一種腦電波控制的四輪獨立驅動智能小車系統及其控制方法與流程

本發明涉及bci領域以及控制領域，具體涉及一種腦電波控制的四輪獨立驅動智能小車系統及其控制方法。

背景技術：

中國到2015年底，殘疾人數量已經達到8500萬，如何保障殘疾人的行動能力，提高殘疾人的生活質量，成為亟待解決的社會問題。隨著bci技術的不斷成熟，腦電波控制汽車成為一種輔助駕駛的選擇方式。如今通過對大腦信號的采集分析處理能反應大腦的集中、放松度、想象動作等許多信息。其中想象動作電位的提取分析、集中度等可以轉化為小車的控制信息。近年來無人車領域蓬勃發展，腦機交互技術也為無人車輔助控制提供了新思路。就目前存在的腦電控制小車的專利，如專利cn204833871u，只是簡單的通過采集大腦的集中度控制小車在軌道上運行的速度，無法運用于無軌道模式實現小車的各個方向靈活控制，并且腦控技術不能保障發出指令的完全正確，如何將錯誤指令進行剔除是保障腦控車安全的基礎。本發明設計了一種更為靈活的四輪獨立驅動式電動車，通過對想象動作的特征提取處理實現了小車的加速、制動、左轉和右轉控制，并設計了一種基于超聲波的容錯機制，使接受了錯誤指令的小車可以自主判別是否執行，有效提高了小車的安全性能。

技術實現要素：

發明目的：本發明在現有腦電信號控制車輛的基礎上，以提高車輛運動的準確率和穩定性為目的,提供了一種腦電波控制的四輪獨立驅動智能小車系統及其控制方法。

為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種基于腦電波的四輪獨立驅動智能小車系統，包括四輪獨立驅動智能小車、腦電信號采集模塊、腦電信號處理模塊以及數據傳輸模塊；

四輪獨立驅動智能小車所述包括普通小車、四個直流電機、電機驅動電路板以及控制驅動模塊；四個所述直流電機分別安裝在普通小車的四輪邊；所述電機驅動電路板與四個所述直流電機連接并通過四個所述直流電機控制四輪獨立驅動；所述控制驅動模塊與所述電機驅動電路板連接；

腦電信號采集模塊用于采集受試者在不同運動想象動作下的大腦額葉區域、中央區域和頂葉區域的腦電信號，并通過數據傳輸模塊傳輸至腦電信號處理模塊；

腦電信號處理模塊接收腦電信號采集模塊采集的腦電信號并進行處理，識別出不同運動想象動作所對應的小車運動類型并將處理結果通過數據傳輸模塊傳輸至四輪獨立驅動智能小車的控制驅動模塊；控制驅動模塊根據處理結果產生控制信息，并向所述電機驅動電路板下發驅動信號。

在所述普通小車的前、后、左、右四個方位上分別裝載有用于檢測小車在運動過程中與周圍障礙物的距離并反饋給控制驅動模塊的超聲波傳感器；所述控制驅動模塊根據所述超聲波傳感器反饋的信息控制小車停止或運動。

所述腦電信號采集模塊為腦電采集頭套，采用emotivepoc+14導電極帽以128hz的頻率采集eeg信號。

在所述腦電采集頭套內設有腦電采集卡；腦電采集卡包括采集電極、參考電極、腦電采集芯片和自帶無線模塊；采集電極、參考電極和自帶無線模塊均與腦電采集芯片相連；采集電極采集使用者的原始腦波值并將其傳輸至腦電采集芯片，腦電采集芯片處理原始腦波值得到腦電信號，并將由腦電信號組成的數據包通過自帶無線模塊實時傳到計算機上。

一種四輪獨立驅動智能小車系統的控制方法，包括步驟：

(1)使用者根據小車的四種運動方式：前進、后退、左轉、右轉，作出相應的運動想象；

(2)通過腦電信號采集模塊采集受試者在不同運動想象動作下的大腦額葉區域、中央區域和頂葉區域的腦電信號；

(3)通過腦電信號處理模塊處理步驟(2)采集到的腦電信號：首先對采集到的腦電信號進行降噪預處理；然后提取預處理后腦電信號的時頻域特征值；最后根據時頻域特征值進行數據模式分類，識別不同運動想象動作所對應的小車運動類型；

(4)將步驟(3)處理的結果通過數據傳輸模塊傳輸至四輪獨立驅動智能小車，并有其上的控制驅動模塊產生控制信息并控制小車完成運動。

在所述四輪獨立驅動智能小車前、后、左、右安裝四個超聲波傳感器；所述超聲波傳感器在四輪獨立驅動智能小車運動過程中，檢測四輪獨立驅動智能小車與周圍障礙物的距離并反饋給控制驅動模塊；控制驅動模塊在判斷小車距離某障礙物的距離小于其內所設置的閾值并仍有向前運動的趨勢時，控制四輪獨立驅動智能小車停止運動，直到接受的命令為后退或者左轉或者右轉。

所述步驟(3)中預處理方式采用小波包變換；數據特征提取方式采用公共空間模式算法處理；數據模式分類采用svm處理。

有益效果：

針對傳統的腦電控制車的方法，提出來一種新的基于腦電波的四輪獨立驅動智能小車系統，以使用者做不同運動想象時產生的腦電信號作為控制信息源，實現小車的多目標任務。

采用無線通信技術連接腦電采集模塊、信號處理模塊、以及小車驅動控制模塊，提高了使用者的靈活使用空間。

由于任何信號的準確率都不是百分之百，所以設計在小車上裝超聲波，用于監測小車周圍障礙物及距離，實現避障等智能判斷，具有一定的現實意義和廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1為基于腦電波的四輪獨立驅動智能小車系統的整體組成框圖。

圖2為基于腦電波的四輪獨立驅動智能小車系統的流程圖。

圖3為腦電采集卡內部結構框圖。

圖4為無線通訊模塊的原理示意圖。

圖5為模擬升壓電路板的電路圖。

圖6為超聲波避障主程序流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

圖1為本發明的整體組成框圖，包括腦電信號采集模塊、腦電信號處理模塊、數據傳輸模塊以及小車的控制驅動模塊。本發明中的四輪獨立驅動智能小車包括普通小車、四個直流電機、模擬升壓電路板、電機驅動電路板、stm32控制器以及四個超聲波傳感器。四個直流電機通過電機驅動電路板與模擬升壓電路板連接，控制小車的四輪獨立驅動，從而實現小車的四種運動方式：前進、后退、左轉、右轉，模擬升壓電路板與stm32控制器連接；模擬升壓電路板的電路圖如圖5所示，模擬升壓電路板連接電池，為stm32控制器供電。四個超聲波傳感器安置在小車車體上，與stm32控制器直接相連。

腦電信號采集模塊具體為腦電采集頭套，采用emotivepoc+14導電極帽以128hz的頻率采集eeg信號，通過腦電采集頭套自帶無線模塊與計算機相連；腦電信號采集模塊采集受試者在不同運動想象動作下的大腦額葉區域、中央區域和頂葉區域的腦電信號。腦電采集頭套內設有腦電采集卡，腦電采集卡內部結構如圖3所示，包括采集電極、參考電極、腦電采集芯片和自帶無線發射器，采集電極、參考電極和自帶無線發射器均與腦電采集芯片相連。腦電采集芯片采用美國emotiv公司的emotivepoc+頭套，14個采集電極和2個參考電極，采集電極采集使用者的原始腦波值并將其傳輸至腦電采集芯片，腦電采集芯片處理原始腦波值得到放大后的eeg腦電信號，eeg腦電信號為各個電極處頭皮電位，并將由腦電信號組成的數據包通過自帶無線傳輸模塊實時傳到計算機上。

腦電信號處理模塊具體為計算機，用于處理腦電信號，具體為：首先對腦電信號采集模塊采集到的腦電信號進行降噪預處理，預處理方式采用小波包變換；然后提取預處理后腦電信號的時頻域特征值，數據特征提取方式采用公共空間模式算法(csp算法)處理；再根據時頻域特征值進行數據模式分類，識別不同運動想象動作所對應的小車運動類型，數據模式分類采用svm(支持向量機)處理。將處理后的分類結果通過2.4g無線通訊技術傳輸給控制驅動模塊。計算機通過無線收發模塊和小車相連，計算機產生表示小車運動狀態的字符，包括表示運動速度和運動方向的字符，通過將代表小車運動狀態的相應字符發送到移動小車平臺的無線接收器模塊，通過控制驅動模塊處理該字符實現小車運動。

控制驅動模塊為安裝在小車上的stm32控制器，stm32控制器接收腦電信號處理模塊的處理結果，通過模擬升壓電路板下發控制信息，并將控制信息傳輸至電機驅動電路板以驅動四個直流電機以控制小車的運動方式。同時，stm32控制器與超聲波傳感器連接，并接收超聲波傳感器反饋的小車與周圍障礙物的距離信息，并以此控制小車繼續運動或停止。

數據傳輸模塊為無線通訊模塊，圖4為本發明的無線通訊模塊的原理示意圖。無線通訊模塊用來傳輸計算機處理好的腦電控制指令給小車。作為優選，本發明選用nrf24l01無線模塊，其工作在2.4ghz～2.5ghzism頻段。裝載在小車上的無線模塊和控制器相連，連接方式如圖所示，其中無線模塊的txd、rxd引腳分別和控制器的串口對應的rxd、txd引腳相連接，用來傳輸數據；無線模塊的aux、set引腳和控制器的gpio引腳相連接，用來配置無線模塊的工作方式。裝載在計算機上的無線模塊通過usb和計算機相連接。

圖6為本發明的超聲波傳感器的主程序流程圖。超聲波傳感器共有四組，分別裝載在小車的前、后、左、右四個方位上，用來檢測小車在運動過程中，與周圍障礙物的距離并反饋給stm32控制器。當小車距離某障礙物的距離小于其內所設置的閾值并仍有向前運動的趨勢時，stm32控制器認為腦電信號處理出現錯誤，控制小車停止運動，直到接受的命令為后退或者左轉或者右轉，從而控制小車實現智能避障。作為優選，本發明選用ks103型號的超聲波傳感器。該超聲波傳感器連線引腳上有標識有：vcc，sda/tx，scl/rx，gnd，mode。mode引腳為i2c模式與ttl串口模式設置引腳，該引腳懸空時，傳感器處于i2c模式，該引腳在通電之前接地時，傳感器處于ttl串口模式。

本發明基于腦電波的四輪獨立驅動智能小車系統的原理如下：

使用者根據小車的四種運動方式，做出相應的運動想象；通過腦電信號采集模塊采集其腦電信號，通過無線傳輸模塊傳輸給腦電信號處理模塊；腦電信號處理模塊對接收的腦電信號進行預處理、特征提取與模式分類，分類結果通過無線通信模塊發送至控制驅動模塊，將普通小車改成四輪獨立驅動小車，通過控制驅動模塊驅動小車電機完成目標動作，與此同時通過小車上的超聲波傳感器實現小車避障。具體流程如圖2所示。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。