CN106821628B - 一种基于高速ssvep智能轮椅的控制器系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高速SSVEP智能轮椅的控制器系统及其控制方法，包括电源转换模块、脑电采集模块、主控显示器模块、传感器模块，主控制器模块、网络模块、控制模块和智能轮椅，所述电源转换模块电性连接脑电采集模块、主控显示器模块、传感器模块，主控制器模块和网络模块和控制模块，且所述主控显示器模块连接脑电采集模块，且脑电采集模块连接传感器模块；所述控制模块通过网络模块连接主控制器模块。本发明的主控系统会在显示器给出障碍物所在距离和方向提示以及语音提示，能满足前后180度视角需要，使用方便。

Description

一种基于高速SSVEP智能轮椅的控制器系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种智能轮椅的控制器系统及其控制方法，具体为一种基于高速SSVEP智能轮椅的控制器系统及其控制方法，属于智能轮椅应用技术领域。
背景技术
脑机接口技术主要针对完全丧失行动能力的病人，如肌萎缩侧索硬化(ALS)病人或全身瘫痪病人。他们无法移动或说话，通过提取脑电信号病人可以使用自己的思想与外界交流。目前，脑机接口可分为植入式和非植入式两种。植入式脑机接口需要对病人进行开颅，将芯片或电极放置于颅内，因此可获得较好的信号，但存在一定的医疗风险。非植入式脑机接口无需开颅，将电极置于体表头皮因此脑电信号的信噪比较低，对脑电信号通常采用P300，稳态视觉诱发电位(SSVEP)事件相关电位(ERP)等方法进行分析。脑机接口轮椅可以为完全丧失行动能力的病人提供运动功能，提高生活质量。
目前，脑机接口轮椅主要面临两方面问题。第一，脑机接口命令通讯速率较低，影响使用者操控速度。第二，长时间操作为使用者带来一定的精神压力，使用者需要对身体和精神状况进行监护，因此，针对上述问题提出一种基于高速SSVEP智能轮椅的控制器系统及其控制方法。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于高速SSVEP智能轮椅的控制器系统及其控制方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种基于高速SSVEP智能轮椅的控制器系统及其控制方法，包括电源转换模块、脑电采集模块、主控显示器模块、传感器模块，主控制器模块、网络模块、控制模块和智能轮椅，其特征在于：所述电源转换模块电性连接脑电采集模块、主控显示器模块、传感器模块，主控制器模块和网络模块和控制模块，且所述主控显示器模块连接脑电采集模块，且脑电采集模块连接传感器模块；所述控制模块通过网络模块连接主控制器模块。
其中，智能轮椅包括前轮和后轮，且所述前轮和后轮外侧安装有超声测距传感器；所述前轮与后轮之间安装有云台，且所述云台一侧安装有前摄像头，与其对应的另一侧安装有后摄像头；所述前轮与后轮之间安装有电机，且电机连接电压转换器，所述电压转换器连接有锂电池，且所述电压转换器连接PWM整流器；所述PWM整流器与所述云台内部电性连接；所述电压转换器连接ARM控制器，且所述ARM控制器通过GPIO接口连接超声测距传感器；所述ARM控制器通过UART串口连接电极帽，且所述ARM控制器连接显示器；所述显示器内部安装有闪块；所述显示器通过网络接口连接前摄像头和后摄像头；还包括框架，所述框架上安装有坐垫，且所述框架侧壁上安装有显示器，且所述显示器连接有电极帽和手环；所述框架两侧对称安装有前轮和后轮，且所述前轮和后轮与安装在所述坐垫底端的电机连接；所述框架上安装有扬声器，且所述扬声器与显示器电性连接。
优选的，所述PWM整流器与电机内部电性连接。
优选的，所述云台可水平方向左右旋转45度。
一种基于高速SSVEP智能轮椅的控制器系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤A、脑电信号采集与处理：电极帽以及手环获得的脑电信号获得自主控制模式下的脑电信号；
步骤B、闪烁与显示：与电极帽以及手环连接的显示器闪烁，障碍物提示以及双摄像头影像；
步骤C、轮椅与云台控制：通过PWM信号控制电动轮椅两个电机以及云台进行运动；
步骤D、网络连接：通过网络接口实现与无线网络连接，将双摄像头影像传输给网络服务器；
步骤E、网络共享控制：对每一个主控制器的mac地址进行唯一编号，用于表示使用者，将使用者操作轮椅的所有指令结合双摄像头影像以及生理信号传感器组获得的生理信号上传到网路服务器，并执行共享控制App操作者的操作指令。
优选的，步骤E中，获得并保存使用者操作轮椅的所有指令结合双摄像头影像以及生理信号传感器组获得的生理信号，进行分析获得让使用者习惯操作方式，日常习惯目的地顺序，活动时间以及感觉舒适度，并且根据分析结果为共享控制App操作者提供操作建议。
本发明的有益效果是：本发明的主控系统会在显示器给出障碍物所在距离和方向提示以及语音提示，当与障碍物距离为0.5米时主控系统将在面向障碍物进行方向制动，采用两个110度广角摄像头前后方向装配在同一云台上，云台可水平方向左右旋转45度通过ARM控制器PWM信号驱动，用于满足前后180度视角需要。为方便使用者，前后摄像头图像显示于显示器上。呼吸率、心率、血压及体温生理信号传感器组通过UART串口与ARM控制器连接，在“自控”和“协助”两种模式下都将数据上传，用于记录使用者的使用状态下生理参数的变化，监控生命体征和分析使用者紧张程度；本发明系统简单、训练少和高信息传输率。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明连接结构示意图；
图3为本发明信号采集处理示意图。
图中：1、框架，2、电极帽，3、显示器，4、手环，5、坐垫，6、前摄像头，7、前轮，8、电机，9、后轮，10、云台，11、后摄像头，12、超声测距传感器，13、扬声器，14、ARM控制器，15、GPIO接口，16、电压转换器，17、锂电池，18、PWM整流器，19、网络接口，20、闪块，21、UART串口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3所示，一种基于高速SSVEP智能轮椅的控制器系统，包括电源转换模块、脑电采集模块、主控显示器模块、传感器模块，主控制器模块、网络模块、控制模块和智能轮椅，其特征在于：所述电源转换模块电性连接脑电采集模块、主控显示器模块、传感器模块，主控制器模块和网络模块和控制模块，且所述主控显示器模块连接脑电采集模块，且脑电采集模块连接传感器模块；所述控制模块通过网络模块连接主控制器模块。
其中，智能轮椅包括前轮7和后轮9，且所述前轮7和后轮9外侧安装有超声测距传感器12；所述前轮7与后轮9之间安装有云台10，且所述云台10一侧安装有前摄像头6，与其对应的另一侧安装有后摄像头11；所述前轮7与后轮9之间安装有电机8，且电机8连接电压转换器16，所述电压转换器16连接有锂电池17，且所述电压转换器16连接PWM整流器18；所述PWM整流器18与所述云台10内部电性连接；所述电压转换器16连接ARM控制器14，且所述ARM控制器14通过GPIO接口15连接超声测距传感器12；所述ARM控制器14通过UART串口21连接电极帽2，且所述ARM控制器14连接显示器3；所述显示器3内部安装有闪块20；所述显示器3通过网络接口19连接前摄像头6和后摄像头11；还包括框架1，所述框架1上安装有坐垫5，且所述框架1侧壁上安装有显示器3，且所述显示器3连接有电极帽2和手环4；所述框架1两侧对称安装有前轮7和后轮9，且所述前轮7和后轮9与安装在所述坐垫5底端的电机8连接；所述框架1上安装有扬声器13，且所述扬声器13与显示器3电性连接。
其中，所述PWM整流器18与电机8内部电性连接；所述云台10可水平方向左右旋转45度。
本发明中，电源转换模块内部的24v，10A锂电池17保证轮椅可正常续航20公里。通过电压转换提供电压为24v、5v、3.3v，其中24v用于驱动两个250w有刷电机8，5v和3.3v分别用于为主ARM控制器14供电和产生控制电机8的PWM信号；
脑电采集模块内部的包括电极帽2以及与电极帽2连接的脑电信号采集仪，其中电极帽2分布符合国际10-20系统，接地电极位于FPz和Fz连线的中点，参考电极为头顶，记录电极分别为“P3”、“Pz”、“P4”、“T5”、“PO3”、“PO4”、“T6”、“O1”、“Oz”、“O2”，脑电信号采集仪采用ADS1299为脑电信号采集芯片通过SPI接口与ARM控制器14连接，采样率为250Hz，带通滤波为1～100Hz，并进行在线50Hz陷波。在提取SSVEP电位时，采用滤波器组典型相关分析方法(CCA)对稳态识别诱发电位进行分类；
主控显示器模块用于为使用者提供产生SSVEP电位的视觉刺激。主控显示器采用12.1英寸hdmi高清显示器最高分辨率为1280*800@60Hz，闪块20，用于作为输入字符按钮，也可以对每个闪块20上标注特殊文字以及符号以便使用者操作；
传感器模块包括四个超声测距传感器和两个摄像头，呼吸率、心率、血压及体温传感器组。其中四个超声测距传感器12装配在轮椅的前后左右四个方向通过GPIO接口15与ARM控制器14连接，用于辅助使用者获得轮椅四周障碍物信息。每个超声测距传感器占用两个用GPIO_I和GPIO_O。当GPIO_I产生超声信号时，记录GPIO_O接收到返回超声信号的时间T。距离S＝340T/2。当S小于2米时；
一种基于高速SSVEP智能轮椅的控制器系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤A、脑电信号采集与处理：电极帽2以及手环4获得的脑电信号获得自主控制模式下的脑电信号；
步骤B、闪烁与显示：与电极帽2以及手环4连接的显示器3闪烁，障碍物提示以及双摄像头影像；
步骤C、轮椅与云台10控制：通过PWM信号控制电动轮椅两个电机8以及云台10进行运动；
步骤D、网络连接：通过网络接口19实现与无线网络连接，将双摄像头影像传输给网络服务器；
步骤E、网络共享控制：对每一个主控制器的mac地址进行唯一编号，用于表示使用者，将使用者操作轮椅的所有指令结合双摄像头影像以及生理信号传感器组获得的生理信号上传到网路服务器，并执行共享控制App操作者的操作指令。
步骤E中，获得并保存使用者操作轮椅的所有指令结合双摄像头影像以及生理信号传感器组获得的生理信号，进行分析获得让使用者习惯操作方式，日常习惯目的地顺序，活动时间以及感觉舒适度，并且根据分析结果为共享控制App操作者提供操作建议。
实施例一：
采用i.mx6核心板，脑电信号采集与处理通过SPI总线将ADS1299获得的脑电信号通过CCA获得自主控制模式下“自控”“协助”“前”“后”“左”“右”“停”的脑电信号。闪烁与显示通过hdmi在主显示器上显示“自控”模式下的闪块，障碍物提示以及双摄像头影像；“协助”模式下的104键盘，用于打字告示网络服务器；使用者的目的地或意图，障碍物提示以及双摄像头影像。轮椅与云台控制，通过PWM信号控制电动轮椅两个电机以及云台进行运动。为保证舒适性“自控”模式下运动速度不超过0.5米/秒。“协助”模式下不大于10公里/小时(2.78米/秒)。网络连接通过USB接口连接蓝牙wifi二合一模块RL-UM02WBS-8723BU，实现与4G连接。图像传输将双摄像头影像传输给网络服务器。网络共享控制，对每一个主控制器的mac地址进行唯一编号，用于表示使用者。将使用者操作轮椅的所有指令结合双摄像头影像以及生理信号传感器组获得的生理信号上传到网路服务器，并执行共享控制App操作者的操作指令；获得并保存使用者操作轮椅的所有指令结合双摄像头影像以及生理信号传感器组获得的生理信号。进行分析获得让使用者习惯操作方式，日常习惯目的地顺序，活动时间以及感觉舒适度。并且根据分析结果为共享控制App操作者提供操作建议。为网络共享控制操作者提供“前”“后”“左”“右”“停”和云台“左移”“居中”“右移”的按键。显示双摄像头影像，使用者生理指标，和操作建议。
实施例二：
采用i.mx6核心板，脑电信号采集与处理通过SPI总线将ADS1299获得的脑电信号通过CCA获得自主控制模式下“自控”“协助”“前”“后”“左”“右”“停”的脑电信号。闪烁与显示通过hdmi在主显示器上显示“自控”模式下的闪块与图1，障碍物提示以及双摄像头影像；“协助”模式下的104键盘，用于打字告示网络服务器使用者的目的地或意图，障碍物提示以及双摄像头影像。轮椅与云台控制，通过PWM信号控制电动轮椅两个电机以及云台进行运动。为保证舒适性“自控”模式下运动速度不超过0.5米/秒。“协助”模式下不大于10公里/小时(2.78米/秒)。网络连接通过USB接口连接蓝牙wifi二合一模块RL-UM02WBS-8723BU，实现无线路由连接。图像传输将双摄像头影像传输给网络服务器。网络共享控制，对每一个主控制器的mac地址进行唯一编号，用于表示使用者。将使用者操作轮椅的所有指令结合双摄像头影像以及生理信号传感器组获得的生理信号上传到网路服务器并执行共享控制App操作者的操作指令；获得并保存使用者操作轮椅的所有指令结合双摄像头影像以及生理信号传感器组获得的生理信号。进行分析获得让使用者习惯操作方式，日常习惯目的地顺序，活动时间以及感觉舒适度。并且根据分析结果为共享控制App操作者提供操作建议。共享控制App；为网络共享控制操作者提供“前”“后”“左”“右”“停”和云台“左移”“居中”“右移”的按键。显示双摄像头影像，使用者生理指标，和操作建议。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种带有控制器系统的高速SSVEP智能轮椅，其特征在于：所述控制器系统，包括电源转换模块、脑电采集模块、主控显示器模块、传感器模块，主控制器模块、网络模块、控制模块和智能轮椅，所述电源转换模块电性连接脑电采集模块、主控显示器模块、传感器模块，主控制器模块和网络模块和控制模块，且所述主控显示器模块连接脑电采集模块，且脑电采集模块连接传感器模块；所述控制模块通过网络模块连接主控制器模块；
所述高速SSVEP智能轮椅包括前轮(7)和后轮(9)，且所述前轮(7)和后轮(9)外侧安装有超声测距传感器(12)；所述前轮(7)与后轮(9)之间安装有云台(10)，且所述云台(10)一侧安装有前摄像头(6)，与其对应的另一侧安装有后摄像头(11)；所述前轮(7)与后轮(9)之间安装有电机(8)，且电机(8)连接电压转换器(16)，所述电压转换器(16)连接有锂电池(17)，且所述电压转换器(16)连接PWM整流器(18)；所述PWM整流器(18)与所述云台(10)内部电性连接；所述电压转换器(16)连接ARM控制器(14)，且所述ARM控制器(14)通过GPIO接口(15)连接超声测距传感器(12)；所述ARM控制器(14)通过UART串口(21)连接电极帽(2)，且所述ARM控制器(14)连接显示器(3)；所述显示器(3)内部安装有闪块(20)；所述显示器(3)通过网络接口(19)连接前摄像头(6)和后摄像头(11)。
2.根据权利要求1所述的一种带有控制器系统的高速SSVEP智能轮椅，其特征在于：还包括框架(1)，所述框架(1)上安装有坐垫(5)，且所述框架(1)侧壁上安装有显示器(3)，且所述显示器(3)连接有电极帽(2)和手环(4)；所述框架(1)两侧对称安装有前轮(7)和后轮(9)，且所述前轮(7)和后轮(9)与安装在所述坐垫(5)底端的电机(8)连接；所述框架(1)上安装有扬声器(13)，且所述扬声器(13)与显示器(3)电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种带有控制器系统的高速SSVEP智能轮椅，其特征在于：所述PWM整流器(18)与电机(8)内部电性连接。
4.根据权利要求2所述的一种带有控制器系统的高速SSVEP智能轮椅，其特征在于：所述云台(10)可水平方向左右旋转45度。
5.一种基于权利要求1至权利要求4任一项权利要求所述的高速SSVEP智能轮椅的控制器系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤A、脑电信号采集与处理：电极帽(2)以及手环(4)获得的脑电信号获得自主控制模式下的脑电信号；
步骤B、闪烁与显示：与电极帽(2)以及手环(4)连接的显示器(3)闪烁，障碍物提示以及双摄像头影像；
步骤C、轮椅与云台(10)控制：通过PWM信号控制电动轮椅两个电机(8)以及云台(10)进行运动；
步骤D、网络连接：通过网络接口19实现与无线网络连接，将双摄像头影像传输给网络服务器；
步骤E、网络共享控制：对每一个主控制器的mac地址进行唯一编号，用于表示使用者，将使用者操作轮椅的所有指令结合双摄像头影像以及生理信号传感器组获得的生理信号上传到网路服务器，并执行共享控制App操作者的操作指令。
6.根据权利要求5所述的一种基于高速SSVEP智能轮椅的控制器系统的控制方法，其特征在于：步骤E中，获得并保存使用者操作轮椅的所有指令结合双摄像头影像以及生理信号传感器组获得的生理信号，进行分析获得让使用者习惯操作方式，日常习惯目的地顺序，活动时间以及感觉舒适度，并且根据分析结果为共享控制App操作者提供操作建议。
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