一种基于脑机接口的载人飞船非接触式操控方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于脑机接口的载人飞船非接触式操控方法，通过脑电信号采集器（1)、脑电放大器（2)、计算机（3)、信号特征提取模块(4)、信号特征分类模块（5)、显不模块（6)、输出指令判断t吴块（7)和指令输出t吴块（8)实现。航天员注视不同频率闪烁的LED指令键，通过脑电信号采集器（1)进行脑电采集，脑电放大器（2)对脑电信号进行滤波放大后进入计算机（3)中，通过信号特征提取模块（4)与信号特征分类模块（5)进行辨识，对辨识后的信号进行判断与选择，使正确的指令输出控制载人飞船。本方法实现指令远程准确输入，突破航天员远距离操纵指令杆不便的瓶颈，提升飞船的操控性，同时对航天员身体进行保护。
【专利说明】一种基于脑机接口的载人飞船非接触式操控方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种载人飞船操控方法，特别是一种基于脑机接口的载人飞船非接触 式操控方法。
【背景技术】
[0002] 由于空间环境异常恶劣，而且在载人飞船上升阶段的高加速度带来的超重感，以 及在空间环境中的失重状态，这都给航天员指令操控带来了极大不便。目前，航天员在舱内 仍是通过指令杆或手指触碰的方式输入指令进行飞船的操控，而飞船在空间运行的不稳定 性导致指令输入的误操作率极高，同时，对航天员会带来一定的身体伤害。目前，国内外暂 无载人飞船的非接触式操控方法的文献研究。
[0003] 脑机接口技术是一种新型的人机交互方式，它通过计算机或其他电子设备对脑神 经活动信号直接进行处理，实现人脑和计算机或者其他电子设备的通讯和控制。脑机接口 通过对大脑神经信号进行采集、滤波、放大、辨识、分类，将其转换成脑机接口系统控制指 令，并向外传输使用者的控制意图。
[0004] 稳态视觉诱发电位是通过模式光刺激或图形视觉变化刺激诱发，可在大脑皮层的 枕部采集到明显的信号，而且信号的频谱特征峰值明显，提取方法比较简单。通常采用多频 率闪烁刺激，其刺激模块闪烁的时间间隔小于视觉诱发电位的时间，并且各次刺激引起的 响应在时间上发生重叠。但稳态视觉诱发电位提取脑信号准确率取决于人自身状态、环境 友好性以及人机友好性。
[0005] 专利（201310542530. 4)提出了基于脑机接口的全自动控制网页浏览方法，利用 P300脑电电位控制网页中的位置，利用眼动进行确认，利用稳态视觉诱发电位作为信号检 测的指标，对网页进行上下翻动。专利（201410103602. X)提出了基于稳态视觉诱发脑机接 口的机器人控制方法，通过稳态视觉诱发电位检测、获取脑电信号实现机器人的实时控制。 以上方法均采用了稳态视觉诱发电位，但其视觉刺激点较少，因此可以保证准确率。载人飞 船的指令键较多，单纯使用稳态视觉诱发电位会导致脑电信号检测的准确率下降，而无法 保证对飞船操控的稳定性。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于提供一种基于脑机接口的载人飞船非接触式操控方法，解决指令 杆或手指触碰方式输入指令稳定性差的问题。
[0007] -种基于脑机接口的载人飞船非接触式操控方法，其具体步骤为： 第一步搭建基于脑机接口的空间非接触式操控系统 基于脑机接口的空间非接触式操控系统，包括：脑电信号采集器、脑电放大器、计算机、 信号特征提取模块、信号特征分类模块、显示模块、输出指令判断模块和指令输出模块。所 述脑电信号采集器，包括：脑电极帽与数据线。
[0008] 信号特征提取模块的功能为：对滤波后的脑电信号基频和倍频处的值进行加权 求和作为信号特征；信号特征分类模块的功能为：通过设定的阈值对信号特征进行分类辨 识；显示模块的功能为：显示航天员脑电信号以及指令输出值；输出指令判断模块的功能 为：根据显示模块显示的输出值，航天员通过选择按钮对分类辨识的信号所对应的指令正 确性进行判断和选择；指令输出模块的功能为：对选择后的指令进行输出。
[0009] 脑电极帽的电极与航天员的头皮接触。脑电极帽与脑电放大器通过数据线连接， 脑电放大器与计算机通过数据线连接，信号特征提取模块、信号特征分类模块、显示模块、 输出指令判断模块置于计算机中。
[0010] 第二步设置LED指令键的闪烁频率 将20个相邻LED指令键设置为一组。每个LED指令键都有不同频率的LED闪烁，并将 LED指令键作为视觉刺激器，每组LED指令键的闪烁频率设置为6-15. 5Hz，每个LED指令键 频率间隔0. 5Hz，并且设置相邻LED指令键频率差值高于2Hz，保证识别准确率。
[0011] 第三步航天员脑电信号采集及预处理 航天员带上脑电极帽，并在脑电极帽枕部13个电极T7、C3、Cz、C4、T8、P7、P3、Pz、P4、 P8、01、0z和02处打入导电膏。航天员将目光和注意力集中在需要指令输出所对应的LED 指令键上。通过电极帽对航天员的脑电信号采集，从脑电极帽采集的脑电信号通过数据线 传送到脑电放大器中，利用带通滤波器去除5-30HZ之外的频率；利用陷波滤波器去除工频 50Hz。通过脑电放大器对脑电信号的电压幅值进行放大。
[0012] 第四步脑电信号特征提取 脑电信号通过预处理与放大后，进行快速傅里叶变换。在闪烁频率的基频和倍频处出 现峰值，这些峰值代表了信号特征。各个刺激频率的基频和倍频处的值进行加权求和，作为 信号特征提取的特征值。
[0013] 第五步脑电信号特征分类 在信号特征分类模块中设置阈值，若超过阈值的信号特征个数为〇、1或2,则降低阈 值，直到有三个信号特征值超过阈值，取这三个信号特征值作为输出判断的备选；若特征值 超过阈值的个数大于或等于3个，则取特征值最大的3个信号特征。
[0014] 第六步输出指令判断模块确定正确指令 将分类后的信号特征在显示模块上显示，并且根据特征值的大小依次设定所对应指令 键的优选级别，航天员根据优选级别对正确输出指令进行确定。
[0015] 第七步指令输出模块输出指令 通过显示模块确定选择所对应的指令健作为输出指令，利用确认按钮进行指令确认， 从而进行指令输出。
[0016] 至此完成了基于脑机接口的空间非接触式操控。
[0017] 本方法利用脑机接口技术解决航天员手动操纵指令系统不便的难题，开发基于脑 机接口的非接触指令操控系统，通过稳态视觉诱发电位系统，利用指令键不同频率的闪烁， 通过对航天员的交互训练，可以快速提取不同指令键所对应的脑电信号，实现指令的远程 准确输入，突破航天员远距离指令杆操纵不便捷的瓶颈。可对飞船的操控性大幅提升，同时 对航天员身体进行保护。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1 一种基于脑机接口的载人飞船非接触式操控方法中LED指令键闪烁频率设 置； 图2 -种基于脑机接口的载人飞船非接触式操控方法中头部枕区脑电极布置； 图3 -种基于脑机接口的载人飞船非接触式操控方法中基于基于脑机接口的空间非 接触式操控系统的示意图。
[0019] 1.脑电信号采集器2.脑电放大器3.计算机4.信号特征提取模块5.信 号特征分类模块6.显示模块7.输出指令判断模块8.指令输出模块。
【具体实施方式】
[0020] 一种基于脑机接口的载人飞船非接触式操控方法，其具体具体步骤为： 第一步搭建脑机接口的空间非接触式操控系统 基于脑机接口的空间非接触式操控系统，包括：脑电信号采集器1、脑电放大器2、计算 机3、信号特征提取模块4、信号特征分类模块5、显示模块6、输出指令判断模块7和指令输 出模块8。所述脑电信号采集器1，包括：脑电极帽与数据线。
[0021] 信号特征提取模块4的功能为：对滤波后的脑电信号基频和倍频处的值进行加权 求和作为信号特征；信号特征分类模块5的功能为：通过设定的阈值对信号特征进行分类 辨识；显示模块6的功能为：显示航天员脑电信号以及指令输出值；输出指令判断模块7的 功能为：根据显示模块6显示的输出值，航天员通过选择按钮对分类辨识的信号所对应的 指令正确性进行判断和选择；指令输出模块8的功能为：对选择后的指令进行输出。
[0022] 脑电极帽的电极与航天员的头皮接触。脑电极帽与脑电放大器2通过数据线连 接，脑电放大器2与计算机3通过数据线连接，信号特征提取模块4、信号特征分类模块5、 显示模块6、输出指令判断模块7置于计算机3中。
[0023] 第二步设置LED指令键1的闪烁频率 将LED指令键1设置为20个每组，并根据不同组进行区域分割。每个LED指令键1 都有不同频率的LED闪烁，并将其作为视觉刺激器，每组LED指令键1的闪烁频率设置为 6-15. 5Hz，每个LED指令键1频率间隔0. 5Hz，并且相邻LED指令键1频率差值不低于2Hz， 保证识别准确率，如图1所示。
[0024] 第三步航天员脑电信号采集及预处理 航天员带上脑电极帽，并在电极帽枕部13个电极T7、C3、Cz、C4、T8、P7、P3、Pz、P4、P8、 01、0z和02处打入导电膏，如图2所示。航天员将目光和注意力集中在需要指令输出所对 应的LED指令键上。通过电极帽对航天员的脑电信号采集，将从脑电极帽采集的脑电信号 通过数据线传送到脑电放大器4中，利用带通滤波器去除点5-30HZ之外的频率；利用陷波 滤波器除去工频50Hz。通过脑电放大器4对脑电信号电压幅值放大。
[0025] 第四步脑电信号特征提取 脑电信号通过预处理与放大，在信号特征提取模块6中对其进行快速傅里叶变换。在 刺激频率的基频和倍频处会出现明显的峰值，这些峰值代表了刺激频率。各个刺激频率的 基频和倍频处的值进行加权求和，可以作为信号特征提取的特征值。
[0026] 第五步脑电信号特征分类 在信号特征分类模块7中设置阈值，若超过阈值的信号特征个数为0、1或2,则降低阈 值，直到有三个信号特征值超过阈值，取这三个作为输出判断的备选；若特征值超过阈值的 个数大于或等于3个，则取特征值最大的3个信号特征。
[0027] 第六步输出指令判断模块7确定正确指令 将分类后的信号特征在显示模块6上显示，并且根据特征值的大小依次设定所对应指 令键的优选级别，航天员根据优选级别对正确输出指令进行确定。
[0028] 第七步指令输出模块8输出指令 通过显示模块6确定选择所对应的指令健作为输出指令，利用确认按钮进行指令确 认，从而进行指令输出。
[0029] 至此完成了基于脑机接口的空间非接触式操控。
【权利要求】
1. 一种基于脑机接口的空间非接触式操控方法，其特征在于具体步骤为： 第一步搭建基于脑机接口的空间非接触式操控系统 基于脑机接口的空间非接触式操控系统，包括：脑电信号采集器（1)、脑电放大器（2)、 计算机（3)、信号特征提取模块（4)、信号特征分类模块（5)、显示模块（6)、输出指令判断模 块（7)和指令输出模块（8);所述脑电信号采集器（1)，包括：脑电极帽与数据线； 信号特征提取模块（4)的功能为：对滤波后的脑电信号基频和倍频处的值进行加权求 和作为信号特征；信号特征分类模块（5)的功能为：通过设定的阈值对信号特征进行分类 辨识；显示模块（6)的功能为：显示航天员脑电信号以及指令输出值；输出指令判断模块 (7)的功能为：根据显示模块（6)显示的输出值，通过选择按钮对分类辨识的信号所对应的 指令正确性进行判断和选择；指令输出模块（8)的功能为：对选择后的指令进行输出； 脑电极帽的电极与航天员的头皮接触；脑电极帽与脑电放大器（2)通过数据线连接， 脑电放大器（2)与计算机（3)通过数据线连接，信号特征提取模块（4)、信号特征分类模块 (5)、显示模块（6)、输出指令判断模块（7)置于计算机（3)中； 第二步设置LED指令键的闪烁频率 将20个相邻LED指令键设置为一组；每个LED指令键都有不同频率的LED闪烁，并将 LED指令键作为视觉刺激器，每组LED指令键的闪烁频率设置为6-15. 5Hz，每个LED指令键 频率间隔0. 5Hz，并且设置相邻LED指令键频率差值高于2Hz，保证识别准确率； 第三步航天员脑电信号采集及预处理 航天员带上脑电极帽，并在脑电极帽枕部13个电极T7、C3、Cz、C4、T8、P7、P3、Pz、P4、 P8、01、Oz和02处打入导电膏；将目光和注意力集中在需要指令输出所对应的LED指令 键上；通过电极帽对航天员的脑电信号采集，从脑电极帽采集的脑电信号通过数据线传送 到脑电放大器（2)中，利用带通滤波器去除5-30HZ之外的频率；利用陷波滤波器去除工频 50Hz ;通过脑电放大器（2)对脑电信号的电压幅值进行放大； 第四步脑电信号特征提取 脑电信号通过预处理与放大后，进行快速傅里叶变换；在闪烁频率的基频和倍频处出 现峰值，这些峰值代表了信号特征；各个刺激频率的基频和倍频处的值进行加权求和，作为 信号特征提取的特征值； 第五步脑电信号特征分类 在信号特征分类模块（5)中设置阈值，若超过阈值的信号特征个数为0、1或2,则降低 阈值，直到有三个信号特征值超过阈值，取这三个信号特征值作为输出判断的备选；若特征 值超过阈值的个数大于或等于3个，则取特征值最大的3个信号特征； 第六步输出指令判断模块（7)确定正确指令 将分类后的信号特征在显示模块（6)上显示，并且根据特征值的大小依次设定所对应 指令键的优选级别，航天员根据优选级别对正确输出指令进行确定； 第七步指令输出模块（8)输出指令 通过显示模块（6)确定选择所对应的指令健作为输出指令，利用确认按钮进行指令确 认，从而进行指令输出； 至此完成了基于脑机接口的空间非接触式操控。
【文档编号】G06F3/01GK104216515SQ201410358284
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】李鑫, 张利剑, 李毅拓 申请人:北京机械设备研究所