[發明專利]一種基于便攜式眼電采集裝置的無人機控制系統

在審

• 申請號: 202110067755.3
• 申請日: 2021-01-19
• 公開（公告）號: CN112904893A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 李遠清;丁凌崧;瞿軍
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 謝建華

1.一種基于便攜式眼電采集裝置的無人機控制系統，其特征在于：系統包括眼電采集裝置、眼電刺激模塊和無人機模塊，眼電采集裝置由主從機兩部分構成，兩者之間采用無線通信方式進行信息傳輸，近距離無線通信方式包括Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee和NFC，主從機上電后都需要進行初始化流程，包括時鐘初始化、板載外設初始化和藍牙的GAP層及GATT層的初始化；接著從機進入廣播狀態，在2.4GHz頻段的三個廣播信道中發送廣播包，包含從機的設備名稱、UUID和設備地址等信息，而主機則進入掃描狀態，根據預設的對端特征尋找目標設備，進而在主從機之間建立連接；從機在與主機建立連接后進入數據采集階段，通過高精度的AD芯片和生物電極從用戶的頭部獲取EOG信號，采用的是單極導聯方式，REF參考電極和RLD右腿驅動電極均置于耳后，而EOG信號電極置于額頭處，在MCU中設置10ms的定時器以100Hz的頻率采集數據；在MCU中進行預處理后通過藍牙協議將數據發送到主機端，主機再將接收到的數據通過串口發送到眼電采集模塊，進而可以根據實時數據繪制眼電波形；

眼電刺激模塊為PC或者平板電腦，運行有控制系統的上位機軟件，眼電刺激界面上的每一個閃爍按鈕對應一個無人機的控制指令；處于眼電訓練狀態下時，界面上的任意一個按鈕會以600ms的間隔閃爍，閃爍態和非閃爍態有不同的背景色和文字色，用戶需要跟著按鍵的閃爍進行同步的眨眼動作，通過至少10次的訓練獲取眼電識別所需的參數，具體的提取方法如下；將采集到的EOG數據波形進行帶通濾波(0.1-20Hz)，提取按鍵閃爍后600ms的數據段進行去基線處理，基線段一般為前100ms數據的平均值；f(t)表示眼電預處理后的波形，f'(t)表示經過一階差分后的波形，這兩種波形通常呈現近似正弦波(波峰在前波谷在后)的形式，用t_peak和t_valley來表示f'(t)的波峰波谷對應的時間點；由這些參數可以得到用于決策過程的兩個變量：波峰波谷之間的時間間隔t_interval和波峰波谷之間的累積能量e；

計算這至少10次訓練的t_interval和e，將這些數據從小到大排序后，選擇e數據中80％位置(向上取整)的數據作為能量閾值E的值，選擇t_interval數據中10％和90％位置的數據作為時間閾值T_min和T_max的值，這三個閾值會在系統運行狀態下作為決策因子使用；

訓練結束后系統會進入運行狀態，此時刺激界面上的所有按鍵會按照順時針或者逆時針的順序持續閃爍，時間間隔為300-500ms；用戶只需要跟隨按鍵閃爍進行眨眼就能選中對應的指令，為了避免正常眨眼帶來的誤觸操作，同一個按鍵要被連續選中2-3次才能被判定為正確操作的結果，被選中的按鍵還將常亮一段時間以提示用戶；判斷用戶眨眼行為的決策算法如下：

對應的按鍵被選中后，眼電刺激模塊將無人機的控制指令通過數傳模塊發送到無人機端，無人機就會執行相應的動作；前進和停止對應無人機飛行狀態的改變指令，上升和下降表示無人機垂直方向高度的調節，左轉和右轉將改變無人機的偏航角，加減速則會調節無人機飛行時的速度；

無人機模塊的硬件由主控板、傳感器、數傳模塊和機架構成，傳感器由加速度計、陀螺儀、磁力計和氣壓計構成，主控板通過I2C和SPI接口可以獲取傳感器的原始數據，然后通過姿態解算算法獲取到無人機當前的姿態及高度信息；數傳模塊通過PPM傳輸格式給無人機下達控制指令；

軟件包括濾波器設計、姿態解算和控制器設計三個部分；傳感器輸出的原始數據包含多種噪聲，通過濾波器可以去除這些噪聲并使波形變得平滑穩定，有利于提升控制器的穩定性和魯棒性；姿態解算采用互補濾波算法結合梯度下降算法完成四元數的更新，濾波后的傳感器數據在姿態解算算法處理后，再經歐拉角變換得到無人機的偏航角、俯仰角和翻滾角；控制器部分采用PID算法，在姿態解算部分得到的歐拉角和電機轉速之間建立比例、積分和微分關系，控制無人機的左右偏航、前后俯仰和垂直升降等動作。

2.根據權利要求1所述的一種基于便攜式眼電采集裝置的無人機控制系統，其特征在于：MCU中進行的預處理可以是均值濾波或者卡爾曼濾波。