CN108762303A - 一种基于运动想象的便携式脑控无人机***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于运动想象的便携式脑控无人机***及控制方法，属于脑机接口领域。该***包括脑电信号采集装置、嵌入式脑电信号处理装置和飞行部分。本发明的脑电信号采集装置使用了高精度高集成度的模拟前端和AD转换芯片，降低了脑电信号采集模块的功耗、简化了***设计、提高了信噪比，更有利于信号处理因此可大大减小脑电信号采集装置的体积。本***将脑电信号采集装置集成安装于于电极帽枕叶部份，使用蓝牙作为数据传输方式，以此种形式将脑电信号的采集部分与电极帽结合起来并且形成独立部分，因此极大提高了使用者的舒适性和灵活性。
Description
技术领域
本发明属于脑机接口领域，涉及一种基于运动想象的便携式脑控无人机***及控制方法。
背景技术
脑机接口(Brain-computer interface,BCI)建立了人与计算机之间的一个交流和控制通道，它是一种通过脑电信号而不依赖外周神经和肌肉组织等这些常用的大脑输出通道来实现人脑与计算机或其他电子设备间通讯的***。这种技术可以帮助那些有运动障碍的残疾人实现对外部环境和设备的控制，提高他们的生活自理能力。研究表明，特定的想象任务能够产生特定的脑电信号，比如想象肢体某侧运动，可以引起大脑对侧区域脑电信号的某些成分同步减弱或者增强，这种现象被称为时间相关同步和时间相关去同步。基于该现象，运动想象成为脑机接口控制的重要范式。EEG信号十分微弱，几乎被各种噪声完全淹没，在通常实验条件下，它需要经过特殊的处理才能被使用，并且BCI***还要同时进行视觉画面的呈现以及各种端口的通信任务，这就使得基于PC的BCI***开发成为过去的最常见方式，但是由于PC的体积庞大也同时限制了BCI***的实际应用，BCI***微型化是其走向实际应用所必须解决的问题。
无人驾驶飞机简称“无人机”(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机因使用性上的巨大潜力使之成为当下研究的热点之一，尤其当无人机搭载一些外部设备如摄像头、机械臂、各种操纵装置后，能够为人们带来很大帮助。但是，目前对于无人机的操控一般采用遥控器，该种方式只适用于一般人群，一些残障人士很难实现对无人机的操控，并且这种方式缺少对飞行器控制的有效补偿器，不能充分发挥其主动性。而脑机接口技术的发展正好为此问题提供了有效的解决方案。
中国计量学院的“一种基于稳态视觉诱发电位的飞行器控制装置”和东南大学的“基于稳态视觉诱发电位的无人机操控方法”分别提出了使用稳态视觉诱发电位控制无人机飞行的方法和装置。上海交通大学提出了“一种基于可穿戴显示器的一部脑控无人机***”该方法将稳态视觉诱发画面叠加显示于无人机视角画面之上，以降低使用者的疲劳感和操作负担。但是其均使用以稳态视觉诱发电位(Steady-State Visual EvokedPotentials,SSVEP)作为脑电信号的应用种类，在这种方式中，使用者需要集中注意力注视刺激单元，在这段刺激时间内无法关注无人机飞行状态，也无法对飞行做出快速的控制，因此，利用SSVEP控制无人机并不能很好的保证***的实时性。上海大学提出了“基于VC++和Matlab混合编程的Emotiv脑控无人机***及方法”该方法基于运动想象，使用了Emotiv脑电信号采集设备，使用VC++和Matlab分别开发了脑电信号采集的功能和脑电信号在线分析的功能。但由于其基于PC端开发，PC端体积较大并且需要电源持续供电，因此对于控制无人机的应用来说，移动性便携性不够好。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于运动想象的便携式脑控无人机***及控制方法，由脑电信号采集装置、嵌入式脑电信号处理装置、搭载了摄像头与图传模块的无人机三大部分构成。
其中，无人机在飞行过程中通过图传模块将飞行画面传送回嵌入式处理装置进行实时显示，使用者通过观看飞行画面依照飞行需要想象左手、右手、左脚、右脚动作分别对应无人机左、右、前进、后退飞行。
脑电信号采集装置用来采集被试者控制无人机飞行时产生的运动想象脑电信号，采集到的脑电信号通过蓝牙传输给嵌入式脑电信号处理装置，嵌入式处理装置接收到脑电信号后，对其保存进行预处理、特征提取和分类识别，最终分析出脑电信号中的有效成分并将其转换成控制指令传输给所述无人机飞行控制模块。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于运动想象的便携式脑控无人机***，包括脑电信号采集装置、嵌入式脑电信号处理装置和飞行部分；
所述脑电信号采集装置包括AD转换模块、主控模块和蓝牙模块，完成对微弱脑电信号的采集与发送，其中：AD转换模块完成EEG信号的采集与转换功能；主控模块完成转换后的EEG信号的接收并发送给无线传输模块；蓝牙模块完成信号的传送；
所述嵌入式脑电信号处理装置包括蓝牙模块、ARM处理器、显示模块、图传接收器、控制信号传输模块与数据存储模块，完成EEG信号的分析处理、飞行画面显示和无人机控制指令发送功能，其中：蓝牙模块完成采集板脑电信号的接收，ARM处理器模块完成数据接收、存储、脑电信号处理分析，控制命令的产生以及传输，***软件用户界面的显示；显示模块用来显示无人机飞行画面；存储模块将接收到的脑电信号进行存储；控制信号传输模块中，存储着向前、后、左、右、的操控参数，操控信号传输模块将经分类后识别出的操控指令转化为模块中保存的相应操控参数，利用无线信号传输方式实现对无人机的操控；图传接收器用以接收飞行图像；
所述飞行部分包括无人机和搭载的图传模块，无人机航拍画面由图传模块传回给嵌入式脑电信号处理模块。
基于所述***的一种基于运动想象的便携式脑控无人机***控制方法，包括以下步骤：
S1：使用者观看无人机飞行界面，想象不同的肢体运动，采集脑电信号；
S2：依次经过预处理、CSP特征提取、BP神经网络分类器将脑电信号转化为控制信号；
S3：脑电控制信号由控制信号传输模块发送给无人机进行控制，使用者实时监视自己的控制效果，调整运动想象状态，直至成功完成无人机飞行任务。
进一步，该方法中，电极帽电极排布方式按照国际10-20***进行排列，然后截取与运动想象相关的时间段脑电数据进行频率短的滤波，从而选取出与运动想象相关的时-频段脑电数据；其次使用预处理后的多导脑电数据来构建“一对多”的空间滤波器，即每次用一类脑电信号和其他三类脑电信号来训练四个空间滤波器，通过构建好的四个空间滤波器来提取四类脑电的特征模式：最后使用提取出来的四类运动想象的脑电特征来训练BP神经网络分类器，并用训练好的BP神经网络分类器来进行分类；当想象左手运动，无人机向左飞行；当想象右手运动，无人机向右飞行；当想象左腿运动，无人机向前飞行；当想象右腿运动，无人机向后飞行。
本发明的有益效果在于：
(1)本***的脑电信号采集装置使用了高精度高集成度的模拟前端和AD转换芯片，降低了脑电信号采集模块的功耗、简化了***设计、提高了信噪比，更有利于信号处理因此可大大减小脑电信号采集装置的体积。本***将脑电信号采集装置集成安装于于电极帽枕叶部份，使用蓝牙作为数据传输方式，以此种形式将脑电信号的采集部分与电极帽结合起来并且形成独立部分，因此极大提高了使用者的舒适性和灵活性。
(2)嵌入式脑电信号处理装置采用ARM处理器，集成了蓝牙、显示屏、存储卡、图传接收器、控制指令发射模块等元器件于一体，通过无线方式分别建立起脑电信号传输通道和无人机飞行画面传输通道，采用电压5V的锂电池进行供电，减小了对使用环境的苛刻要求，极大地提升了便携性。
(3)本***基于运动想象并且将无人机实时飞行画面显示给使用者，使用者可以实时监视到自己的控制效果，调整运动想象状态，直至成功完成无人机飞行任务。
相比较于稳态视觉诱发的脑控无人机方式，本***减小了硬件设备的数量体积，提升了***的便携性；并且提升了无人机控制反映速度，此种方式增强了使用者的浸入感。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明运作示意图；
图2为本发明***结构图；
图3为国际标准10-20***。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图2所示，一种基于运动想象的便携式脑控无人机***，包括脑电信号采集装置、嵌入式脑电信号处理装置和飞行部分；
所述脑电信号采集装置包括AD转换模块、主控模块和蓝牙模块，完成对微弱脑电信号的采集与发送，其中：AD转换模块完成EEG信号的采集与转换功能；主控模块完成转换后的EEG信号的接收并发送给无线传输模块；蓝牙模块完成信号的传送；
所述嵌入式脑电信号处理装置包括蓝牙模块、ARM处理器、显示模块、图传接收器、控制信号传输模块与数据存储模块，完成EEG信号的分析处理、飞行画面显示和无人机控制指令发送功能，其中：蓝牙模块完成采集板脑电信号的接收，ARM处理器模块完成数据接收、存储、脑电信号处理分析，控制命令的产生以及传输，***软件用户界面的显示；显示模块用来显示无人机飞行画面；存储模块将接收到的脑电信号进行存储；控制信号传输模块中，存储着向前、后、左、右、的操控参数，操控信号传输模块将经分类后识别出的操控指令转化为模块中保存的相应操控参数，利用无线信号传输方式实现对无人机的操控；图传接收器用以接收飞行图像；
所述飞行部分包括无人机和搭载的图传模块，无人机航拍画面由图传模块传回给嵌入式脑电信号处理模块。
如图1所示，基于所述***的一种基于运动想象的便携式脑控无人机***控制方法，包括以下步骤：
S1：使用者观看无人机飞行界面，想象不同的肢体运动，采集脑电信号；
S2：依次经过预处理、CSP特征提取、BP神经网络分类器将脑电信号转化为控制信号；
S3：脑电控制信号由控制信号传输模块发送给无人机进行控制，使用者实时监视自己的控制效果，调整运动想象状态，直至成功完成无人机飞行任务。
如图3所示，在该方法中，电极帽电极排布方式按照国际10-20***进行排列，然后截取与运动想象相关的时间段脑电数据进行频率短的滤波，从而选取出与运动想象相关的时-频段脑电数据；其次使用预处理后的多导脑电数据来构建“一对多”的空间滤波器，即每次用一类脑电信号和其他三类脑电信号来训练四个空间滤波器，通过构建好的四个空间滤波器来提取四类脑电的特征模式：最后使用提取出来的四类运动想象的脑电特征来训练BP神经网络分类器，并用训练好的BP神经网络分类器来进行分类；当想象左手运动，无人机向左飞行；当想象右手运动，无人机向右飞行；当想象左腿运动，无人机向前飞行；当想象右腿运动，无人机向后飞行。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (3)
1.一种基于运动想象的便携式脑控无人机***，其特征在于：该***包括脑电信号采集装置、嵌入式脑电信号处理装置和飞行部分；
所述脑电信号采集装置包括AD转换模块、主控模块和蓝牙模块，完成对微弱脑电信号的采集与发送，其中：AD转换模块完成EEG信号的采集与转换功能；主控模块完成转换后的EEG信号的接收并发送给无线传输模块；蓝牙模块完成信号的传送；
所述嵌入式脑电信号处理装置包括蓝牙模块、ARM处理器、显示模块、图传接收器、控制信号传输模块与数据存储模块，完成EEG信号的分析处理、飞行画面显示和无人机控制指令发送功能，其中：蓝牙模块完成采集板脑电信号的接收，ARM处理器模块完成数据接收、存储、脑电信号处理分析，控制命令的产生以及传输，***软件用户界面的显示；显示模块用来显示无人机飞行画面；存储模块将接收到的脑电信号进行存储；控制信号传输模块中，存储着向前、后、左、右、的操控参数，操控信号传输模块将经分类后识别出的操控指令转化为模块中保存的相应操控参数，利用无线信号传输方式实现对无人机的操控；图传接收器用以接收飞行图像；
所述飞行部分包括无人机和搭载的图传模块，无人机航拍画面由图传模块传回给嵌入式脑电信号处理模块。
2.基于权利要求1所述***的一种基于运动想象的便携式脑控无人机***控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：使用者观看无人机飞行界面，想象不同的肢体运动，采集脑电信号；
S2：依次经过预处理、CSP特征提取、BP神经网络分类器将脑电信号转化为控制信号；
S3：脑电控制信号由控制信号传输模块发送给无人机进行控制，使用者实时监视自己的控制效果，调整运动想象状态，直至成功完成无人机飞行任务。
3.基于权利要求1所述***的一种基于运动想象的便携式脑控无人机***控制方法，其特征在于：该方法中，电极帽电极排布方式按照国际10-20***进行排列，然后截取与运动想象相关的时间段脑电数据进行频率短的滤波，从而选取出与运动想象相关的时-频段脑电数据；其次使用预处理后的多导脑电数据来构建“一对多”的空间滤波器，即每次用一类脑电信号和其他三类脑电信号来训练四个空间滤波器，通过构建好的四个空间滤波器来提取四类脑电的特征模式：最后使用提取出来的四类运动想象的脑电特征来训练BP神经网络分类器，并用训练好的BP神经网络分类器来进行分类；当想象左手运动，无人机向左飞行；当想象右手运动，无人机向右飞行；当想象左腿运动，无人机向前飞行；当想象右腿运动，无人机向后飞行。
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