CN107411740B - 一种操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法。针对操控者在完成系统操控过程中，个人的精神状态极易对系统的控制性能造成严重影响的问题，在控制系统中引入操控者精神状态的脑电解析模块、操控品质评估模块及操控精密补偿模块，即通过对操控者脑电信号的采集，并以此提取相应状态特征，实现对操控者的精神状态精确解析；进而，利用操控品质评估模块评估预测其精神状态变化对系统性能的影响，并以此根据评估结果动态调整操控系统的控制参数，以实现既保证控制任务安全可靠地执行，又能充分提高操控者的工作效能。

Description

一种操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法

技术领域

本发明属于信息技术和人工智能综合技术领域，涉及一种操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法。

背景技术

随着人工智能技术的不断发展，使得生产过程逐渐呈现摆脱对人类操控者本身依赖的趋势，生产效率和安全性得到了大幅提升。然而从技术可行性、经济性和安全性的角度出发，人类已经意识到以彻底取代人类操控者为目标的完全自动化的实现正变得越来越困难，人类操控者仍将继续长期存在于各种控制系统中。人类操控者在整个控制系统中拥有更高的权限并担负了更重的责任，尤其是在高安全性要求的自动控制系统中，操控者的精神状态会影响控制性能，甚至可能会引起严重的事故。

为了保证任务的安全可靠执行和避免事故的发生，通常将操控者设计为系统的一个可控环节，根据操控者的状态、系统运行状态以及当前任务要求动态调整操控者与自动控制系统之间任务的分配。操控者的状态评估是实现操控者与系统之间的动态分配与控制中必不可少的环节，根据操控者主观评估、工作性能或测量脑电、心电、肌电和眼电等生理信号来定量评估操控者的状态，评估操控者在系统中参与工作的程度、工作负荷和疲劳程度等状态参数。目前，脑电信号现已成为最广泛的评估中枢神经系统变化的指标之一，引入操控者的脑电信号为操控者的状态监测评估提供了有效的依据。现有针对操控者的研究主要集中在如何提高操控者长时工作能力，而针对操控者本身因受到环境刺激和个人心理状态变化而引起的个人精神状态变化对系统性能的影响研究较少。而操控者的精神状态变化会直接影响其决策指令的正确性和可靠性，从而直接影响系统的控制性能；因此针对操控者精神状态变化而研究相应的补偿控制方法对保证控制任务的可靠执行和避免事故的发生是必不可少的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法，该方法利用操控者的脑电信号实时解析操控者的精神状态，同时根据操控者精神状态的变化调整控制系统的控制参数，使系统适应操控者的状态变化，充分提高操控者的工作效能，保证控制任务安全可靠地执行，提高控制系统中操控者的工作效能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：按照操控者需求设定脑电采集模块的脑电电极的布置位置，为操控者佩戴脑电采集模块，脑电采集模块实时采集操控者在工作中的脑电信号，并将采集的脑电信号无线传输至脑电信号解析模块；

步骤2：脑电信号解析模块将脑电信号进行解析，计算操控者各类精神状态的唤醒程度；

步骤3：将各类精神状态的唤醒程度的集合D作为操控品质评估模块的输入，通过评估模块的评估能够获取相应唤醒程度的精神状态下对控制系统的操控品质评分E；

E＝g(D)

其中，E为操控品质评估模块预测与评估的操控品质评分，g(D)为根据其精神状态进行操控品质的预测与评估函数；

步骤4：将操控品质评分E作为精密补偿模块的输入，根据评估的操控品质评分E值的大小，操控系统对操控者的决策与指令进行调整和补偿，其补偿控制指令为k_c。

本发明进一步的改进在于：

步骤1)中，脑电采集模块通过Wifi通讯将采集的脑电信号无线传输至脑电信号解析模块。

步骤2)中解析脑电信号的具体方法如下：

步骤2-1：对获取的脑电信号进行滤波降噪、去伪迹处理；

步骤2-2：其次，对预处理之后的脑电信号进行特征提取与分离，从包含操控者多种信息的脑电信号解析并分离出能够表达不同精神状态变化的特征信息矩阵Y；

步骤2-3：由分离出的特征信息量化计算操控者各类精神状态的唤醒程度D_i；

其中，D为操控者所需的各类精神状态的集合；D_i为某一类精神状态的唤醒度，即表示该精神状态的激活程度，i为精神状态的种类数目，且i为正整数；Y为分离出能够表达各类精神状态变化的脑电特征信息矩阵；Φ(Y)为精神状态的量化计算函数。

步骤3)中的补偿控制指令k_c如下：

其中，E_H和E_L分别为由操控者设定的操控品质期望上限值和下限值，f(E)为结合实际控制系统参数和操控品质的补偿控制参数映射函数。

步骤3)中，操控者根据控制任务的系统性能的不同要求，按需设定不同的操控品质期望下限E_L和上限E_H。

步骤4)中调整和补偿的具体方法如下：

当操控者精神状态评估的操控品质评分E大于操控品质期望值区间上限E_H时，系统对操控者的指令不做补偿，补偿控制指令k_c＝0；

当操控者精神状态评估的操控品质评分E位于操控品质期望值区间内时，系统对操控者的指令和决策进行补偿，补偿控制指令k_c＝f(E)；

当操控者的精神状态评估的操控品质评分E小于操控品质期望值下限E_L时，系统完全自动操控，操控者不再参与控制，补偿控制指令k_c不存在。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对操控者的个人精神状态易对控制系统的性能操作影响的问题，提出一种操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法，通过在工作中实时采集操控者的脑电信号分析评估其精神状态，并利用基于精神状态的操控品质评估模块预测与评估其精神状态对系统性能的影响，并据此动态调整系统的控制参数，保证控制任务的可靠与安全的执行，同时充分提高操控者的工作效能。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图

图2为本发明的控制装置结构框图

图3为本发明的方法流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-3，本发明操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法，包括以下步骤：

1)按照操控者需求设定脑电采集模块的脑电电极的布置位置，为操控者佩戴脑电采集模块，脑电采集模块实时采集操控者在工作中的脑电信号，并通过Wifi通讯将采集的脑电信号无线传输至脑电信号解析模块；

脑电信号解析模块将所述步骤1)中所获取的脑电信号进行解析；首先，对获取的脑电信号进行滤波降噪、去伪迹等预处理；其次，对预处理之后的脑电信号进行特征提取与分离，从包含操控者多种信息的脑电信号解析并分离出可表达不同精神状态变化的特征信息矩阵Y；最后，由分离出的特征信息量化计算操控者各类精神状态的唤醒程度D_i。

其中，D为操控者所需的各类精神状态的集合；D_i为某一类精神状态的唤醒度，即表示该精神状态的激活程度，i为精神状态的种类数目(i＝1,2,…)；Y为分离出可表达各类精神状态变化的脑电特征信息矩阵；Φ(Y)为精神状态的量化计算函数。

将所述步骤2)中获得的各类精神状态的唤醒程度集合D为操控品质评估模块的输入，通过评估模块的评估可获取该唤醒程度的精神状态下对控制系统的操控品质评分E；

E＝g(D)

其中E为操控品质评估模块预测与评估的操控品质评分，g(D)为根据其精神状态进行操控品质的预测与评估函数。

将所述步骤3)中评估的操控品质评分E作为精密补偿模块的输入，根据评估的操控品质评分E值的大小，操控系统对操控者的决策与指令进行适当的调整和补偿，其补偿控制指令为k_c。

式中，E_H和E_L分别为由操控者设定的操控品质期望上限值和下限值，f(E)为结合实际控制系统参数和操控品质的补偿控制参数映射函数。

根据控制任务的系统性能的不同要求，由操控者按需设定不同的操控品质期望下限E_L和上限E_H。

当操控者精神状态较好即根据其精神状态评估的操控品质评分E大于操控品质期望值区间上限E_H时，即可独立完成控制任务且满足性能要求时，系统对操控者的指令不做补偿，即补偿控制指令k_c＝0；

当操控者精神状态一般即根据其精神状态评估的操控品质评分E位于操控品质期望值区间内时，即操控者的控制性能在可接受的范围内且可调整时，系统对操控者的指令和决策进行补偿，即补偿控制指令k_c＝f(E)，例如增大或减小系统的控制增益；

当操控者的精神状态较差时即根据精神状态评估的操控品质评分E小于操控品质期望值下限E_L时，即操控者的控制性能不能满足控制要求，系统完全自动操控，操控者不再参与控制，即补偿控制指令k_c不存在。

将所述步骤4)获得补偿控制指令k_c与操控者发出的控制指令k_o、系统的负反馈指令k_b同时作为输入发送至自动控制模块，由自动控制模块进行指令规划，并将其翻译为机器语言传输至执行模块完成动作执行。

将执行模块的执行情况通过传感器和网络以图形图像的形式视觉反馈给操控者，操控者根据视觉反馈的信息进行下一步的操控。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按照操控者需求设定脑电采集模块的脑电电极的布置位置，为操控者佩戴脑电采集模块，脑电采集模块实时采集操控者在工作中的脑电信号，并将采集的脑电信号无线传输至脑电信号解析模块；脑电采集模块通过Wifi通讯将采集的脑电信号无线传输至脑电信号解析模块；

步骤2：脑电信号解析模块将脑电信号进行解析，计算操控者各类精神状态的唤醒程度；解析脑电信号的具体方法如下：

步骤2-1：对获取的脑电信号进行滤波降噪、去伪迹处理；

步骤2-2：其次，对预处理之后的脑电信号进行特征提取与分离，从包含操控者多种信息的脑电信号解析并分离出能够表达不同精神状态变化的特征信息矩阵Y；

步骤2-3：由分离出的特征信息量化计算操控者各类精神状态的唤醒程度D_i；

其中，D为操控者所需的各类精神状态的集合；D_i为某一类精神状态的唤醒度，即表示该精神状态的激活程度，i为精神状态的种类数目，且i为正整数；Y为分离出能够表达各类精神状态变化的脑电特征信息矩阵；Φ(Y)为精神状态的量化计算函数；

步骤3：将各类精神状态的唤醒程度的集合D作为操控品质评估模块的输入，通过评估模块的评估能够获取相应唤醒程度的精神状态下对控制系统的操控品质评分E；

E＝g(D)

其中，E为操控品质评估模块预测与评估的操控品质评分，g(D)为根据其精神状态进行操控品质的预测与评估函数；

步骤4：将操控品质评分E作为精密补偿模块的输入，根据评估的操控品质评分E值的大小，操控系统对操控者的决策与指令进行调整和补偿，其补偿控制指令k_c如下：

其中，E_H和E_L分别为由操控者设定的操控品质期望上限值和下限值，f(E)为结合实际控制系统参数和操控品质的补偿控制参数映射函数。

2.根据权利要求1所述的操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法，其特征在于，步骤3)中，操控者根据控制任务的系统性能的不同要求，按需设定不同的操控品质期望下限E_L和上限E_H。

3.根据权利要求1或2所述的操控者精神状态的脑电解析及其操控补偿方法，其特征在于，步骤4)中调整和补偿的具体方法如下：

当操控者精神状态评估的操控品质评分E大于操控品质期望值区间上限E_H时，系统对操控者的指令不做补偿，补偿控制指令k_c＝0；

当操控者精神状态评估的操控品质评分E位于操控品质期望值区间内时，系统对操控者的指令和决策进行补偿，补偿控制指令k_c＝f(E)；

当操控者的精神状态评估的操控品质评分E小于操控品质期望值下限E_L时，系统完全自动操控，操控者不再参与控制，补偿控制指令k_c不存在。

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