基于脑机接口的智能轮椅原型机的研究本科毕业设计论文.docx
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基于脑机接口的智能轮椅原型机的研究本科毕业设计论文
本科毕业设计(论文)
基于脑机接口的智能轮椅原型机的研究
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院:
信息科学与工程学院系级教学单位:
电子与通信工程系
学
号
学生
姓名
赵玉超
专业
班级
通信3班
题
目
题目名称
基于脑机接口的智能轮椅原型机的研究
题目性质
1.理工类:
工程设计();工程技术实验研究型(√);
理论研究型();计算机软件型();综合型()。
2.管理类();3.外语类();4.艺术类()。
题目类别
1.毕业设计(√)2.论文()
题目来源
科研课题(√)生产实际()自选题目()
主
要
内
容
脑机接口(BCI)是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道,通过这种通道,人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备,而不需要语言或动作,这可以有效增强身体严重残疾的患者与外界交流或控制外部环境的能力,以提高患者的生活质量。
设计一台基于Gtec的8通道脑电图EEG脑机接口的智能轮椅原型机,涉及智能轮椅的单片机设计,上位机和单片机的通信,上位机和gtec脑机接口的通信,等等。
基
本
要
求
1.设计并实现基于单片机的智能轮椅原型机
2.实现智能轮椅和计算机的无线通信
3.gtec脑机接口的操作
4.最终实现gtec脑机接口对智能轮椅的控制
参
考
资
料
1.gtec脑机接口说明书
2.单片机设计
3.无线通信方式如RF,蓝牙技术等
4.魏庆国,基于运动想象的脑—机接口分类算法的研究,清华大学,博士论文
周次
1—4周
5—8周
9—12周
13—16周
17—18周
应
完
成
的
内
容
查阅文献资料、了解和掌握基本知识
设计系统
编程实现
完善系统
完成论文
指导教师:
王金甲
职称:
副教授
2010年3月1日
系级教学单位审批:
2010年3月1日
注:
表题黑体小三号字,内容五号字,行距18磅。
(此行文字阅后删除)
摘要
脑机接口(BCIBrain-ComputerInterface)系统包含三大模块,脑电信号采集,信号处理以及设备控制,其中脑电信号的采集作为系统的第一步,对后续的影响是非常大的。
设备控制作为脑机接口(BCI)技术的最终目的,在BCI系统中扮演着很重要的角色。
本文在查阅大量国内外文献的基础上,吸收现有的BCI技术,制作出完整的基于脑机接口技术的智能轮椅的原型机,主要工作如下:
1、充分阅读国内外文献,了解BCI系统的实现模式,同时紧密跟随国际上BCI软件发展,了解软件功能;
2、研究开源软件BCI2000,结合g.tec公司的脑电信号放大器g.MOBllab+(8通道的EEG版本)建立脑电信号的采集环境,获取EEG信号;
3、建立信号处理系统,对脑电信号进行处理;
4、制作模拟轮椅系统;
5、实现BCI系统各个模块之间的联调。
关键词 脑机接口(BCI);轮椅;无线传输;通信
Abstract
Brain-ComputerInterfacesystemisconsistofthreemodules,whichareEEGacquisition,signalprocessingandequipmentcontrol.Amongthethreemodules,EEGaquipment,asthefirststepofthesystem,hasagreateffectonothermodules.TocontrolequipmentsisthefinalpurposeofBCIsystem,anditplaysa
veryimportantrole.Ihavereadmanyrelativedocumentsandmakeareferencetonowadaystechnologytowritethispaper,andawheelchairbasedonBCItechnologywillbeshownbythetext.Themainworkofthepaperisasthefollowing:
1、readingasmanydocumentsasenoghtostudynowadaysBCIsystem,atthesametime,followingthestepcloselyoftheBCIsoftware,studyingthefuctionofthesoftware;
2、tostudyBCI2000,anopensourcesoftware,andestablishingthemoduleofdataacquisitionwiththeEEGamplifierg.MOBllab+,whichhaseightchannels,producedbyg.tec;
3、tosetupsignalpreocessingsystemtoprocesstheEEGsignal;
4、tomanufacturethemodelofwheelchair;
5、toimplementunitingandadjustmentofeverymoduleofBCIsystem。
Keywords Brain-computer(BCI);wheelchair;wirelesstransmission;communication
第1章绪论
1.1课题背景及意义
智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅,融合多种领域的研究,包括机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及人--机接口等,涉及机械、控制、传感器、人工智能、通讯等技术,也称智能轮椅式移动机器人。
它在运动上实现了真正意义上的在几乎无回转半径下的全方向运动,特别是在保持人体姿势不变条件下的位置调整,对于行走能力弱的人来说是极大的进步,在无需别人照顾的条件下可以自由出入需要的空间,解决了普通轮椅移动要大空间的难题。
同时如果在轮椅上设计出更多的健康增进功能实现人工智能化(例如人性化的人机界面、导航和避障功能等),这种轮椅将有更广阔的前景[1]。
研制智能轮椅不能简单照搬传统机器人的设计方法和理论,必须真正做到以“人”为中心,重点研究智能人机交互问题。
与工业机器人不同,智能轮椅不是执行特定生产任务的电动机械,它的所有服务行为必须通过与人的交互来实现,“人机感知接口”使轮椅能看、能听,能融合多种通道的信息实现对外界环境的认知;也使人能以更方便自然的方式如面部姿态、表情、手势和语音等与轮椅智能交互,将自身的知识和感受传达给轮椅。
勿庸置疑,人机交互问题如果解决不好,将会成为制约智能轮椅发展的瓶颈。
大脑是人身体中的高级神经活动中枢,控制着人体这个复杂而精密的系统,对人脑高级功能及其神经机制进行多学科,多层次的综合研究已经成为当代脑科学发展的热点方向之一。
人的感知、思维、语言以及运动能力,均是通过大脑对人体器官和相应的肌肉群的有效控制来实现。
现实生活中有不少运动功能缺失的残障人士,其中的全身瘫痪者,虽有完整的意识,但已丧失了通过语言或肢体与外界沟通的能力。
脑机接口研究旨在帮助这些残障人士。
自七十年代起,研究人员就尝试构建通过脑波与外界交流的系统。
随着电子和信息技术的发展,脑机接口研究在近十年取得了长足的进步。
目前,脑机接口的应用已由医疗康复领域迅速延展到社会生活的诸多方面。
鉴于脑电信号的复杂性,目前所展示的脑机接口系统均远未成熟,但人们从来就没有放弃利用大脑直接控制外部设备(如轮椅)。
第一次BCI国际会议给出的BCI定义是:
“脑-计算机接口(Brain-ComputerInterface)”是一种不依赖于正常的由外围神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统[2]。
BCI是一种连接大脑和外部设备的实时通信系统,它可以把大脑发出的信息直接转换成能够驱动外部设备的命令,并代替人的肢体或语言器官实现人与外界的交流以及对外部环境的控制。
换言之,BCI系统可以代替正常外围神经和肌肉组织,实现人与计算机之间或人与外部环境之间的通信。
脑电是通过电极在头皮或颅内记录下来的脑细胞群的节律性电活动,是Berger在1929年发现的[3]。
自发现以来,脑电的主要应用有:
①脑功能研究;②疾病诊断;③生物反馈治疗;④推断人的想法或目的,从而构造脑机接口。
脑机接口是脑电的第四种应用。
脑计算机接口(BrainComputerInterface,BCI),简称脑机接口,是指一种不依赖于脑的正常输出通路(即外周神经和肌肉)的脑一机(计算机或其他装置)通讯系统。
脑机接口的出现,使得用人脑信号直接控制外部设备的想法成为可能。
基于脑机接口原理设计的装置有望帮助神经肌肉系统瘫痪的病人实现与外界的交流(例如环境控制、轮椅控制、操作计算机等)。
BCI的出现,使得用人脑信号直接控制外部设备的想法成为可能。
要想实现脑一机接口,必须有一种能够可靠反映人脑不同状态的信号,并且这种信号能够实时(或短时)被提取和分类。
目前可用于BCI的人脑信号的观测方法和工具有:
脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)和功能核磁共振成像(fMRI)等。
由于采集EEG相对简便等原因,因此大多数的BCI研究机构采用的是脑电信号。
人体在接受外界刺激或在自主行为及意识的控制下,所产生的神经电活动信号表现出不同的时空变化模式,将测量到的这些大脑神经系统的电活动信号传送给计算机或相关装置,再经过有效的信号处理与模式识别后,计算机就能识别出使用者的状态,并完成所希望的控制行为。
各个机构的研究思路和方法各不相同,从信号采集的电极位置来看,是入侵式和非入侵时两种。
入侵式是将电极置于颅内,直接从大脑皮层上提取皮层脑电(ECoG)。
这种方法空间分辨率高、位置稳定性好、特异性强、信噪比高、后期处理简单,但是技术困难、有创伤,而且电极植入后还会出现心里和伦理问题,因此不适合广泛的临床应用。
非入侵式是将电极置于头皮上来提取脑电,它具有无创性和灵活性,是目前研究的热点。
从采集的脑电信号的类型上可分为自发脑电和诱发脑电两种。
自发脑电是脑细胞的自发性电活动,是人体在自然状态下就可以记录到的。
脑机接口中使用的自发脑电包括μ节律、β节律、准备电位、皮层慢电位和ERD/ERS(eventrelateddesynchronization/eventrelatedsynchronization,事件相关去同步/事件相关同步)法等。
诱发脑电是指神经系统接受内、外界刺激所产生的特定电活动。
诱发电位有其空间、时间和相位特征,即必须在特定的部位才能检测出来,有特定的波形和电位分布,与刺激有较严格的锁时关系。
脑机接口中主要使用P300法和视觉诱发电位(VisualEvokedPotential,VEP)。
根据刺激信号频率的不同,VEP又可以分为瞬态诱发电位和稳态诱发电位(SteadyStateVEP,SSVEP)。
瞬态诱发电位的刺激频率一般不超过2Hz,在新的刺激到来前,上一次刺激的响应已经结束。
如果刺激的频率大于每秒6次,各次刺激引起的VEP在时间上发生重叠,就形成了SSVEP。
SSVEP经专门的信号处理可以提取出稳健的信号特征,适合作为脑机接口的输入信号。
信号处理和模式识别方法涉及如何从EEG中提取出少量的有用的信息并分类。
BCI转换算法把信号特征(如节律幅值或神经元放电率)转换为具体的控制命令。
分别利用这些信息进行不同脑状态的区分,常用的特征提取算法如:
FFT(FastFourierTransformAlgorithm)、自相关AR(Autoregression)、参数估计、CSP(CommonSpatialPatterns)、Butterworth低通滤波、遗传算法(GeneticAlgohthm,GA)、WELCH周期图。
算法的选择与所利用的信号特征及电极位置有关。
信号处理的目标是最终从信号中识别使用者的意图并执行,系统的首要任务就是最大化。
信噪比,尤其当噪声和信号极为相似时就显得更为重要提高信噪比的技术有很多。
具体有空间及时间滤波方法、信号平均、以及单次识别方法。
特征信号分类是基于脑电信号根据不同的运动或意识能使脑电活动产生不同响应的特性,确定运动或意识的类型与特征信号之间的关系。
信号分类结果的好坏取决于两个方面的因素:
一是要进行分类的特征信号是否具有明显的特征,即特征信号的性质;二是分类方法是否有效。
几种具有代表性的BCI特征信号分类综述如下:
人工神经网络、贝叶斯分类器、线性分类器、支持向量机等。
在完成了脑电信号的获取、特征识别和分类之后,即可根据这种体现人的意念的特征向量,按照人的意图通过计算机实现对外部环境的控制。
随着神经生物学、临床医学、材料科学和计算机科学的发展,脑机接口技术诶神经系统和周围环境的信息通信提供了一个崭新的交互界面,并广泛应用于神经科学,医学康复和军事等领域。
BCI应用的最初定位的是医疗康复,通过BCI系统给高度瘫痪或者行动不便的病人提供一个新的交流、控制手段。
病人可以通过BCI系统在计算机上进行打字或者控制轮椅行动,甚至控制假肢帮助移动和抓取
在过去10年里,BCI技术的研究发展十分迅速,1995年全世界只有约6个研究小组专门从事BC的研究,1999年则超过了20个,到2002年则有近40个[4],他们在BCI的基础研究和应用研究都取得了丰硕的成果。
并且先后于1999年6月、2002年6月和2006年在美国召开了三次有关BCI的国际学术会议[5]。
又先后在2001、2003、2005、2008组织了四次BCI的信号处理和模式识别竞赛活动。
国外研究者主要来自美国WadsWorth中心、德国Tubingen大学、奥地利Graz理工大学、意大利等,国内研究机构目前有报导的有清华大学、重庆大学、上海交通大学、华中科技大学、中南民族大学、电子科技大学,其中清华大学研究最为深入。
BCI的研究涉及多个学科:
神经科学、生物医学、计算机科学、康复医学等。
作为年轻的研究领域,大量复杂的问题有待于解决。
将BCI用于实际还面临很多挑战,主要可归纳为以下4类。
(1)信息传输率(带宽):
即使是有经验的测试者操作最快的BCI系统,目前的最大传输率也才50bits/min,相当于每分钟6个字符,这对正常的对话与交流仍然太慢。
(2)高误差率:
这是影响信息传输率的重要因素。
(3)自动化程度:
理论上,对运动功能严重失常的病人,BCI系统应该由他完全控制。
然而事实上现有的BCI系统都需要照顾者的参与,如系统的安装、启动、初始化、关闭等,即使可以由病人自己关闭,但重新启动存在困难。
(4)环境适应性:
大多数BCI系统还只是在安静的实验室环境中进行测试,实际应用可能面临更复杂的环境,包括任务本身的认识程度、情绪反应、注意力、安全因素等。
要使BCI系统真正实用,除了解决以上问题外,还必须在以下各方面开展更深入的研究:
(1)BCI系统的临床测试研究。
(2)BCI的训练。
为了提高BCI的实用性,必须考虑用户的接受程度与训练方法,减少电极的数量,缩短训练时间。
(3)信号处理及分类算法。
提高BCI的信息传输率,减少分类误差,在很大程度上取决于信号处理与分类算法。
(4)BCI系统应该轻便、兼容性好,以便在医院或家里能方便地使用;系统的使用与操作应尽量简单,电极易放置;BCI设备的价格应适中。
(5)国内对BCI的研究还处于起步探索阶段,适合中国国情的BCI系统尚有许多工作要开展。
以拼写汉字进行交流为例,由于汉字拼写比英语更复杂,因此要帮助病人实现正常的交流,难度将更大。
1.2本文结构以及主要研究工作
本论文的选题在脑机接口日益成为研究热门的情况下,主要研究基于BCI的智能轮椅原型机,内容包含如何获取脑电信号,脑电信号的处理方法的选取,控制命令的输出以及轮椅原型机的控制。
本文分别从硬件和软件两个方面上对BCI的各个模块进行介绍。
以下是本文的内容安排:
本章总数了脑-机将诶口研究背景,分析了目前国内外脑-机接口的研究状况,提出了当前脑-机接口状况存在的主要问题。
第二章主要介绍系统的整体设计方案,并从数据获取、数据处理、控制输出以及设备控制几个方面介绍了硬件的选型。
第三章、第四章主分别从硬件和软件方面介绍了各个模块。
控制命令的输出通过计算机串口传输至无线发射模块nRF905,再通过无线方式传输至模拟轮椅。
第五章着重介绍系统的测试以及参数的确定。
第2章系统整体设计方案
2.1系统方案
总的来说,BCI的结构可以分为:
数据采集,数