CN104958911A - 基于脑机接口的路轨赛车系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于脑机接口的路轨赛车系统及控制方法，系统包括脑电采集设备、轨道车系统、控制器三部分；方法主要有脑电采集设备实时采集脑电信号，并将脑电信号通过蓝牙传给控制器，控制器处理对信号进行处理并控制轨道车的速度快慢，用户的注意力越集中，轨道车速度越快。本系统支持单人控制和双人对抗，单人控制时可以实时反应注意力值大小，双人对抗时可以反应不同个体注意力的差别，所以本系统不仅能作为娱乐竞技玩具，还可以用于注意力集中度的训练中，具有很好的发展和应用前景。

Description

基于脑机接口的路轨赛车系统及控制方法

技术领域

本发明涉及脑电接口技术与蓝牙通讯技术，尤其涉及基于脑机接口的路轨赛车系统及控制方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展和现代产业的不到革命，以及社会的不断进步，自然界很多未知的事物不断被开发出来。自然界中最神奇的东西莫过于人类的大脑，正如电影《超体》中所展示的人类目前能支配的大脑细胞大概只有10％左右，如果有人能够超过大脑使用的极限，难以想象会发生什么。人类对于大脑的研究也从来没有停止过，研究者希望能够直接通过脑电信号去控制一些事物，从一定程度上去代替人类的双手。这可以使得手脚不方便的病人重新解放自己的双手，能够让战争真正的实现无人化。随着脑电技术的不断发展，世界各国已经研制出一批采集一些简单设备的脑机接口技术。并投入试验于医学，军事、娱乐、教育等领域。

在我国，有大批人在研究脑机接口，也研制出了许多不错的基于脑机接口的系统。但大多数价格昂贵，并且需要植入到大脑内部，使用比较麻烦。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供基于脑机接口的路轨赛车系统，包括脑电采集设备、控制器与轨道车；脑电采集设备将采集到的脑电信号传送给控制器，控制器处理脑电信号并控制轨道车速度。本发明使用非入侵式脑机接口，不需要植入大脑内部，可以直观地观察采集使用者的脑电信号，可以通过双人模式进行竞争，集检测脑电和娱乐于一体。

本发明另一目的在于提供基于脑机接口的路轨赛车系统的控制方法，通过采集人体脑电波数据，进行分析之后控制玩具轨道车的速度快慢。本方法可用于注意力集中度的训练中，具有很好的发展和应用前景。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：基于脑机接口的路轨赛车控制系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)通电后控制器自动进行初始化；

(2)控制器读取用户的脑电信号数据，并调用BTdataAnalyze()函数分析脑电信号数据；

(3)分析检测脑电信号数据是否正确，若不正确，提示用户将头戴佩戴正确后重新执行步骤(2)；若正确，控制器获取用户的专注力值并执行步骤(4)；

(4)获取用户专注力值后，控制器调用DisplayNUM()函数显示专注力值，控制器调用DriveCar()函数，根据专注力值的大小控制输出电压信号占空比的大小，以此来控制轨道车速度的快慢；

(5)控制器获取用户专注力值的间隙，同时检测是否有按键信号；若有，进入调整速度基准模式，根据按键调整轨道车速度；若没有，重新跳转执行步骤(2)。

作为优选，所述的初始化包括：使用RCC_Configuration()对时钟进行初始化；使用TaskInit()对任务的调度进行初始化；使用BoardConfiguration()对LED和按键进行初始化；使用BlueToothInit()对蓝牙模块初始化；使用CarInit()对电机驱动的信号进行初始化；对中断向量完成初始化配置。

作为优选，所述电机驱动的信号采用PWM信号控制。

作为优选，所述控制器通过蓝牙接收脑电信号数据，以完成数据的读取。

作为优选，所述获取用户专注力值的间隙为1S。

作为优选，所述按键信号由用户对控制器的按键操作得到，按键操作分为三种：左拨，右拨和按下；有按键信号时，进入调整速度基准模式，将按键左拨或右拨三秒以上，此时数码管变为跳跃闪烁模式，并显示当前速度分档，若需要调快速度基准，则进行右拨操作，将档位调大；需要降低则进行左拨操作；此模式下，按下操作为确定，控制器跳出调整速度基准模式。

一种应用如上所述控制方法的基于脑机接口的路轨赛车系统，包括：脑电采集设备、控制器、轨道车；脑电采集设备将采集到的脑电信号传送给控制器，控制器处理脑电信号并控制轨道车速度。

作为优选，所述的控制器包括按键、电源电路、微控制器电路、显示电路、驱动电路与蓝牙传输电路；电源电路分别为微控制器电路、显示电路、驱动电路、蓝牙传输电路供电；微控制器电路分别与显示电路、驱动电路、蓝牙传输电路、按键连接。

作为优选，所述脑电采集设备为头戴，包括脑电信号采集电路、运动处理组件、CPU、蓝牙模块；CPU分别与脑电信号采集电路、运动处理组件、蓝牙模块连接。

作为优选，所述的脑电信号采集电路包括干电极、脑电波传感器芯片；干电极通过与人体前额接触获得脑电信号，并将此信号发送给脑电波传感器芯片。

本发明的有益效果在于：(1)本发明不需要植入大脑内部，可以直观的观察使用者的脑电信号；(2)本系统应用于娱乐竞技玩具，支持单人控制和双人对抗，单人控制时可以实时反应注意力值大小，双人对抗时可以反应不同个体注意力的差别；(3)本发明可用于注意力集中度的训练中，具有很好的发展和应用前景。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明的脑电采集设备示意图；

图3是本发明控制器电源电路示意图；

图4是本发明控制器其他电路组合示意图；

图5是本发明控制方法流程框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例：如图1所示，基于脑机接口的路轨赛车系统，由脑电采集设备、控制器、轨道车组成；脑电采集设备实时采集脑电信号，并将脑电信号通过蓝牙传给控制器，控制器处理对信号进行处理并控制轨道车的速度快慢，用户的注意力越集中，轨道车速度越快。

如图2所示，所述脑电采集设备为头戴，包括脑电信号采集电路、运动处理组件、CPU、蓝牙模块；CPU分别与脑电信号采集电路、运动处理组件、蓝牙模块连接；所述的脑电信号采集电路包括干电极、脑电波传感器芯片；干电极通过与人体前额接触获得脑部模拟电信号，并将此信号发送给脑电波传感器芯片。

所述的控制器包括按键、电源电路、微控制器电路、显示电路、驱动电路与蓝牙传输电路。

电源电路如图3所示，主要包括降压芯片IC1、两个电解电容、一个限流二极管和一个电感。9-15V电源通过IC1的1脚输入，5V电源信号通过2脚输出；电源电路分别为微控制器电路、显示电路、驱动电路、蓝牙传输电路供电；微控制器电路分别与显示电路、驱动电路、蓝牙传输电路、按键连接。

微控制器电路、显示电路、驱动电路以及蓝牙电路如图4所示，微控制器芯片主要包括微控制器芯片IC2、晶振以及两个起振电容；显示电路主要包括RGB三色彩灯D3、D4、D5以及对应的驱动芯片IC4，两位数码管D6和其对应的驱动芯片IC5；电机驱动电路包括电机驱动芯片IC6和对应的输出口motor；蓝牙电路包括蓝牙芯片IC3、一个电阻和一个用于发光二极管。

通电后，晶振Y1通过起振电容C3和C4控制微控制器IC2启动。IC2初始化之后通过12脚和13脚读取蓝牙数据，当蓝牙指示灯D2显示为有数据传输时，IC2开始读取来自IC3的数据。IC2首先对读取到的数据进行分析，得出佩戴者此时的佩戴情况，若佩戴不良，IC2通过17脚、18脚、19脚输出不同的信号，控制RGB彩灯D3、D4、D5显示不同的颜色，当用户佩戴良好时，所有彩灯熄灭，IC2开始输出用户的专注力值经过26脚、27脚、28脚输出信号进入数码管控制芯片IC5，数码管控制芯片IC5控制两位数码管D6显示用户的专注力值。同时，IC2在20脚输出一个控制电机转动快慢的信号，经过电机驱动芯片IC6输出驱动信号，经过输出口motor控制小车运动快慢。

基于脑机接口的路轨赛车系统的控制方法如图5所示，包括如下步骤：

(1)电源接通后控制器自动进行初始化；

所述的初始化包括：使用RCC_Configuration()对时钟进行初始化；使用TaskInit()对任务的调度进行初始化；使用BoardConfiguration()对LED和按键进行初始化；使用BlueToothInit()对蓝牙模块初始化；使用CarInit()对电机驱动的信号进行初始化，作为优选，所述电机驱动的信号采用PWM信号控制；对中断向量完成初始化配置。

(2)初始化完毕后控制器读取用户的脑电信号数据，并调用BTdataAnalyze()函数分析脑电信号数据；

其中，当蓝牙未配对时，函数返回未配对值，系统不工作，循环读取蓝牙数据。

BTdataAnalyze()从系统串口中读取蓝牙数据，解码后对脑电波数据进行提取分析。输出对应的字符串表示当前数据的读取结果，包括头戴未开启(HeadsetOFF)，头戴未佩戴(Headsetunwear)，头戴佩戴不佳(Headsetunfit)，以及头戴佩戴完成(Headsetwell)。

(3)分析检测脑电信号数据是否正确，若不正确，提示用户将头戴佩戴正确后重新执行步骤(2)；若正确，控制器获取处理用户的专注力值并执行步骤(4)；

其中，如果用户没有佩戴头戴，则通过宏BOARD_LED控制RGB三色彩灯输出红色；如果用户佩戴上头戴但接触不良，同样通过上面的宏控制RGB三色彩灯输出蓝色；当用户佩戴上头戴并且接触良好时，系统开始获取用户的专注力值，此时控制RGB三色彩灯熄灭。(4)控制器通过DisplayNUM()显示专注力值，通过DriveCar()函数输出控制信号，根据专注力的大小控制轨道车速度的快慢；

获取用户专注力值后，控制器调用DisplayNUM函数，函数输入为刚刚获取的专注力值，输出给对应的总线，控制数码管显示当前的专注力值；随后调用DriveCAR函数，该函数的输入同样为刚刚获取的专注力值，输出给系统中的驱动电机的电路，根据专注力值的大小控制输出电压信号占空比的大小，以此来控制输出电流的大小，控制轨道车速度的快慢。

(5)当获取用户专注力值的间隙，本实施例的专注力值间隙设为1S，控制器检测是否有按键信号；若有，进入调整速度基准模式，根据按键调整轨道车速度；调整轨道车速度是基于调整PWM信号的基准输出来控制轨道车运动快慢；若没有，重新跳转执行步骤(2)。

按键操作一共分为三种：左拨，右拨和按下。当用户需要进入调整轨道车基础速度模式时(轨道车基础速度为当专注力值为50时对应输出的轨道速度，该设置给予用户自己控制速度基准的自由，使控制器能适配大小不同的轨道)，将按键左拨或右拨三秒以上，此时数码管变为跳跃闪烁模式，并显示当前速度分档(1-99档)，若需要调快速度基准，则右拨按键，将档位调大；需要降低则左拨。此模式下按下按键为确定键，系统返回常规模式。

本发明有培养创新能力和训练注意力的功能，利用意念控制的过程中，用户需要集中注意力才能让赛车跑得更快，当跑得快时，用户的大脑会更加幸福，注意力值更高，从而可以保持长时间的注意力集中。长期训练以后，能够在不知不觉中让用户找到集中注意力的感觉，能够长时间地保持注意力集中，提高学习和工作效率。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于脑机接口的路轨赛车系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)通电后控制器自动进行初始化；

(2)控制器读取用户的脑电信号数据，并调用BTdataAnalyze()函数分析脑电信号数据；

(3)分析检测脑电信号数据是否正确，若不正确，提示用户将头戴佩戴正确后重新执行步骤(2)；若正确，控制器获取用户的专注力值并执行步骤(4)；

(4)获取用户专注力值后，控制器调用DisplayNUM()函数显示专注力值，控制器调用DriveCar()函数，根据专注力值的大小控制输出电压信号占空比的大小，以此来控制轨道车速度的快慢；

(5)控制器获取用户专注力值的间隙，同时检测是否有按键信号；若有，进入调整速度基准模式，根据按键调整轨道车速度；若没有，重新跳转执行步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的基于脑机接口的路轨赛车系统的控制方法，其特征在于：所述的初始化包括：使用RCC_Configuration()对时钟进行初始化；使用TaskInit()对任务的调度进行初始化；使用BoardConfiguration()对LED和按键进行初始化；使用BlueToothInit()对蓝牙模块初始化；使用CarInit()对电机驱动的信号进行初始化；对中断向量完成初始化配置。

3.根据权利要求2所述的基于脑机接口的路轨赛车系统的控制方法，其特征在于：所述电机驱动的信号采用PWM信号控制。

4.根据权利要求1所述的基于脑机接口的路轨赛车系统的控制方法，其特征在于：所述控制器通过蓝牙接收脑电信号数据，以完成数据的读取。

5.根据权利要求1所述的基于脑机接口的路轨赛车系统的控制方法，其特征在于：所述获取用户专注力值的间隙为1S。

6.根据权利要求1所述的基于脑机接口的路轨赛车系统的控制方法，其特征在于：所述按键信号由用户对控制器的按键操作得到，按键操作分为三种：左拨，右拨和按下；有按键信号时，进入调整速度基准模式，将按键左拨或右拨三秒以上，此时数码管变为跳跃闪烁模式，并显示当前速度分档，若需要调快速度基准，则进行右拨操作，将档位调大；需要降低则进行左拨操作；此模式下，按下操作为确定，控制器跳出调整速度基准模式。

7.一种应用如权利要求1所述控制方法的基于脑机接口的路轨赛车系统，其特征在于包括：脑电采集设备、控制器、轨道车；脑电采集设备将采集到的脑电信号传送给控制器，控制器处理脑电信号并控制轨道车速度。

8.根据权利要求7所述的基于脑机接口的路轨赛车系统，其特征在于：所述的控制器包括按键、电源电路、微控制器电路、显示电路、驱动电路与蓝牙传输电路；电源电路分别为微控制器电路、显示电路、驱动电路、蓝牙传输电路供电；微控制器电路分别与显示电路、驱动电路、蓝牙传输电路、按键连接。

9.根据权利要求7所述的基于脑机接口的路轨赛车系统，其特征在于：所述脑电采集设备为头戴，包括脑电信号采集电路、运动处理组件、CPU、蓝牙模块；CPU分别与脑电信号采集电路、运动处理组件、蓝牙模块连接。

10.根据权利要求9所述的基于脑机接口的路轨赛车系统，其特征在于：所述的脑电信号采集电路包括干电极、脑电波传感器芯片；干电极通过与人体前额接触获得脑电信号，并将此信号发送给脑电波传感器芯片。