基于ssvep的脑控飞行器的研究与实现(附件)【字数：10886】
摘 要随着计算机技术的不断发展，人机接口（human computer interface）扮演着越来越重要的角色，BCI技术为人们提供了一种与外界交流的新方式。脑-机接口的发展促进了各个交叉学科间的紧密合作，在医学工程方面、休闲娱乐领域等有所体现。而飞行器随着传感器，处理器的发展已经在很多领域有了应用。并且如今用“意念“控制身边的设备越来越流行，也是当今世界研究的热点。本文主要研究基于SSVEP脑控飞行器研究与实现。本文在设计的过程中，通过4个步骤来实现，首先是信号采集系统，本次研究采用的是由LCD作为刺激器，然后利用脑电采集器进行信号处理系统，将采取到的脑电信号进行预处理、特征提取和识别分类。其次，完成了基于STM32的微型四旋翼，实现了飞行器的飞行。最后通过通信模块完成脑电采集器通信，实行大脑控制飞行器的目的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究与意义 1
1.2 研究现状 2
1.3 本文研究的内容和方法 2
第二章 系统飞行器硬件设计 4
2.1系统飞行器硬件方案概述 4
2.2系统飞行器硬件设计 4
2.2.1 主控电路模块 4
2.2.2 姿态传感器模块 5
2.2.3 电源模块 6
2.2.4电池电压检查模块 7
第三章 SSVEP系统设计 8
3.1 视觉刺激器的设计 8
3.1.1 稳态视觉电位（SSVEP）介绍 8
3.1.2 视觉刺激器的类型和参数 8
3.1.3 LCD刺激器的设计 9
3.2脑电采集器的使用 10
3.2.1 导电盐水的配置 11
3.2.2 电极帽的安装 11
3.2.3 网络配置 12
3.2.4 阻抗调试 13
第四章 系统软件设计 15
4.1 软件开发平台介绍 15
4.2飞行器软件设计主流图介绍 15
4.3姿态算法介绍 16
4.4 PID算法介绍 18
4.4.1 PID控制简介 18
4.4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
PID整定手段 18
4.4.3串级控制器 19
4.5无线通信控制 21
第五章 系统测试 23
5.1 四轴PID参数整定 23
5.2 脑控飞行器识别测试 25
结束语 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A 硬件PCB图 31
第一章 绪论
1.1课题研究与意义
现如今，随着经济的快速发展，科技也在飞速地发展着。这促使了人机接口（human computer interface）在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，而BCI技术为人们与外界交流开辟了新的途径。目前的常规的治疗技术对于那些大脑输出通道受损，或者那些如脑中风，脑干等一些严重的神经病来说，并没有特别好的成效。但是BCI（脑机接口）技术就有效地帮助他们实现了与外界的交流，使他们的生活质量提升到了一个新的层次。比如它实现基于脑电控制的轮椅这这种脑机技术应用[1]。
目前，脑机接口（BrainComputer Interface）的研究领域越来越广泛，它的学术价值、科学意义和应用前景重点体现在以下几个方面：
1、医学工程方面：现如今，通过 SSVEP的脑机接口技术，脑部严重损伤的患者直接靠想象就可以实现与外界环境的交流沟通，甚至可以控制仪器设备。原因就在于SSVEP的脑机接口技术不需要常规的动作或者语言来实现对外界环境的控制。它的这一大优点俨然逐渐使BCI技术成为医学康复，神经学等研究领域的一大热点。BCI技术也将成为医学康复、神经科学领域发展的一个重要的里程碑，它不仅是弥补常规治疗方面存在的缺陷，还为患者提供一种全新的生活方式。
2、休闲娱乐领域：在计算机技术不断提高之下，目前，已经有公司开发出脑机接口技术的休闲娱乐游戏。例如，美国Emotiv Systems公司就推出了一款可穿戴脑电设备Emotiv EPOC,它可以用来收集和分析人脑实时产生的脑信号，通过计算机处理后的信号可以快捷的实现人对游戏的控制。
3、促进交叉学科间的交流：BCI（脑机接口）的发展不是某一个研究领域的成果，它的技术涉及到各个领域，比如，神经学、心理学、计算机学科、电气学等多个领域，它的发展促进了各个学科间技术的交流与融合[2]。
飞行器随着传感器、处理器的有了很大的发展，也掀起了热潮，吸引很多的研究者的研发，它也很快成为新的研究热点之一。它具有很强的适应环境能力。它可以实现多种姿态飞行，如悬停、向前飞行、侧向飞行等。现在四旋翼已经大量应用在很多领域，如军队应用丛里的监视和侦察、空中侦察、战术侦察，政府应用在森林防火、城市规划等。未来四旋翼有更大的前景。
如今用大脑控制设备的技术不再是幻想，用“意念”控制身边的设备越来越流行，脑控飞行器不仅具有很高的娱乐性，同时也具有很强的科技属性，因此本课题围绕着脑控飞行器进行研究与实现。
1.2 研究现状
脑机接口的研究历史可以追溯到20世纪20年代，当时Hans Berger 证实在头皮上放置电极可以查看到脑电信号活动情况，并发布了相关论文。在此之后此后研究人员也不断的研究，成功的研制了脑电信号驱动的交流系统，正式提出了“脑机接口”该术语，大大推动了脑电技术的发展。随后美国的John Donoghue和Philip Kennedy为了推动这项技术的发展，分别创立Cybernetics公司和Neural Signals公司[3]
目前，随着计算机不断的发展和人们不断对脑电信号的探究与摸索，脑机接口有了很大的发展，脑机接口技术也运用到了生活中，如基于BCI的轮椅机器人中的康复轮椅就是典型的应用，同时脑机接口应用于娱乐游戏，通过脑控控制游戏中的人物。国际上也举行BCI Race等研究比赛推动的脑机接口的发展。由此可见，脑控接口技术在心里治疗、游戏、电子设备操控等领域有巨大潜能，随着研究不断的深入，将脑控技术应用与各个领域将变得更加成熟、可靠和实用。
1.3 本文研究的内容和方法
该课题是设计基于SSVEP的脑机接口来实现控制飞行器。要将脑电信号转换成控制飞行器飞行的控制指令，是需要通过采集人体脑电信号，对信号进行预处理、信号特征提取和信号识别分类这些步骤。信号处理是通过脑电刺激器采集，它所采用的方式是通过一个带无线WIFI的8通道便携式脑电信号采集系统。基于SSVEP的视觉刺激则是利用LABVIEW实现的，其刺激频率可以通过软件实现控制[4]。便携式脑电采集器中的信号预处理则是利用基于MATLAB的巴特沃斯滤波器进行滤波处理，处理好的信号通过快速傅里叶变换和小波变换进行特征提取，通过分析大量数据分析，对处理好的信号特征提取，取出我们需要的特定的频率，以进一步实现下一步脑电信号的识别。最后一步则是将选出的特定频率的脑电信号进行识别分类，使外部电子设备的上下左右能与我们人脑发出上下左右的频率一一对应，从而达到控制目的。而飞行器以STM32芯片为核心设计实现[5]，其总体框图如图1所示
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究与意义 1
1.2 研究现状 2
1.3 本文研究的内容和方法 2
第二章 系统飞行器硬件设计 4
2.1系统飞行器硬件方案概述 4
2.2系统飞行器硬件设计 4
2.2.1 主控电路模块 4
2.2.2 姿态传感器模块 5
2.2.3 电源模块 6
2.2.4电池电压检查模块 7
第三章 SSVEP系统设计 8
3.1 视觉刺激器的设计 8
3.1.1 稳态视觉电位（SSVEP）介绍 8
3.1.2 视觉刺激器的类型和参数 8
3.1.3 LCD刺激器的设计 9
3.2脑电采集器的使用 10
3.2.1 导电盐水的配置 11
3.2.2 电极帽的安装 11
3.2.3 网络配置 12
3.2.4 阻抗调试 13
第四章 系统软件设计 15
4.1 软件开发平台介绍 15
4.2飞行器软件设计主流图介绍 15
4.3姿态算法介绍 16
4.4 PID算法介绍 18
4.4.1 PID控制简介 18
4.4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
PID整定手段 18
4.4.3串级控制器 19
4.5无线通信控制 21
第五章 系统测试 23
5.1 四轴PID参数整定 23
5.2 脑控飞行器识别测试 25
结束语 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A 硬件PCB图 31
第一章 绪论
1.1课题研究与意义
现如今，随着经济的快速发展，科技也在飞速地发展着。这促使了人机接口（human computer interface）在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，而BCI技术为人们与外界交流开辟了新的途径。目前的常规的治疗技术对于那些大脑输出通道受损，或者那些如脑中风，脑干等一些严重的神经病来说，并没有特别好的成效。但是BCI（脑机接口）技术就有效地帮助他们实现了与外界的交流，使他们的生活质量提升到了一个新的层次。比如它实现基于脑电控制的轮椅这这种脑机技术应用[1]。
目前，脑机接口（BrainComputer Interface）的研究领域越来越广泛，它的学术价值、科学意义和应用前景重点体现在以下几个方面：
1、医学工程方面：现如今，通过 SSVEP的脑机接口技术，脑部严重损伤的患者直接靠想象就可以实现与外界环境的交流沟通，甚至可以控制仪器设备。原因就在于SSVEP的脑机接口技术不需要常规的动作或者语言来实现对外界环境的控制。它的这一大优点俨然逐渐使BCI技术成为医学康复，神经学等研究领域的一大热点。BCI技术也将成为医学康复、神经科学领域发展的一个重要的里程碑，它不仅是弥补常规治疗方面存在的缺陷，还为患者提供一种全新的生活方式。
2、休闲娱乐领域：在计算机技术不断提高之下，目前，已经有公司开发出脑机接口技术的休闲娱乐游戏。例如，美国Emotiv Systems公司就推出了一款可穿戴脑电设备Emotiv EPOC,它可以用来收集和分析人脑实时产生的脑信号，通过计算机处理后的信号可以快捷的实现人对游戏的控制。
3、促进交叉学科间的交流：BCI（脑机接口）的发展不是某一个研究领域的成果，它的技术涉及到各个领域，比如，神经学、心理学、计算机学科、电气学等多个领域，它的发展促进了各个学科间技术的交流与融合[2]。
飞行器随着传感器、处理器的有了很大的发展，也掀起了热潮，吸引很多的研究者的研发，它也很快成为新的研究热点之一。它具有很强的适应环境能力。它可以实现多种姿态飞行，如悬停、向前飞行、侧向飞行等。现在四旋翼已经大量应用在很多领域，如军队应用丛里的监视和侦察、空中侦察、战术侦察，政府应用在森林防火、城市规划等。未来四旋翼有更大的前景。
如今用大脑控制设备的技术不再是幻想，用“意念”控制身边的设备越来越流行，脑控飞行器不仅具有很高的娱乐性，同时也具有很强的科技属性，因此本课题围绕着脑控飞行器进行研究与实现。
1.2 研究现状
脑机接口的研究历史可以追溯到20世纪20年代，当时Hans Berger 证实在头皮上放置电极可以查看到脑电信号活动情况，并发布了相关论文。在此之后此后研究人员也不断的研究，成功的研制了脑电信号驱动的交流系统，正式提出了“脑机接口”该术语，大大推动了脑电技术的发展。随后美国的John Donoghue和Philip Kennedy为了推动这项技术的发展，分别创立Cybernetics公司和Neural Signals公司[3]
目前，随着计算机不断的发展和人们不断对脑电信号的探究与摸索，脑机接口有了很大的发展，脑机接口技术也运用到了生活中，如基于BCI的轮椅机器人中的康复轮椅就是典型的应用，同时脑机接口应用于娱乐游戏，通过脑控控制游戏中的人物。国际上也举行BCI Race等研究比赛推动的脑机接口的发展。由此可见，脑控接口技术在心里治疗、游戏、电子设备操控等领域有巨大潜能，随着研究不断的深入，将脑控技术应用与各个领域将变得更加成熟、可靠和实用。
1.3 本文研究的内容和方法
该课题是设计基于SSVEP的脑机接口来实现控制飞行器。要将脑电信号转换成控制飞行器飞行的控制指令，是需要通过采集人体脑电信号，对信号进行预处理、信号特征提取和信号识别分类这些步骤。信号处理是通过脑电刺激器采集，它所采用的方式是通过一个带无线WIFI的8通道便携式脑电信号采集系统。基于SSVEP的视觉刺激则是利用LABVIEW实现的，其刺激频率可以通过软件实现控制[4]。便携式脑电采集器中的信号预处理则是利用基于MATLAB的巴特沃斯滤波器进行滤波处理，处理好的信号通过快速傅里叶变换和小波变换进行特征提取，通过分析大量数据分析，对处理好的信号特征提取，取出我们需要的特定的频率，以进一步实现下一步脑电信号的识别。最后一步则是将选出的特定频率的脑电信号进行识别分类，使外部电子设备的上下左右能与我们人脑发出上下左右的频率一一对应，从而达到控制目的。而飞行器以STM32芯片为核心设计实现[5]，其总体框图如图1所示
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