令，該指令再通過計算機上的1/0接口傳輸給無線發射模塊，無線發射模塊與無線接收模塊之間通過天線實現數據傳遞，無線接收模塊接收到指令后，控制車模運動控制系統相對應的運動。所述指令和車模運動控制系統相對應的運動均包括加速、減速、左轉以及右轉。所述無線接收模塊接收到指令后通過數字編碼芯片產生序列脈沖，經過ASK調頻方式調制后以315Mhz載波經天線發送，天線接收到信號后通過解調接收器將調頻接收的信號還原為序列脈沖，經過數字解碼芯片解碼為指令，傳送給車模運動控制系統并控制其運動，還可以控制車模頂部的四個對應加檔、減檔、左轉、右轉的LED指令指示燈，作為腦機接口系統的反饋，組成了閉環控制。與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果 (1)腦電信號記錄采用頭戴電極帽的無創方式。(2)腦電信號處理算法采用融合事件關聯電位和運動想象電位的方式，可從腦電信號中提取更多的指令，同時可有效提高系統信息傳輸速率。(3)車模控制采用無線傳輸方式，提高了操作靈活性及對環境的適應性。
圖1是本發明裝置工作流程圖； 圖2是本發明視覺刺激工作界面；
圖3是本發明上位機指令無線發射模塊硬件原理圖； 圖4是本發明車模運動控制系統硬件原理圖； 圖5是本發明車模控制主程序流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作詳細說明。如圖1所示，具體過程為在系統啟動后，受試者通過注視帶有閃爍鍵的視覺刺激界面和進行左、右運動想象，來表示受試者的控制意圖，同時腦電信號經過電極帽與使用者的腦頭皮相接采集頭皮腦電信號，電極帽與腦電采集儀信號相連并對信號進行濾波、放大及模數轉換的處理后，通過計算機上的I/O接口傳遞到腦電信號預處理模塊進行進一步濾波處理后，再傳遞到特征提取模塊分別提取出P300特征信息和ERD/ERS特征信息，分類識別模塊再分別對P300特征信息和ERD/ERS特征信息進行信號識別，并轉換成指令，該指令再通過計算機上的I/O接口傳輸給無線發射模塊，無線發射模塊與無線接收模塊之間通過天線實現數據傳遞，無線接收模塊接收到指令后，控制車模運動控制系統執行相應運動控制，受試者可以通過車模裝置上的視覺反饋LED燈，對比自己的控制意圖是否正確，從而實現了閉環控制。如圖2所示，事件關聯電位視覺刺激界面有4個P300閃爍鍵，其中一個鍵“start” 鍵指示車模啟動，一個鍵“st0p”鍵指示車模啟動，一個鍵“Reward”鍵指示車模加檔，一個鍵“Back”鍵指示車模減檔。在系統啟動后，使用者通過注視閃爍鍵和進行左右手運動想象來實現車模運動控制。如圖3所示，上位機指令無線發射模塊，ATmegaSL作為核心芯片，串口轉換芯片 PL2303接收來自USB的指令，經過數字編碼芯片PT2262產生序列脈沖，通過ASK調頻方式調制后以315Mhz載波經過天線發送。如圖4所示，車模運動控制系統以ATmegal6L為核心微處理器。天線接收到信號后通過解調接收器將接收的信號還原為序列脈沖，經過數字解碼芯片PT2272解碼為指令， 傳送到ATmegal6L，根據指令，輸出兩路PWM信號，經電機驅動電路L298N，驅動雙電機轉動。 此外霍爾傳感器作為電機的輸出反饋，形成閉環控制，以提高車模的性能。此外車模還設計有ISP程序下載電路，電源電路，霍爾傳感器測速電路等。如圖5所示，車模主控制程序完成系統初始化后，采用查詢寄存器的方式，根據無線接收子程序接收到的指令分別轉到相應的子程序，如接收到30H轉入前進子程序，該子程序中含有加、減檔子程序31H加檔子程序；32H減檔子程序；接收到3 轉入左轉子程序；接收到34H轉入右轉子程序；接收到35H轉入停止子程序；接收到36H轉入后腿子程序， 在執行完子程序后返回繼續查詢寄存器。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.基于腦機接口的車模控制裝置，其特征在于，包括電極帽、腦電采集儀、計算機、無線發射模塊、無線接收模塊以及車模運動控制系統；其中，電極帽與使用者的腦頭皮相接采集頭皮腦電信號，電極帽與腦電采集儀信號相連并對信號進行濾波、放大及模數轉換的處理； 所述計算機內部設有依次連接的腦電信號預處理模塊、特征提取模塊和分類識別模塊，上述經過腦電采集儀進行處理后的信號通過計算機上的I/O接口傳遞到腦電信號預處理模塊進行進一步濾波處理后，再傳遞到特征提取模塊分別提取出P300特征信息和ERD/ERS特征信息，分類識別模塊再分別對P300特征信息和ERD/ERS特征信息進行信號識別，并轉換成指令，該指令再通過計算機上的I/O接口傳輸給無線發射模塊，無線發射模塊與無線接收模塊之間通過天線實現數據傳遞，無線接收模塊接收到指令后，控制車模運動控制系統相對應的運動。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述指令和車模運動控制系統相對應的運動均包括加速、減速、左轉以及右轉。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述無線接收模塊接收到指令后通過數字編碼芯片產生序列脈沖，經過ASK調頻方式調制后以315Mhz載波經天線發送，天線接收到信號后通過解調接收器將調頻接收的信號還原為序列脈沖，經過數字解碼芯片解碼為指令，傳送給車模運動控制系統并控制其運動。
全文摘要
本發明公開了一種基于腦機接口的車模控制裝置，包括電極帽、腦電采集儀、計算機、無線發射模塊、無線接收模塊以及車模運動控制系統；其中，電極帽與使用者的腦頭皮相接采集頭皮腦電信號，電極帽與腦電采集儀信號相連；所述計算機內部設有依次連接的腦電信號預處理模塊、特征提取模塊和分類識別模塊，再通過計算機上的I/O接口傳輸給無線發射模塊，無線發射模塊與無線接收模塊之間通過天線實現數據傳遞，再控制車模運動控制系統相對應的運動。本發明裝置可以為身體癱瘓且語言功能受損的嚴重殘疾病患提供與他人進行交流的途徑，并且對其外圍功能加以延伸后可以讓患者實現輪椅等機械裝置的控制，這在醫療康復、醫學生理實驗等方面具有諸多價值。
文檔編號G05B19/042GK102323771SQ20111019635
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者李遠清, 王洪濤 申請人:華南理工大學