LabVIEW開發(fā)基于腦機接口的航空航天相機載體

腦機接口是人腦與外部世界之間的直接通信渠道。腦機接口是一個全新的人機界面系統(tǒng)。該系統(tǒng)獲取和分析生物電信號，目標(biāo)是直接在大腦和外部設(shè)備之間創(chuàng)建一個通信通道。計算機或微處理器的發(fā)展提高了復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理能力。生物電信號處理技術(shù)，特別是腦電特征提取算法，使實時腦機接口系統(tǒng)成真。

系統(tǒng)設(shè)計的基于P300的在線腦機接口系統(tǒng)，用于在航空航天的太空飛船外拍照。包括三個設(shè)備：視覺刺激顯示器，腦電采樣處理設(shè)備和自行設(shè)計的機器人。在LabVIEW平臺上設(shè)計的視覺刺激有八種選擇的范式。選擇DSP作為微處理器，對視覺誘發(fā)電位進(jìn)行采樣，并提取P300特性進(jìn)行機器人控制。該機器人被設(shè)計為一個六向自由操縱器來攜帶相機，并具有兩個拍照操作。

腦電圖采樣和處理設(shè)備在人與機器人之間形成橋梁非常重要。設(shè)備中包括兩個模塊，一個是前言腦電預(yù)處理，另一個是P300提取。

信號預(yù)處理是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。根據(jù)信號流，有電極、屏蔽線、放大器、AD轉(zhuǎn)換前的DSP。腦電信號的電壓介于5μV和1000μV。它太小，無法采樣和檢測。腦電放大器旨在放大微小信號。放大器包括三個部分：電力隔離器、50Hz波形捕獲電路和模擬放大器。頻率帶寬設(shè)置在0.25到100Hz之間。電隔離器用于分離公共GND連接，以減小紋波干擾。50Hz波形捕獲電路用于消除電源和電磁鐵干擾。模擬放大器設(shè)計用于放大EEG信號。放大倍數(shù)為20000。

基于VEP腦機接口系統(tǒng)，采用小波分析提取P300。腦電圖處理包括兩個步驟：一個是信號去噪，另一個是P300提取。前一步旨在提高信號噪聲比，后一步是從EEG中提取有用的特征。腦電圖處理有四個步驟：低通濾波、小波到趨勢基線漂移消除、單除法塊平均值和小波去噪。

由于機器人被應(yīng)用為相機的載體，因此機器人必須適合相機在航空航天中的移動和操作。機器人被設(shè)計為攜帶相機的操縱器。

機器人包含1個旋轉(zhuǎn)模塊和2個移動模塊，對于旋轉(zhuǎn)模塊，采用直流電機作為驅(qū)動裝置，而步進(jìn)電機用于移動模塊。此外，旋轉(zhuǎn)模塊還配備了分辨率為500p/n的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，以提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號。在2個移動模塊的末端，安裝了跳閘開關(guān)，以將范圍限制在0～256米.對于旋轉(zhuǎn)模塊，有2個電磁接近開關(guān)，使整個支柱在±180度范圍內(nèi)移動。機器人實現(xiàn)終端是由方向舵控制的夾具。

腦機接口和機器人之間應(yīng)用兩種類型的通信，一種是RS-485，另一種是無線局域網(wǎng)。D-link無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品用于無線連接設(shè)備。為了表達(dá)機器人的移動和操作順序，通信協(xié)議中需要簡單的編碼/解碼。

基于P300的視覺刺激界面由三部分組成：對話框左半部分的閃爍塊，上面的方法選擇和反饋結(jié)果以及對話框右半部分底部的采樣數(shù)據(jù)設(shè)置。

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在航空航天中沒有測試的條件，因此測試是在實驗室進(jìn)行的。為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，命令是隨機的。在實驗中，引導(dǎo)者下達(dá)命令并打開系統(tǒng)。進(jìn)行正常測試和模擬測試以分析更多數(shù)據(jù)。

受試者以50厘米的距離坐在LCD顯示器前，凝視著正常測試對話框中記錄的選定塊。在每個命令開始之前，每個主題有10秒的準(zhǔn)備時間。在實驗過程中，受試者應(yīng)高度集中注意力，不要眨眼，受試者必須保持閃爍塊停止后2秒的狀態(tài)。大約3秒后，模式識別的結(jié)果通過DSP和PC的通信出現(xiàn)在顯示器中。同時，將訂單發(fā)送到機器人微控制器以移動或操作相機載體。每個受試者重做實驗3-4次。此外，連續(xù)的訂單可以在LabVIEW平臺中作為一行輸入。疲勞下的受試者導(dǎo)致測試結(jié)果不佳，因此命令數(shù)量不超過4個。

基于事件相關(guān)電位P300腦機接口的相機載體專為航空航天應(yīng)用而設(shè)計。兩個因素用于評估腦機接口，一個是準(zhǔn)確率，另一個是速度。腦機接口研究的關(guān)鍵問題仍然是如何提高腦電圖模式識別的準(zhǔn)確性。

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