基于实时脑机接口的无线遥控车系统

论文摘要

脑机接口（Brain-Computer Interface,BCI）是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立不依赖于常规大脑信息输出通路（外周神经和肌肉组织）的全新对外信息交流和控制技术。脑机接口的一个重要途径是为那些思维正常但有严重功能障碍的患者提供语言交流和环境控制途径,提高其生存质量。研究和发展BCI技术最主要的目的在于设计出基于脑电的控制装置以帮助严重的残疾患者实现与外部环境进行交流和控制。由于脑机接口研究具有重要的临床应用价值,已成为国内外康复医学工程和生物医学工程研究的热点。瞬态视觉诱发电位易于检测,不容易引起视觉疲劳,适合应用于实时脑机接口系统,FPGA功能强大,易于修改和升级,本文利用瞬态诱发电位,在基于FPGA的脑机接口实时系统基础上,开展了脑机接口系统的应用技术研究,提出了基于实时脑机接口的无线遥控车系统设计方案。本文利用FPGA设计新的VGA彩色视觉刺激器以更好的提取瞬态视觉诱发电位,采用液晶显示器作为刺激器的显示平台,受试者眼睛不易疲劳,利用VHDL设计彩色棋盘格刺激界面,界面色彩更加显著,易于接受,诱发电位更加明显。为了提高脑机接口系统的实时性,本文设计了基于LabVIEW实时提取视觉诱发电位模板,并回送给FPGA的方法。利用LabVIEW读取FPGA的串口数据并进行处理,实时显示数据波形,分析得出实验所需的模板,然后回送给FPGA进行判别。利用基于FPGA的波形匹配识别算法对视觉诱发电位波形进行模式识别,研究了基于视觉诱发电位时域特征的识别算法,并分别进行脑电实验,对比分析了几种识别算法的实验效果。本文构建了基于脑机接口的无线遥控车系统。通过使用者注视VGA视觉刺激器,得到相应的视觉诱发电位,脑电信号经脑电采集电路进入FPGA,FPGA通过模式识别,确定使用者注视刺激器对应位置的目标,产生对应的高低电平组合脉冲并通过FPGA的外扩管脚输出到遥控器,遥控器编码电路进行编码,通过天线发出对应的脉冲,遥控车上天线接收,经过解码电路转化为对应的编码,从而控制遥控车前后左右运动。作者成功地开展了基于脑机接口的无线遥控车系统实验。实验结果表明,本文提出的基于脑机接口的无线遥控车应用系统的方案是可行的,提高了系统的实时性和识别率,有利于提高脑机接口应用系统的实用性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 脑机接口的基本概念及研究意义
• 1.1.1 脑机接口的概念
• 1.1.2 脑机接口的结构
• 1.1.3 脑机接口的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 脑电信号的介绍
• 1.2.2 脑机接口的研究方法
• 1.2.3 FPGA 简介
• 1.2.4 国内外研究现状及存在的问题
• 1.3 本文研究目的及研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 2 基于 FPGA 的 VGA 彩色视觉刺激器
• 2.1 脑机接口的视觉刺激器
• 2.1.1 视觉诱发电位应用的原理
• 2.1.2 刺激器的设计要求和实现方式
• 2.1.3 刺激图形的设计
• 2.2 VGA 显示原理
• 2.2.1 VGA 系统的原理
• 2.2.2 VGA 系统的显示时序
• 2.3 基于FPGA 的VGA 彩色视觉刺激器设计
• 2.3.1 基于FPGA 的视觉刺激器
• 2.3.2 基于FPGA 的VGA 控制器设计
• 2.3.3 视觉刺激器实例
• 2.3.4 视觉刺激器总结
• 3 基于 LabVIEW 实时选取模板
• 3.1 脑机接口中提取模板的方法
• 3.2 LabVIEW 简介及优势
• 3.3 基于实时选取模板设计原理
• 3.4 基于实时选取模板编程流程
• 3.5 基于实时选取模板界面
• 4 视觉诱发电位提取与识别算法及 FPGA 实现
• 4.1 引言
• 4.2 信号模式识别方法
• 4.3 累加平均法的原理及FPGA 实现
• 4.3.1 累加平均算法的原理
• 4.3.2 累加平均算法的FPGA 实现
• 4.4 FIR 滤波器设计
• 4.5 基于波形相关的信号识别方法
• 4.5.1 波形相关法的原理
• 4.5.2 波形相关法的FPGA 实现
• 4.5.3 提取模板
• 4.6 基于时域特征的信号识别方法
• 4.6.1 视觉诱发电位的时域特征
• 4.6.2 基于时域特征结合相关系数的识别算法原理
• 4.6.3 嵌入式逻辑分析仪仿真结果
• 5 基于实时脑机接口的无线遥控车系统
• 5.1 基于实时脑机接口的无线遥控车系统设计
• 5.2 无线遥控车技术原理
• 5.2.1 无线遥控器的类型
• 5.2.2 无线遥控距离的影响因素
• 5.2.3 无线遥控器的应用领域
• 5.3 无线遥控车系统
• 5.3.1 无线遥控车系统结构
• 5.3.2 无线遥控车系统抗干扰措施
• 5.3.3 无线遥控器与FPGA 接口电路设计
• 5.4 无线遥控车控制的FPGA 实现
• 6 脑机接口实验研究
• 6.1 脑机接口通讯速率
• 6.2 脑机接口实验设计
• 6.2.1 脑机接口实验过程
• 6.2.2 脑电信号的采集
• 6.3 脑机接口实验
• 6.3.1 脑机接口实验方法
• 6.3.2 实验结果及分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录:
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录: