摘 要

脑机接口(Brain Computer Interface，简称ＢＣＩ）是一种不依赖于外部神经和肌肉，能够通过直接采集脑电信号并对信号进行处理从而将脑电信号转化为外部设备的控制信号的系统。脑机接口技术起步于上个世纪九十年代，随着科技的发展于２０００年成为研究的一大热点。

研究脑机接口对大脑正常但是神经系统受损或者肌肉萎缩的病人具有重要的意义，它为病人提供了一种与外界交流与控制的方式，因此在康复领域具有很大的应用价值。

而运动想象信号相比于其它脑电信号而言具有更快的速度和更高的灵活性，故本文旨在研究一个基于运动想象信号的脑机接口，离线对运动想象信号进行处理，作为无人机飞行的控制系统。该控制系统软件在QT环境下搭建，用C 语言编写。对脑电信号的处理主要采用CSP算法进行特征提取，MCFS算法进行特征选择，SRDA算法进行分类。硬件主要选用稳定性好的匿名飞控。

该系统将运动想象信号、信号处理算法、脑机接口技术三者结合实现了通过脑电信号离线控制无人机完成相应的简单的飞行动作，是基于运动想象信号的脑机接口在控制外部设备上的一个成功应用。

关键词：QT；脑机接口；运动想象信号；无人机；

Abstract

Brain Computer Interface (BCI) is a system that does not rely on external nerves and muscles but can control the external devices by directly acquiring the EEG signals and processing the signals into control demands. Brain-computer interface technology started in the nineties of last century, which became a hot research in 2000 with the development of science and technology.

The study of brain-brain interface on the normal brain but the nervous system damage or muscle atrophy of patients is of great significance, it provides patients with a way of communication and control with the outside world, so in the field of rehabilitation has great application value.

Motion imagination signal has faster speed and higher flexibility than other EEG signals, so the purpose of this paper is to study a brain-computer interface based on motion imagination signal, and to deal with motion imagination signals offline as a control system for UAV flight. The control system software in the QT environment to build, written in C language. The CSP algorithm is used to extract the EEG signal, MCFS algorithm is used to select the feature, and the SRDA algorithm is used to classify the EEG. The main hardware selection of good stability of the anonymous flight control.

The system combines the motion imagination signal, the signal processing algorithm, and the brain-computer interface technology to realize controlling the unmanned aerial vehicle to do the corresponding simple flight action by the EEG signal, which is a successful application in controlling external device based on the motion of the imaginary signal of the brain interface.

Key words:QT; Brain-computer interface; Motion imagination signal；UAV；

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 本文的研究内容及章节安排 4

第２章　系统设计要求及有关难点分析和相关算法的实现 5

2.1 系统设计要求 5

2.2 系统设计难点分析及解决方法 5

2.2.1 运动信象信号处理难点分析及解决方法 5

2.2.2 无人机控制难点分析及解决方法 7

2.3 运动想象信号数据及其处理算法的实现 7

2.3.1 运动想象信号实验数据 7

2.3.2 运动想象信号特征提取算法的实现 8

2.3.3 运动想象信号特征选择算法的实现 9

2.3.4 运动想象信号分类算法的实现 10

2.4 无人机控制算法的实现 12

2.5 本章小结 14

第３章　脑控无人机系统的设计与实现 15

3.1 硬件的设计与实现 15

3.1.1 无人机飞控模块 15

3.1.2 无人机机架模块 16

3.1.3 无人机通信模块 16

3.2 软件的设计与实现 17

3.2.1 无人机底层软件的设计与实现 17

3.2.2 上位机软件的设计与实现 18

3.2.3 运动想象信号处理软件的设计与实现 21

3.3 本章小结 23

第4章 系统测试及性能分析 24

4.1 上位机软件与无人机通信测试 24

4.2 上位机软件控制无人机测试 24

4.3 系统性能分析 25

4.4 本章小结 25

第5章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 29

绪论

1.1 研究背景及意义

随着科学技术的不断发展，人类对于大脑的研究也越来越深入，美国政府将1990年代称为“脑的十年”^[1]；并且在第四届神经科学大会的召开后，21世纪被国际研究组织称为“脑科学时代”^[2]。脑机接口的定义是在1999年第一届国际BCI会议上提出来的，该次会议上研究人员将脑机接口定义为：脑机接口是一个通讯系统，它能够实现大脑和外界包括外部设备和环境等的通信，但是该系统不是依靠外部神经和肌肉所组成的正常通道来通信的^[3]。第一届国际BCI会议召开后，对脑机接口的探索逐步成为世界范围内研究的一个关注点。在这种研究潮流下，“人类脑计划”计划于2001年迎来了其第20个成员国——中国。并且在过去的十几年中，研究脑机接口的队伍发展的越来越壮大，直到2002第二届脑机接口国际会议召开时，其参与成员已经涵盖了来自北美、欧洲以及中国的38个研究组织或单位。

脑机接口技术所涉及的领域广泛，主要包括以下的领域：计算机科学领域、神经生物学领域、数学领域、信号处理领域、智能控制领域等。在各国研究人员的努力下，脑机接口技术日益成熟，其应用的前景越来越可观，应用的领域也越来越多，脑机接口主要应用在以下几个领域或场景：

1. 医疗与康复领域

脑机接口技术为大脑建立了能够不依赖于外部神经系统和肌肉组成的通信信道而直接与外部环境进行交流或控制外部环境的通信方式。而目前人类正面临着在神经与精神方面的疾病所带来的健康方面的威胁。例如很多瘫痪、中风或者肌肉萎缩的病人一直遭受着无法运动的困扰，他们不能够自主生活^[1]。脑机接口技术的出现为他们带来了希望：

• 通过基于脑机接口的康复训练能够帮助病人逐步恢复与外界交流以及运动的能力^[1]。
• 通过脑机接口能够实现病人与外界的简单的通信，例如通过脑机接口实现使用电脑交互信息、拨打电话等
• 通过脑机接接口能够实现病人简单的控制外部环境，例如控制轮椅、开们开灯等。

而且目前全球老龄化的趋势越来越严重了，中国社会老龄化的问题也不容小觑，据数据显示截至2014年我国60岁及以上的老年人口总数已经达到了2.12亿人，占总人口比例的15.5%，中国拥有世界上最多的老年人口数^[4]。随着老年人口数的增加，中风瘫痪、丧失运动能力的病人数目也在逐渐增多，所以说脑机接口技术在医疗与康复领域的应用前景很广阔。

1. 国家安全领域

例如在战斗中可以通过脑机接口技术提升士兵的战斗力，例如飞行员在驾驶战斗机战斗时可以通过脑机接口直接用脑电信号驾驶飞机或者控制武器的发射，这能大大提高飞行员的反应速度。又如研究用脑电信号控制机器人的“阿凡达”计划^[1]，该计划由美国于2012年提出，一旦其实现，那么在未来的战场上士兵就能够不用亲自上前线，只需用意念控制机器人作战即可，这能够大大的减少战争带来的人员损失。

1. 娱乐领域

在电子游戏中加入脑机接口技术，实现玩家用意念控制游戏角色，使玩家能够与游戏角色融为一体，给游戏玩家带来不同于使用鼠标与键盘控制游戏角色的体验，不仅增加了游戏的沉浸感，还提升了游戏的趣味性，给玩家带来更高的挑战性。此外，通过分析玩家的脑电信号能够进一步改进游戏的真实感。

1. 交通领域

在交通领域应用脑机接口技术能够给驾驶员带来很大的便利，驾驶员通过脑机接口技术能够实现用意念来驾驶汽车，这大大减少了驾驶员的面对车道环境变化或突发事故时的反应时间，能过有效的减少交通事故的发生率，此外，通过分析驾驶员的脑电信号能够有效地判断驾驶员的生理状态，一旦发现驾驶员有疲劳驾驶的状况能够及时发出提醒，避免事故的发生。

1.2 国内外的研究现状

脑机接口是一门新兴的研究学科，对于脑机接口技术的正式研究还不足30年，大多数的研究都还处于实验室阶段。30年前所有探索研究脑机接口的组织或单位不超过3个；20年前也仅有6-8个；而到了10年前，脑机接口技术发展形势变得较为可观，总过已经有了超过50个组织或单位在进行脑机接口的研究工作；到了近十年来脑机接口技术的发展更是迅速，从事脑机接口研究的研究小组的数量已经超过了100个^[5]。而关于脑机接口技术的文章在近十年来数目也呈指数增长^[6]。1999年召开了第一届国际BCI会议，而后分别又在2002年以及2006年召开了两次国际BCI会议，这三次会议的召开极大的推动了脑机接口技术的发展，2013的BCI国际会议已有315名研究者参与^[7]。

1.2.1 国外研究现状

由于国外最先开始进行脑机接口的研究，所以国外的研究成果比较丰富，主要有以下几个比较有影响的研究成果：

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