一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统及控制方法，它包括脑电信号采集模块、脑电信号处理模块、数据传输模块以及四轴旋翼无人机；脑电信号采集模块采集使用者在无人机不同运动方式下刺激诱发大脑产生相应的脑电信号,并传输至脑电信号处理模块,脑电信号处理模块接收脑电信号采集模块采集的脑电信号并进行处理,识别出不同运动想象动作所对应的飞行运动类型并将处理结果通过数据传输模块传输到四轴旋翼无人机，然后根据传输到来的信号进行处理使之成为控制信号，从而对无人机进行实时控制；本发明专利技术采用多个通道采集脑电信号，提高了采集到的脑电信号的质量，提高了脑电信号识别的准确率，从而提高了无人机飞行准确率和稳定性。

A multichannel UAV system and control method for EEG control

The invention discloses a multi channel evoked brain wave control unmanned aerial vehicle system and its control method. It includes EEG signal acquisition module, EEG signal processing module, data transmission module and four axis rotor unmanned aerial vehicle, and the EEG acquisition module is used to stimulate brain production in different ways of unmanned aerial vehicle (UAV). The corresponding EEG signals were generated and transmitted to the EEG signal processing module. The EEG processing module received EEG signals collected by the EEG acquisition module and processed them to identify the types of flight motion corresponding to different motion imaginations and transfer the processing results to the four axis rotor unmanned aerial vehicle through the data transmission module. According to the signal processed by the arrival of the transmission to become a control signal, the unmanned aerial vehicle is controlled in real time. The invention uses multiple channels to collect EEG signals, improves the quality of the collected EEG signals, improves the accuracy of the EEG signal recognition, and thus improves the flight accuracy and stability of the UAV.

【技术实现步骤摘要】
一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统及控制方法
本专利技术涉及一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统及控制方法。
技术介绍
正常人的脑电频率主要在0.5-30Hz范围内，其幅值在2-200μV。现代脑电图学中，根据频率与振幅的不同将脑电波分α波、β波、θ波和δ波：α波可在头颅部检测到，频率为8-13Hz，振幅为20-100μV，它的波幅由小到大，再由大到小规律性变化，呈棱状图形；β波在额部和颞部最为明显，频率为18-30Hz，振幅为5-20μV，其出现一般意味着大脑比较兴奋；θ波频率为4-7Hz，振幅为10-50μV，它是在中枢神经系统处于抑制状态时所记录的波形；δ波在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时出现，频率为1-3.5Hz，振幅为20-200μV，脑电图的波形随生理情况的变化而变化。脑电数据采集系统是将人体脑部自发生物电信号通过脑电极提取出来，再经信号调理、采样、量化、编码、传输，最后送到处理器进行数据处理或存储记录的过程。脑电数据采集系统一般处于含有大量电器设备的环境，这些设备周围空间的电磁场的频率主要是50Hz，通过脑电检测装置导联线及人体自身的分布电容，电磁干扰尤其是50Hz工频干扰极易引入人体；在脑电采集系统中，限制干扰和噪声比放大信号更有意义。人体生物医学信号的提取和处理，是自然科学领域中难度最大的，脑电信号应用十分广阔，主要应用方向有疾病诊断、睡眠质量监控、机器设备的控制、情感识别。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统及控制方法，能够提高无人机飞行准确率和稳定性。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案:一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统，其特征在于，它包括脑电信号采集模块、脑电信号处理模块、数据传输模块以及四轴旋翼无人机；所述的脑电信号采集模块采集使用者在四轴旋翼无人机不同运动方式下刺激诱发大脑产生相应的脑电信号,并传输至脑电信号处理模块,脑电信号处理模块接收脑电信号采集模块采集的脑电信号并进行处理,识别出不同运动想象动作所对应的飞行运动类型并将处理结果通过数据传输模块传输到四轴旋翼无人机，然后根据传输到来的信号进行处理使之成为控制信号，从而对四轴旋翼无人机进行实时控制。所述脑电采集模块包括集成于一体的放大电路、滤波电路、陷波电路、ADS1256模块、微处理器STM32模块、NRF24L01无线传输模块以及电源模块；所述ADS1256模块衔接在放大电路、滤波电路、陷波电路预处理电路之后，NRF24L01无线传输模块和微处理器STM32模块相连，并将将数据上传至服务器；电源模块为放大电路、滤波电路、陷波电路、ADS1256模块、微处理器STM32模块、NRF24L01无线模块提供电压。所述脑电采集模块为脑电信号采集头套，其包含2个参考电极、8个脑电信号采集电极、头套内侧按国际导联标准放置十个采集电极头，头套外侧，有导线与内侧的电极相连；所述导线，一端为采集电极，一端为2.5mm标准插口；2.5mm标准插口与脑电信号预处理电路相连，计算机与微处理器STM32模块采用UART进行数据通信。所述脑电信号处理模块为STM32F407模块。所述的四轴旋翼无人机包括四个直流电机、电机驱动电路板、飞行控制模块、避障模块及无线通信模块；四个所述直流电机连接并通过四个所述直流电机控制四轮独立驱动，所述飞行控制驱动模块与所述电机驱动电路板连接，无线通信模块采用NRF24L01芯片；其中，避障模块为US-100超声波测距模块，所述四轴旋翼无人机的上、下、前、后、左、右六个方向上各自安置一个US-100模块，用以实时测算无人机各方向与障碍物之间的距离，并把测得的数据传递至飞行控制驱动模块，跟预先设置的区间阈值进行比较，大于阈值则正常执行指令，小于则激发避障程序。所述电源模块的基准电压芯片输出的电压经过分组电压分压后输出基准电压；采用的基准电压芯片为ADR4550。所述的ADS1256模块为24位检测精度的AD转换芯片，用以分辨分辨出微伏级别脑电信号压降的变化。一种多通道式诱发脑电波控制的无人机控制方法，包括如下步骤：步骤1：使用前设计者需要将视频捕捉器安装在四轴旋翼无人机上，然后通过遥控器，控制四轴旋翼无人机六个方向上的运动，设计者观看视频采集的六个方向上的飞行画面，并且集中注意力，融入进画面，跟随四轴旋翼无人机的飞行想象着各种飞行动作由此刺激诱发大脑产生脑电信号；步骤2：通过脑电信号采集模块采集测试者在观看不同方向运动下大脑额叶区域、中央区域和顶叶区域的脑电信号；步骤3：通过脑电信号处理模块处理步骤2采集到的脑电信号，首先对采集到的脑电信号进行降噪处理，然后经过滤波，陷波，电平抬升，放大电路处理信号，最终将预处理过的信号发送给AD模块进行模数转换并将转换的数字信号通过串口发送给计算机，使用计算机用核主角函数算信号的相似度，以此将采集的信号归类，形成六个方向上相应的脑电信号；步骤4：将3步骤信号处理的结果通过NRF24L01无线传输模块传输到四轴旋翼无人机上,并由四轴旋翼无人机上的飞行控制模块控制无人机的飞行；步骤5：US-100超声波传感模块在四轴旋翼无人机运动过程中,检测四轴旋翼无人机六个方向上与各方向障碍物的距离，并将获得的距离信息传回四轴旋翼无人机上的飞行控制模块，并判断距离障碍物的距离是否小于设置的阈值，当某个方向距离障碍物的距离小于设定的数值，则不会再往其方向上运动，并在该方向上保持相对静止，可以接受并执行其他方向上的控制；若没有命令信号则在原地悬停。所述的步骤3中的核主角函数算法如下：SA＝span{a1；a2...；aN}和SB＝span{b1；b2...；bM}分别是两个零均值的随机变量X和随机变量Y的两组样本；A＝span{a1；a2...；aN}和B＝span{b1；b2...；bM}构成两个行向量，SA＝span{a1；a2...；aN}和SB＝span{b1；b2...；bM}是两个子空间，θ为两个空间的主角，满足：构成拉格朗日方程为对上式求导可得y＝a(ATB)-1ATAx、x＝β(BTA)-1BTBy将两项归纳为特征值求解合并可得假设非线性映射T将输入空间的向量ak映射到高维特征空间中极值问题转换为特征值问题写为引入核主角函数方法后就可以用核矩阵来描述特征子空间SASB之间的夹角余弦值，对不同状态下的脑电信号进行识别。本专利技术采用非侵入式脑电采集期间，测试者将视频捕捉器安装在无人机上，手动控制无人机六个方向上的运动，测试者以第一人称主视角浸入式学习，采集到的画面信息，刺激诱发产生各类脑电信号；并且最多八个通道采集脑电信号，这就很大提高了采集到的脑电信号的质量，也就提高了脑电信号识别的准确率。使用脑电采集装置采集并处理脑电信号，因为脑电信号很微弱且干扰很多，经过一系列的滤波、放大、降噪、电平抬升等电路的处理，这样得到的脑电信号会剔除掉大部分噪声，十分有助于获得期望的纯净脑电信号。，然后把处理好的信号经模数转化后送给处理器，使用核主角函数对信号进行甄别归类，分别作为无人机飞行的控制信号。测试者前期的工作是将脑电信号进行特征提取与归类，使之成为有效的基准控制信号，前期工作完成后，测试者戴上脑电信号采集装置，便可以将产生的实时脑电信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统，其特征在于，它包括脑电信号采集模块、脑电信号处理模块、数据传输模块以及四轴旋翼无人机；所述的脑电信号采集模块采集使用者在四轴旋翼无人机不同运动方式下刺激诱发大脑产生相应的脑电信号,并传输至脑电信号处理模块,脑电信号处理模块接收脑电信号采集模块采集的脑电信号并进行处理,识别出不同运动想象动作所对应的飞行运动类型并将处理结果通过数据传输模块传输到四轴旋翼无人机，然后根据传输到来的信号进行处理使之成为控制信号，从而对四轴旋翼无人机进行实时控制。

【技术特征摘要】
1.一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统，其特征在于，它包括脑电信号采集模块、脑电信号处理模块、数据传输模块以及四轴旋翼无人机；所述的脑电信号采集模块采集使用者在四轴旋翼无人机不同运动方式下刺激诱发大脑产生相应的脑电信号,并传输至脑电信号处理模块,脑电信号处理模块接收脑电信号采集模块采集的脑电信号并进行处理,识别出不同运动想象动作所对应的飞行运动类型并将处理结果通过数据传输模块传输到四轴旋翼无人机，然后根据传输到来的信号进行处理使之成为控制信号，从而对四轴旋翼无人机进行实时控制。2.根据权利要求1所述的一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统，其特征在于，所述脑电采集模块包括集成于一体的放大电路、滤波电路、陷波电路、ADS1256模块、微处理器STM32模块、NRF24L01无线传输模块以及电源模块；所述ADS1256模块衔接在放大电路、滤波电路、陷波电路预处理电路之后，NRF24L01无线传输模块和微处理器STM32模块相连，并将将数据上传至服务器；电源模块为放大电路、滤波电路、陷波电路、ADS1256模块、微处理器STM32模块、NRF24L01无线模块提供电压。3.根据权利要求2所述的一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统，其特征在于，所述脑电采集模块为脑电信号采集头套，其包含2个参考电极、8个脑电信号采集电极、头套内侧按国际导联标准放置十个采集电极头，头套外侧，有导线与内侧的电极相连；所述导线，一端为采集电极，一端为2.5mm标准插口；2.5mm标准插口与脑电信号预处理电路相连，计算机与微处理器STM32模块采用UART进行数据通信。4.根据权利要求1所述的一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统，其特征在于，所述脑电信号处理模块为STM32F407模块。5.根据权利要求2所述的一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统，其特征在于，所述的四轴旋翼无人机包括四个直流电机、电机驱动电路板、飞行控制模块、避障模块及无线通信模块；四个所述直流电机连接并通过四个所述直流电机控制四轮独立驱动，所述飞行控制驱动模块与所述电机驱动电路板连接，无线通信模块采用NRF24L01芯片；其中，避障模块为US-100超声波测距模块，所述四轴旋翼无人机的上、下、前、后、左、右六个方向上各自安置一个US-100模块，用以实时测算无人机各方向与障碍物之间的距离，并把测得的数据传递至飞行控制驱动模块，跟预先设置的区间阈值进行比较，大于阈值则正常执行指令，小于则激发避障程序。6.根据权利要求2所述的一种多通道式诱发脑电波控制的无人机系统，其特征在于，所述电源模块的基准电压芯片输出的电压经过分组电压分压后输出基准电压；采用的基准电压芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋大伟，甘良志，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32