基于前臂表面肌電信號(hào)控制的智能小車設(shè)計(jì)

邢路寬 楊顯業(yè) 梁恒諾 闞江明

摘 要：主要構(gòu)建了一種基于前臂表面肌電信號(hào)控制的智能小車，包括前臂表面肌電信號(hào)感知層、肌電信號(hào)分析層，智能小車控制層和小車硬件層，前臂表面肌電信號(hào)感知層通過4路肌電信號(hào)傳感器感知掌長(zhǎng)肌、肱繞機(jī)、指伸肌、指?jìng)?cè)腕伸肌的4個(gè)位置的肌電信號(hào)并傳輸給肌電信號(hào)分析層；在肌電信號(hào)分析層對(duì)4路肌電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、特征計(jì)算和給予支持向量機(jī)的模式分類，識(shí)別前臂的6個(gè)動(dòng)作，并將識(shí)別結(jié)果通過無線傳輸給智能小車控制層；在智能小車控制層根據(jù)前臂動(dòng)作的識(shí)別結(jié)果驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，所開發(fā)的智能小車可以識(shí)別不同手勢(shì)，完成設(shè)計(jì)動(dòng)作，為將表面肌電信號(hào)控制方式進(jìn)一步拓展應(yīng)用至其他實(shí)際工具提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：智能小車 表面肌電信號(hào) PMW波模式識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0080-04

表面肌電信號(hào)由人體肌肉在人體動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的生物電變化，是一種蘊(yùn)含信息豐富，具有實(shí)時(shí)性，獲取無損傷性的信號(hào)。在文獻(xiàn)[1]中，我們可以看到在康復(fù)醫(yī)學(xué)及智能假肢領(lǐng)域，肌電信號(hào)識(shí)別技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究階段走向臨床商業(yè)應(yīng)用階段。但是在工業(yè)機(jī)械操作與實(shí)際生活中，表面肌電信號(hào)控制的應(yīng)用并不多見，倘若可以使用表面肌電信號(hào)控制應(yīng)用在工業(yè)設(shè)備上，便能夠讓操作人員通過更加直觀的手勢(shì)來取代紛繁復(fù)雜的按鈕，也可以讓手指和手掌有功能障礙的人，通過前臂來控制機(jī)械設(shè)備，將人與設(shè)備更好的連接在一起，使人的意識(shí)與機(jī)械電子設(shè)備相統(tǒng)一，從而達(dá)到人機(jī)一體化的效果。

該文嘗試設(shè)計(jì)一種由表面肌電信號(hào)控制的智能小車，建立一種更加直觀、有效的控制方式，從而進(jìn)一步解放人類的雙手，滿足日益繁忙的工作任務(wù)。首先，本文第一部分介紹了智能小車整體設(shè)計(jì)；第二部分對(duì)小車的硬件結(jié)構(gòu)及控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)；第三部分設(shè)計(jì)了軟件部分，包括：肌電信號(hào)分析處理及智能小車的無線傳輸協(xié)議、運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)；第四部分，對(duì)智能小車在實(shí)際道路上的無線傳輸距離進(jìn)行了測(cè)試；第五部分，對(duì)本文設(shè)計(jì)的智能小車控制效果進(jìn)行了總結(jié)。

1 智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小車分類基于SVM支持向量機(jī)分類識(shí)別技術(shù)，智能小車的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)澐譃?層，分別是：前臂表面肌電信號(hào)感知層、肌電信號(hào)分析層、智能小車運(yùn)動(dòng)控制層、小車硬件層。

第一層是前臂表面肌電信號(hào)感知層：我們選擇人體右前臂表面的4個(gè)位置，在完成6個(gè)動(dòng)作時(shí)所發(fā)出的表面肌電信號(hào)收集并保存。

第二層是肌電信號(hào)分析層：將所獲取的肌電信號(hào)轉(zhuǎn)入MATLAB數(shù)學(xué)矩陣分析軟件進(jìn)行分析。通過預(yù)處理，濾除噪聲，特征值提取后，進(jìn)行分類識(shí)別，后將分類識(shí)別的結(jié)果通過無線模塊傳輸發(fā)送給智能小車的主控芯片。

第三層是智能小車控制層：小車主控芯片收到肌電信號(hào)分析層所得出的分類識(shí)別結(jié)果后，按照提前制定的通訊協(xié)議執(zhí)行指令，之后對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板輸出控制電平，最終讓電機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)小車完成動(dòng)作。

第四層是小車硬件層：由小車主要硬件部分組成，分別是小車承重板，小車下底盤，小車電機(jī)、小車輪、小車減震彈簧、小車電池組以及萬向輪，7個(gè)硬件部分組成。3D結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 前臂肌電信號(hào)采集

在收集試驗(yàn)中，我們使用上海均康醫(yī)用設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JK-1（A～H）貼片電極，肌電采集器我們選用成都儀器廠生產(chǎn)的RM6240B型多通道勝利信號(hào)采集系統(tǒng)。采集時(shí)，我們選取掌長(zhǎng)肌、肱繞機(jī)、指伸肌、指?jìng)?cè)腕伸肌4塊目標(biāo)肌肉的肌腹位置。采集6種手勢(shì)（握拳，展拳，手掌上切，手掌下切，手掌左切，手掌右切）的信號(hào)保存。并且為了擴(kuò)大樣本廣泛性，我們建立靜態(tài)肌電信號(hào)庫，采集不同年齡、不同性別、不同體重的20個(gè)人，每個(gè)人測(cè)量6個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作采集10次，共計(jì)1200個(gè)肌電信號(hào)。

3 智能小車控制硬件設(shè)計(jì)

3.1 小車動(dòng)作硬件實(shí)現(xiàn)

考慮到小車載人代步功能，我們參考市場(chǎng)上電動(dòng)車的電動(dòng)機(jī)，我們選擇36V，350w的有刷直流電機(jī)兩臺(tái)，設(shè)計(jì)兩臺(tái)電機(jī)一左一右放置，兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)向前或向后轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退的動(dòng)作，調(diào)整兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在兩個(gè)車輪之間形成差速，完成小車的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的動(dòng)作。小車的硬件工作流程圖如圖3所示。

肌電信號(hào)分析層的將分類結(jié)果通過無線傳輸發(fā)送至下位機(jī)的NFR24L01無線模塊，無線模塊將所接收的結(jié)果轉(zhuǎn)化為TTL電平傳輸至STM32主控芯片，STM32將無線模塊傳輸?shù)慕Y(jié)果與無線通訊協(xié)議相對(duì)照，對(duì)照后，通過自身豐富的I/O口引腳資源對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板電機(jī)驅(qū)動(dòng)板輸出電平，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，完成小車動(dòng)作。

3.2 主控芯片的選擇

文中設(shè)計(jì)的小車采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103ZETT6，用來完成指令識(shí)別對(duì)比、小車動(dòng)作控制、外部通信拓展3個(gè)任務(wù)。它采用的是Cortex-M3內(nèi)核。Cortex-M3是一種32位嵌入式RISC處理器，工作頻率可達(dá)72 MHz，能實(shí)現(xiàn)高端的運(yùn)算。內(nèi)置有2個(gè)基本定時(shí)器，4個(gè)通用定時(shí)器，高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512 kB的閃存和64 kB的SRAM）且具有112個(gè)通用I/O口和連接到3條SPI總線的外設(shè)，對(duì)其外設(shè)的配置可帶來極好的控制和聯(lián)接能力。處理器可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行合理優(yōu)化，工作電壓可以再2.0～3.6 V之間，在3.3 V的供電電壓下，其典型的消耗電流僅為1.4 μA。

3.3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

智能小車行駛動(dòng)力來自于前輪的兩個(gè)有刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)向利用兩個(gè)電極差速轉(zhuǎn)向，所以我們需要根據(jù)電機(jī)輸入需要，要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)板可以提供足夠的正電壓和負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本智能小車采用直流半橋驅(qū)動(dòng)電路來控制電機(jī)的雙向運(yùn)動(dòng)，而且電路功耗低，并且持續(xù)穩(wěn)定的智能小車提供足夠的動(dòng)力。兩個(gè)直流有刷電機(jī)額定電壓為36 V，額定電流為12.4 A，額定輸入功率為350 W，基于以上參數(shù)，我們選擇工作電壓4～41 V，MOSFET管峰值電流為110 A，輸出功率最高540 W的半橋驅(qū)動(dòng)器，利用2對(duì)半橋電路驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，調(diào)整MOSFET管的導(dǎo)通狀態(tài)，使兩臺(tái)電機(jī)完成正反轉(zhuǎn)的動(dòng)作，并且利用智能小車STM32主控芯片提供定時(shí)器功能中的PMW調(diào)制功能，調(diào)整輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的PMW波的占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.3.2 無線通信電路

現(xiàn)如今無線傳輸技術(shù)日趨成熟，常用的主要有超寬帶技術(shù)、IrDA技術(shù)等，但I(xiàn)rDA技術(shù)傳輸速率低，超寬帶技術(shù)開發(fā)難度高，并不適合小車使用。所以，我們選用傳輸速率高、成本低、功率小、體積小的NFR24L01的無線通信模塊來構(gòu)架智能小車的無線傳輸系統(tǒng)。

模塊簡(jiǎn)介如下。

（1）低功耗1.9～3.6 V工作，待機(jī)模式下狀態(tài)為22 μA；掉電模式下為900 mA。

（2）模塊工作于Enhanced Shock Burst，具有Automatic packet handling，Auto packet transaction handling，具有可選的內(nèi)置包應(yīng)答機(jī)制，極大地降低丟包率。

（3）模塊內(nèi)置硬件CRC，檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制。

NFR24L01無線傳輸模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令控制?？梢圆捎么谥袛嘟邮軘?shù)據(jù)的模式，我們?cè)O(shè)計(jì)了串口緩存，而且ARM指令集中提高了CMP指令，可以通過判斷關(guān)鍵字來判斷解析命令。NFR24L01模塊通過AT指令設(shè)置收發(fā)地址。按照一定步驟可以建立一對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊機(jī)制。

3.3.3 電源電路

文中設(shè)計(jì)的智能小車，內(nèi)耗主要為控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路兩部分。主控制器電源為+3.3V，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片以及電機(jī)則需要的電壓+40V，故我們選擇+40V的鋰電池作為電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電源，而利用+3.3V的恒壓充電電源作為主控芯片的電源，2個(gè)電源分別供電，防止電壓過大時(shí)，燒毀主控芯片。

4 智能小車控制軟件設(shè)計(jì)

智能小車軟件是智能小車的邏輯控制部分，在本部分當(dāng)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了肌電信號(hào)識(shí)別軟件和小車控制軟件。

4.1 肌電信號(hào)分析軟件

肌電信號(hào)分析層由：預(yù)處理，特征值計(jì)算，SVM支持向量機(jī)分類識(shí)別，最終通過無線模塊向下位機(jī)發(fā)送指令。信號(hào)分析與識(shí)別的詳細(xì)研究請(qǐng)見《基于支持向量機(jī)的前臂表面肌電信號(hào)動(dòng)作識(shí)別方法》。

4.2 小車動(dòng)作控制軟件

控制軟件基于windows操作環(huán)境，利用Keil ? vision 4軟件，利用C語言格式編寫。

本程序主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：PC機(jī)與智能小車之間的無線應(yīng)答，小車接受指令后執(zhí)行動(dòng)作。它包含的控制設(shè)備有：NFR24L01無線模塊，主控芯片內(nèi)部時(shí)鐘，I/O管腳。

上位機(jī)與智能小車之間的應(yīng)答：通過主控芯片將無線模塊初始化之后，一直使無線模塊處于接收狀態(tài)，在接收到之后，先于無線通訊協(xié)議進(jìn)行對(duì)比，判斷是否存在相對(duì)指令，有則執(zhí)行并且返回識(shí)別結(jié)果，例如返回“前進(jìn)指令收到”，無則返回“無效指令”，通過上位機(jī)與智能小車之間的無線應(yīng)答機(jī)制，可以實(shí)時(shí)觀察對(duì)小車控制，避免了錯(cuò)誤指令的執(zhí)行，使控制更加精確。

執(zhí)行動(dòng)作：當(dāng)無線模塊接收到了命令之后，并且判斷存在相應(yīng)有效指令之后，通過對(duì)主控芯片對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的I/O口輸出電平與內(nèi)部時(shí)鐘PMW波輸出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成動(dòng)作。具體軟件流程見圖4所示。

4.3 無線控制協(xié)議設(shè)計(jì)

通過模式識(shí)別之后，大多數(shù)所得的指令都是相對(duì)應(yīng)的數(shù)值，或者是矩陣形式的數(shù)據(jù)結(jié)果，智能小車對(duì)此無法做出快速的反應(yīng)，所以，我們需要將生物信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后，進(jìn)行分析，再將分析用的數(shù)字信號(hào)結(jié)果轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的機(jī)器語言，所以，建立一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的傳輸協(xié)議至關(guān)重要。

4.3.1 指令的傳輸協(xié)議

STM32主控芯片中的提供的比較指令CMP，CMP指令格式為：

CMP{條件}{P}，

CMP指令允許把一個(gè)寄存器中的內(nèi)容與另外一個(gè)寄存器中的內(nèi)容或立即值進(jìn)行比較，更改狀態(tài)來進(jìn)行條件允許。如此，CMP指令與IF條件語句配合，我們就可以將指令與協(xié)議進(jìn)行比較，執(zhí)行正確的指令。

4.3.2 指令幀格式

完整的指令幀格式主要由于本智能小車?yán)弥骺刂破餍酒械膶?duì)比函數(shù)經(jīng)行指令的識(shí)別，函數(shù)規(guī)定發(fā)送32個(gè)字母組成字符串后，進(jìn)行對(duì)比，選擇相應(yīng)命令進(jìn)行執(zhí)行。所以，智完整命令幀當(dāng)中，共包括：數(shù)序字頭8byte，地址8byte，有效的命令數(shù)據(jù)4byte，還有最后的CRC校驗(yàn)碼，共4個(gè)部分。（見表1）

4.3.3 動(dòng)作與指令協(xié)議

智能小車共有6個(gè)動(dòng)作，分別對(duì)應(yīng)人體相對(duì)的6個(gè)動(dòng)作（見圖5）：即前進(jìn)——小臂向前伸直，后退——小臂向后勾，左轉(zhuǎn)——手掌向左偏，右轉(zhuǎn)——手掌向右偏，停止——手掌握拳，減速——手掌向下切。

對(duì)應(yīng)的小車動(dòng)作的指令如表2所示。

5 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線控制的可行性。實(shí)驗(yàn)具體是：智能小車、無線傳輸模塊、PC模式識(shí)別三部分。其傳輸距離實(shí)驗(yàn)具體事實(shí)如下。

無線射頻模塊NFR24L01理論最大傳輸距離是100 m左右，但是安裝在智能小車上之后，傳輸距離肯定會(huì)受到小車結(jié)構(gòu)的影響，或者是其他環(huán)境因素的干擾，所以，我們將無線模塊直接安裝在小車上，在實(shí)際道路中進(jìn)行測(cè)試。

由于復(fù)雜的地形及其環(huán)境因素，信號(hào)衰減較嚴(yán)重，小車接到信號(hào)的時(shí)間變長(zhǎng)，并且在距離PC模式識(shí)別部分32.1 m后，開始出現(xiàn)丟失指令，當(dāng)小車的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，對(duì)小車的控制就變得困難，需要多次發(fā)送指令后，小車才會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作，并且小車反應(yīng)明顯遲鈍，失去了控制的意義。

最終，小車在距離PC模式識(shí)別部分52 m時(shí)，出現(xiàn)無法接受指令控制的極限距離。

6 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)了一種利用人體肌肉信號(hào)作為控制信號(hào)源的無線智能小車，實(shí)現(xiàn)了人-車之間的人機(jī)交互。該智能小車采用ARM系列的STM32芯片作為主控芯片，具有無線通信，指令識(shí)別。本論文的主要工作主要有以下幾個(gè)方面。

（1）設(shè)計(jì)了基于ARM系列的STM32小車運(yùn)動(dòng)硬件控制系統(tǒng)，主要包括：電源電路、控制系統(tǒng)電路、無線通信系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，使用Keil ? vision 4完成了小車軟件設(shè)計(jì)。

（2）設(shè)計(jì)了小車的軟件部分：利用MATLAB矩陣分析軟件設(shè)計(jì)了信號(hào)分析識(shí)別軟件使用Keil ? vision 4完成了小車軟件設(shè)計(jì)。

（3）在智能小車內(nèi)部建立了無線協(xié)議，利用NFR24L01模塊建立智能小車的無線通訊系統(tǒng)。

（4）通過實(shí)驗(yàn)測(cè)的小車在實(shí)際使用狀態(tài)下的無線傳輸有線距離，約為26 m，無線傳輸極限距離為32.1 m。

同時(shí)本論文設(shè)計(jì)的智能小車為今后更加復(fù)雜的智能小車的設(shè)計(jì)提供了平臺(tái)與拓展，也為手指或者手掌功能障礙的人群控制車輛或者其他提供技術(shù)支持。

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