KR20120068625A - 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 뇌파센서를 이용한 장애인용 차량의 가감속그 제어방법 - Google Patents

뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 뇌파센서를 이용한 장애인용 차량의 가감속그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 뇌파 측정용 캡을 이용하여 생체신호를 측정하는 생체신호 측정부(10)와; 상기 생체신호 측정부(10)의 측정신호에 따라 제어알고리즘으로 모터를 제어하는 제어부(20) 및; 실제 가속 및 브레이크 페달을 동작시키는 모터 구동부(30)로 구성되어 전전 두엽에 부착된 EEG 센서를 이용하여 뇌파 측정시 혼입되어 들어오는 생체 신호 중 안구의 움직임과 이물기를 통한 자작근 신호를 이용하여 운전 시뮬레이터의 가속 페달과 브레이크 페달을 제어활 수 있는 가감속 시스템 및 그 제어 방법을 통해 양쪽 손을 사용해서 스티어링 휠파 수동 조향 장치를 사용하기 어렵거나 힘이 드는 경우 좌우측 안구 움직임과 이물기 동작만으로 가속 페달과 브레이크 페달을 제어할 수 있기 때문에 하지 장애와 동시에 한손 장애를 입은 중증 장애인의 운전을 가능하게 하는 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.

Description

뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 뇌파센서를 이용한 장애인용 차량의 가감속그 제어방법{Acceleration and decelerati on system of driving simulator system for disabled using EEG sensor and cont rol method of thereof}
본 발명은 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 뇌파센서를 이용해서 생체 신호를 측정하여 장애인을 위한 운전 훈련용 시뮬레이터의 브레이크 페달과 엑셀 페달을 조작하는 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
고-현실적 구동 경험을 제공하는 차량 구동 시뮬레이터들이 점점 더욱 이용가능하게 되고 있다. 세련된 시뮬레이터들은 일반적으로 호스트 컴퓨터 시스템에 로딩되고 실행되는 시뮬레이터 마스터 제어 프로그램을 채용한다. 호스트 컴퓨터 시스템으로부터의 제어 입력에 응답하여 실시간 그래픽 이미지를 생성하는 그래픽 이미징 엔진이, 호스트 컴퓨터 시스템에 종속되어 있다.
이러한 이미지는 고현실적 운전 경험을 제공하는 가상 현실을 생성하기 위하여 대략 90도에서 360도 전체 범위의 시야각을 제공할 수 있는 스크린상에 투영될 수 있다. 시뮬레이션을 가능한 한 현실적으로 만들기 위하여, 시뮬레이터는 실제 제조품 차량의 차량 운전석를 활용할 수 있다. 운전자가 차량 운전석의 제어를 조작할 때 그운전자에 의한 제어 입력들은 마스터 제어 프로그램과 함께 결부된다.
현실성 감지는 고충실 음향을 생성하는 음향 시스템 및 운전자에게 힘을 받게 하는 운전석에 결합된 운전 시스템에 따라서 더욱 향상될 수 있으며, 이들은 모두 외부의 환경, 도로 표면의 투영된 이미지 및 운전자의 입력과 일치한다. 높은 수준의 운전 시뮬레이터는 심지어 이미지화된 도로면에 대해 적절한 타이어 잡음까지 생성할 수 있다.
이와 같은 실정을 감안하여 종래 개발된 장애인을 위한 운전 훈련용 시물레이터의 경우, 대부분 조향을 위한 스티어링 휠이 기본적으로 장착이 되어 있으며, 하지 장애인의 경우 발을 이용해서 가속 페달과 브레이크 페달을 동작시킬 수 없기 때문에 손을 이용해서 가속페달과 브레이크 페달을 동작시킬 수 있는 레버 형태의 수동조작 장치로 구성된다.
하지만 장애인을 위한 운전 보초장치의 경우 중중 장애인에 대한 배려가 이루어지지 않고 있기 때문에 대부분 손으로 동작하는 레버 행태의 수동 조작 장치의 경우 사용이 어렵고, 동작하기 위한 근력이 많이 필요하기 때문에 한쪽 손으로 조향을 위한 스티어링 휠을 불잡고, 다른 한 손으로 액셀 및 브레이크 페달을 조작하기가 매우 어렵게 된다.
또한 생체 신호나 뇌파 신호률 이용하여 전동 훨체어를 제어하는 연구는 많이 있지만 아직까지 장애를 가진 사랍이 생체 신호를 이용하여 자동차 운전을 하는 것과 관련된 연구는 매우 부족한 실정이다.
본 발명은 상기한 실정을 고려하여 장애인이 손쉽게 차량을 운전할 수 있도록 하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 천전 두엽에 부착된 EEG 센서를 이용하여 뇌파 측정시 혼입되어 들어오는 생체 신호 중 안구의 움직임과 이물기를 통한 자작근 신호를 이용하여 운전 시뮬레이터의 가속 페달과 브레이크 페달을 제어활 수 있는 가감속 시스템 및 그 제어 방법용 통해 중증 장애인을 위한 운전 훈련용 시뮬레이터를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템은 뇌파 측정용 캡을 이용하여 생체신호를 측정하는 생체신호 측정부(10)와; 상기 생체신호 측정부(10)의 측정신호에 따라 제어알고리즘으로 모터를 제어하는 제어부(20) 및; 실제 가속 및 브레이크 페달을 동작시키는 모터 구동부(30)로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 제어방법은 뇌파 측정용 캡을 이용하여 EEG 뇌파센서(11)로 좌우측 안구의 움직임을 감지하는 뇌파측정단계(S1단계)와; 상기 EEG 뇌파센서(11)의 감지신호를 앰프(12)로 증폭하는 신호증폭단계(S2단계)와; 상기 앰프(12)에 의해 증폭된 신호를 저주파 통과 필터(13)로 필터링하는 신호 필터링단계(S3단계)와; 상기 저주파 통과 필터(13)를 통과한 신호를 캘리브레이션(14)으로 분리하는 신호분리단계(S4단계)와; 상기 생체신호 측정부(10)에 있는 캘리브레이션(14)의 출력신호에 따라 제어부(20)가 제어알고리즘으로 모터를 제어하는 모터제어단계(S5단계)와; 상기 제어부(20)의 제어신호에 따라 모션보드(31)로 제동모터 또는 가속모터의 제어를 선택하는 제어선택단계(S6단계)와; 상기 모션보드(31)의 선택에 따라 제동모터 구동부(32)로 제동모터를 작동시키는 제동모터 구동단계(S7단계) 및; 상기 모션보드(31)의 선택에 따라 가속모터 구동부(33)로 가속모터를 작동시키는 가속모터 구동단계(S8단계)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전전 두엽에 부착된 EEG 센서를 이용하여 뇌파 측정시 혼입되어 들어오는 생체 신호 중 안구의 움직임과 이물기를 통한 자작근 신호를 이용하여 운전 시뮬레이터의 가속 페달과 브레이크 페달을 제어활 수 있는 가감속 시스템 및 그 제어 방법을 통해 양쪽 손을 사용해서 스티어링 휠파 수동 조향 장치를 사용하기 어렵거나 힘이 드는 경우 좌우측 안구 움직임과 이물기 동작만으로 가속 페달과 브레이크 페달을 제어할 수 있기 때문에 하지 장애와 동시에 한손 장애를 입은 중증 장애인의 운전을 가능하게 하는 각별한 장점이 있다.
도 1은 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템의 블록 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 뇌파 측정용 캡 및 전극 측정 위치를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 있어서의 좌우측 눈 움직임에 따른 채널별 생체 신호 및 눈 깜박임 제거 신호의 파형도,
도 4는 본 발명에 따른 제어부의 제어 알고리즘 순서도,
도 5는 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 제어방법의 실행 순서도,
도 6은 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 그 제어방법의 성능평가 결과 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 그 제어방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템의 블록 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 뇌파 측정용 캡 및 전극 측정 위치를 나타낸 도면, 도 3은 본 발명에 있어서의 좌우측 눈 움직임에 따른 채널별 생체 신호 및 눈 깜박임 제거 신호의 파형도, 도 4는 본 발명에 따른 제어부의 제어 알고리즘 순서도, 도 5는 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 제어방법의 실행 순서도, 도 6은 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 그 제어방법의 성능평가 결과 그래프로서, 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템은 뇌파 측정용 캡을 이용하여 생체신호를 측정하는 생체신호 측정부(10)와; 상기 생체신호 측정부(10)의 측정신호에 따라 제어알고리즘으로 모터를 제어하는 제어부(20) 및; 실제 가속 및 브레이크 페달을 동작시키는 모터 구동부(30)로 구성되어 있다.
상기 생체신호 측정부(10)는 뇌파 측정용 캡을 이용하여 좌우측 안구의 움직임을 감지하는 EEG 뇌파센서(11)와; 상기 EEG 뇌파센서(11)의 감지신호를 증폭하는 앰프(12)와; 상기 앰프(12)에 의해 증폭된 신호를 필터링하는 저주파 통과 필터(13) 및; 상기 저주파 통과 필터(13)를 통과한 신호를 분리하는 캘리브레이션(14)으로 이루어져 있다.
상기 제어부(20)는 생체신호 측정부(10)에서 측정된 신호에 따라 제어 프로그램인 알고리즘을 통해서 모터 구동부(30)를 제어하는 것이다.
또한, 상기 모터 구동부(30)는 제어부(20)의 제어신호에 따라 제동모터 또는 가속모터의 제어를 선택하는 모션보드(31)와; 상기 모션보드(31)의 선택에 따라 제동모터를 작동시키는 제동모터 구동부(32) 및; 상기 모션보드(31)의 선택에 따라 가속모터를 작동시키는 가속모터 구동부(33)로 구성되어 있다.
그리고, 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 제어방법은 뇌파 측정용 캡을 이용하여 EEG 뇌파센서(11)로 좌우측 안구의 움직임을 감지하는 뇌파측정단계(S1단계)와; 상기 EEG 뇌파센서(11)의 감지신호를 앰프(12)로 증폭하는 신호증폭단계(S2단계)와; 상기 앰프(12)에 의해 증폭된 신호를 저주파 통과 필터(13)로 필터링하는 신호 필터링단계(S3단계)와; 상기 저주파 통과 필터(13)를 통과한 신호를 캘리브레이션(14)으로 분리하는 신호분리단계(S4단계)와; 상기 생체신호 측정부(10)에 있는 캘리브레이션(14)의 출력신호에 따라 제어부(20)가 제어알고리즘으로 모터를 제어하는 모터제어단계(S5단계)와; 상기 제어부(20)의 제어신호에 따라 모션보드(31)로 제동모터 또는 가속모터의 제어를 선택하는 제어선택단계(S6단계)와; 상기 모션보드(31)의 선택에 따라 제동모터 구동부(32)로 제동모터를 작동시키는 제동모터 구동단계(S7단계) 및; 상기 모션보드(31)의 선택에 따라 가속모터 구동부(33)로 가속모터를 작동시키는 가속모터 구동단계(S8단계)로 이루어져 있다.
다음에는 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 그 제어방법의 작용을 상세하게 설명한다.
본 발명은 생체신호 측정부(10)의 EEG 뇌파센서(11)를 이용해서 측정된 생체 신호를 제어프로그램을 통해서 모터로 전달된다. 가속 패달파 제동페달을 동작시키기 위해서 운전 시뮬레이터의 상부 프레임에 모터를 부착하였으며, 각각의 모터 축에는 레버를 장착하여 페달을 움직이도록 구성되어 있다.
본 발명에 있어서, EEG 뇌파센서(11)는 도 2에 도시한 바와 같이 뇌파 측정용 전극 캡을 이용하여 좌우측 안구의 움직임을 감지하기 위하여 두 눈에 가까운 Fpl과 Fp2의 위치를 선정하였다. 또한 쌍극 유도법을 이용하여 생체신호를 정확하게 추출하기 위해 전위차를 비교할 또 다른 활성전극의 위치를 Fp1과 Fp2 각각의 측면에 있는 F7, F8로 정하여 전위차를 측정하였다. 측정된 신호는 5Hz 이하의 저주파에서 눈 움직임으로 인한 신호가 들어온다. 1채널(Fp1-F7, 좌에서 2채널(Fp-F8, 우) 신호값의 차를 구하면, 사람이 의도하지 않아도 나타나는 눈 깜박이으로 생기는 신호는 제거되고 의도적으로 눈을 흘기는 동작으로 생기는 신호는 증폭된다. 이와 같은 방법으로 눈을 깜박이는 움직임과 같은 일상적인 신호들을 쉽게 제거할 수 있는 잇점이 있다.
도 2에서와 같이 2개의 채널에서 측정되는 신호에서 일반적인 운전자의 눈깜박 이는 신호가 함께 들어오기 때문에 채널 1과 2의 차이률 계산하면 눈깜박이는 신호가 제거되고 좌우측 눈의 옴직임의 크기가 양의 크기값과 용의 크기값으로 분리 된다. 캘리브레이션을 하기 위해서 뇌파 전극 캡을 착용 후에 3회 눈을 좌우로 흘기는 동작을 힘을 주어 수행하고, 이때의 값을 최대 측정값으로 정의한다. 눈을 좌측 또는 우측으로 정확히 흘겨보는 것이 아니라 대각선 방향으로 흘겨볼 경우 신호는 최대 측정값의 60%를 넘기지 못한다. 제어를 위한 기준값은 실험자의 최대 측정값보다 60%로 설정하였다. 따라서, 실제 동작 신호는 최대값을 60%에 도달할 때 모터를 제어하게 된다.
여기서 도 3은 좌우측 눈 움직임에 따른 채널별 생체신호 및 눈 깜박임 제거신호의 파형을 나타낸 도면이다.
다음에 상기한 제어부(20)는 도 4에 도시한 바와 같은 순서도와 같이 제어 알고리즘에 따라 순차적으로 실행된다. 즉, 오른쪽으로 눈을 흘기는 동작을 하면 가속제어모터가 시계 방향(CW)으로 작동하여 시뮬레이터 차량의 속도가 증가하게 된다. 왼쪽으로 눈을 흘기는 동작을 하면 가속 제어모터가 시계반대방향(CCW) 으로 작동하여 속도가 감소하게 된다. 이때，가속 제어모터는 1도씩 회전하며 시뮬레이터 차량의 모터를 약 1,000rpm 씩 증가하게 한다. 눈흘김 동작올 수행하면 평지에서 기준으로 한 번 수행시마다 차량의 약 lOkm/h 단위로 서서히 증가하게 되고 총 5번의 가속을 하고，속도가 45km/h를 넘어가는 순간 기어가 1단에서 2단으로 변속된다. 모터의 위치가 같을 때，기어 2 단일 때 차량의 속도는 약 40km/h, 50km/h, 60km/h，70km/h 이다.
원 신호(raw data)는 한쪽에서 5Hz LPF를 하여 눈흘김 동작을 구별할 수 있도록 하는 동시에 다른 한쪽에서는 제동을 위한 이물기 신호를 구별하기 위하여 50Hz HPF를 한다. 일반적으로 유용한 근전도 선호는 10Hz에서 500Hz까지 나타난다. 근전도 신호에 해당하는 이물기 신호를 50Hz HPF 하는 이유는 각성시 나타나는 뇌 파의 베타파를 차단하기 위함이다. 이물기 신호와 눈흘김 신호가 동시에 참이 되는 경우에는 이물기 선호가 우선하여 제동 제어모터가 작동하게 된다.
다음에는 상기한 본 발명 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템 및 그 제어방법의 성능평가와 비교를 위해 대조군을 3개의 그룹으로 편성하여 시뮬레이터 운전을 평가하였다.
가감속을 제어하는 방법에 따라 개발된 생체신호를 이용하는 그룹，조이스틱을 이용하는 그룹, 일반 페달을 이용하는 그룹의 3개의 그룹으로 나누고 각 그룹의 인원수는 5명으로 하였다. 그룹간 그리고 개인간 운전수행능력은 차이가 있을 수 있으며 실험결과에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 모든 실험 대상자는 운전면허를 취득한지 6개월 이상으로 그 능력이 증명된 사람으로 제한하였다.
또한 최근 1년 사이의 실제 운전경력과 남녀의 비율을 비슷하게 유지하였다.
본 평가실험 대상자들이 운전면허를 보유하고 있으나，시뮬레이터의 특성상 그 리고 운전보조장치의 사용 여부에 따라 적응기간이 필요하다. 그 기간은 개인마다 차이가 있을 수 있으므로 실험 결과에 학습 곡선을 고려하여야 한다. 실험은 5일간 실시하고 하루에 2회 지정된 코스를 완주하는 것으로 한다. 조용한 실험환경을 조 성하고，실험자의 불필요한 움직임을 통제하였다.
코스의 선정은 도로교통법을 참고하여 프로그램상의 도심지역으로 하였다. 코스의 총 거리는 5.4km 이다. 교차로가 8 곳 있고, 그 중 신호등이 있는 곳은 3군데이다. 비보호 교차로가 5개 있다. 또한 코스 중에 좌회전을 4번 하게 되어 있고, 우회전을 2번 하게 되어 있다.
모든 주행시험은 시뮬레이터 화면을 녹화하여 시험 후에도 재확인을 할 수 있도록 하였다. 3인으로 구성된 평가자는 사전에 시뮬레이터 주행시험의 시험항목ㆍ채점기준 및 합격기준을 숙지한 후, 녹화된 화면을 보며 채점을 하고, 그 결과를 도 6에 그래프로 나타냈다.
도 6으로부터 확인할 수 있는 바와 같이 생체신호를 이용한 주행평균점수는 대조군과 비교했을 때 페달그룹보다 3%, 조이스틱 그룹보다 9% 증가하였고, 합격률은 조이스틱 그룹과 비교하면 10% 증가하였다. 그룹의 평균 점수는 생체신호를 이용한 그룹이 88.2점으로 가장 높았다. 페달을 이용한 그룹은 85.5점, 조이스틱을 사용한 그룹은 80.9점으로 집계되었다. 주행평가는 100점 만점에 70점을 기준으로 합격과 불합격을 판정하였으며, 교통사고를 야기한 경우에는 실격으로 판정하였다. 각 그룹의 합격률은 페달을 이용한 그룹이 88%, 생체신호 이용한 그룹이 86%, 그리고 조이스틱을 이용한 그룹이 78% 이었다. 불합격률은 페달을 이용한 그룹이 4%, 생체신호 이용한 그룹이 3%, 그리고 조이스틱을 이용한 그룹이 7% 이었다. 실격률은 페달을 이용한 그룹이 2%, 생체신호 이용한 그룹과 조이스틱을 이용한 그룹이 4% 이었다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
10 : 생체신호 측정부 11 : EEG 뇌파센서
12 : 앰프 13 : 저주파 통과 필터
14 : 캘리브레이션 20 : 제어부
30 : 모터 구동부 31 : 모션보드
32 : 제동모터 구동부 33 : 가속모터 구동부

Claims (4)

  1. 뇌파 측정용 캡을 이용하여 생체신호를 측정하는 생체신호 측정부(10)와; 상기 생체신호 측정부(10)의 측정신호에 따라 제어알고리즘으로 모터를 제어하는 제어부(20) 및; 실제 가속 및 브레이크 페달을 동작시키는 모터 구동부(30)로 구성된 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 생체신호 측정부(10)는 뇌파 측정용 캡을 이용하여 좌우측 안구의 움직임을 감지하는 EEG 뇌파센서(11)와; 상기 EEG 뇌파센서(11)의 감지신호를 증폭하는 앰프(12)와; 상기 앰프(12)에 의해 증폭된 신호를 필터링하는 저주파 통과 필터(13) 및; 상기 저주파 통과 필터(13)를 통과한 신호를 분리하는 캘리브레이션(14)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 모터 구동부(30)는 제어부(20)의 제어신호에 따라 제동모터 또는 가속모터의 제어를 선택하는 모션보드(31)와; 상기 모션보드(31)의 선택에 따라 제동모터를 작동시키는 제동모터 구동부(32) 및; 상기 모션보드(31)의 선택에 따라 가속모터를 작동시키는 가속모터 구동부(33)로 구성되어 있는 것을 ㅌ특징으로 하는 뇌파센서를 이용한 장애인용 드라이빙 시뮬레이터의 가감속 시스템.
  4. 뇌파 측정용 캡을 이용하여 EEG 뇌파센서(11)로 좌우측 안구의 움직임을 감지하는 뇌파측정단계(S1단계)와; 상기 EEG 뇌파센서(11)의 감지신호를 앰프(12)로 증폭하는 신호증폭단계(S2단계)와; 상기 앰프(12)에 의해 증폭된 신호를 저주파 통과 필터(13)로 필터링하는 신호 필터링단계(S3단계)와; 상기 저주파 통과 필터(13)를 통과한 신호를 캘리브레이션(14)으로 분리하는 신호분리단계(S4단계)와; 상기 생체신호 측정부(10)에 있는 캘리브레이션(14)의 출력신호에 따라 제어부(20)가 제어알고리즘으로 모터를 제어하는 모터제어단계(S5단계)와; 상기 제어부(20)의 제어신호에 따라 모션보드(31)로 제동모터 또는 가속모터의 제어를 선택하는 제어선택단계(S6단계)와; 상기 모션보드(31)의 선택에 따라 제동모터 구동부(32)로 제동모터를 작동시키는 제동모터 구동단계(S7단계) 및; 상기 모션보드(31)의 선택에 따라 가속모터 구동부(33)로 가속모터를 작동시키는 가속모터 구동단계(S8단계)로 이루어진 뇌파센서를 이용한 장애인용 차량의 가감속 시스템 제어방법.
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