一种基于无线实时姿态检测的脑机接口行为调控评价方法技术

本发明专利技术提供了一种基于无线实时姿态检测的脑机接口行为调控评价方法，属于基于脑机接口的生物交叉科研领域。本发明专利技术主要通过惯导方式对野外生物行为评价，针对不可直接用监控设备监测的动物，获取该对象的惯导数据，并通过卡尔曼滤波处理得到单位姿态四元数，并通过姿态解算得到当前动物的行为；通过将当前动物行为与预期的行为目标进行对比，判断是否达到预期目标。本发明专利技术首次将惯导姿态解算技术引入脑机接口的实验评价中，从而对手术植入电极的效果进行客观的评价，从而提高后续手术的实验水平，有效提高脑机接口对动物机器人的控制成功率。本发明专利技术所述方法适用于野外及规模养殖的养殖场等场景，作为最终评价的方法，用于评价生物行为的调控效果。物行为的调控效果。物行为的调控效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线实时姿态检测的脑机接口行为调控评价方法


[0001]本专利技术属于基于脑机接口的生物交叉科研领域，涉及一种动物野外自然状态下基于脑机接口的行为调控效果的远程实时评价方法。

技术介绍

[0002]脑机接口(Brain
‑
computer Interface，BCI)是指不依赖脊髓和周边神经系统，而是在脑与外部环境之间建立一种全新的信息交互与神经控制的通道，从而实现脑与外部设备交互的技术。脑机接口主要分为“脑控”和“机控”两种形式；脑控形式通过对大脑神经信号的提取和分析来实现对于外部设备的控制；机控形式则通过向大脑施加特定的刺激信号实现对于大脑活动的调控。“机控”形式的脑机接口已被广泛的应用于神经功能调控、感觉信息反馈等研究，其典型的应用范例即为动物机器人系统。动物机器人指利用动物自身的神经系统，通过寻找合适的脑区范围，针对特定的脑区核团，施加特定的剌激信号调控大脑活动，进而影响动物整体的行为，从而实现动物行为的人为控制。根据刺激方式的不同，可将刺激信号分为电刺激、光遗传学刺激、磁刺激等。
[0003]当前针对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无线实时姿态检测的脑机接口行为调控评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤S1：将硬件设备平台穿戴到实验动物上，打开上位机软件，将设备节点在上位机上上线；步骤S2：设置预期的动作，设置与预期动作相对应的电极刺激参数；通过对实验动物施加电极刺激，以产生相应的动作；步骤S3：对姿态数据采集AHRS模块采集到的三轴角速度、三轴加速度和三轴磁场强度使用卡尔曼滤波器进行滤波融合，融合后得到当前时刻姿态的单位姿态四元数值，并通过椭球拟合法进行校准；步骤S4：通过公式(1)将步骤S3得到的单位姿态四元数转换为欧拉角形式：其中，q0是四元数的标量，代表旋转角度一半的余弦值；q1、q2、q3代表四元数矢量部分，分别对应X、Y、Z轴的分量值；步骤S5：对步骤S3和S4中的单位姿态四元数、欧拉角进行处理，通过姿态解算计算得到相应的姿态；步骤S6：比对预期的动作和步骤S5中姿态解算得到的动作，得到此次实验的实验结果，若此次动作与预期动作相一致，则记为Y，反之则记为N；步骤S7：完成一次比对实验后，重复步骤S2
‑
S6，进行下一次比对实验；步骤S8：进行n次对比后，统计结果Y的次数c，从而计算实验结果准确率F，得到此手术植入电极位置下、此参数选择下远程调控动物的控制效果，为后续手术植入电极提供参考。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1过程如下：S1
‑
1：硬件设备平台与上位机之间采用无线方式连接，从而实现远程监控的目的；传输的协议通过UDP方式建立实时性高的通信链路，进而进行状态监控和控制命令的发送；上位机软件平台开启后，将设备节点上线，当设备节点上传的报文与上位机设定的格式一致后，即认为设备节点已上线，在上位机软件平台中上线显示；S1
‑
2：取实验动物自然站立的静止状态为基准状态，定义参考坐标系为地面坐标系O
G
x0y0z0，分别以正东、正北、垂直地面向上的天空方向为x0、y0、z0的参考方向，作为所有测量部分相对于地面的参考系。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，使用四元数法表示三维空间物体的旋转，以避免万向锁和减少存储空间及计算量；卡尔曼滤波处理部分采用两步法卡尔曼滤波进行处理，具体步骤如下：第一步使用预估系统进行预估，将三轴角速度加速度计测量的数据通过公式(2)得到t时刻的姿态四元数估计值时刻的姿态四元数估计值
其中，A
t
为姿态预估矩阵的系统矩阵；四元数的公式如式(3)所示：其中，q0是四元数的标量，代表旋转角度；q1、q2、q3是四元数的矢量部分，描述了三维空间中的旋转轴；表示四元数中矢量部分；i表示在x0轴与y0轴相交的平面内从x0轴正方向到y0轴正方向的旋转；j表示在z0轴与x0轴相交的平面内从z0轴正方向到x0轴正方向的旋转；k表示在y0轴与z0轴相交的平面内从y0轴正方向到z0轴正方向的旋转；通过公式(4)得到姿态四元数预估值的先验误差通过公式(4)得到姿态四元数预估值的先验误差其中，Q
t
‑1为过程噪声协方差矩阵，即预估系统的噪声相关系数；P
t
‑1表示姿态四元数误差协方差矩阵；第二步使用观测数据进行校准，校准分为两部分：第一部分使用三轴加速度进行姿态数据校准；第二部分使用三轴磁场强度进行姿态数据校准；在使用三轴加速度进行校准过程中，根据四元数与旋转矩阵的关系，即公式(5)和(6)，将惯性坐标系下的加速度数据转换到物体坐标系和观测值进行比对校准，并通过公式(7)求得三轴加速度计观测值对应的雅可比矩阵H
t
‑
acc
：：：其中，为旋转矩阵；h(q
t
‑
acc
)为经过校准测得的四元数对应的加速度计的理论值；g表示重力加速度；在使用三轴磁场强度进行校准过程中，根据公式(5)和(6)将惯性坐标系下的磁场强度数据转换到物体坐标系和观测值进行比对较准，并通过公式(8)求得三轴磁场强度计观测...

【专利技术属性】
技术研发人员：王孝良，毕旭阳，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：