专利名称：一种电动玩具车的控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及电动玩具车技术领域，尤其涉及一种电动玩具车的控制系统及控制方法。
背景技术：
随着科学技术的进步和发展，新型玩具层出不穷，声光电一体的遥控玩具早已经成为市场的主流，人们在发展传统玩具产业的同时也在积极拓展新的玩具产业，智能玩具因此成为了各大玩具厂商新的发展目标。相较于传统智能玩具，脑电控制智能玩具具备先天的巨大优势。传统智能玩具需要玩家具备一定的动手能力和理论基础，这就限定了传统智能玩具只能是大人或者青年科技爱好者的专属产品。而脑电控制玩具则不具备以上的限 制，并且，脑电控制玩具以其独特新颖的控制方式得到了少年儿童的喜爱。脑电控制玩具不仅仅是玩具在形式和技术上的ー个创新，有幼教专家就表示，其通过脑电来控制玩具的表现形式，一定程度对培养孩子脑部与手部的协调，以及诱导孩子集中注意力从而在治疗“儿童多动症”方面将起到一定的疗效。目前，国内家长对玩具在“益智”方面的要求越来越高，脑电玩具的出现，无疑将是引领了新一代玩具产品的趋势。目前已经出现ー种基于脑电控制的寻径小车，通过采集用户专注于做某件事时脑电波信号，通过无线传输技术传递给玩具小车，小车单片机对脑电波信号进行处理，提取其中的特征信号，并与相应的特定速度值进行匹配，从而实现对小车速度的控制。小车车体上的红外光电传感器发射器发射红外到地图上，遇到白底黑线则发射信号给接收器，信号接收器再将信号传送给单片机，单片机处理后控制小车左右电机转速，实现小车的左右转弯。现有的脑电控制小车是通过注意力的程度来控制小车的速度，并通过传感器来寻径来实现小车的左右转弯。传感器来寻径来实现小车的左右转弯这就限制了小车只能再某个已经设置好的场景内运行，并且不能人为的去控制小车的左右转弯，这大大减低了脑电控制小车的游戏性和趣味性。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种ー种操作简、方便，应用范围广，娱乐性強，对于儿童注意力和放松度的训练以及多动症的辅助诊疗效果明显的电动玩具车的控制系统及控制方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
一种电动玩具车的控制系统，包括有依次导通连接的电波采集设备、电波信号处理装置和车辆控制装置；其中，
所述电波采集设备包括有一用于获取用户脑电波信号和肌电波信号的电波采集単元、一用于对获取的脑电波信号和肌电波信号进行过滤放大的信号放大滤波単元，以及ー第一通信単元，且所述电波采集単元、信号放大滤波単元和第一通信単元依次导通连接；
所述电波信号处理装置包括有一用于将放大后的脑电波信号和肌电波信号中的高频信号过滤掉的低通滤波单元、一用于将过滤处理后的脑电波信号和肌电波信号进行分解，得到相应的波段系数数据的分解単元、一用于从脑电波信号和肌电波信号分解出的波段系数数据提取出子带能量特征向量的特征提取単元、一用于将提取出的肌电波信号子带能量特征向量进行线性感知分类的感知分类单元、ー用于根据获取的线性感知分类输出相应控制指令信号的控制信号単元，以及ー第二通信単元；
所述控制装置安装在所述玩具车上，包括有一用于将控制指令信号转换成相应匹配车速的脉冲调制信号的控制信号调制单元、一用于根据脉冲调制信号对玩具车电机进行控制的电机控制単元以及ー第三通信単元，所述电机 控制単元和第三通信単元与控制信号调制単元导通连接，所述电机控制单元与所述玩具车的电机导通连接；
所述第一通信単元、第二通信単元和第三通信単元依次导通连接。进ー步地，所述电波信号处理装置还包括有一数据处理単元，所述数据处理单元与所述低通滤波单元、信号分解単元、特征提取単元、感知分类单元、控制信号単元和第二通信単元导通连接，共同配合完成所述脑电波信号和肌电波信号的相应处理。进ー步地，所述电波采集单元为放置在用户的脑前额处的单通道的干电极，所述信号放大滤波单元为TGAM芯片。进ー步地，所述低通滤波单元为可滤掉50Hz以上高频信号的低通滤波器，所述感知分类单元为线性感知分类器。进ー步地，所述电波信号处理装置是一安装有控制系统软件的PC机，所述数据处理单元、低通滤波单元、信号分解単元、特征提取単元、感知分类单元、控制信号単元和第二通信単元均设于所述PC机内。进ー步地，所述第一通信単元、第二通信単元和第三通信单元为相互匹配的无线蓝牙收发器。进ー步地，本控制系统还包括有ー用于实时拍摄所述玩具车运行状态的摄像单元，所述摄像単元与所述脑电波信号处理装置导通连接。进ー步地，所述第一通信単元、第二通信単元和第三通信单元为相互匹配的无线蓝牙收发器，所述摄像单元为与所述第二通信単元相互匹配的无线摄像机。一种电动玩具车的控制方法，包括有以下步骤
a.采集、获取用户脑电波信号和肌电波信号，并进行过滤、放大处理；
b.对放大后的脑电波信号和肌电波信号依次进行低通滤波、分解、特征提取、线性感知分类处理，得到用户实时注意力和放松度，以及所述玩具车相应控制指令信号；
c.将该控制指令信号转换成匹配车速的脉冲控制信号，对所述玩具车的电机进行控制。进ー步地，所述分解处理具体为用一维离散小波对过滤好的数据进行6层的分解，得到相应的Delta、Theta、Alpha、Beta节律的波段系数数据。本发明的有益效果是
本发明通过上述技术方案，所述控制系统和控制方法通过采集用户脑电波和肌电波直接检测用户实时注意力、放松度，以及实现对玩具车的启动、左/右转弯和停止等控制，既摆脱了传统的鼠标、遥控器等控制器，也不再需要传感器来限制玩具车实现左右转弯，限制玩具车的行驶范围和路径，操控非常简单、容易、方便，娱乐性更强，而且应用场合广泛，如娱乐、教育等领域，对于儿童注意力和放松度的训练以及多动症的辅助诊疗效果明显。
图I是本发明实施例所述电动玩具车的控制系统的结构原理框 图2是本发明实施例所述控制系统的虚拟操作界面的效果示意 图3是本发明实施例所述控制系统的实时视频操作界面的效果示意 图4是本发明实施例所述ー种电动玩具车的控制方法的流程示意 图5是图4本发明实施例所述控制方法中步骤B的流程示意 图6是图5本发明实施例所述控制方法中分解处理的原理示意图； 图7是图5本发明实施例所述控制方法中感知分类的算法流程示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进ー步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。參见图I至图3，本发明实施例所述的ー种电动玩具车的控制系统，包括有依次导通连接的电波采集设备I、电波信号处理装置2和车辆控制装置3。其中，所述电波采集设备I包括有电波采集単元11、信号放大滤波単元12和第一通信単元13，且所述电波采集単元11、信号放大滤波単元12和第一通信単元13依次导通连接，所述电波采集单元11为放置在用户的脑前额处的单通道的干电极，主要用于获取用户脑电波信号和肌电波信号，所述信号放大滤波単元12为TGAM芯片，主要用于对获取的脑电波信号和肌电波信号进行过滤放大；所述电波信号处理装置2 —安装有控制系统软件的PC机，包括有低通滤波单元21、分解単元22、特征提取単元23、感知分类单元24、控制信号単元25、数据处理単元26和第二通信単元27，所述低通滤波单元21为可滤掉50Hz以上高频信号的低通滤波器，主要用于将放大后的脑电波信号和肌电波信号中的高频信号过滤掉，所述分解単元22主要用于将过滤处理后的脑电波信号和肌电波信号进行分解，得到相应的波段系数数据，所述特征提取单元23主要用于从脑电波信号和肌电波信号分解出的波段系数数据提取出子带能量特征向量，所述感知分类单元24为线性感知分类器，主要用于将提取出的肌电波信号子带能量特征向量进行线性感知分类，所述控制信号単元25主要用于根据获取的线性感知分类输出相应控制指令信号，且所述数据处理単元26与低通滤波单元21、信号分解単元22、特征提取単元23、感知分类单元24、控制信号単元25和第二通信単元27导通连接，并设于PC机内，共同配合完成脑电波信号和肌电波信号的相应处理；所述控制装置3安装在所述玩具车上，包括有控制信号调制单元31、电机控制単元32和第三通信単元33，所述控制信号调制单元31是Arduino控制板，主要用于将控制指令信号转换成相应匹配车速的脉冲调制信号，所述电机控制单元32主要用于根据脉冲调制信号对玩具车电机进行控制，且所述电机控制単元32和第三通信単元33与控制信号调制单元31导通连接，所述电机控制单元32与玩具车的电机导通连接；所述第一通信単元13、第二通信単元27和第三通信単元33为相互匹配的无线蓝牙收发器(如BLK-MD-BC04-B蓝牙模块)，且依次导通连接。另外，本控制系统还包括有ー用于实时拍摄所述玩具车运行状态的摄像単元4，所述摄像単元4为与第二通信単元27相互匹配的无线摄像机，与PC机(电波信号处理装置)2导通连接，将实时拍摄的玩具车运行状态数据传输至PC机2上，并在监控操作界面28显示，进行实时视频监控，同时，监控操作界面28上设有用户实时专注度信号值和放松度信号值的显示窗ロ 29，信号值范围为O 100 ;而且，用户还可通过操作监控操作界面28上设有的虚拟/实景按钮20进行虚拟显示画面和实时景象显示画面的切換，操控灵活，趣味性更强。使用时，首先把电波采集设备I戴在头上，并将干电极(电波采集单元)11放置到前额(因为前额产生的肌电波是采集注意力和放松度的主要部位)，采集、获取用户脑电波信号和肌电波信号，并进行过滤、放大处理后，通过无线蓝牙收发器(第一通信単元)13把放大后的脑电波信号和肌电波信号发送至PC机(电波信号处理装置)2上；然后，PC机对放大后的脑电波信号和肌电波信号依次进行低通滤波、分解、特征提取、线性感知分类处理，从而建立脑电数据和大脑注意力、放松度的对应规律，同时判断用户眨眼状态得出玩具车相应控制指令信号，并通过无线蓝牙收发器(第二通信単元)27把控制指令信号发送至车辆控制装置3上；最后，车辆控制装置3将该控制指令信号转换成匹配车速的脉冲控制信号，对所述玩具车的电机进行控制，实现对玩具车的控制。參见图4至图7，本发明实施例所述的ー种电动玩具车的控制方法，包括有以下步骤
步骤A.采集、获取用户脑电波信号和肌电波信号，并进行过滤、放大处理；
步骤B.对放大后的脑电波信号和肌电波信号依次进行低通滤波、分解、特征提取、线性感知分类处理，得到用户实时注意力和放松度，以及玩具车相应控制指令信号；
步骤C.将该控制指令信号转换成匹配车速的脉冲控制信号，对所述玩具车的电机进行控制。其中，所述对放大后的脑电波信号和肌电波信号依次进行低通滤波、分解、特征提取、线性感知分类处理，得到用户实时注意力和放松度，以及玩具车相应控制指令信号，具体可以为首先，装载数据后通过低通滤波器将50Hz以上的高频信号过滤掉；然后分解单元将过滤处理后的脑电波信号和肌电波信号用一维离散小波对过滤好的数据进行6层的分解，得到相应的Delta、Theta、Alpha、Beta节律的波段系数数据；接着特征提取单元从该波段系数数据提取出脑电波的子带能量特征向量，从而建立脑电波数据和大脑注意力、放松度的对应规律；再接着线性感知分类器根据线性感知分类算法将提取出的肌电波子带能量特征向量进行线性感知分类，识别出用户眨眼状态；最后控制信号単元根据获取的线性感知分类输出相应控制指令信号。所述线性感知分类算法具体可以为首先，初始化ー个ニ维数组W[2] [η]作为运算常量，并从提取出的肌电波子带能量特征向量中读取K个样本数据到ー维数据Χ[2] [η],同时初始化ー维距离数据D[2];接着，通过D[i]+ = ff[i][n]XX[i][n]公式计算出每个样本数据的距离，并将本次样本数据的距离D[2]和上ー个样本数据的距离D[l]进行对比判断，当D [I]大于D [2]时，对本次样本数据进行测试样本运算，当D [I]小于等于D [2]吋，定义W[l] [η]+ =Χ[1] [η]和W[2] [η]- =X[1] [η]，并判断循环次数是否大于设定次数、(如2000次)，当循环次数小于等于设定次数返回读取下ー个样本数据，重复前述处理，当循环次数大于设定次数进行测试样本运算；最后根据测试样本运算公式H[i]+ = ff[i] [n] XX[i] [η]得到本次样本数据的测试結果，并将本次样本数据测试结果H[2]与上ー个样本数据测试结果H[l]进行判断，当H[l]大于H[2]时，返回数值“ O”，当H[l]小于等于H[2]时，返回数值“I”；如此循环反复，完成肌电波子带能量特征向量的感知分类，根据该分类结果识别出用户眨眼状态。这样，本发明所述控制系统和控制方法通过采集用户脑电波和肌电波直接检测用户实时注意力、放松度，以及实现对玩具车的启动、左/右转弯和停止等控制，既摆脱了传统的鼠标、遥控器等控制器，也不再需要传感器来限制玩具车实现左右转弯，限制玩具车的行驶范围和路径，操控非常简单、容易、方 便，娱乐性更强，而且应用场合广泛，如娱乐、教育等领域，对于儿童注意力和放松度的训练以及多动症的辅助诊疗效果明显。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
权利要求
1.ー种电动玩具车的控制系统，其特征在干，包括有依次导通连接的电波采集设备(I)、电波信号处理装置(2)和车辆控制装置(3);其中， 所述电波采集设备(I)包括有一用于获取用户脑电波信号和肌电波信号的电波采集単元(11)、一用于对获取的脑电波信号和肌电波信号进行过滤放大的信号放大滤波単元(12)以及ー第一通信単元(13)，且所述电波采集単元(11)、信号放大滤波単元(12)和第一通信単元(13)依次导通连接； 所述电波信号处理装置(2)包括有一用于将放大后的脑电波信号和肌电波信号中的高频信号过滤掉的低通滤波单元(21)、一用于将过滤处理后的脑电波信号和肌电波信号进行分解，得到相应的波段系数数据的分解単元(22)、一用于从脑电波信号和肌电波信号分解出的波段系数数据提取出子带能量特征向量的特征提取単元(23 )、一用于将提取出的肌电波信号子带能量特征向量进行线性感知分类的感知分类单元(24)、一用于根据获取的线性感知分类输出相应控制指令信号的控制信号単元(25)，以及ー第二通信単元(27)； 所述控制装置(3)安装在所述玩具车上，包括有一用于将控制指令信号转换成相应匹配车速的脉冲调制信号的控制信号调制单元(31)、一用于根据脉冲调制信号对玩具车电机进行控制的电机控制単元(32)以及ー第三通信単元(33)，所述电机控制单元(32)和第三通信単元(33)与控制信号调制单元(31)导通连接，所述电机控制单元(32)与所述玩具车的电机导通连接； 所述第一通信単元(13)、第二通信単元(27)和第三通信単元(33)依次导通连接。
2.根据权利要求I所述的控制系统，其特征在于，所述电波信号处理装置(2)还包括有一数据处理単元(26)，所述数据处理单元(26)与所述低通滤波单元(21)、信号分解単元(22)、特征提取単元(23)、感知分类单元(24)、控制信号単元(25)和第二通信単元(27)导通连接，共同配合完成所述脑电波信号和肌电波信号的相应处理。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述电波采集单元(11)为放置在用户的脑前额处的单通道的干电极，所述信号放大滤波単元(12)为TGAM芯片。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述低通滤波单元(21)为可滤掉50Hz以上高频信号的低通滤波器，所述感知分类单元(24)为线性感知分类器。
5.根据权利要求2至4中任何一项所述的控制系统，其特征在于，所述电波信号处理装置(2)是一安装有控制系统软件的PC机，所述数据处理单元(26)、低通滤波单元(21)、信号分解単元(22)、特征提取単元(23)、感知分类单元(24)、控制信号単元(25)和第二通信单元(27)均设于所述PC机内。
6.根据权利要求I至4中任何ー项所述的控制系统，其特征在于，所述第一通信単元(13)、第二通信単元(27)和第三通信単元(33)为相互匹配的无线蓝牙收发器。
7.根据权利要求6所述的控制系统,其特征在于,本控制系统还包括有ー用于实时拍摄所述玩具车运行状态的摄像单元(4)，所述摄像単元(4)与所述脑电波信号处理装置(2 )导通连接。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述第一通信単元(13)、第二通信单元(27)和第三通信単元(33)为相互匹配的无线蓝牙收发器，所述摄像単元(4)为与所述第二通信単元(27)相互匹配的无线摄像机。
9.一种电动玩具车的控制方法，其特征在于，包括有以下步骤a.采集、获取用户脑电波信号和肌电波信号，并进行过滤、放大处理； b.对放大后的脑电波信号和肌电波信号依次进行低通滤波、分解、特征提取、线性感知分类处理，得到用户实时注意力和放松度，以及所述玩具车相应控制指令信号； c.将该控制指令信号转换成匹配车速的脉冲控制信号，对所述玩具车的电机进行控制。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述分解处理具体为用一维离散小波对过滤好的数据进行6层的分解,得到相应的Delta、Theta、Alpha、Beta节律的波段系数数据。
全文摘要
本发明涉及一种电动玩具车的控制系统及控制方法，该控制系统包括有一用于采集、获取用户脑电波信号和肌电波信号，并进行过滤、放大处理的电波采集设备，一用于对放大后的脑电波信号和肌电波信号进行低通滤波、分解、特征提取、线性感知分类处理，得到相应控制指令信号的电波信号处理装置，一将该控制指令信号转换成匹配车速的脉冲控制信号，对玩具车的电机进行控制的车辆控制装置，并通过其上设有的无线蓝牙收发器依次导通连接。这样，通过采集用户脑电波和肌电波直接检测实时注意力、放松度和玩具车的控制，摆脱了传统的鼠标、遥控器等控制器，操控简单、方便，娱乐性强，且应用广范，对于儿童注意力和放松度的训练和多动症的辅助诊疗效果明显。
文档编号A63H17/36GK102728068SQ20121022632
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者吴方, 林焕杨, 陈东伟, 韦逸成, 韩娜, 黄家良 申请人:北京理工大学珠海学院