文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)04-0022-03
腦機接口BCI(Brain Computer Interface)是一種新型的人機交互方式,它基于腦電信號EEG(Electroencephalo-gram)實現(xiàn)人腦與計算機或其他電子設備的交互,脫離了對人體外周神經(jīng)和肌肉組織的依賴[1-2]。因此,該技術在醫(yī)療、游戲以及工業(yè)控制等諸多領域表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。
目前,國內(nèi)外腦機接口技術研究與應用的主流方案是以計算機作為核心處理平臺[1]實現(xiàn)多通道腦電信號采集。此方案通常具有較好的性能,但也存在系統(tǒng)操作復雜、軟硬件設備昂貴、體積龐大、功耗高等不足,難以進行推廣和市場普及。
本文采用TGAM1_R2.4A單通道腦電信號采集模塊[3]、STM32嵌入式處理器結合μC/OS-II多任務實時操作系統(tǒng)設計并實現(xiàn)了一個通過專注度和眨眼信號控制的嵌入式小車控制系統(tǒng)。測試結果表明,該系統(tǒng)在控制小車速度和方向方面具有反應靈敏、穩(wěn)定性較高的特點。
1 系統(tǒng)框架
系統(tǒng)由腦電信號采集與傳輸、腦電信號處理、運動控制和信息顯示等部分組成。腦電信號采集由TGAM1_
R2.4A模塊實現(xiàn)。腦電信號通過藍牙模塊BLK-MD-BC04B傳輸至STM32嵌入式處理器進行處理,獲取專注度和眨眼信號。系統(tǒng)通過L298N芯片控制電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。
2 腦電信號采集與處理
2.1 腦電信號的采集與傳輸
TGAM1_R2.4A是基于ThinkGearTM腦波傳感器技術設計的采集芯片,由放置在前額處的傳感器電極觸點和耳部的參考電極觸點采集腦電信號。腦電信號經(jīng)芯片內(nèi)部處理后可通過串口(UART)輸出數(shù)字化原始腦電信號,α,β等腦波波段數(shù)據(jù)以及eSense專注度和放松度指數(shù)。
采用具有串口功能的BLK-MD-BC04B藍牙模塊作為無線傳輸?shù)陌l(fā)送和接收單元。利用AT命令配置藍牙發(fā)送單元為從機模式并設置配對密碼。藍牙模塊與TGAM1_R2.4A連接原理圖如圖2所示。配置藍牙接收單元為主機模式和自動搜索遠端藍牙設備狀態(tài),設置與發(fā)送單元相同的配對密碼并與STM32串口1連接,連接原理圖如圖6所示。
因不同使用者的腦電信號幅度不同且同一使用者佩戴傳感器的位置和角度的不同也會導致采集到的腦電信號幅度不同,故不能設定一個固定的眨眼信號判斷閾值滿足系統(tǒng)要求。在系統(tǒng)上電后啟動一個自動設定眨眼信號判斷閾值的過程,該過程持續(xù)時間為60 s,同時要求在設定過程中保持自然眨眼動作狀態(tài),按圖4所示流程進行判斷閾值的設定。人正常眨眼頻率約為每分鐘10~20次[5],故該過程以6 s為時間單位,分別計算每個時間單位內(nèi)腦電信號的最大值Ai,然后計算60 s時間內(nèi)10個腦電信號最大值的平均值??紤]到眨眼動作的不一致性, 為提高眨眼信號識別的準確率, 需要對平均值加一個過渡緩沖值。經(jīng)測試,過渡緩沖值設為100可獲
3 小車控制系統(tǒng)設計
3.1 小車控制系統(tǒng)的硬件設計
系統(tǒng)采用Cortex-M3內(nèi)核架構的嵌入式芯片STM32-F103ZET6[6]作為核心處理器,采用3.5英寸TFT液晶觸摸顯示屏進行相關信息的顯示和控制指令的輸入,利用L298N芯片驅(qū)動兩路電機控制小車運動狀態(tài),采用TLP521-2光耦芯片進行隔離以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,電路原理圖如圖6所示。L298N的使能端ENA、ENB與STM32芯片的PWM輸出端口PA6、PA7連接,改變STM32輸出脈沖的占空比即可調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速,進而達到控制小車速度的目的。小車運動狀態(tài)的控制定義如表1所示。
利用全彩LED的顏色變化顯示專注度大小。在小車頂部設置指示前方、左方、右方的方向指示燈。
小車控制過程為:系統(tǒng)上電后進行眨眼信號判斷閾值的設定,然后進入運動控制狀態(tài)。在運動控制狀態(tài)中系統(tǒng)以1.5 s的時間間隔按順時針方向?qū)?個方向進行掃描。當掃描某一方向時相應的方向指示燈亮,若在1.5 s內(nèi)沒有檢測到有意眨眼信號,則進入下一運行方向的掃描;若在1.5 s內(nèi)檢測到有意眨眼信號,則立即執(zhí)行相應動作,在動作執(zhí)行期間若檢測到有意眨眼信號,則系統(tǒng)停止運動退出動作執(zhí)行狀態(tài),重新進入掃描狀態(tài)。
3.2 小車控制系統(tǒng)的軟件設計
軟件主體采用具有搶占式內(nèi)核的μC/OS-II多任務實時操作系統(tǒng)[7]與μC/GUI圖形用戶界面相配合的方案。利用串口中斷方式進行腦電信號的接收并在中斷服務程序中進行腦電信號解碼、專注度提取、眨眼信號識別以保證腦電信號得到實時處理。設置小車運動狀態(tài)控制任務為最高優(yōu)先級的任務以確保對小車運動狀態(tài)的實時控制。其運動控制程序流程如圖7所示。
系統(tǒng)上電后,各功能模塊進行初始化,通過藍牙模塊建立連接,啟動60 s自動設定眨眼信號判斷閾值過程。在上述啟動過程中,若某一過程未成功完成,則系統(tǒng)無法進入下一個啟動過程。在確定眨眼信號判斷閾值之后,若系統(tǒng)檢測到一次有意眨眼信號,則進入運動控制狀態(tài)。
4 系統(tǒng)測試與結果分析
眨眼信號是系統(tǒng)重要的控制信號,眨眼信號的識別效果直接影響系統(tǒng)的性能。組織5名未參與本研究的人員進行眨眼信號識別效果的測試。測試分為A、B兩個批次,其中A批次是被測人員首次接觸該系統(tǒng)進行的測試,B批次是被測人員經(jīng)過半小時的訓練之后進行的測試。測試結果如表2所示。
對測試數(shù)據(jù)分析可知,在被測人員不熟悉系統(tǒng)操作的情況下,眨眼動作不規(guī)范,識別率較低。但經(jīng)過短時間的訓練之后,識別率已經(jīng)達到比較可靠、穩(wěn)定的水平。
為測試系統(tǒng)性能,設計圖8所示的運動路線,被測人員在B批次測試后開始進行按規(guī)定運動路線控制小車運動的測試,每位被測人員測試10次并繪制運動軌跡圖。從50次測試結果中根據(jù)偏離規(guī)定路線的程度選出最佳和最差運動軌跡,如圖8所示,A虛線為最佳控制軌跡,B實線為最差控制軌跡。
測試結果表明,本系統(tǒng)的眨眼信號識別方法對經(jīng)過相關訓練的使用者來說具有較好的識別效果。系統(tǒng)在控制小車前進速度和方向方面反應靈敏,穩(wěn)定性較高。
利用腦機接口(BCI)技術結合低成本、低功耗的嵌入式處理器平臺,設計并實現(xiàn)了一個通過專注度和眨眼信號控制的小車控制系統(tǒng)。測試結果表明,該系統(tǒng)模塊簡單、易于應用且具有較好的穩(wěn)定性和較高的反應速度。本系統(tǒng)為腦機接口技術在醫(yī)療(如電動輪椅)、游戲以及工業(yè)控制等方面的應用和推廣進行了有益的探索。
參考文獻
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