采用Arduino平臺腦電控制輪椅運動的研究

白惠熔　劉旭　吳佳桐

摘要 本論文主要是基于Arduino平臺設計了一種智能控制輪椅的控制系統。主要進行了腦電波的采集并對后期輸出的數據進行解析，采用Arduino uno解析數據及控制小車，最終實現了利用專注度和放松度的不同來控制輪椅運動狀態。

關鍵詞 腦電波；mindband；Arduino語言

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）159-0083-01

隨著社會老齡化進程的加快以及各種工傷事故的增加。智能輪椅收到了世界各國研究者的廣泛關注。

腦機接口（braincomputerinterface，簡稱BCI）有時也稱作“大腦端口”或者“腦機融合感知”，它是在人或動物腦（或者腦細胞的培養物）與外部設備間建立的直接連接通路。在單向腦機接口的情況下，計算機或者接受腦傳來的命令，或者發送信號到腦（例如視頻重建），但不能同時發送和接收信號，而雙向腦機接口允許腦和外部設備間的雙向信息交換。本設計最終達到通過專注度的不同數值達到控制輪椅運動狀態的控制。

1 系統控制原理

本設計由Mindband腦電波傳感器采集腦電波數據，通過內部ThinkGear芯片對采集數據進行處理，由內置藍牙傳輸數據。小車接收部分采用藍牙模塊，得到的數據經過arduino uno處理后輸出給小車驅動電路，進而實現腦電波控制小車的目的。

2 系統設計

2.1 腦電信號的采集

本系統采用的腦電信號采集設備是NeuroSky公司開發的TGAM芯片，通過計算參考電勢來消除干擾，幫助降噪。

2.2 腦電信號去噪

傳感器采集的腦電信號雖然經過了放大和濾波等處理，但是還會伴有各種生理干擾，如眼電、心電和肌電等偽跡信號。為了降低偽跡信號對腦電信號分析的影響，我們要對腦電信號進行去噪。ThinkGear采用一字節無符號整型數值描述信號噪聲，噪聲范圍在0到200之間。0表示在整個通信過程中沒有噪聲輸出。通常，數值越高，表示噪聲越多。然而，當噪聲值達到200時，有著特殊的含義，表示ThinkGear沒有與使用者的皮膚接觸。

eSense是NeuroSky用于以數字化參數方式對人的當前精神狀態進行度量的專利算法。eSense參數用于描述被試者進入專注狀態（類似于注意力集中程度）或者冥想狀態（類似于精神放松程度）的程度。即使NeuroSky的濾波技術和其特有的eSense算法已經偵測、修正和補償方面做了努力，其中包含了多種非正常腦電噪聲，不過一些噪聲還是不可避免的。

2.3 特征提取

腦電的特征提取是腦機接口系統的重要組成部分，腦電信號的特征提取的目的就是將記錄的腦電信號轉換為能表達不同意識任務的特征向量，從而將分類器提供最優的輸入。

2.4 控制實現

2.4.1 原始腦電波數值（RAW）

原始腦電數據由2字節構成，有符號的16位整型范圍由32768到32768。第1個字節代表高八位，第2個字節代表低8位。通常情況下，每秒鐘輸出512次raw，大約每2ms輸出一次。

2.4.2 ThinkGear數據包格式

ThinkGear數據包格式由3部分組成：數據包頭、信息有效數據載荷、有效數據校驗和。ThinkGear數據包被用來從ThinkGear模塊組件向任意一個接收設備傳遞數據。數據包發送的是異步串行數據，其發送媒介可能是UART、串行COM、USB、藍牙、或者是其他任何能夠傳遞數據流的機制。

2.4.3 TGAM芯片與輪椅的調試

經過特征分類后，Emotiv的應用程序編程接口將分類結果：人為地有意識地做冥想、放松、集中注意力、保持松懈4種思維運動，從而控制Attention（專注度）和Meditation（放松度）兩類特征參數，并通過串口藍牙將數據傳到輪椅控制終端。輪椅搭載krduinoUNOR3開發板，通過ArduinoIDE將數據處理及機械控制程序寫入開發板，利用上述兩類特征參數的變化進行輪椅的二維運動控制，上述的4種思維運動分別對應4個運動控制指令：左轉、右轉、前進和停止。

對于以上關系在此做一些說明：運動想象和輪椅運