基于单通道脑机接口的嵌入式智能轮椅控制系统研究

摘要

脑机接口(Brain Computer Interface，BCI)是一种新颖的人机交互技术，它通过计算机或其它电子设备在人脑与外界环境之间建立一条不依赖于外周神经和肌肉组织的对外信息交流控制通路，因此脑机接口可为患有运动功能障碍但思维正常的残障人士提供一种与外界进行交流的新途径。
　　目前，脑机接口的应用系统中的脑电信号采集与处理部分多数采用多通道脑电信号采集设备结合高性能计算机实现。这些应用系统通常具有较好的性能，但也存在系统庞大、操作复杂、成本高、功耗大等不足。本文设计并实现了一种基于单通道脑机接口的应用系统，即嵌入式智能轮椅控制系统。系统结合嵌入式微处理器提取专注度和眨眼信号，实现对轮椅运动状态的控制。
　　在前人工作的基础上，主要完成了以下工作:
　　1、对脑机接口的国内外研究现状进行较全面的介绍。在分析了目前脑机接口研究领域主流脑电信号采集与处理方案的基础上，提出基于嵌入式处理器平台的单通道脑机接口设计方案。
　　2、分析了脑电信号的特点，结合单通道脑机接口信号采集设备所采集的脑电信号特征，选择专注度和眨眼信号作为基于单通道脑机接口的嵌入式智能轮椅控制系统的控制信号，并实现了在原始脑电波信号中进行眨眼信号的提取。
　　3、设计并实现了基于单通道脑机接口的嵌入式智能轮椅控制系统。对脑电信号采集模块、嵌入式处理器及外围电路模块、直流电机驱动模块、系统供电模块等进行了较详细的阐述;结合嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ和μC/GUI图形界面对脑电信号解码、眨眼信号识别、轮椅运动状态控制等软件模块进行了较详细的说明。
　　4、对基于单通道脑机接口的嵌入式智能轮椅控制系统的软硬件进行了系统集成和测试。测试结果表明，十名被试者经过眨眼训练后眨眼信号平均正确识别率最低为87％，最高为99％;专注度与轮椅速度具有良好的线性关系，系统具有较好的可操控性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 基于脑机接口的智能轮椅控制系统研究的国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题主要研究内容及论文结构安排

1．3．1 本文主要研究内容

1．3．2 本文章节安排与介绍

第二章 基于脑机接口的脑电信号采集与处理方案

2．1 脑电信号的产生机理及特点

2．1．1 脑电信号的产生机理

2．1．2 脑电信号的特点

2．2 脑机接口的系统框架

2．2．1 脑机接口的系统结构

2．2．2 脑机接口中脑电信号采集与处理

2．3 脑电信号的采集与处理设备

2．4 单通道脑电信号采集与处理系统方案

2．5 本章小结

第三章 嵌入式智能轮椅控制系统硬件的设计与实现

3．1 嵌入式智能轮椅控制系统硬件框架

3．2 脑电信号采集与传输模块

3．3 嵌入式处理器模块

3．3．1 嵌入式处理器模块电源供电电路

3．3．2 嵌入式处理器及其外围电路

3．4 直流电机驱动模块

3．4．1 直流电机驱动模块供电电路

3．4．2 直流电机驱动电路

3．5 本章小结

第四章 嵌入式智能轮椅控制系统软件的设计与实现

4．1 嵌入式智能轮椅控制系统软件框架

4．2 嵌入式智能轮椅控制系统软件环境设置

4．2．1 系统底层硬件模块的配置

4．2．2 μC／OS-Ⅱ操作系统的移植

4．2．3 μC／GUI图形界面的移植

4．2．4 FATFS文件系统的移植

4．3 脑电信号的处理与眨眼信号的识别

4．3．1 脑电信号的处理

4．3．2 眨眼信号的识别

4．4 MD070SD模块显示与控制软件的设计

4．5 专注度与眨眼信号控制轮椅运动状态的软件设计

4．6 本章小结

第五章 嵌入式智能轮椅控制系统测试及分析

5．1 硬件驱动功能测试与分析

5．2 眨眼信号识别测试与分析

5．3 专注度控制轮椅速度的测试与分析

5．4 嵌入式智能轮椅控制系统性能测试与分析

5．5 本章小节

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表、录用论文及参与科研项目情况