意念控制小車方法實(shí)現(xiàn)

張偉，趙麗，周磊磊

（江蘇科技大學(xué)張家港校區(qū)，江蘇張家港215600）

意念控制小車方法實(shí)現(xiàn)

張偉，趙麗，周磊磊

（江蘇科技大學(xué)張家港校區(qū)，江蘇張家港215600）

基于可以幫助行動(dòng)不便的人，找到新的操作便捷的代步工具的目的，本研究通過TGAM內(nèi)核的腦電波信號(hào)采集模塊，再將采集到的數(shù)據(jù)通過硬件濾波剔除雜波的方式，將原始腦電波信號(hào)線性模擬后放大處理，采集到的數(shù)據(jù)最后會(huì)經(jīng)過算法轉(zhuǎn)為所需數(shù)據(jù)，經(jīng)藍(lán)牙串口（2.0）傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行分析處理，并執(zhí)行相應(yīng)指令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車車模的控制，從而完成了由意念控制小車運(yùn)動(dòng)的設(shè)想。

腦電波；腦機(jī)接口；單片機(jī)；意念控制

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步和高性能低功耗處理芯片的推出等。人們的控制方式已經(jīng)由傳統(tǒng)的人機(jī)交互控制方式，如按鍵控制等，發(fā)展為更智能化，便捷化的裝置。近年來，在輔助高齡老人和殘疾人的設(shè)備中，不依賴于肌肉和身體動(dòng)作或者聲音指令，而僅僅采用腦信號(hào)和外部世界相互作用的腦機(jī)接口（Brain_Computer Interface，BCI）技術(shù)受到高度關(guān)注。之后，日本理研BSI_豐田協(xié)作中心（BSI_TOYOTA Co11aborationCenter，BTCC）成功開發(fā)了采用腦電波實(shí)時(shí)控制輪椅。BTCC機(jī)構(gòu)在原有的空間_頻率濾波器法和線性分離器技術(shù)的基礎(chǔ)上融合了理研BSI（BrainScience Institute）開發(fā)了腦電波信息處理技術(shù)盲視信號(hào)分離法，開發(fā)出了新的系統(tǒng)［1］。

1　腦電波分析

人的大腦是由數(shù)以萬計(jì)的針尖大小的神經(jīng)交錯(cuò)構(gòu)成的，神經(jīng)相互作用時(shí)，腦電波模式就釋放出這些神經(jīng)元之間透露的思維信息。不同的神經(jīng)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不同的腦波模式，不同的腦波模式會(huì)發(fā)出不同振頻的腦電波，從而表現(xiàn)為不同的大腦狀態(tài)［2］。根據(jù)頻率變化范圍，人類的腦波信號(hào)可以大致分為4種波段：α波（8～13 Hz），β波（14～30 Hz），δ波（1～3 Hz），θ波（4～7 Hz）。成年人在極度疲勞或昏睡狀態(tài)下大腦會(huì)出現(xiàn)δ波，兒童要等到智力發(fā)展到一定的程度，大約8至9歲后才有夢(mèng)的經(jīng)歷［3］，此時(shí)δ波才會(huì)出現(xiàn)；θ波在成年人在意愿受到挫折或抑郁時(shí)尤為顯著，也是10至17歲少年腦電圖的主要成分；α波是正常人腦電波的基本節(jié)律，在沒有外加刺激的情況下，頻率是恒定的；而當(dāng)精神緊張，情緒激動(dòng)時(shí)，β波則較為明顯，如人從睡夢(mèng)中驚醒時(shí)，β波便會(huì)取代之前的慢波節(jié)律。

2　腦機(jī)接口工作原理

腦_機(jī)接口（Brain_Computer Interface，BCI）是使人只需利用大腦發(fā)出的信息而不依賴周圍神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉，即可與計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行通信的系統(tǒng)［4］。腦_機(jī)接口系統(tǒng)的組成一般主要包括3部分：信號(hào)采集、信號(hào)處理及外部設(shè)備［5］。信號(hào)采集就是利用通過傳感器對(duì)頭皮電位信號(hào)的記錄。信號(hào)處理就是對(duì)腦電信號(hào)的識(shí)別過程，主要包括預(yù)處理、特征提取、識(shí)別判決3個(gè)步驟。識(shí)別之后利用分類結(jié)果對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制。

通常，將微弱的腦電波信號(hào)從周圍的電信號(hào)，光波信號(hào)等干擾信號(hào)中提取出來是很難的，本文所用的基于TGAM內(nèi)核芯片的頭戴式腦機(jī)接口信號(hào)采集模塊，通過硬件濾波剔除雜波的方式，將原始腦電波信號(hào)線性模擬后放大處理，處理后的信號(hào)會(huì)變得更加精確，采集到的數(shù)據(jù)最后會(huì)經(jīng)過算法轉(zhuǎn)為eSense數(shù)據(jù)［6］，最后由藍(lán)牙模塊傳送給單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。因此，通過該模塊再加相應(yīng)的外部電路來構(gòu)成通過意念控制小車的想法是可行的。

3　系統(tǒng)組成

大腦是人體器官中最為復(fù)雜的，目前人們對(duì)于大腦中幾十億個(gè)細(xì)胞間如何協(xié)調(diào)運(yùn)作，處理復(fù)雜信息的機(jī)制和原理知道的比較依然不是很多。在綜合各種客觀事實(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)大腦處理復(fù)雜信息的邏輯原理進(jìn)行建模后，本文簡(jiǎn)單的由基于TGAM內(nèi)核芯片的頭戴式腦機(jī)接口信號(hào)采集模塊，設(shè)計(jì)出腦電波控制小車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)由腦電信號(hào)采集器、算法模型控制、藍(lán)牙數(shù)據(jù)發(fā)送裝置、單片機(jī)、車模等部分組成，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)選用的藍(lán)牙模塊是HC_05，HC_05模塊出廠設(shè)置為從模式，所以要將其通過USB TO TTL串口，發(fā)送AT+ROLE=1即可設(shè)置模塊為主機(jī)，若返回值為OK應(yīng)答則模塊設(shè)置成功。

單片機(jī)最小系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，用于控制這個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，單片機(jī)最小系統(tǒng)主要有STM32F103VCT6單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路組成。STM32F103VCT6單片機(jī)中有一個(gè)構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入和輸出端，用于外接晶體振蕩器；STM32F103VCT6單片機(jī)為高電平復(fù)位使能，在單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要保證上電的時(shí)候能夠復(fù)位單片機(jī)，同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)跑飛的時(shí)候能夠通過相應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位，因而單片機(jī)復(fù)位需要有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種復(fù)位方式。

單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)完成后，首先要驗(yàn)證一下最小系統(tǒng)電路是否能夠工作，首先要保證晶振正常起震，如果晶振起震，最小系統(tǒng)基本就可以工作了，然后單片機(jī)置入相應(yīng)的IO端口控制程序。此外，還有驗(yàn)證最小系統(tǒng)的復(fù)位電路是否能夠起到正常復(fù)位的功能。

4　實(shí)現(xiàn)辦法

受實(shí)驗(yàn)者在通過受到刺激后先通過基于TGAM內(nèi)核芯片的頭戴式腦機(jī)接口信號(hào)采集模塊，采集腦電波信號(hào)（α波，β波，δ波，θ波），經(jīng)過芯片內(nèi)濾波算法，并經(jīng)過線性放大后轉(zhuǎn)為eSense數(shù)據(jù)，最后由藍(lán)牙模塊將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳遞給單片機(jī)。

對(duì)于車模轉(zhuǎn)向問題，本設(shè)計(jì)采用的是差速轉(zhuǎn)向的方法即通過車模兩輪之間的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速。

在單片機(jī)中，將經(jīng)藍(lán)牙模塊接受到的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)（頻率調(diào)制PWM信號(hào)），此時(shí)PWM信號(hào)的頻率范圍為1～35 Hz。單片機(jī)在對(duì)不同頻率的信號(hào)進(jìn)行特征提取后，對(duì)小車車模中電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制：1）當(dāng)采集到的PWM信號(hào)頻率為14～30 Hz（β波）時(shí)，小車左右輪電機(jī)同時(shí)同向同速轉(zhuǎn)動(dòng)，小車向前運(yùn)動(dòng)，并且經(jīng)過算法處理后，小車的速度與信號(hào)的強(qiáng)弱呈正比關(guān)系，即信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，小車的速度就越快。為了起到安全保護(hù)的作用，算法中，會(huì)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制設(shè)置最大值，并在信號(hào)在不同波段跳變時(shí)，使得系統(tǒng)立即停止工作，小車停止運(yùn)動(dòng)。2）當(dāng)采集到的頻率為4～7 Hz（θ波）時(shí)，小車左輪電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，右輪電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，兩輪形成差速，小車向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，信號(hào)強(qiáng)弱并不與小車中的電機(jī)轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系，即在此波段中，小車轉(zhuǎn)向的速度為勻速轉(zhuǎn)向。3）當(dāng)采集到的頻率為8～13 Hz（α波）時(shí)，小車左輪電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，右輪電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，兩輪也形成差速，小車向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，信號(hào)強(qiáng)弱也并不與小車中的電機(jī)轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系，即在此波段中，小車轉(zhuǎn)向的速度亦為勻速轉(zhuǎn)向。4）當(dāng)采集到的PWM信號(hào)頻率為1～3 Hz（δ波）時(shí)，小車左右輪電機(jī)同時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由于減速箱的作用，小車迅速停止運(yùn)動(dòng)。

車模內(nèi)部會(huì)裝有增量式編碼器，將增量式編碼器的A，B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、并判斷正反向和測(cè)速。增量式編碼器可以實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，并將其角位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)在接受到相應(yīng)的信號(hào)后，通過預(yù)先設(shè)定的PID算法對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，使得系統(tǒng)對(duì)速度的控制更加的精確，也使得系統(tǒng)的運(yùn)行更加的安全可靠。

5　結(jié)論

由于目前對(duì)腦電波的分析只能停留在較為淺顯的4個(gè)波段，控制的實(shí)現(xiàn)辦法也是較為簡(jiǎn)略，以后要采集更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用更多的腦電波，并不斷優(yōu)化控制方案，最終完整讀取人的思維，使得控制更加簡(jiǎn)單化，開創(chuàng)人機(jī)結(jié)合的新時(shí)代。

［1］白雪.腦電波實(shí)時(shí)控制電動(dòng)輪椅［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2012，2（2）：10_12.

［2］劉燕.腦波交互_有跡可循的意念［J］.IT經(jīng)理世界，2012，1（68）：331_332.

［3］姬十三.我們?yōu)槭裁磿?huì)做夢(mèng)［J］.NETOwN科學(xué)世界，2005（4）：70_75.

［4］Wo1paw J R，Birbaumer N，Heetderks W J.Brain_computer interface techno1ogy：a review of the first internationa1 meeting［J］.IEEE Transactions on Rehabi1itation Engineering，2000，8（2）：164_173.

［5］鄒鶴良，李遠(yuǎn)清，龍錦益，等.基于腦機(jī)接口集成控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（8）：76_78.

［6］楊立才，李佰敏，李光林.腦接口技術(shù)綜述［J］.電子學(xué)報(bào)，2005，33（7）：1234_1241.

The method of controlllng a car by mlnd

ZHANG Wei，ZHAO Li，ZHOU Lei_1ei
（Jiangsu University 0f Science And Technology In Zhang Jia Gang，Zhangjiagang 215600，China）

To he1p peop1e find new means of transport operating convenience purposes，this study co11ected mind data by brainwave signa1 acquisition modu1e which has a TGAM kerne1 then a hardware fi1ter can e1iminate c1utter.The origina1 brain waves can be amp1ificated after 1inear ana1og signa1.The co11ected data wi11 eventua11y be converted to the required data through a1gorithms.The MCU wi11 ana1ysis and process the data which converted by B1uetooth seria1 port（2.0）and execute in

brain waves；brain_computer interface；microcomputer；mind contro1

TN02

A

1674_6236（2016）10_0086_02

2015_06_18稿件編號(hào)：201506190

江蘇省本科生創(chuàng)新計(jì)劃一般課題（1260310656）

張偉（1994—），男，江蘇南通人。研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

structions in MCU to contro1 the car.This design can comp1ete the imagine that contro1ing the car through our mind.