基于腦電波信號的智能小車控制設(shè)計

焦炳豪++郭紹星++倪曉昌++丁學(xué)文++楊旭

摘要： 基于神念科技mindband腦電波傳感器，本文主要進行了智能小車控制方法的研究和設(shè)計。通過對腦電波的采集和后期對mindband輸出數(shù)據(jù)進行解析，進而得到所需要的專注度參數(shù)；解析數(shù)據(jù)及控制小車的主控器采用MSP430F1XX系列的單片機；采用了基于藍牙2.0技術(shù)的藍牙模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信； 動力系統(tǒng)包括L298N電機驅(qū)動模塊、2個獨立的直流電動機和萬向輪；軟件部分主要使用C語言進行開發(fā)，程序核心部分是mindband通信協(xié)議的解析。設(shè)計最終通過專注度的不同數(shù)值實現(xiàn)了小車運動狀態(tài)的控制，為進一步推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 腦電波； mindband 傳感器； MSP430單片機； 藍牙； 專注參數(shù)； 通信協(xié)議

中圖分類號：TP368.2

文獻標志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）04-0104-04

0引言

生物電現(xiàn)象是生命活動的基本特征之一，腦電波是眾多生物電的一種。人類在進行思維活動時，在大腦產(chǎn)生的生物電信號就是腦電波，這些腦電波信號可以通過放置在頭皮的傳感器來進行測量和研究。自上世紀以來，通過對腦電波信號的研究，人們已經(jīng)日趨深入地拓展豐富了對大腦的認識[1]。就未來而言，若能提取不同人的腦電波參數(shù)特性，可以用于安保方面（其安全性會大于目前的指紋、聲線、虹膜掃描等方法）；腦電波應(yīng)用技術(shù)也可以為殘障人士服務(wù)，例如用腦電波控制的智能輪椅等，只需要一個想法便可以改變輪椅的運動姿態(tài)。

根據(jù)對腦電波的認識，設(shè)計研發(fā)了基于腦波信號控制的智能小車系統(tǒng)；利用Mindband腦電波傳感器采集腦電波數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部ThinkGear芯片對采集數(shù)據(jù)引入技術(shù)處理，經(jīng)藍牙傳輸數(shù)據(jù)，由主控器MSP430單片機進行數(shù)據(jù)包的解析與提取，最終則優(yōu)質(zhì)實現(xiàn)了對智能小車的平穩(wěn)有效控制。

1系統(tǒng)控制原理

腦電波信號控制型智能小車的設(shè)計是基于神念科技的腦電波傳感器mindband的二次開發(fā)，就可展開由腦電波信號控制小車運動狀態(tài)的研究。Mindband腦電波傳感器采用非侵入式腦機接口技術(shù)采集腦電波數(shù)據(jù)[2]，通過內(nèi)部ThinkGear芯片對采集的數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)內(nèi)置藍牙來提供數(shù)據(jù)發(fā)送。智能小車控制系統(tǒng)中，藍牙模塊接收到的數(shù)據(jù)包在經(jīng)MSP430單片機解析后，就將信號傳遞給小車驅(qū)動，進而達到由腦電波控制小車的預(yù)期目的。基于此，研究可得腦電波控制小車系統(tǒng)框圖即可如圖1所示。

2腦波信號數(shù)據(jù)處理方法

2.1數(shù)據(jù)檢測

[HT5”SS][ST5”BZ][WT5”BZ]

人類的大腦無時無刻不在產(chǎn)生腦電波，這些自發(fā)的生物電信號的頻率變動范圍通常在0.1～30 Hz之間，根據(jù)其頻率不同可劃分為4個頻段[3]，即δ（0.1～3 Hz）、θ（4～7 Hz）、α（8～12 Hz）、β（12～30 Hz），其中β波又可劃分為Low Beta、Midrange Beta、High Beta。如表1所示，就具體給出了不同腦電波類型的頻率范圍及幅值和對應(yīng)的精神狀態(tài)。

2.2數(shù)據(jù)采集

Mindband腦電波傳感器在數(shù)據(jù)采集的過程中，以數(shù)據(jù)包的形式存在[4]。ThinkGear數(shù)據(jù)包格式由3部分組成，組成內(nèi)容可表述為：1）數(shù)據(jù)包頭；2）信息有效數(shù)據(jù)載荷；3）有效數(shù)據(jù)校驗和。

其中，“數(shù)據(jù)包頭”和“有效數(shù)據(jù)校驗和”分別提供了數(shù)據(jù)流同步和數(shù)據(jù)完整性檢驗，同時，有效數(shù)據(jù)載荷的格式確保新的數(shù)據(jù)能夠被加進信息包中并且在任何已存在的應(yīng)用或設(shè)備中中斷任何的數(shù)據(jù)包解析器。每個數(shù)據(jù)包由包頭開始，然后是數(shù)據(jù)有效載荷部分，結(jié)尾部分是數(shù)據(jù)校驗和位，對應(yīng)的格式展現(xiàn)即如圖2所示。

2.3數(shù)據(jù)處理

2.3.1NeuroSky ThinkGear 技術(shù)

NeuroSky ThinkGear技術(shù)將腦電波信號的采集、濾波、放大、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及分析等功能全部集成到一塊ASIC芯片中，并通過標準接口對外輸出eSense參數(shù)（包括“專注度”和“放松度”等參數(shù)）和原始的腦電波數(shù)據(jù)，從而高度簡化并加快了腦電波采集處理及分析的過程，降低了腦電波應(yīng)用成本。

2.3.2eSense參數(shù)設(shè)置

eSense是NeuroSky 用于以數(shù)字化參數(shù)方式對人的當前精神狀態(tài)進行度量的專利算法。NeuroSky ThinkGear技術(shù)在對原始腦電波信號采用了放大設(shè)計并過濾了環(huán)境噪音及肌肉組織運動產(chǎn)生的干擾后，又通過對上述處理后的信號應(yīng)用eSense算法進行計算，由此得到了量化的eSense參數(shù)值。

eSense參數(shù)以1～100之間的具體數(shù)值來表示用戶的專注度水平和放松度水平。數(shù)值在40～60之間表示此刻該項參數(shù)的值處于中間范圍，這一數(shù)值范圍類似于常規(guī)腦電波測量技術(shù)中確定的“基線”；數(shù)值在60～80之間表示此刻該項參數(shù)的值處于“較高值區(qū)”，也就是說略高于正常水平（即當前情況下測試者的專注度或者是放松度比正常情況下要高）；數(shù)值在80～100之間表示處于“高值區(qū)”，就是指明測試者的專注度或放松度達到了非常高的水平，即處于非常專注的狀態(tài)或者是非常放松的狀態(tài)；同理，如果數(shù)值在20～40之間則表示此時的eSense參數(shù)水平處于“較低值區(qū)”，數(shù)值在1～20則意味著處于“低值區(qū)”。

2.3.3數(shù)據(jù)傳送

腦波模塊內(nèi)置藍牙2.0模塊遵照藍牙串口通信協(xié)議，工作在2.4 GHz頻帶下，將采集到的信息數(shù)據(jù)包發(fā)送到與MSP430單片機串口相連接的主藍牙模塊上。藍牙模塊在接收到數(shù)據(jù)包后，將其存儲在單片機的接收緩沖區(qū)內(nèi)，之后則定義開啟一系列的數(shù)據(jù)處理。

2.3.4數(shù)據(jù)的解析與提取

數(shù)據(jù)包的解析與提取過程主要由MSP430單片機通過程序來設(shè)計展開處理，將MSP430F169系列單片機作為主控器，因其采用十六位精簡指令系統(tǒng)可實現(xiàn)最佳的性能，并得到更少的代碼空間。集成有十六位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，能夠發(fā)揮最高代碼效率。外圍模塊通過數(shù)據(jù)、地址和控制總線與CPU相連，CPU可以很方便地通過所有對存儲器操作的指令對外圍模塊進行控制。在此，研究推出設(shè)計內(nèi)容如下。endprint

1）數(shù)據(jù)包的解析過程。在數(shù)據(jù)包的解析過程中，單片機以數(shù)據(jù)流的形式進行接收，在接收的同時對數(shù)據(jù)包還置入了含義結(jié)構(gòu)解析，并增加了對數(shù)據(jù)校驗的過程。解析過程則如圖3所示。

2）有效數(shù)據(jù)的提取。數(shù)據(jù)包解析后依次得到原始波數(shù)據(jù)（RAW）、噪聲信號質(zhì)量（poor single quality）、注意力強度eSense值（attention）、放松度eSense值（meditation）、眨眼強度（strength）[5]。本次設(shè)計是通過注意力強度的數(shù)值高低來實現(xiàn)對智能小車方向的控制，也就是由430單片機將attention數(shù)值提取出來，再通過L298N電機驅(qū)動雙輪直流電機，控制小車的前后左右物理移動。數(shù)據(jù)包有效數(shù)據(jù)的提取過程如圖4所示。

3智能小車的運動控制實現(xiàn)

3.1硬件控制模塊

3.1.1MSP430F169主控單片機

作為整個系統(tǒng)的控制核心，MSP430F169單片機是一款具有超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機，設(shè)計上采用“馮-紐曼”結(jié)構(gòu)，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個地址空間內(nèi)，最大尋址地址為62 KB。集成了48個I/O引腳，每個I/O口分別對應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個寄存器，功能口與通用I/O可復(fù)用，增強了端口功能和靈活性，提高了對外圍設(shè)備的開發(fā)能力[6]。

3.1.2藍牙模塊

藍牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及快跳頻和短包技術(shù)，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段[7-9]。工作時的數(shù)據(jù)速率為1Mbps。采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸[10]。

本設(shè)計中使用的是BLK-MD-BC04-B藍牙模塊（主從一體），采用英國CSR公司BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.1+EDR藍牙規(guī)范。該模塊適用于UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等多類接口，并支持SPP藍牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點，只需配備少許的外圍元件就能有效呈現(xiàn)其強大功能。

3.1.3L298N驅(qū)動模塊

L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46 V、2 A以下的電機。L298N的邏輯功能如表2所示，本次設(shè)計主要根據(jù)L298N驅(qū)動的邏輯功能來實現(xiàn)了小車的左右轉(zhuǎn)向與前進后退的動作行為。

3.1.4腦電波采集模塊

本設(shè)計使用NeurSky公司生產(chǎn)的腦波采集模塊TGAM，該芯片是單通道的EEG提取芯片，通過利用一個干式電極提取微弱的腦電信號，并同時過濾掉周圍的噪音及其他電力干擾，最終轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號、再通過串行UART進行傳輸。

NeurSky TGAM芯片將采集電極貼在大腦左前額處，2個參考電極放置在左耳乳突出和右耳乳突出，通過計算參考電勢來消除干擾，切實降噪。在不連接參考電極時進行腦電采集，波形具有較大的干擾以致腦電波完全處在噪聲當中無法識別，模塊實物的可視效果如圖5所示。綜上可得，本次研究中設(shè)計構(gòu)建的系統(tǒng)實物呈現(xiàn)即如圖6所示。

3.2控制實現(xiàn)

系統(tǒng)研究中，軟件部分依據(jù)功能應(yīng)用可劃定為4個模塊，分別為系統(tǒng)的整體初始化、數(shù)據(jù)的解析、有效數(shù)據(jù)的提取，以及小車的運動方式的處理。主程序流程圖給出了系統(tǒng)工作的基本過程，描述了信號的基本流向，從而可全面發(fā)揮控制導(dǎo)引作用。程序控制流程如圖7所示。

4結(jié)束語

本設(shè)計中不僅研究了eSense的參數(shù)算法，同時還分析了ThinkGear數(shù)據(jù)包的解析過程。設(shè)計通過mindband輸出專注度的不同數(shù)值最終實現(xiàn)了智能小車的左右及前后運動，達到小車的一些最基本的運動姿態(tài)控制的研究目的。研究結(jié)果表明腦電波技術(shù)在以后的智能開發(fā)中占據(jù)著重要的地位，當腦電波技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于未來的科技發(fā)展中，在改進和提升人們生活質(zhì)量的同時，也將為人類的日常生活帶來更多的創(chuàng)意福利，進而贏得高效可觀的社會經(jīng)濟效益。

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