基于单通道脑机接口的智能轮椅控制及人机交互研究

摘要

随着伤老病残人群对生活品质需求不断提高，对基于脑电控制的人机交互式智能轮椅研究有很大必要性，然而基于运动想象脑电信号的智能轮椅控制系统庞大，信号采集设备成本昂贵，轮椅自由运动受限，致使目前仅限于实验室研究而无法大规模应用。为此本课题开发了低成本、较好性能的人机交互式智能轮椅系统，该系统采用便携式的单通道脑机接口设备采集脑电信号，利用脑电信号眨眼特征和集中度参数结合人机交互界面控制轮椅运动，最终能够实现基本运动，实时性和可操控性可较好满足要求。
　　首先，研究了脑电信号的产生机理和特点，分析了脑机接口系统的工作原理及其国内外研究现状，研究了快速傅里叶变换、小波变换理论和功率谱估计等脑电信号粉刺处理算法并分别matlab仿真实现，改进基于小波的软硬阈值收缩算法并评估改进效果。
　　其次，选定了脑电信号的采集与传输方式，接收到原始脑电信号后采用改进的小波阈值收缩算法对其进行了去伪迹处理，通过特征识别算法识别出眨眼特征和精神集中特征并转换为控制信号，在MFC平台设计了基于眨眼脑电信号的人机交互系统。选取一定的样本量设计了眨眼脑电信号的特征参数预标定实验并验证，根据预标定结果设定眨眼信号的阈值和集中度参数完成了人机交互实验研究。
　　再次，完成了基于单通道脑机接口的智能轮椅控制与人机交互系统的软硬件设计。设计了STM32处理器核心控制电路和脑电信号采集传输、直流电机控制、交互显示界面、辅助避障等系统硬件电路，在STM32上移植了μC/OS-III嵌入式实时操作系统和STemWin图形界面，在系统中进行了脑电信号接收解码与眨眼特征识别，编写和调试智能轮椅运动状态控制和交互界面信息显示等程序的代码，实现了智能轮椅与人机交互控制的软件系统。
　　最后，联合调试基于眨眼脑电信号的智能轮椅控制与人机交互的软硬件系统，在不同类型的路径下分别利用眨眼脑电信号特征和其集中度参数控制轮椅运动，对系统性能进行实验测试，给出了相关的测试数据并分析其结果。测试结果表明，基于单通道脑机接口的智能轮椅控制与人机交互系统具有较好的实时性和可操控性，为便携式脑机接口技术在实际应用中的探索研究奠定了基础。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 脑机接口系统概述

1.3 脑机接口系统的国内外研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 脑电信号分析和处理算法研究

2.1 引言

2.2 脑电信号分析和处理算法

2.3 基于改进小波阈值收缩算法的脑电信号去伪迹处理

2.4 基于眨眼脑电信号的参数特征提取算法

2.5 本章小结

第3章 基于眨眼脑电信号的人机交互研究

3.1 引言

3.2 脑电信号的采集与传输

3.3 眨眼脑电信号的处理

3.4 基于眨眼脑电信号的人机交互系统设计

3.5 眨眼信号参数预标定范式及人机交互实验研究

3.6 本章小结

第4章 智能轮椅控制与人机交互系统的软硬件设计

4.1 引言

4.2 硬件电路设计

4.3 智能轮椅控制与人机交互嵌入式软件系统

4.4 人机交互界面与运动状态控制软件设计

4.5 本章小结

第5章 智能轮椅控制及人机交互系统测试实验

5.1 引言

5.2 智能轮椅控制及人机交互系统平台搭建

5.3 眨眼脑电信号控制轮椅运动及避障实验

5.4 脑电信号集中度控制轮椅速度实验

5.5 智能轮椅控制及人机交互系统性能测试与分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢