CN110007770A - 基于智能人工交互的电子宠物 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于智能人工交互的电子宠物，包括TGAM脑电采集装置和STM32控制模块；TGAM脑电采集装置包括脑电采集模块，TGAT芯片，第一蓝牙模块，电源模块；STM32控制模块包括STM32主板、电子宠物、第二蓝牙模块；其中，脑电采集模块的输出端连接到TGAT芯片，TGAT芯片的输出端连接到第一蓝牙模块，第一蓝牙模块可以与第二蓝牙模块蓝牙连接通信，第二蓝牙模块的输出端连接到STM32主板，STM32主板的输出端连接到电子宠物。本发明可根据使用者的实时脑电信号，对智能电子宠物发出有效的运动指令，控制电子宠物前后左右进行运动，不仅能让电子宠物模拟生物宠物与人进行互动，也能锻炼人脑的活动，还增加了人与电子宠物互动的趣味性。
Description
技术领域
本发明涉及人工智能技术领域，具体涉及基于智能人工交互的电子宠物。
背景技术
随着人工智能的迅猛发展，现在市面上已经出现了很多智能化的产品，且已经投入商用。比如小爱智能音箱，天猫精灵等，除了实现基本的播放音乐、讲故事外，还可以实现叫醒功能，与人对话，甚至控制智能家居设备。这些人工智能产品已经极大地服务了人们的日常生活，还能起到娱乐人们的作用。比这两类产品更智能的还有神念公司开发的意念猫耳朵产品，该产品是运用NeuroSky(神念科技)的脑电波技术开发出的能体现佩戴者心情的高科技玩具。但目前还没有出现既能实现人脑控制还能实现智能交互的电子宠物，故在此基础上，现设计一个电子宠物，用脑电波控制该宠物，实现人脑控制宠物的运动方向，该产品不仅能锻炼人的大脑，还能起到一定的娱乐作用，在儿童方面有较大市场。目前BCI技术作为一个新兴学科，其研究多为理论或者实验室阶段，离实际应用还存在一定距离，因此能够设计一款能够运用BCI技术的应用无论是对BCI技术的发展还是对造福于人类社会具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前未有既能实现人脑控制还能实现智能交互的电子宠物，提供了基于智能人工交互的电子宠物来解决上述问题。
基于智能人工交互的电子宠物，包括TGAM脑电采集装置和电子宠物；TGAM脑电采集装置包括脑电采集模块，TGAT芯片，第一蓝牙模块，电源模块；电子宠物包括STM32主板、驱动电机、第二蓝牙模块；其中，脑电采集模块的输出端连接到TGAT芯片，TGAT芯片的输出端连接到第一蓝牙模块，第一蓝牙模块可以与第二蓝牙模块蓝牙连接通信，第二蓝牙模块的输出端连接到STM32主板，STM32主板的输出端连接到驱动电机；
脑电采集模块用于采集用户头皮上的脑电信号，TGAM脑电采集装置中的TGAT芯片用于接收上述脑电信号并对其进行滤波、放大、A\D转换和数据处理，以将所述脑电信号处理加工成包含用户脑电数据的数据包，TGAM脑电采集装置与STM32控制模块通过第一蓝牙模块与第二蓝牙模块建立蓝牙通讯，TGAT芯片通过蓝牙通讯将所述数据包发送给STM32主板，STM32主板用于根据预设通信协议对数据包进行数据分析以获取控制指令，STM32主板将所述控制指令发送至驱动电机以控制电子宠物。
进一步的，脑电采集模块包括干电极和耳夹，使用基于电容耦合信号原理的无源探针干电极作为采集脑电信号的电极，采用参考电位来提高采集数据的精准度，参考电位点选取为双耳垂，参考电位的采集设备选用耳夹。
进一步的，所述干电极采集EEG信号，所述耳夹获取参考电位REF。
进一步的，第一蓝牙模块和第二蓝牙模块选用HC-05蓝牙模块，以保证脑电信号从TGAM脑电采集装置到STM32主板之间EEG信号的传输。
进一步的，STM32主板对所述数据包进行数据分析具体包括：反复采集多组数据以选出每组数据的两个阈值，排序后去掉最高值和最低值取剩余的阈值的平均值作为需要的两个阈值，最后根据选取出来的合适的阈值来控制电子宠物驱动电机的运行快慢和停止。
进一步的，STM32主板通过串口通信将控制指令发送至驱动电机。
与现有技术相比，本发明的优势在于：本发明作为智能人工交互的电子宠物，可根据使用者的实时脑电信号，对智能电子宠物发出有效的运动指令，控制电子宠物前后左右进行运动，不仅能让电子宠物模拟生物宠物与人进行互动，也能锻炼人脑的活动，还增加了人与电子宠物互动的趣味性，在陪伴儿童、娱乐大众方面有效填补了市场上智能人工交互电子宠物的空白。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明基于智能人工交互的电子宠物的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
基于智能人工交互的电子宠物，包括TGAM脑电采集装置和STM32控制模块，TGAM脑电采集装置包括脑电采集模块，TGAT芯片，第一蓝牙模块，电源模块。STM32控制模块包括STM32主板、电子宠物、第二蓝牙模块。其中，脑电采集模块的输出端连接到TGAT芯片，TGAT芯片的输出端连接到第一蓝牙模块，第一蓝牙模块可以与第二蓝牙模块蓝牙连接通信，第二蓝牙模块的输出端连接到STM32主板，STM32主板的输出端连接到电子宠物，其连接关系如图1所示。
通过脑电采集模块采集用户头皮上的脑电信号，TGAM脑电采集装置中的TGAT芯片接收上述脑电信号并对其进行滤波、放大、A\D转换和数据处理，以将所述脑电信号处理加工成包含用户脑电数据的数据包，TGAM脑电采集装置与STM32控制模块通过第一蓝牙模块与第二蓝牙模块建立蓝牙通讯，TGAT芯片通过蓝牙通讯将所述数据包发送给STM32主板，STM32主板根据预设通信协议对数据包进行数据分析以获取控制指令，STM32主板将所述控制指令发送至电子宠物以控制电子宠物，整个过程实现了人脑实时控制电子宠物的运动。
脑电采集模块使用基于电容耦合信号原理的无源探针干电极作为采集脑电信号的电极，只需要用户佩戴上就可以采集信号，另外由于存在环境与自身的干扰，本***额外采用了参考电位来提高采集数据的精准度，参考电位点选取为双耳垂，而采集设备选用耳夹，提高了稳定性。
在本实施例中，TGAM脑电采集装置采用神念公司研发的一款消费级的单通道脑电采集与处理模块，该模块通过自带的无源探针干电极采集EEG信号，再通过与耳夹获取的参考电位REF比对获取原始数据，原始数据由电极直接通过电路传送给TGAM模块的核心器件TGAT芯片中，在TGAT芯片中原始数据经过放大、滤波和ADC转换为数字信号。数字信号包括原始脑电波数据，还有eSense值，最后这些数据将通过蓝牙模块发送出去。
在本实施例中，第一蓝牙模块和第二蓝牙模块均采用HC-05蓝牙模块，该蓝牙模块采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准，输入电压:3.6V--6V，配对以后当全双工串口使用，无需了解任何蓝牙协议，支持8位数据位、1位停止位、可设置奇偶校验的通信格式。
在本实施例中，STM32主板采用德飞莱STM32F103ZET6，STM32F103ZET6具有512kBFlash，64KB RAM和5个串口，且串口能够同时工作，能够很好满足设计要求，STM32F103ZET6与电子宠物的电机相连，从而能很好地控制电子宠物运动。
由于电子宠物是跟随人脑发出的指令进行运动的，故脑电信号的采集及传输模块是本设计的核心。如果收集到的脑电信号不稳定甚至是不准确，会造成电子宠物接收到的指令混乱，没法跟随人脑指令进行相应的运动。因此必须保证信号采集的平稳性和可靠行。
由TGAM脑电采集装置自带的放置在前额处的无源探针干电极采集EEG信号，再通过与耳夹获取的参考电位REF对比获取原始数据以采集脑电信号。但由于干电极暴露在环境中，所以采集的脑电波数据不可避免的会受到环境和头部运动的影响，因此并不能直接依据TGAM脑电采集装置发送过来的脑电信号数据来选取阈值，为了提高整个***工作的稳定性，对采集到的信号进行滤波处理，然后将滤波后的数据通过STM32F103ZET6的串口(UART)输出，反复采集几组数据选出每组数据的两个阈值，排序后去掉最高值和最低值取剩余的阈值的平均值作为需要的两个阈值，最后根据选取出来的合适的阈值来控制电子宠物的运行快慢和停止。解析出脑波各波段数据后，采用HC-05蓝牙模块作为无线传输的发送和接收单元。由此保证了脑电信号从TGAM脑电采集装置到STM32控制模块之间EEG信号传输的平稳和可靠，也保证了采集的数据不出现乱码的情况。
在用户大脑发出指令后，电子宠物应实时地跟随指令进行运动，如果人脑指令发出到电子宠物运动用时过长，则电子宠物灵敏度很低，这样就降低了人们对产品的兴趣。本发明采用STM32的串口通信功能和HC-05蓝牙模块通信功能来建立通信。该蓝牙模块采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准，配对以后当全双工串口使用，无需了解任何蓝牙协议。HC-05具有两种工作模式：命令相应模式和自动连接工作模式，本发明中使用命令响应模式，通过AT指令设置好主从角色、波特率、密码、地址后，只需要上电就会自动配对通信。STM32串口通信功能通过软件配置，在本设计中使用UART来与脑电模块通信。由此保证了用户大脑发出指令到电子宠物运动的实时性。
本发明采用脑机接口技术(Brain-Computer Interface,BCI)。脑机接口是在脑与计算机或其他外部设备之间建立的直接的通信和交流通道，脑机接口技术在军事、医学、生物研究等领域脑机接口技术都发挥着巨大作用。本发明通过神念公司的TGAM模块可以采集到原始脑电波数据，原始脑电波数据eSense算法处理后以数据小包和数据大包的形式输出，数据包通过蓝牙模块可以发送给STM32单片机，根据TGAM模块自带的通信协议可以解析出数据包包含的脑电波数据，如α波、β波、θ波、γ波、专注度值、放松度值等，经过多次采样脑电数据选取合适专注度值作为阈值从而控制电子宠物行走快慢。同时通过实时采取脑波数据并处理，最终能够控制电子宠物运行的快慢和左右方向。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.基于智能人工交互的电子宠物，其特征在于，包括TGAM脑电采集装置和电子宠物；TGAM脑电采集装置包括脑电采集模块，TGAT芯片，第一蓝牙模块，电源模块；电子宠物包括STM32主板、驱动电机、第二蓝牙模块；其中，脑电采集模块的输出端连接到TGAT芯片，TGAT芯片的输出端连接到第一蓝牙模块，第一蓝牙模块可以与第二蓝牙模块蓝牙连接通信，第二蓝牙模块的输出端连接到STM32主板，STM32主板的输出端连接到驱动电机；
脑电采集模块用于采集用户头皮上的脑电信号，TGAM脑电采集装置中的TGAT芯片用于接收上述脑电信号并对其进行滤波、放大、A\D转换和数据处理，以将所述脑电信号处理加工成包含用户脑电数据的数据包，TGAM脑电采集装置与STM32控制模块通过第一蓝牙模块与第二蓝牙模块建立蓝牙通讯，TGAT芯片通过蓝牙通讯将所述数据包发送给STM32主板，STM32主板用于根据预设通信协议对数据包进行数据分析以获取控制指令，STM32主板将所述控制指令发送至驱动电机以控制电子宠物。
2.根据权利要求1所述的基于智能人工交互的电子宠物，其特征在于，脑电采集模块包括干电极和耳夹，使用基于电容耦合信号原理的无源探针干电极作为采集脑电信号的电极，采用参考电位来提高采集数据的精准度，参考电位点选取为双耳垂，参考电位的采集设备选用耳夹。
3.根据权利要求2所述的基于智能人工交互的电子宠物，其特征在于，所述干电极采集EEG信号，所述耳夹获取参考电位REF。
4.根据权利要求3所述的基于智能人工交互的电子宠物，其特征在于，第一蓝牙模块和第二蓝牙模块选用HC-05蓝牙模块，以保证脑电信号从TGAM脑电采集装置到STM32主板之间EEG信号的传输。
5.根据权利要求1所述的基于智能人工交互的电子宠物，其特征在于，STM32主板对所述数据包进行数据分析具体包括：反复采集多组数据以选出每组数据的两个阈值，排序后去掉最高值和最低值取剩余的阈值的平均值作为需要的两个阈值，最后根据选取出来的合适的阈值来控制电子宠物驱动电机的运行快慢和停止。
6.根据权利要求1所述的基于智能人工交互的电子宠物，其特征在于，STM32主板通过串口通信将控制指令发送至驱动电机。
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