《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單通道腦機(jī)接口的小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第4期
趙進(jìn)創(chuàng)，馬 超，潘屏萍，傅文利
廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧530004
摘要： 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于便攜式單通道腦機(jī)接口的小車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用TGAM1_R2.4A模塊采集人腦前額FP1處的腦電信號，通過藍(lán)牙模塊將信號傳送至STM32控制單元。系統(tǒng)使用人腦專注度控制小車速度，利用眨眼信號結(jié)合方向指示燈控制小車運(yùn)動方向。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制小車的速度和方向具有反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)，該技術(shù)可以推廣至對電動輪椅的控制。
中圖分類號： TP368.1
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)04-0022-03
Design of a vehicle control system based on single-channel BCI
Zhao Jinchuang，Ma Chao，Pan Pingping，F(xiàn)u Wenli
College of Computer and Electronics Information，Guangxi University，Nanning 530004，China
Abstract： A vehicle control system based on portable single-channel BCI is designed and realized in this paper. The system uses TGAM1_R2.4A module to acquire EEG signal from FP1 on the forehead, and sends the signal to STM32 MCU via bluetooth modules. The attention signal is used to control the vehicle′s speed, and the eye-blinking signal and direction indicating lights are used to control the direction of the vehicle movement. Test results show that the system has the characteristics of fast response and stability on controlling vehicle speed and direction, so it can be extended to the control of the electric wheelchair.
Key words : BCI；EEG signal；attention；STM32

    腦機(jī)接口BCI(Brain Computer Interface)是一種新型的人機(jī)交互方式，它基于腦電信號EEG(Electroencephalo-gram)實(shí)現(xiàn)人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)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(shù)在醫(yī)療、游戲以及工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。
    目前，國內(nèi)外腦機(jī)接口技術(shù)研究與應(yīng)用的主流方案是以計(jì)算機(jī)作為核心處理平臺[1]實(shí)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(fù)雜、軟硬件設(shè)備昂貴、體積龐大、功耗高等不足，難以進(jìn)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(jié)合μC/OS-II多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)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(jié)果表明，該系統(tǒng)在控制小車速度和方向方面具有反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)。
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(yùn)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(shí)現(xiàn)。腦電信號通過藍(lán)牙模塊BLK-MD-BC04B傳輸至STM32嵌入式處理器進(jìn)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(jī)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(shù)設(shè)計(jì)的采集芯片，由放置在前額處的傳感器電極觸點(diǎn)和耳部的參考電極觸點(diǎn)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(lán)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(lán)牙發(fā)送單元為從機(jī)模式并設(shè)置配對密碼。藍(lán)牙模塊與TGAM1_R2.4A連接原理圖如圖2所示。配置藍(lán)牙接收單元為主機(jī)模式和自動搜索遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備狀態(tài)，設(shè)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(dǎo)致采集到的腦電信號幅度不同，故不能設(shè)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(shè)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(shè)定過程中保持自然眨眼動作狀態(tài)，按圖4所示流程進(jìn)行判斷閾值的設(shè)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(jì)算每個時間單位內(nèi)腦電信號的最大值A(chǔ)i，然后計(jì)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(zhǔn)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(shè)為100可獲

3 小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 小車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)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(jìn)行相關(guān)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(jī)控制小車運(yùn)動狀態(tài)，采用TLP521-2光耦芯片進(jìn)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(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制小車速度的目的。小車運(yùn)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(shè)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(jìn)行眨眼信號判斷閾值的設(shè)定，然后進(jìn)入運(yùn)動控制狀態(tài)。在運(yùn)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(jìn)行掃描。當(dāng)掃描某一方向時相應(yīng)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(jìn)入下一運(yùn)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(yīng)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(yùn)動退出動作執(zhí)行狀態(tài)，重新進(jìn)入掃描狀態(tài)。
3.2 小車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    軟件主體采用具有搶占式內(nèi)核的μC/OS-II多任務(wù)實(shí)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(jìn)行腦電信號的接收并在中斷服務(wù)程序中進(jìn)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(shí)時處理。設(shè)置小車運(yùn)動狀態(tài)控制任務(wù)為最高優(yōu)先級的任務(wù)以確保對小車運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)時控制。其運(yùn)動控制程序流程如圖7所示。

 

 


    系統(tǒng)上電后，各功能模塊進(jìn)行初始化，通過藍(lán)牙模塊建立連接，啟動60 s自動設(shè)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(jìn)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(jìn)入運(yùn)動控制狀態(tài)。
4 系統(tǒng)測試與結(jié)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(jìn)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(jìn)行的測試，B批次是被測人員經(jīng)過半小時的訓(xùn)練之后進(jìn)行的測試。測試結(jié)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(xùn)練之后，識別率已經(jīng)達(dá)到比較可靠、穩(wěn)定的水平。
    為測試系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)圖8所示的運(yùn)動路線，被測人員在B批次測試后開始進(jìn)行按規(guī)定運(yùn)動路線控制小車運(yùn)動的測試，每位被測人員測試10次并繪制運(yùn)動軌跡圖。從50次測試結(jié)果中根據(jù)偏離規(guī)定路線的程度選出最佳和最差運(yùn)動軌跡，如圖8所示，A虛線為最佳控制軌跡，B實(shí)線為最差控制軌跡。
    測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)的眨眼信號識別方法對經(jīng)過相關(guān)訓(xùn)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(jìn)速度和方向方面反應(yīng)靈敏，穩(wěn)定性較高。
    利用腦機(jī)接口(BCI)技術(shù)結(jié)合低成本、低功耗的嵌入式處理器平臺，設(shè)計(jì)并實(shí)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(jié)果表明，該系統(tǒng)模塊簡單、易于應(yīng)用且具有較好的穩(wěn)定性和較高的反應(yīng)速度。本系統(tǒng)為腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療(如電動輪椅)、游戲以及工業(yè)控制等方面的應(yīng)用和推廣進(jìn)行了有益的探索。
參考文獻(xiàn)
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