CN107065850A - 一种脑电波控制的四轮独立驱动智能小车系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脑电波控制的四轮独立驱动智能小车系统及其控制方法，包括脑电信号采集头套、脑电信号处理程序以及四轮独立驱动电动车的驱动控制系统。使用者针对不同的驾驶指令作出相应的运动想象；通过脑电采集头套提取脑电信号，并传输给计算机，计算机对接收的脑电信号进行预处理、特征提取和分类，分类结果作为指令通过无线通信模块发送至电动车驱动控制系统，实现根据使用者脑电波处理结果为执行指令，通过对四轮独立驱动系统容错稳定性控制的智能电动车。本发明可以极大的扩展有严重运动障碍的残疾人的移动范围，同时可以用于运动想象识别系统训练使用，为使用者接入自动驾驶汽车系统提供了一种人车交互方式，具有很好的发展和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及BCI领域以及控制领域，具体涉及一种脑电波控制的四轮独立驱动智能小车系统及其控制方法。
背景技术
中国到2015年底，残疾人数量已经达到8500万，如何保障残疾人的行动能力，提高残疾人的生活质量，成为亟待解决的社会问题。随着BCI技术的不断成熟，脑电波控制汽车成为一种辅助驾驶的选择方式。如今通过对大脑信号的采集分析处理能反应大脑的集中、放松度、想象动作等许多信息。其中想象动作电位的提取分析、集中度等可以转化为小车的控制信息。近年来无人车领域蓬勃发展，脑机交互技术也为无人车辅助控制提供了新思路。就目前存在的脑电控制小车的专利，如专利CN204833871U，只是简单的通过采集大脑的集中度控制小车在轨道上运行的速度，无法运用于无轨道模式实现小车的各个方向灵活控制，并且脑控技术不能保障发出指令的完全正确，如何将错误指令进行剔除是保障脑控车安全的基础。本发明设计了一种更为灵活的四轮独立驱动式电动车，通过对想象动作的特征提取处理实现了小车的加速、制动、左转和右转控制，并设计了一种基于超声波的容错机制，使接受了错误指令的小车可以自主判别是否执行，有效提高了小车的安全性能。
发明内容
发明目的：本发明在现有脑电信号控制车辆的基础上，以提高车辆运动的准确率和稳定性为目的,提供了一种脑电波控制的四轮独立驱动智能小车系统及其控制方法。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种基于脑电波的四轮独立驱动智能小车系统，包括四轮独立驱动智能小车、脑电信号采集模块、脑电信号处理模块以及数据传输模块；
四轮独立驱动智能小车所述包括普通小车、四个直流电机、电机驱动电路板以及控制驱动模块；四个所述直流电机分别安装在普通小车的四轮边；所述电机驱动电路板与四个所述直流电机连接并通过四个所述直流电机控制四轮独立驱动；所述控制驱动模块与所述电机驱动电路板连接；
脑电信号采集模块用于采集受试者在不同运动想象动作下的大脑额叶区域、中央区域和顶叶区域的脑电信号，并通过数据传输模块传输至脑电信号处理模块；
脑电信号处理模块接收脑电信号采集模块采集的脑电信号并进行处理，识别出不同运动想象动作所对应的小车运动类型并将处理结果通过数据传输模块传输至四轮独立驱动智能小车的控制驱动模块；控制驱动模块根据处理结果产生控制信息，并向所述电机驱动电路板下发驱动信号。
在所述普通小车的前、后、左、右四个方位上分别装载有用于检测小车在运动过程中与周围障碍物的距离并反馈给控制驱动模块的超声波传感器；所述控制驱动模块根据所述超声波传感器反馈的信息控制小车停止或运动。
所述脑电信号采集模块为脑电采集头套，采用Emotiv EPOC+14导电极帽以128Hz的频率采集EEG信号。
在所述脑电采集头套内设有脑电采集卡；脑电采集卡包括采集电极、参考电极、脑电采集芯片和自带无线模块；采集电极、参考电极和自带无线模块均与脑电采集芯片相连；采集电极采集使用者的原始脑波值并将其传输至脑电采集芯片，脑电采集芯片处理原始脑波值得到脑电信号，并将由脑电信号组成的数据包通过自带无线模块实时传到计算机上。
一种四轮独立驱动智能小车系统的控制方法，包括步骤：
(1)使用者根据小车的四种运动方式：前进、后退、左转、右转，作出相应的运动想象；
(2)通过脑电信号采集模块采集受试者在不同运动想象动作下的大脑额叶区域、中央区域和顶叶区域的脑电信号；
(3)通过脑电信号处理模块处理步骤(2)采集到的脑电信号：首先对采集到的脑电信号进行降噪预处理；然后提取预处理后脑电信号的时频域特征值；最后根据时频域特征值进行数据模式分类，识别不同运动想象动作所对应的小车运动类型；
(4)将步骤(3)处理的结果通过数据传输模块传输至四轮独立驱动智能小车，并有其上的控制驱动模块产生控制信息并控制小车完成运动。
在所述四轮独立驱动智能小车前、后、左、右安装四个超声波传感器；所述超声波传感器在四轮独立驱动智能小车运动过程中，检测四轮独立驱动智能小车与周围障碍物的距离并反馈给控制驱动模块；控制驱动模块在判断小车距离某障碍物的距离小于其内所设置的阈值并仍有向前运动的趋势时，控制四轮独立驱动智能小车停止运动，直到接受的命令为后退或者左转或者右转。
所述步骤(3)中预处理方式采用小波包变换；数据特征提取方式采用公共空间模式算法处理；数据模式分类采用SVM处理。
有益效果：
针对传统的脑电控制车的方法，提出来一种新的基于脑电波的四轮独立驱动智能小车系统，以使用者做不同运动想象时产生的脑电信号作为控制信息源，实现小车的多目标任务。
采用无线通信技术连接脑电采集模块、信号处理模块、以及小车驱动控制模块，提高了使用者的灵活使用空间。
由于任何信号的准确率都不是百分之百，所以设计在小车上装超声波，用于监测小车周围障碍物及距离，实现避障等智能判断，具有一定的现实意义和广泛的应用前景。
附图说明
图1为基于脑电波的四轮独立驱动智能小车系统的整体组成框图。
图2为基于脑电波的四轮独立驱动智能小车系统的流程图。
图3为脑电采集卡内部结构框图。
图4为无线通讯模块的原理示意图。
图5为模拟升压电路板的电路图。
图6为超声波避障主程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
图1为本发明的整体组成框图，包括脑电信号采集模块、脑电信号处理模块、数据传输模块以及小车的控制驱动模块。本发明中的四轮独立驱动智能小车包括普通小车、四个直流电机、模拟升压电路板、电机驱动电路板、STM32控制器以及四个超声波传感器。四个直流电机通过电机驱动电路板与模拟升压电路板连接，控制小车的四轮独立驱动，从而实现小车的四种运动方式：前进、后退、左转、右转，模拟升压电路板与STM32控制器连接；模拟升压电路板的电路图如图5所示，模拟升压电路板连接电池，为STM32控制器供电。四个超声波传感器安置在小车车体上，与STM32控制器直接相连。
脑电信号采集模块具体为脑电采集头套，采用Emotiv EPOC+14导电极帽以128Hz的频率采集EEG信号，通过脑电采集头套自带无线模块与计算机相连；脑电信号采集模块采集受试者在不同运动想象动作下的大脑额叶区域、中央区域和顶叶区域的脑电信号。脑电采集头套内设有脑电采集卡，脑电采集卡内部结构如图3所示，包括采集电极、参考电极、脑电采集芯片和自带无线发射器，采集电极、参考电极和自带无线发射器均与脑电采集芯片相连。脑电采集芯片采用美国EMOTIV公司的EMOTIV EPOC+头套，14个采集电极和2个参考电极，采集电极采集使用者的原始脑波值并将其传输至脑电采集芯片，脑电采集芯片处理原始脑波值得到放大后的EEG脑电信号，EEG脑电信号为各个电极处头皮电位，并将由脑电信号组成的数据包通过自带无线传输模块实时传到计算机上。
脑电信号处理模块具体为计算机，用于处理脑电信号，具体为：首先对脑电信号采集模块采集到的脑电信号进行降噪预处理，预处理方式采用小波包变换；然后提取预处理后脑电信号的时频域特征值，数据特征提取方式采用公共空间模式算法(CSP算法)处理；再根据时频域特征值进行数据模式分类，识别不同运动想象动作所对应的小车运动类型，数据模式分类采用SVM(支持向量机)处理。将处理后的分类结果通过2.4G无线通讯技术传输给控制驱动模块。计算机通过无线收发模块和小车相连，计算机产生表示小车运动状态的字符，包括表示运动速度和运动方向的字符，通过将代表小车运动状态的相应字符发送到移动小车平台的无线接收器模块，通过控制驱动模块处理该字符实现小车运动。
控制驱动模块为安装在小车上的STM32控制器，STM32控制器接收脑电信号处理模块的处理结果，通过模拟升压电路板下发控制信息，并将控制信息传输至电机驱动电路板以驱动四个直流电机以控制小车的运动方式。同时，STM32控制器与超声波传感器连接，并接收超声波传感器反馈的小车与周围障碍物的距离信息，并以此控制小车继续运动或停止。
数据传输模块为无线通讯模块，图4为本发明的无线通讯模块的原理示意图。无线通讯模块用来传输计算机处理好的脑电控制指令给小车。作为优选，本发明选用Nrf24L01无线模块，其工作在2.4GHz～2.5GHz ISM频段。装载在小车上的无线模块和控制器相连，连接方式如图所示，其中无线模块的TXD、RXD引脚分别和控制器的串口对应的RXD、TXD引脚相连接，用来传输数据；无线模块的AUX、SET引脚和控制器的GPIO引脚相连接，用来配置无线模块的工作方式。装载在计算机上的无线模块通过USB和计算机相连接。
图6为本发明的超声波传感器的主程序流程图。超声波传感器共有四组，分别装载在小车的前、后、左、右四个方位上，用来检测小车在运动过程中，与周围障碍物的距离并反馈给STM32控制器。当小车距离某障碍物的距离小于其内所设置的阈值并仍有向前运动的趋势时，STM32控制器认为脑电信号处理出现错误，控制小车停止运动，直到接受的命令为后退或者左转或者右转，从而控制小车实现智能避障。作为优选，本发明选用KS103型号的超声波传感器。该超声波传感器连线引脚上有标识有：VCC，SDA/TX，SCL/RX，GND，MODE。MODE引脚为I2C模式与TTL串口模式设置引脚，该引脚悬空时，传感器处于I2C模式，该引脚在通电之前接地时，传感器处于TTL串口模式。
本发明基于脑电波的四轮独立驱动智能小车系统的原理如下：
使用者根据小车的四种运动方式，做出相应的运动想象；通过脑电信号采集模块采集其脑电信号，通过无线传输模块传输给脑电信号处理模块；脑电信号处理模块对接收的脑电信号进行预处理、特征提取与模式分类，分类结果通过无线通信模块发送至控制驱动模块，将普通小车改成四轮独立驱动小车，通过控制驱动模块驱动小车电机完成目标动作，与此同时通过小车上的超声波传感器实现小车避障。具体流程如图2所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于脑电波的四轮独立驱动智能小车系统，其特征在于：包括四轮独立驱动智能小车、脑电信号采集模块、脑电信号处理模块以及数据传输模块；
四轮独立驱动智能小车所述包括普通小车、四个直流电机、电机驱动电路板以及控制驱动模块；四个所述直流电机分别安装在普通小车的四轮边；所述电机驱动电路板与四个所述直流电机连接并通过四个所述直流电机控制四轮独立驱动；所述控制驱动模块与所述电机驱动电路板连接；
脑电信号采集模块用于采集受试者在不同运动想象动作下的大脑额叶区域、中央区域和顶叶区域的脑电信号，并通过数据传输模块传输至脑电信号处理模块；
脑电信号处理模块接收脑电信号采集模块采集的脑电信号并进行处理，识别出不同运动想象动作所对应的小车运动类型并将处理结果通过数据传输模块传输至四轮独立驱动智能小车的控制驱动模块；控制驱动模块根据处理结果产生控制信息，并向所述电机驱动电路板下发驱动信号。
2.根据权利要求1所述的四轮独立驱动智能小车系统，其特征在于：在所述普通小车的前、后、左、右四个方位上分别装载有用于检测小车在运动过程中与周围障碍物的距离并反馈给控制驱动模块的超声波传感器；所述控制驱动模块根据所述超声波传感器反馈的信息控制小车停止或运动。
3.根据权利要求1所述的四轮独立驱动智能小车系统，其特征在于：所述脑电信号采集模块为脑电采集头套，采用Emotiv EPOC+14导电极帽以128Hz的频率采集EEG信号。
4.根据权利要求3所述的四轮独立驱动智能小车系统，其特征在于：在所述脑电采集头套内设有脑电采集卡；脑电采集卡包括采集电极、参考电极、脑电采集芯片和自带无线模块；采集电极、参考电极和自带无线模块均与脑电采集芯片相连；采集电极采集使用者的原始脑波值并将其传输至脑电采集芯片，脑电采集芯片处理原始脑波值得到脑电信号，并将由脑电信号组成的数据包通过自带无线模块实时传到计算机上。
5.一种应用权利要求1的四轮独立驱动智能小车系统的控制方法，其特征在于：包括步骤：
(1)使用者根据小车的四种运动方式：前进、后退、左转、右转，作出相应的运动想象；
(2)通过脑电信号采集模块采集受试者在不同运动想象动作下的大脑额叶区域、中央区域和顶叶区域的脑电信号；
(3)通过脑电信号处理模块处理步骤(2)采集到的脑电信号：首先对采集到的脑电信号进行降噪预处理；然后提取预处理后脑电信号的时频域特征值；最后根据时频域特征值进行数据模式分类，识别不同运动想象动作所对应的小车运动类型；
(4)将步骤(3)处理的结果通过数据传输模块传输至四轮独立驱动智能小车，并有其上的控制驱动模块产生控制信息并控制小车完成运动。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：在所述四轮独立驱动智能小车前、后、左、右安装四个超声波传感器；所述超声波传感器在四轮独立驱动智能小车运动过程中，检测四轮独立驱动智能小车与周围障碍物的距离并反馈给控制驱动模块；控制驱动模块在判断小车距离某障碍物的距离小于其内所设置的阈值并仍有向前运动的趋势时，控制四轮独立驱动智能小车停止运动，直到接受的命令为后退或者左转或者右转。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中预处理方式采用小波包变换；数据特征提取方式采用公共空间模式算法处理；数据模式分类采用SVM处理。
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yin Guodong Inventor after: Zhou Chenguang Inventor after: Zhuang Jiayu Inventor after: Gong Lei Inventor after: Zhang Deming Inventor after: Yang Yufeng Inventor after: Zhao Heng Inventor after: Chen Minghui Inventor after: Zhang Liran Inventor before: Zhou Chenguang Inventor before: Yin Guodong Inventor before: Zhuang Jiayu Inventor before: Gong Lei Inventor before: Zhang Deming Inventor before: Yang Yufeng Inventor before: Zhao Heng Inventor before: Chen Minghui Inventor before: Zhang Liran |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170818 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |