基于碳纳米管高分子电极的脑控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基于碳纳米管高分子电极的脑控无人机系统，包括：脑电信号采集模块，通过伞骨状电极采集操作员自主想象的不同操作指令对应的脑电信号；脑电信号处理模块，其将脑电信号滤波、特征提取和特征分类，获取脑电信号的最优特征；控制指令生成与反馈训练模块，其根据接收到的最优特征，查找无人机控制指令集数据库，获取该脑电信号对应的无人机控制指令并输出；无人机系统，其接收无人机控制指令并进行对应的操作。本发明专利技术还提供了一种基于碳纳米管高分子电极的脑控无人机系统的控制方法。本发明专利技术的有益效果：改善了电极的机械特性、信噪声比特性和传感能力，无需操作员实时关注诱发信号，以较小的脑任务开销实现对无人机的自主控制。

Brain controlled UAV system and control method based on carbon nanotube polymer electrode

The invention discloses a brain-controlled unmanned aerial vehicle system based on carbon nanotube polymer electrode, which comprises an EEG signal acquisition module, a umbrella-shaped electrode for acquiring EEG signals corresponding to different operation instructions imagined by the operator, and an EEG signal processing module for filtering, feature extraction and feature classification of EEG signals. The control command generation and feedback training module searches the UAV control command set database according to the received optimal characteristics, obtains the corresponding UAV control commands and outputs them; UAV system receives the UAV control commands and performs corresponding operations. The invention also provides a control method of a brain-controlled UAV system based on a carbon nanotube polymer electrode. The invention has the advantages of improving the mechanical characteristics, signal-to-noise ratio and sensing ability of the electrode, eliminating the need for the operator to pay attention to the induced signal in real time, and realizing the autonomous control of the UAV with less brain task overhead.

【技术实现步骤摘要】
基于碳纳米管高分子电极的脑控无人机系统及控制方法
本专利技术涉及无人机
，具体而言，涉及一种基于碳纳米管高分子电极的脑控无人机系统及控制方法。
技术介绍
脑电是中枢神经系统指令信号的直接外在表征，能反映出大脑皮层不同区域的活动状态，通过分析，建立脑电信号与特定行为之间对应关系，即脑电模式识别，可用来检测人的生理、心理状态或运动意图，可以更为直接、快速、准确地将人要表达的意图传递给人工智能系统或其他具有执行能力的外部设备；另一方面，电刺激会调控脑电活动的模式、继而被刺激者感受到这种刺激。如将这种控制策略用于无人机控制，与目前的利用手持式遥控器控制无人机更为自然、高效。同时如果可以将无人机的飞行位置、姿态或所查看的目标信息通过电刺激反馈给操作员，使操作员就对下一步的控制做出决策。通过训练，操作员就不必像当前的无人机控制人员一样，集中全部注意力在目标搜寻和对无人机的飞行控制上，仅仅需要花费很小的一部分精力控制无人机，使之成为操作员的“第六感”和“无形手”。传统的脑电采集技术通常采用湿电极技术，这种电极的佩戴需要他人辅助，不能长时间使用，这些不足限制了其在军事方面的应用；干电极脑穿戴方便，但更容易受运动和接触等环境干扰，其所采集脑电的信号质量不高，难以提供信噪比较高的脑电信号。研究具有和湿电极相当的信噪比、但穿戴便捷的干电极成为脑电装备化的重要任务。与采集系统的发展相比，尽管脑电信号微弱，受环境干扰严重，脑电信号的分析和模式识别技术发展相对成熟，可以在实验室环境中做出准确度和速度都很高的识别和控制。因此能够即戴即用、具有良好采集能力的干电极是研发适合战场运动环境下脑控武器或无人机的关键核心技术。另外，传统的无人机交互控制系统装置庞大，需要携带和佩戴的设备多，操作复杂，需要一到两名士兵专门辨识图图像和控制飞行，消影响了士兵的作业效率及战场生存力。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于碳纳米管高分子电极的脑控无人机系统及控制方法，改善了电极的机械特性、信噪声比特性和传感能力，无需控制人员实时关注诱发信号，以较小的脑任务开销实现对无人机的自主控制。本专利技术提供了一种基于碳纳米管高分子电极的脑控无人机系统，包括：脑电信号采集模块，其包括贴附与操作员头皮上的伞骨状电极以及便携式8通道放大器，通过所述伞骨状电极采集操作员自主想象的不同操作指令所对应的脑电信号，并将脑电信号送入所述便携式8通道放大器进行放大和A/D转换；脑电信号处理模块，其将放大和A/D转换后的脑电信号进行滤波、特征提取和特征分类处理，分辨出引发操作员脑电变化的动作意图，获取操作员在不同的操作指令下对应脑电信号的最优特征；控制指令生成与反馈训练模块，其将不同的操作指令下对应脑电信号的最优特征存储在指令操作集数据库中，并将操作指令所对应的无人机控制指令存储在无人机控制指令集数据库中，获取操作员操作指令对应脑电信号的最优特征与无人机控制指令之间的对应关系，并将操作员自主想象的操作指令和对应的无人机控制指令以及无人机系统执行控制指令的执行结果以文字和图表形式反馈给操作员，根据接收到操作员的脑电信号对应的最优特征，并根据所述指令操作集数据库查找所述无人机控制指令集数据库，获取该脑电信号所对应的无人机控制指令，并将该无人机控制指令输出；无人机系统，其用于接收不同的无人机控制指令，并进行对应的操作。作为本专利技术进一步的改进，所述伞骨状电极为碳纳米管高分子复合阵列电极。作为本专利技术进一步的改进，所述碳纳米管高分子复合阵列电极的制备方法为：步骤S1，把碳纳米管阵列浸入到单体溶液中再聚合制备成碳纳米管高分子复合材料；或，把碳纳米管阵列直接浸入到高分子溶液或熔体中制备成碳纳米管复合材料；步骤S2，再结合电极阻抗、弹性和重量需求，将碳纳米管高分子复合材料制备成复合薄膜，并根据碳纳米管的取向结构、以及所需的复合阵列电极厚度及其表面组成与结构，使用薄膜沉积工艺将与导电基材电接触的薄金属层沉积在复合薄膜上，制备成碳纳米管高分子复合阵列电极；上述制备方法中，高分子通过物理方法吸附进入碳纳米管间隙，或者通过化学反应链接到碳纳米管表面，形成碳纳米管高分子复合材料；其中，对于化学反应的制备过程，通过强酸氧化或等离子处理技术，使碳纳米管表面被修饰上一定的官能团，然后与第二组份自身的官能团发生化学反应实现高分子与入碳纳米管的链接。作为本专利技术进一步的改进，所述脑电信号处理模块包括：预处理模块，其用于去除放大和A/D转换后脑电信号中工频的杂波、眼电、心电以及肌电信号的伪迹；特征提取模块，其用于从去除伪迹后的脑电信号中提取出能够反映操作员不同运动或思维状态的脑电特征信号，并将其转换为特征向量作为分类器的输入；特征分类模块，其用于寻找一个以特征向量为输入的判别函数，将不同的脑电信号进行特征分类，获取不同的运动或思维状态与脑电特征信号之间的关系。作为本专利技术进一步的改进，所述预处理模块中利用自适应滤波器来去除肌电信号，利用独立分量分析去除眼电信号，利用小波分析去除心电信号和白噪声，即分别从频域、统计以及时域和时频分析方法滤除脑电信号中的眼电、心电以及肌电信号。作为本专利技术进一步的改进，所述特征分类模块中采用AR模型、功率谱、中心频率、高阶谱估计或Alpha不对称性中的一种或多种组合对脑电信号的线性特征进行分类，采用近似熵、复杂度、奇异谱、李雅普诺夫指数中的一种或多种组合对脑电信号的非线性特征进行分类。本专利技术还提供了一种基于碳纳米管高分子电极的脑控无人机系统的控制方法，包括以下步骤：步骤1，在操作员头皮上贴附伞骨状电极；步骤2，操作员开始自主想象操作指令；步骤3，所述伞骨状电极采集操作员自主想象的操作指令所对应的脑电信号，并将脑电信号送入便携式8通道放大器进行放大和A/D转换；步骤4，便携式计算机中的脑电信号处理模块将放大和A/D转换后的脑电信号进行滤波、特征提取和特征分类处理，分辨出引发操作员脑电变化的动作意图，获取操作员在该操作指令下对应脑电信号的最优特征；步骤5，根据该操作指令所对应的最优特征与无人机控制指令之间的对应关系，在所述便携式计算机的控制指令生成与反馈训练模块中查找无人机控制指令集数据库，获取该脑电信号所对应的无人机控制指令，并将该无人机控制指令输出；步骤6，无人机系统接收输出的无人机控制指令，并进行对应的操作。作为本专利技术进一步的改进，操作指令所对应的最优特征与无人机控制指令之间的对应关系为事先建立获得的，具体为：采集操作员自主想象的不同操作指令所对应的脑电信号，并将操作员在不同的操作指令下，对应脑电信号的最优特征分别存储在指令操作集数据库中；将操作员在不同的操作指令下，对应的无人机控制指令分别存储在无人机控制指令集数据库中；分别将操作员在每一种操作指令下，对应的脑电特征与无人机控制指令建立对应关系。作为本专利技术进一步的改进，步骤6还包括：将操作员自主想象的操作指令和其对应的无人机控制指令以及无人机系统执行控制指令的执行结果以文字和图表形式反馈给操作员，操作员根据反馈信息对操作方案进行相应的调节；同时，无人机系统根据接收到的无人机控制指令以及不同操作员的情况对执行方案进行相应的调节。本专利技术的有益效果为：1、采用可快速穿戴的、舒适度高、适合长时间使用的碳纳米管高分子电极，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碳纳米管高分子电极的脑控无人机系统，其特征在于，包括：脑电信号采集模块，其包括贴附与操作员头皮上的伞骨状电极以及便携式8通道放大器，通过所述伞骨状电极采集操作员自主想象的不同操作指令所对应的脑电信号，并将脑电信号送入所述便携式8通道放大器进行放大和A/D转换；脑电信号处理模块，其将放大和A/D转换后的脑电信号进行滤波、特征提取和特征分类处理，分辨出引发操作员脑电变化的动作意图，获取操作员在不同的操作指令下对应脑电信号的最优特征；控制指令生成与反馈训练模块，其将不同的操作指令下对应脑电信号的最优特征存储在指令操作集数据库中，并将操作指令所对应的无人机控制指令存储在无人机控制指令集数据库中，获取操作员操作指令对应脑电信号的最优特征与无人机控制指令之间的对应关系，并将操作员自主想象的操作指令和对应的无人机控制指令以及无人机系统执行控制指令的执行结果以文字和图表形式反馈给操作员，根据接收到操作员的脑电信号对应的最优特征，并根据所述指令操作集数据库查找所述无人机控制指令集数据库，获取该脑电信号所对应的无人机控制指令，并将该无人机控制指令输出；无人机系统，其接收不同的无人机控制指令，并进行对应的操作。...

【技术特征摘要】
1.一种基于碳纳米管高分子电极的脑控无人机系统，其特征在于，包括：脑电信号采集模块，其包括贴附与操作员头皮上的伞骨状电极以及便携式8通道放大器，通过所述伞骨状电极采集操作员自主想象的不同操作指令所对应的脑电信号，并将脑电信号送入所述便携式8通道放大器进行放大和A/D转换；脑电信号处理模块，其将放大和A/D转换后的脑电信号进行滤波、特征提取和特征分类处理，分辨出引发操作员脑电变化的动作意图，获取操作员在不同的操作指令下对应脑电信号的最优特征；控制指令生成与反馈训练模块，其将不同的操作指令下对应脑电信号的最优特征存储在指令操作集数据库中，并将操作指令所对应的无人机控制指令存储在无人机控制指令集数据库中，获取操作员操作指令对应脑电信号的最优特征与无人机控制指令之间的对应关系，并将操作员自主想象的操作指令和对应的无人机控制指令以及无人机系统执行控制指令的执行结果以文字和图表形式反馈给操作员，根据接收到操作员的脑电信号对应的最优特征，并根据所述指令操作集数据库查找所述无人机控制指令集数据库，获取该脑电信号所对应的无人机控制指令，并将该无人机控制指令输出；无人机系统，其接收不同的无人机控制指令，并进行对应的操作。2.根据权利要求1所述的脑控无人机系统，其特征在于，所述伞骨状电极为碳纳米管高分子复合阵列电极。3.根据权利要求2所述的脑控无人机系统，其特征在于，所述碳纳米管高分子复合阵列电极的制备方法为：步骤S1，把碳纳米管阵列浸入到单体溶液中再聚合制备成碳纳米管高分子复合材料；或，把碳纳米管阵列直接浸入到高分子溶液或熔体中制备成碳纳米管复合材料；步骤S2，再结合电极阻抗、弹性和重量需求，将碳纳米管高分子复合材料制备成复合薄膜，并根据碳纳米管的取向结构、以及所需的复合阵列电极厚度及其表面组成与结构，使用薄膜沉积工艺将与导电基材电接触的薄金属层沉积在复合薄膜上，制备成碳纳米管高分子复合阵列电极；上述制备方法中，高分子通过物理方法吸附进入碳纳米管间隙，或者通过化学反应链接到碳纳米管表面，形成碳纳米管高分子复合材料；其中，对于化学反应的制备过程，通过强酸氧化或等离子处理技术，使碳纳米管表面被修饰上一定的官能团，然后与第二组份自身的官能团发生化学反应实现高分子与入碳纳米管的链接。4.根据权利要求1所述的脑控无人机系统，其特征在于，所述脑电信号处理模块包括：预处理模块，其用于去除放大和A/D转换后脑电信号中工频的杂波、眼电、心电以及肌电信号的伪迹；特征提取模块，其用于从去除伪迹后的脑电信号中提取出能够反映操作员不同运动或思维状态的脑电特征信号，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小川，
申请(专利权)人：赵小川，
类型：发明
国别省市：北京,11