本發明屬于運動想象的腦機接口應用控制領域，具體涉及一種基于無線腦電控制履帶式移動機器人的控制系統。

背景技術：

使用腦機接口并利用運動想象實現控制外部設備的嘗試已有很多。但為保證接收腦波的質量，現有的很多方法都是基于有線腦波采集系統，使用多通道的腦波采集，因此可以專注于對腦波的識別與分類算法研究。這樣的系統距離實際的使用場景并沒有很好地做出調整。在通過運動想象控制外部多自由度的運動設備時，多通道的腦波檢測電極帽和因多通道檢測而與分析設備連接的很多信號傳輸線會嚴重影響試備者的活動范圍以及設備的使用場景。試備者只能通過運動想象控制外部設備，而不便于實時觀察外部運動設備的運動并隨時做出反饋控制，從而使整個控制成為開環控制而非更加穩定的閉環控制。特別是在控制履帶式移動機器人這種多自由度的運動設備，試備者需要實時觀察移動機器人的運動運動狀態以及其周圍的環境以便隨時對機器人發送控制想象指令而非事先規劃好的指令，這時閉環控制的效果要遠遠好于開環控制。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種用于實時控制多自由度的履帶式移動機器人的基于無線腦電控制履帶式移動機器人的控制系統。

本發明的目的是這樣實現的：

一種基于無線腦電控制履帶式移動機器人的控制系統，包括用于檢測腦波的8導電極帽收集腦電波并發送腦電波的，接受腦電信號的無線多參數同步器，處理腦電波信號并發出控制信號的移動計算終端和由無線控制的履帶式移動機器人；所述的移動計算終端內部運行對分析腦波的算法分析程序和用于將腦電控制信號發給履帶式移動機器人的控制程序。

所述的腦電信號采集裝置是CM-3817-1035腦電圖帽。

所述的腦電無線發送裝置和無線接收EEG放大器型號是Neusen.W，用來收集來自電極帽接收的腦電信號，經過基本的濾波處理后，將腦波信號通過wifi傳輸給無線多參數同步器。

所述的接受腦電信號的無線多參數同步器型號是Neusen.Triggerbox用來接收來自腦波信號放大器發送的腦電信號，并作為消除信號延遲的中轉站，經處理后，將消除無線傳輸延遲的無線腦波數據經有線USB串口傳給移動計算終端。

所述的處理腦電波信號并發出控制信號的移動計算終端是一臺裝有matlab2014a以上版本軟件的便攜式電腦。

所述的履帶式移動機器人具有左右兩條履帶以提供機器人的移動和轉向，在前輪處的履帶外側還有一個旋轉的履帶，其繞前輪轉動，實現復雜地形的移動。

整個腦波控制系統中，試備者使用運動想象來控制履帶式移動機器人的直線行走，左右轉向和旋轉履帶的旋轉與停止。

本發明的有益效果在于：

1、使用無線頭戴式少電極電極帽來檢測腦波，在不影響腦波檢測效果的情況下大大簡化了腦波檢測的準備難度，使佩戴電極帽的試備者可以更加方便自如地旋轉頭頸部。少電極的檢測腦波也使整個信號檢測質量更容易把控。

2、對離散化腦波信息的特征提取和分類使用專門針對少電極腦波信號的算法。針對少電極的腦電檢測算法使少電極檢測腦波系統在減少腦波電極的前提下還可以準確、迅速地識別出運動想象的各個動作，降低基于腦波檢測的外部設備控制在實際工作生產中運用的難度。

3、本發明可以用于在遠程實時的地面環境探測，并可以克服較為復雜的地面環境。另外，本發明還可以用于輔助訓練，用來提高訓練人員的運動執行能力。

附圖說明

圖1是本發明的整體原理框圖；

圖2為本發明最終環節履帶式移動機器人的外部接口圖.

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明。

本發明公開了一種基于無線腦電控制履帶式移動機器人的控制系統。系統包括EEG信號采集單元、信號處理控制單元和履帶式移動機器人。EEG信號采集單元包括8導腦電帽、EEG放大器。信號處理控制單元包括無線多參數同步器，移動計算終端。通過運動想象左右手與左右腳的運動組合控制履帶式移動機器人的啟停、左右轉和前輪可旋轉履帶的旋轉。本發明可以用于在遠程實時的地面環境探測，并可以克服較為復雜的地面環境。另外本發明因可以識別4個肢體的運動想象，可以用于輔助訓練人體運動的執行能力。

一種基于無線腦電控制履帶式移動機器人的控制系統，包括EEG信號采集單元，信號處理系統，和履帶式移動機器人。所述的EEG信號采集單元包括一個8導的頭戴式腦電采集帽和一個無線EEG放大器。所述信號處理系統包括一個無線多參數同步器和一個移動計算終端。

所述的8導頭戴式腦電采集帽，其外觀與普通游泳帽相似，在相應的腦電信號采集位安裝有用于采集腦電信號的濕電極。8導頭戴式腦電采集帽采集試備者的腦電模擬信號，并將信號通過較短的有線接口傳至EEG放大器。

所述的EEG放大器，放置于8導頭戴式腦電采集帽的后端，在試備者正確佩戴腦電采集帽時，EEG放大器位于試備者的后腦勺部。EEG放大器使用Neusen.W型號。該種類的EEG放大器有著體積小，重量輕，運算速度快和運算精度高的特點，并且其使用無線wifi傳輸處理后待發送的腦電信號。由腦電采集帽采集的模擬腦電信號被傳輸到EEG放大器中，放大器對其進行去噪，放大和離散化，最終輸出數值離散化的腦電波數字量，并將其通過wifi信號發送給無線多參數同步器。

所述無線多參數同步器，使用Neusen.Triggerbox型號。該無線多參數同步器內部有路由器功能，作為wifi的發射熱點，實時發送wifi信號，以便于EEG放大器將離散化的腦電信號傳輸給無線多參數同步器。另外，無限多參數同步器會在模擬腦電信號到來后，對其信號的延遲做出補償，以保證試備者的視覺觀察點和相應時刻的腦電信號匹配。

所述移動計算終端用于處理由無線多參數同步器傳來的離散數值化腦電信號。移動計算終端為一臺便攜式電腦，電腦內部運行用于檢測和識別腦波信號的算法程序。算法程序將腦波信號進行初步的特征提取后，將其特征進行分類，得出試備者運動想象的想象動作。將想象動作與動作的序列傳入命令控制算法程序中即可根據動作的組合實現對履帶式移動機器人各個運動狀態的實時控制。本發明中的分類算法可以分類出雙腿和雙手四個肢體的運動想象，因此組合方式與組合序列豐富，可以控制多維運動自由度的設備。

所述履帶式移動機器人擁有四條履帶，包括每邊分別由兩個電機輪驅動的主動力履帶和由與前輪同軸轉向輪驅動的可旋轉履帶。主動力履帶用于驅動移動機器人的前進，左轉和右轉；可旋轉履帶用于應對需要抬高移動機器人底盤的復雜地形，同時作為從動部件配合主動力履帶的轉向。履帶式移動機器人的控制指令已經規定，規定：一個有效的控制指令必須是O(xxxx,yyyy,zzzz)形式，以上一條控制指令有效并成為一個控制包。其中，所有指令是以ASCII碼通信，一個有效控制包中的包頭是大寫英文字母O。控制包中的符號括號和逗號均為英文半角符號。xxxx，yyyy，zzzz分別是履帶機器人不同運動維度的運動狀態豎直。xxxx為移動機器人直線行駛速度控制數值，范圍是-038到0038，正值為向前行進，0為停止運動，負值為向后行進。yyyy為移動機器人轉向速度控制數值，范圍是-180到180，正數代表右轉，負數代表左轉，絕對值越大，相應轉向的轉向速度越大。zzzz為控制前輪可旋轉履帶轉速控制數值，范圍是-115到114，豎直的正負代表著不同的旋轉方向。旋轉速度控制指令映射到轉動電機驅動模塊的PWM控制占空比，絕對值越大，相應轉向的轉向速度越快。信號處理控制單元每隔500ms不間斷向外部發送控制指令。靜止狀態或者無運動想象控制操作時，信號處理控制單元向外部發送O(0000,0000,-001)。

基于無線腦電控制履帶式移動機器人的控制系統，8導腦波采集帽采集試備者的運動想象信號，收集到原始的模擬腦波信號，并通過實體信號線傳輸給固定在腦電帽后方的EEG放大器。EEG放大器接受原始模擬腦電信號后，對其進行濾波，將眨眼信號，無效噪聲濾掉，隨后對濾波信號進行放大。最后將放大信號離散化，通過wifi傳輸給無線多參數同步器。

無限多參數同步器作為wifi熱點接受來自EEG放大器的離散化數值，根據設定的時序與頻率補償因使用無線wifi傳輸腦波數據而引起的腦電信號延遲偏移。無線多參數同步器將采集，濾波和離散化后的腦波數據與試備者的想象反應補償到同意時刻后，就將補償后的腦電信號通過USB傳輸導線傳輸給移動計算終端。

移動計算終端中運行有專門為少通道下的腦電采集信號設計的分類算法，不影響分類精度的前提下，將補償后的離散腦電信號進行預處理，特征提取和分類。最終識別出試備者實時的運動想象動作和想象動作序列，并把提取的信息抽象成控制信號發送給控制指令程序。

控制指令程序接受由分類算法分類整理出的運動想象信號，并根據以下算法控制為：

左腿->左手，履帶式移動機器人左轉；

左腿->右手，履帶式移動機器人右轉；

右腿->左手，履帶式移動機器人可旋轉履帶正向轉動；

右腿->右手，履帶式移動機器人可旋轉履帶反向轉動；

左腿->右腿->左腿->右腿……，即連續交替想象左右腿運動，履帶式移動機器人正向前進。

最終，運動想象信號被轉化為對履帶式移動機器人的控制指令，系統通過串口將控制指令發送給藍牙發送模塊。藍牙發送模塊與履帶式移動機器人中的藍牙接收模塊已經配對。因此，藍牙發送模塊將會持續的將控制指令發送給履帶式移動機器人安裝的藍牙接收模塊。

履帶式移動機器人內部裝有一個已經與信號處理系統中藍牙發送模塊配對好的藍牙接收模塊。該藍牙接收模塊嵌入到履帶式移動機器人中，實時等待接收來自藍牙發送模塊的控制指令，根據控制協議解析控制指令，并向電機驅動模塊發送相應占空比的PWM控制信號，從實時控制履帶式移動機器人。