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基于脑电 信号控制 飞行器高度的控制方法

阅读：683发布：2020-09-30

专利汇可以提供基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供的是一种基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法。步骤一、操作人员佩戴的脑机接口设备读入操作人员的脑电信号，并通过传输模块传送给飞行器的主控制芯片；步骤二、对存入的34字节数据进行分析，提取出其中的第32字节数据，即脑电信号中的注意力集中程度作为飞行器的输入，并将其转化为对应的飞行器的高度；步骤三、将飞行器的实际高度与预设高度进行对比，当它们二者相等时则等待下一次的给出高度，重复步骤一，否则利用高度反馈系统，对飞行器的高度进行调节。在本发明具有较高的精度；控制信号传输距离远，抗干扰性能好。有一定的实用价值。，下面是基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法，其特征是：
步骤一、操作人员佩戴的脑机接口设备读入操作人员的脑电信号，并通过传输模块传送给飞行器的主控制芯片，主控制芯片中的主控程序对传输进来的脑电信号数据包进行分析，当收到0XAA 0XAA 0X20时表示数据可以正常接收，其后的数据存入一个34个字节的数组里面，否则脑机接口设备继续读入脑电信号，直到主控制芯片收到0XAA 0XAA 0X20再进行下一步操作；
步骤二、对存入的34字节数据进行分析，提取出其中的第32字节数据，即脑电信号中的注意力集中程度作为飞行器的输入，其变化范围为0到100，并将其转化为对应的飞行器的高度；
步骤三、将步骤二得到的由注意力集中程度转化的对应的飞行器的高度作为预设高度，将飞行器的实际高度与预设高度进行对比，当它们二者相等时则等待下一次的给出高度，重复步骤一，否则利用高度反馈系统，对飞行器的高度进行调节。
2.根据权利要求1所述的基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法，其特征是所述脑机接口设备读入操作人员的脑电信号的具体实现方法为：脑机接口设备通过电极贴片和耳夹形成回路，捕捉神经细胞发出的微弱电信号。
3.根据权利要求1或2所述的基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法，其特征是所述脑电信号中的注意力集中程度作为飞行器的输入具体包括：将脑电信号的注意力集中程度分成五个部分：第一部分0-20、第二部分21-40、第三部分41-60、第四部分61-80、第五部分
81-100，第一部分对应的飞行器高度为0-1米、第二部分为1-2米、第三部分为2-3米、第四部分为3-4米、第五部分为4-5米。
4.根据权利要求1或2所述的基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法，其特征是所述飞行器的实际高度是超声波传感器的测量高度。
5.根据权利要求3所述的基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法，其特征是所述飞行器的实际高度是超声波传感器的测量高度。
6.根据权利要求1或2所述的基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法，其特征是将飞行器的实际高度与预设高度进行对比具体包括：预设高度与超声波传感器测量的当前高度进行做差,然后采用增量型数字PID 算法进行高度反馈，经过PID调节使测量高度趋近预设高度。
7.根据权利要求3所述的基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法，其特征是将飞行器的实际高度与预设高度进行对比具体包括：预设高度与超声波传感器测量的当前高度进行做差,然后采用增量型数字PID算法进行高度反馈，经过PID调节使测量高度趋近预设高度。
8.根据权利要求4所述的基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法，其特征是将飞行器的实际高度与预设高度进行对比具体包括：预设高度与超声波传感器测量的当前高度进行做差,然后采用增量型数字PID算法进行高度反馈，经过PID调节使测量高度趋近预设高度。
9.根据权利要求5所述的基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法，其特征是将飞行器的实际高度与预设高度进行对比具体包括：预设高度与超声波传感器测量的当前高度进行做差,然后采用增量型数字PID算法进行高度反馈，经过PID调节使测量高度趋近预设高度。

说明书全文

基于脑电信号控制 飞行器高度的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种飞行器高度控制方法，尤其涉及一种基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法。

背景技术

[0002] 随着近些年来飞行器的应用越来越广泛，传统的控制方法在控制的灵活性和控制方法均有所欠缺，应新的技术需求，人们一直在寻找别的有效控制方法。

[0003] 目前可以提取脑电信号来判断大脑的专注度，而脑电信号提取的关键技术是脑机接口技术(Brain-Computer Interface,BCI)，它是一门涉及神经科学、机器识别、信号检测、信号处理等多门学科的综合技术。20多年来，脑机接口技术的研究进步很大，出现了诸多实际应用的优秀产品，在虚拟设备、机器手控制等领域表现相当优秀，而在国内外的公开文献中，未见有使用脑电信号中的专注度去控制飞行器高度的报道。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种控制精度高，抗干扰性能好的基于脑电信号控制飞行器高度的控制方法。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：

[0006] 步骤一、操作人员佩戴的脑机接口设备读入操作人员的脑电信号，并通过传输模块传送给飞行器的主控制芯片，主控制芯片中的主控程序对传输进来的脑电信号数据包进行分析，当收到0XAA 0XAA 0X20时表示数据可以正常接收，其后的数据存入一个34个字节的数组里面，否则脑机接口设备继续读入脑电信号，直到主控制芯片收到0XAA 0XAA 0X20再进行下一步操作；

[0007] 步骤二、对存入的34字节数据进行分析，提取出其中的第32字节数据，即脑电信号中的注意力集中程度作为飞行器的输入，其变化范围为0到100，并将其转化为对应的飞行器的高度；

[0008] 步骤三、将步骤二得到的由注意力集中程度转化的对应的飞行器的高度作为预设高度，将飞行器的实际高度与预设高度进行对比，当它们二者相等时则等待下一次的给出高度，重复步骤一，否则利用高度反馈系统，对飞行器的高度进行调节。

[0009] 本发明还可以包括：

[0010] 1、所述脑机接口设备读入操作人员的脑电信号的具体实现方法为：脑机接口设备通过电极贴片和耳夹形成回路，捕捉神经细胞发出的微弱电信号。

[0011] 2、所述脑电信号中的注意力集中程度作为飞行器的输入具体包括：将脑电信号的注意力集中程度分成五个部分：第一部分0-20、第二部分21-40、第三部分41-60、第四部分61-80、第五部分81-100，第一部分对应的飞行器高度为0-1米、第二部分为1-2米、第三部分为2-3米、第四部分为3-4米、第五部分为4-5米。

[0012] 3、所述飞行器的实际高度是超声波传感器的测量高度。

[0013] 4、将飞行器的实际高度与预设高度进行对比具体包括：预设高度与超声波传感器测量的当前高度进行做差,然后采用增量型数字PID 算法进行高度反馈，经过PID调节使测量高度趋近预设高度。

[0014] 本发明以飞行器为对象，提供了一种基于脑电信号控制飞行器高度的方法。利用MindWave Mobile采集并分析操作人员的脑电信号，提取脑电信号中的eSense专注度，并以此信号做为飞行器的输入信号，在超声波传感器的配合下实现高度反馈信号，使一定范围的脑电信号大小对应一定的飞行器高度。

[0015] 实现本发明的组成部分包括：

[0016] 1、MindWave Mobile设备通过电极贴片和耳夹形成回路，能够捕捉神经细胞发出的微弱的电信号。当人们的脑内活动处于不同的精神状态的时候，大脑中的神经细胞所放的生物电信号就会表现出不同的波形模式，这些波形已经通过长时间的研究得到了定义和描述，并通过算法分析出脑内活动状态；

[0017] 2、无线传输模块通过与MindWave Mobile脑机接口设备的链接对发来的数据进行接收处理并通过串口通信发向主控制芯片，其能自动的与MindWave Mobile脑机接口设备进行无线连接，并且自动的接收数据，周期为1秒。

[0018] 3、本发明除了MindWave Mobile设备采集脑电信号外，还包含信号处理模块和飞行器主控制芯片，其中飞行器主控制芯片还与超声波传感器、电子罗盘、陀螺仪相连，通过对各部分的协调控制，共同完成数据采集、信息融合、参数计算、姿态输出等任务，并最终表现在对飞行器的空中姿态的控制上。

[0019] 本发明的优点主要体现在：

[0020] 利用超声波传感器收集了高度反馈信号，精确的提供了飞行器的高度信息，在本发明中，使用超声波传感器作为高度传感器，具有较高的精度；

[0021] 本发明的控制信号传输距离远，抗干扰性能好。因此本发明的研究对飞行器高度的控制方法提供了新的思路，同时有助于帮助精神病患者和注意力不集中的小孩的康复治疗，有一定的实用价值。附图说明

[0022] 图1 MindWave脑机接口设备示意图；

[0023] 图2 MindWave数据通信协议；

[0024] 图3本发明整体流程图；

[0025] 图4本发明根据脑电波大小控制飞行器高度的流程图；

[0026] 图5 PID进行参数修正控制框图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图举例对本发明作进一步描述。

[0028] 本发明实现的是在外界的刺激下(语言、图像)，不需要任何的肢体动作和语言，通过MindWave Mobile采集脑电波信号，由无线传输模块发送给主控制芯片，主控程序对脑电波信号进行有效信号提取，利用此信号来控制飞行器的高度，并将超声波传感器采集到的高度信息与期望高度相对比，通过调节油门的大小，使其到达预设高度。继续采集脑电波信号，重复以上过程，本发明是根据测试者的脑电波信号中的eSense专注度参数的大小来控制飞行器高度的。

[0029] 结合图1，MindWave Mobile脑机接口设备包括头箍1、电极贴片2和耳夹3。

[0030] 1脑电信号的提取

[0031] 大脑顶部控制肢体活动，大脑后部对视力进行控制，而对人的情绪、精神状态及专注状态的控制是由大脑前额处的皮质进行控制，因此脑机设备把传感器设置在前额的FPI区域，可以采集到eSense专注度参数、eSense冥想度参数、eSense眨眼检测等信号。MindWave Mobile通过电极贴片和耳夹形成回路，能够捕捉到最大信号为1mv的微小脑电波信号，通过算法分析出脑内活动状态。例如，当脑波处于12到30HZ之间时，为Beta波，表示大脑正处于专注状态，当脑波在8到12HZ时，即Alpha，表明大脑处于平静放松的状态。

[0032] 脑电信号的处理流程大致分位四步，一、进行信号采集：无源干式传感器从头皮检测到电力信号；二、进行信号过滤：把干扰噪音从脑电信号中过滤掉；三、进行信息解读：通过eSense算法将脑电波解读为eSense参数，用于表示用户当前的精神状态；四、人机交互：将eSense参数传递给计算机，手机等智能设备，从而可以通过脑电波进行人机交互。

[0033] 2 MindWave数据通信协议

[0034] 结合图2，本发明借助的是神念科技公司生产的MindWave脑机接口设备，内置优秀的脑电分析算法，且能够自动接收、分析脑电信号，并且通过无线发送。脑电接口设备发送的数据包采用ASCII码国际标准编码，数据包结构包括同步字、报文长度、数据内容、CRC循环冗余校验码，总长36字节。MindWave数据通信协议如下：当传输设备收到0XAA 0XAA 0X20是即表示数据正常接收，检验起始帧为0XAA 0XAA，当检测到对应帧便认为一条数据包已经正常开始接收，紧接着下一字节0X20便是整个要传送的数据的总长度，其后的数据可以存入一个34个字节的数组里面，最后一个字节是奇偶校验码。根据协议第32个字节的数据表示的是注意力集中程度(eSense Attention)，其值的变化范围为0到100，频率为1Hz。而本发明的最终控制量即油门变量，也是一个在一定范围内变化的量，这与专注度具有相似的变化，因此选取脑电信号中的eSense专注度参数的大小来控制飞行器的高度，通过专注度的变化来改变油门的大小，以此来控制飞行器上升和下降。

[0035] 结合图3，脑机接口设备将数据发送到主控制芯片是通过信号传输设备自动完成的，通过串口通信向主控制芯片传输数据包，并在数据包中提取出所需要的表征专注度的脑电信号。在主控程序中对其进行分析，再由超声波传感器采集的高度信息经过PID数字算法进行调节，最后使飞行器的高度稳定。

[0036] 3依据脑电信号大小设计飞行器高度

[0037] 结合图4，首先，飞行器主控制芯片对于传输进来的数据包进行分析，当收到0XAA 0XAA 0X20时表示数据可以正常接收，其后的数据可以存入一个34个字节的数组里面，根据协议，选取脑电信号中的注意力集中程度(eSense Attention)也就是第32个字节的数据作为飞行器的输入，其变化范围为0到100，依据此信号来控制飞行器的高度。

[0038] 将脑电信号的注意力集中程度(eSense Attention)分成五个部分：第一部分0-20；第二部分21-40；第三部分41-60；第四部分61-80；第五部分81-100。第一部分对应的飞行器高度为0-1米；第二部分为1-2米；第三部分为2-3米；第四部分为3-4米；第五部分为4-5米。当测试者受到不同的外界刺激(语言、图像)时，会产生不同的脑电信号，利用MindWave采集，通过无线传输模块发送到主控制芯片上，将数据包中的第32个字节计算出来，此时将注意力集中程度转化为飞行器的高度信息，再与超声波传感器采集的高度信息进行比对：
当实际高度小于预设高度时，加大油门使其上升，到达预设高度，反之减小油门，使其下降，根据飞行器的高度就能推断出测试者当前的注意力集中程度(专注度)。

[0039] 由于脑控设备技术上的局限性，使得脑电控制信号传输的频率远远跟不上控制信号所需的频率，会使得飞行器在垂直空间上来回震荡，如果直接控制油门很容易造成飞行器失控的现象。由于考虑到超声波传感器有很强的测距定高的效果，本发明选用超声波传感器辅助定高来实现脑电信号的相对稳定控制。

[0040] 结合图5，高度反馈信号的总体思路是：当脑控设备发送一次控制信号，在程序里转换成高度量，超声波传感器根据给定的高度量进行高度的自我修正，这样即使脑电信号的传输频率很低，飞行器在未接收到脑电信号的时间里也能进行高度的修正和保持，避免了失控现象的发生。由于需要超声波传感器自动修正高度，所以需要建立一个高度反馈系统，采用PID进行参数修正。

[0041] 飞行器在飞行的过程中，超声波传感器通过检测离地距离来测得飞行器的飞行高度，通过给定高度与当前测量高度进行做差,然后采用增量型数字PID算法进行高度的反馈，经过PID的调节使测量高度趋近给定高度，达到定高效果，实验表明，此反馈调节具有很好的适用性。

[0042] 例如，某一时刻采集到测试人员的注意力集中程度(eSense Attention)为55，而此时的飞行器高度为4.3米，通过高度反馈系统，应该减小油门的大小，使飞行器的高度在2-3米之间，很显然，通过飞行器高度的变化可以直观的反映出测试人员注意力集中程度下降。

[0043] 4与现有技术相比，本发明的优势：

[0044] 在目前现有的飞行器控制方法中，尚未存在基于脑电信号的注意力集中程度控制飞行器高度的相关技术，因此本发明是一个新的技术方向，也为脑电信号(BCI)的应用拓宽了思路。

[0045] 本发明实现了意念控制飞行器，将大脑中的想法转化为实际的应用操作，本发明设备简单，容易操作，适用性强，性价比高，为广大青少年提供帮助，是一款非常出色的大脑训练系统。

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