CN107481359A - 基于p300和运动想象的智能门锁***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于P300和运动想象的智能门锁***及其控制方法，属于人机交互技术领域。本发明包括无线脑电帽，微型显示屏，脑电信号处理模块。用户通过佩带无线脑点帽，使用蓝牙与门内的微型处理器相连接，使用运动想象启动们的解锁程序，而后通过门上所安装的微型显示屏所显示的P300刺激范式选择上面的数字或英文字母作为解锁的密码，开启门锁。本发明通过将P300和运动想象脑机接口技术在门锁的开关上进行结合，使之成为一种新的开锁方式，方便一些残疾人士的日常生活，同时也可以作为残疾人士康复训练的设备而使用。本发明可应用于科研，教育和残障人士的康复训练。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于P300和运动想象的智能门锁***及其控制方法，属于人机交互技术领域。
背景技术
脑机接口技术是21世纪的一种新型的人机交互***，该***的特点在于可以不依赖于人的肢体的参与，通过检测大脑活动时产生的生物电，加以识别和分析，便可实现大脑与其他包括计算机在内的电子设备的通讯功能。有别于传统的控制方式，脑机接口技术为人类提供了一种新的控制思想。近几年随着计算机与通信技术，自动控制技术，生物学，人体解剖学，心理学和数学等技术的不断发展，人类大脑的活动方式和不同生物电产生的作用也越来越清晰，使得脑机接口技术得到了快速的发展。现阶段，脑机接口技术在，残疾人康复训练、生物医学、游戏娱乐、航天及军工等领域发挥着重要的作用。
P300电位是一种内源性的与人注意相关的事件相关诱发电位，该电位的产生主要依赖于人对于某种刺激的反应，而不依赖于人的身体状况。P300的优点在于，被试不用通过反复的训练就可以使用，是脑机接口技术常用的范式之一。P300是研究正常人、患者及哺乳动物认知加工及其脑机制的重要而广泛的电生理指标。
运动想象（Motor Imagery）是脑机接口技术中的重要的控制方法之一，该方法主要是人用大脑想象肢体的动作，但实际肢体并不动，根据运动记忆在大脑中激活相应的区域，通过设备检测相关区域的生物电信号并识别，而后电子设备实现预先设定好的相关功能。运动想象的优点在于，可以直接绕开肌肉和骨骼，实现大脑与电子设备的直接通信。现阶段运动想象在机械设备的控制，例如：机器手、机械臂、智能轮椅、智能汽车等，军工与航天与残障人士的康复训练等方面起着重要的作用。
区域显示（Region-based，RB）刺激范式是一种典型的P300刺激范式。RB刺激范式在用户使用时，先检测用户的事件诱发电位在哪个区产生变化，然后选定该区域，并将该区域内的所有选项在大屏幕上单独显示，供用户重新选择。这也的做法其优点在于避免了数据过多时单项刺激范式中的选项挨得过近，导致***误判的情况。在RB刺激范式中，与SD刺激范式一样都是单个选项进行闪烁然后随机循环，但不与前面闪过的选项重复，直到全部所有选项闪完。
现阶段，基于运动想象的脑机接口技术需要被试进行大量相关的训练，使其能够掌握相应的控制方法。但是由于个体的心理活动的差异，以及周围环境的因素，使不同的被试在运动想象时产生的脑电质量有很大的差异，这直接影响了在线控制***的质量好坏，使得在线***不能够提取到稳定的特征信号，相关的特征分类变得困难，最终导致实际***的运行状态达不到预定要求。因此目前的BCI技术仅停留在试验阶段，而未向大众推广。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于P300和运动想象的智能门锁***及其控制方法，一方面可以避免SSVEP所带来的视觉疲劳，另一方面也可以解决一些单一的P300刺激范式控制所不能解决的问题。
本发明采用的技术方案是：一种基于P300和运动想象的智能门锁***，包括脑电信号处理模块1、门2、无线脑电帽3、密码锁4、微型显示器5，无线脑电帽3由用户佩戴且自带蓝牙连接功能，脑电信号处理模块1安装在门2后面，密码锁4安装在门2前部且其上方装有微型显示器5，微型显示器5、密码锁4均与脑电处理模块1相连接，脑电信号处理模块1预先写入了针对运动想象控制的CCA处理程序、针对P300控制的CCA处理程序和解锁控制程序，微型显示器5负责显示P300刺激范式，用户根据微型显示器5显示的P300刺激范式通过无线脑电帽3将自己选择输入的密码传送给脑电信号处理模块1，脑电信号处理模块1用于接收并分析无线脑电帽3发送回来的数据，并将其分析结果以命令的形式传输进门内安置的密码锁4，完成相应的开门动作，同时脑电信号处理模块1还将分析结果发送至微型显示器5进行显示。
所述的脑电信号处理模块1通过内部的计时，并且加入时延使得用户脑电信号输入时的P300信号可以与同一时刻微型显示屏5所显示的刺激范式一一对应。
所述的无线脑电帽3的型号为加装蓝牙无线模块的BrainCap MR。
所述的微型显示器5显示的P300刺激范式为区域显示文字选择刺激范式， 26个英文字母、更正和确认2个命令词组、以及0-9这10数字在微型显示器5上分割成6模块，6模块呈两排、三列分布，每个模块均包括6个纯字母或纯数字或字母与数字组合而成的按钮，左上边和右下边模块的中部还分别设有1个词组按钮，每个模块按钮的形状不同，每个字符的闪烁方式均为随机闪烁，闪烁的时间长度为60ms，微型显示器5的顶部设有一个输入确认框，用“*”来表示所输入的密码。
所述的脑电信号处理模块1采用的是微型处理器。
一种基于P300和运动想象的智能门锁***的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，使用者在门2前佩戴无线脑电帽3并使用蓝牙将无线脑电帽3与门2内侧的脑电信号处理模块1进行配对相连，连接完成后，脑电信号处理模块1中检测和分析运动想象的部分解除休眠, 脑电信号处理模块1开始检测和处理无线脑电帽3传输回来的C3，C4，Cz这三个电极上的生物电信号，此时显示屏处于黑屏状态，当用户进行左/右手运动想象时，脑电信号处理模块1判断出用户进行运动想象后，内部的开锁程序和P300的分析处理部分解除休眠；
步骤2，此时门2上的微型显示器5会显示一行字“欢迎使用xxx公司的解锁程序，下面请输入您预先设定的解锁密码”，在3秒钟后，微型显示器5显示从门2内侧的脑电信号处理模块1传来的P300区域刺激范式，用户需通过P300控制按顺序选择自己所设置的密码，此时脑电信号处理模块1开始对无线脑电帽3的所有电极进行CCA分析，每完成一个字母或数字的输入时，脑电信号处理模块1会将使用者的P300输入信号分析后得到的结果存储区来，并在P300区域刺激范式的上方的输入框上显示一个“*”,如果输入错误，用户可以选择“更正”按钮来删除全部自己所输入数字或字母，在使用者输入完所有的密码后，通过P300选择“确认”按钮完成自己的输入；
步骤3，脑电信号处理模块1将用户输入的密码输入进密码锁4内，如果输入的密码与预先设定的密码不一致，微型显示器5就会显示“您输入的密码有误，请重新输入”，并在3秒钟后返回密码输入界面,如果密码输入正确，则密码锁4打开，微型显示器5显示“欢迎进入”；
步骤4，如果门2开启，则在用户进入并关上门2之后，微型显示器5会关闭，门2内侧的脑电信号处理模块1会进入休眠状态，等待下次蓝牙接入。
所述的密码为6位，可以为数字和英文字母的混合，也可以纯数字或者纯字母。
本发明的有益效果是：该***的设计初衷是为了给那些因为疾病或者事故导致身体不能正常活动或者残疾的人使用。通过使无线脑电帽的蓝牙接入来唤醒脑电信号处理模块，使用运动想象来启动解锁程序，而后使用P300对密码进行输入确认。一方面可以避免SSVEP所带来的视觉疲劳，另一方面也可以解决一些单一的P300刺激范式控制所不能解决的问题。用户在使用之前需要进行相关的训练以便提高控制精度，另外在脑电处理模块中会记录用户的脑电数据，方便日后相关人员对程序进行调试，进而得到一个与用户高度契合的***。
附图说明
图1为本发明无线脑电帽3的电极放置示意图；
图2为本发明的整体示意图；
图3为本发明的P300刺激范式界面；
图4为本发明的解锁初始界面；
图5为本发明的密码确认后的界面；
图6为本发明密码输入错误时的界面；
图7为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步地说明。
实施例1：如图1-7所示，一种基于P300和运动想象的智能门锁***，包括脑电信号处理模块1、门2、无线脑电帽3、密码锁4、微型显示器5，无线脑电帽3由用户佩戴且自带蓝牙连接功能，脑电信号处理模块1安装在门2后面，密码锁4安装在门2前部且其上方装有微型显示器5，微型显示器5、密码锁4均与脑电处理模块1相连接，脑电信号处理模块1预先写入了针对运动想象控制的CCA处理程序、针对P300控制的CCA处理程序和解锁控制程序，微型显示器5负责显示P300刺激范式，用户根据微型显示器5显示的P300刺激范式通过无线脑电帽3将自己选择输入的密码传送给脑电信号处理模块1，脑电信号处理模块1用于接收并分析无线脑电帽3发送回来的数据，并将其分析结果以命令的形式传输进门内安置的密码锁4，完成相应的开门动作，同时脑电信号处理模块1还将分析结果发送至微型显示器5进行显示。
所述的脑电信号处理模块1对无线脑电帽3发送回来的数据进行的分析主要体现在P300的工作原理，具体为：用户通过注视微型显示器5上的数字，当闪烁到用户注视的数字时，他大脑内的P300电位会出现一定的变化，设备通过不断检测分析无线脑电帽3传输回来的用户脑内的生物电信号的变化，当通过分析得出用户脑内的电信号变化时，会与其在那一时刻门上闪烁到的数字进行对应，然后将这一数字分别传输到密码锁、微型显示器5。
所述的脑电信号处理模块1通过内部的计时，并且加入时延使得用户脑电信号输入时的P300信号可以与同一时刻微型显示屏5所显示的刺激范式一一对应。因为脑电信号处理模块1在实时分析数据时可能会需要一点时间，内部计时指的是，当闪烁用户观察到的数字时，内部计时启动并记录脑电模块处理完数据需要多长的时间，并将该时间作为时延输入至程序中以保证程序的同步性，该功能是在设备出厂之前，为厂家调试设备所准备的。用户脑电信号输入时的P300信号就是指的是用户输入的密码。
所述的无线脑电帽3的型号为加装蓝牙无线模块的BrainCap MR。
所述的微型显示器5显示的P300刺激范式为区域显示文字选择刺激范式，为了提高用户输入密码似使的识别精度，同时也是为了加快识别速度，26个英文字母、更正和确认2个命令词组、以及0-9这10数字在微型显示器5上分割成6模块，6模块呈两排、三列分布，每个模块均包括6个纯字母或纯数字或字母与数字组合而成的按钮，左上边和右下边模块的中部还分别设有1个词组按钮，每个模块按钮的形状不同，每个字符的闪烁方式均为随机闪烁，闪烁的时间长度为60ms，微型显示器5的顶部设有一个输入确认框，用“*”来表示所输入的密码。P300刺激范式设计界面排布的主旨是，保持每个区域一定的按钮数量，但是也避免按钮排版过于密集，进而导致误判。使用不同的形状和颜色也可以防止视觉疲劳。
所述的脑电信号处理模块1采用的是微型处理器。
一种基于P300和运动想象的智能门锁***的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，使用者在门2前佩戴无线脑电帽3并使用蓝牙将无线脑电帽3与门2内侧的脑电信号处理模块1进行配对相连，连接完成后，脑电信号处理模块1中检测和分析运动想象的部分解除休眠, 脑电信号处理模块1开始检测和处理无线脑电帽3传输回来的C3，C4，Cz这三个电极上的生物电信号，此时显示屏处于黑屏状态，当用户进行左/右手运动想象时，脑电信号处理模块1判断出用户进行运动想象后，内部的开锁程序和P300的分析处理部分解除休眠；
步骤2，此时门2上的微型显示器5会显示一行字“欢迎使用xxx公司的解锁程序，下面请输入您预先设定的解锁密码”，在3秒钟后，微型显示器5显示从门2内侧的脑电信号处理模块1传来的P300区域刺激范式，用户需通过P300控制按顺序选择自己所设置的密码，具体表现为：用户通过注视P300区域刺激范式的数字或字母，当闪烁到使用者注视的数字或字符时，他/她大脑内的P300电位会出现一定的变化，设备通过不断检测分析脑电帽传输回来的用户脑内的生物电信号的变化，当通过分析得出用户脑内的电信号变化时，会与其在那一时刻门上闪烁到的数字或字符进行对应，此时脑电信号处理模块1开始对无线脑电帽3的所有电极进行CCA分析，每完成一个字母或数字的输入时，脑电信号处理模块1会将使用者的P300输入信号分析后得到的结果存储区来，并在P300区域刺激范式的上方的输入框上显示一个“*”,如果输入错误，用户可以选择“更正”按钮来删除全部自己所输入数字或字母，在使用者输入完所有的密码后，通过P300选择“确认”按钮完成自己的输入；
步骤3，脑电信号处理模块1将用户输入的密码输入进密码锁4内，如果输入的密码与预先设定的密码不一致，微型显示器5就会显示“您输入的密码有误，请重新输入”，并在3秒钟后返回密码输入界面,如果密码输入正确，则密码锁4打开，微型显示器5显示“欢迎进入”；
步骤4，如果门2开启，则在用户进入并关上门2之后，微型显示器5会关闭，门2内侧的脑电信号处理模块1会进入休眠状态，等待下次蓝牙接入。
所述的密码为6位，可以为数字和英文字母的混合，也可以纯数字或者纯字母。
以上结合附图对本发明的实施例作了详细说明而并非限制，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (7)
1.一种基于P300和运动想象的智能门锁***，其特征在于：包括脑电信号处理模块(1)、门（2）、无线脑电帽（3）、密码锁（4）、微型显示器（5），无线脑电帽（3）由用户佩戴且自带蓝牙连接功能，脑电信号处理模块（1）安装在门（2）后面，密码锁（4）安装在门（2）前部且其上方装有微型显示器(5)，微型显示器(5)、密码锁（4）均与脑电处理模块（1）相连接，脑电信号处理模块（1）预先写入了针对运动想象控制的CCA处理程序、针对P300控制的CCA处理程序和解锁控制程序，微型显示器（5）负责显示P300刺激范式，用户根据微型显示器（5）显示的P300刺激范式通过无线脑电帽(3)将自己选择输入的密码传送给脑电信号处理模块（1），脑电信号处理模块（1）用于接收并分析无线脑电帽（3）发送回来的数据，并将其分析结果以命令的形式传输进门内安置的密码锁（4），完成相应的开门动作，同时脑电信号处理模块（1）还将分析结果发送至微型显示器（5）进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于P300和运动想象的智能门锁***，其特征在于：所述的脑电信号处理模块（1）通过内部的计时，并且加入时延使得用户脑电信号输入时的P300信号可以与同一时刻微型显示屏（5）所显示的刺激范式一一对应。
3.根据权利要求1所述的基于P300和运动想象的智能门锁***，其特征在于：所述的无线脑电帽（3）的型号为加装蓝牙无线模块的BrainCap MR。
4.根据权利要求1所述的基于P300和运动想象的智能门锁***，其特征在于：所述的微型显示器（5）显示的P300刺激范式为区域显示文字选择刺激范式， 26个英文字母、更正和确认2个命令词组、以及0-9这10数字在微型显示器（5）上分割成6模块，6模块呈两排、三列分布，每个模块均包括6个纯字母或纯数字或字母与数字组合而成的按钮，左上边和右下边模块的中部还分别设有1个词组按钮，每个模块按钮的形状不同，每个字符的闪烁方式均为随机闪烁，闪烁的时间长度为60ms，微型显示器（5）的顶部设有一个输入确认框，用“*”来表示所输入的密码。
5.根据权利要求1所述的基于P300和运动想象的智能门锁***，其特征在于：所述的脑电信号处理模块（1）采用的是微型处理器。
6.一种基于P300和运动想象的智能门锁***的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，使用者在门（2）前佩戴无线脑电帽（3）并使用蓝牙将无线脑电帽（3）与门（2）内侧的脑电信号处理模块（1）进行配对相连，连接完成后，脑电信号处理模块（1）中检测和分析运动想象的部分解除休眠, 脑电信号处理模块（1）开始检测和处理无线脑电帽（3）传输回来的C3，C4，Cz这三个电极上的生物电信号，此时显示屏处于黑屏状态，当用户进行左/右手运动想象时，脑电信号处理模块（1）判断出用户进行运动想象后，内部的开锁程序和P300的分析处理部分解除休眠；
步骤2，此时门（2）上的微型显示器(5)会显示一行字“欢迎使用xxx公司的解锁程序，下面请输入您预先设定的解锁密码”，在3秒钟后，微型显示器(5)显示从门（2）内侧的脑电信号处理模块（1）传来的P300区域刺激范式，用户需通过P300控制按顺序选择自己所设置的密码，此时脑电信号处理模块(1)开始对无线脑电帽（3）的所有电极进行CCA分析，每完成一个字母或数字的输入时，脑电信号处理模块(1)会将使用者的P300输入信号分析后得到的结果存储区来，并在P300区域刺激范式的上方的输入框上显示一个“*”,如果输入错误，用户可以选择“更正”按钮来删除全部自己所输入数字或字母，在使用者输入完所有的密码后，通过P300选择“确认”按钮完成自己的输入；
步骤3，脑电信号处理模块(1)将用户输入的密码输入进密码锁(4)内，如果输入的密码与预先设定的密码不一致，微型显示器(5)就会显示“您输入的密码有误，请重新输入”，并在3秒钟后返回密码输入界面,如果密码输入正确，则密码锁(4)打开，微型显示器(5)显示“欢迎进入”；
步骤4，如果门（2）开启，则在用户进入并关上门（2）之后，微型显示器(5)会关闭，门（2）内侧的脑电信号处理模块（1）会进入休眠状态，等待下次蓝牙接入。
7.根据权利要求6所述的一种基于P300和运动想象的智能门锁***的控制方法，其特征在于：所述的密码为6位，可以为数字和英文字母的混合，也可以纯数字或者纯字母。
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