意念控制仿生鱼详细方案设计.docx
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意念控制仿生鱼详细方案设计
意念控制仿生机器鱼
学校名称：
吕梁学院
参赛学生：
X林X镕玮杨世强高京王晋荣
二零一七年七月
摘要
伴随着科技的高速开展，玩具行业在技术上也是突飞猛进。
各色声光电玩具充斥市场，大大的满足了消费者的需求，天上飞的、水里游的、地上跑的，装上电池，通过遥控器，可爱的玩具就可上天入地。
但如今，遥控玩具显然已经不能引领消费者的最新需求了。
本作品是一条基于意念控制的仿生机器鱼，该机器鱼由脑波模块，蓝牙模块和主控计算机组成，通过对采集得到的人体脑电波分析建模，给出控制指令，从而实现对机器鱼的启停、游动速度与把戏游泳的控制，并开发出单人竞速、双人对抗两种模式的脑电波意念对抗游戏。
作品能实现儿童通过意念对仿生机器鱼的直接控制，具有很高的娱乐性和创新性。
可帮助儿童进展适当的大脑锻炼，提高注意力，改善注意力不集中、多动等问题。
本作品的出现，无疑将引领新一代玩具产品的趋势。
关键字：
意念控制；仿生机器鱼；玩具；脑电波
第一章引言
1.1研究背景
随着经济的开展、技术进步和高性能低功耗处理芯片的推出等。
人们的控制方式已经由传统的人机交互控制方式，如按键控制等，开展为更智能化，便捷化的装置。
虽然这项研究的初衷是为了帮助那些丧失了运动能力但大脑功能正常的残疾人、老年人，用自己的思维直接操控轮椅、假肢、家用电器。
但时至今日，国外的研究不仅限于服务残疾人，也在人工智能、军事、娱乐、医疗等方面有初步实验性应用。
欧洲的研究者中，已经有人开始尝试利用脑-机接口技术，帮助中风、癫痫、自闭症等神经性疾病患者更快地康复。
在娱乐方面，意念控制技术衍生各类意念玩具，如脑控玩具飞机、脑控汽车与脑控玩具娃娃，目前在北美和欧洲，与日本等兴旺国家已经成为了一种热潮。
随着人民生活水平的快速提高，意念玩具的出现，将成为玩具企业在激烈的内销市场上提升对电子玩具市场的竞争力。
1.2设计意义
脑电波活动具有一定的规律性特征，和大脑的意识存在某种程度的对应关系。
人在兴奋、紧X、昏迷等不同状态之下，脑电波的频率会有明显的不同，如果能够通过一个设备精准捕捉并破译脑电波，转化为具体的控制指令，就可以实现我们期待许久的“意念控制〞。
意念控制机器鱼不但适用于儿童，也广泛适用于游戏玩家、运动员等各类需要脑力训练开发的特殊行业人员，具有开发训练人体注意力强度等功能。
有幼教专家表示，通过脑电波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，以与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，意念玩具的出现，定将引领新一代玩具产品的趋势。
1.3作品简介
意念控制仿生机器鱼，是由脑波模块，蓝牙模块和主控计算机组成，通过TGAM内核的脑电波信号采集模块，再将采集到的数据通过硬件滤波剔除杂波的方式，将原始脑电波信号线性模拟后放大处理，采集到的数据最后会经过算法转为所需数据，经蓝牙串口传输到单片机进展分析处理，并执行相应指令，给出控制指令，从而实现对仿生机器鱼的启停、游动速度与把戏游泳的控制，并开发出单人竞速、双人对抗两种模式的脑电波意念对抗游戏，具有很高的娱乐性和创新性。
如下图为意念控制的理论过程：
第二章研究现状
2.1类似产品
日本电子公司Neurowear研制出一种猫耳造型的头箍，可通过传感器对佩戴者的情绪变化作出反响。
如果佩戴者情绪沮丧，猫耳便会倒下；注意力集中时，猫耳会竖起；心情愉快时，猫耳会来回摆动。
继Neimi脑控猫耳之后，Neurowear又推出了一款名为Shippo（天使之尾）的脑控猫尾巴。
尾巴内置脑电波感应器，当佩戴者情绪放松时尾巴会缓慢摇摆，情绪激动时摇摆速度就会变快。
脑电波技术还应用驾驶过程中的报警系统，通过检测人的脑电波检测出大脑是否疲劳，从而发出警报；在运动员训练、脑控玩具方面也已经有所应用，比如Brainathlete运动员训练仪与Mattel美泰公司生产的MindFlex玩具。
2008年，美国加利福尼亚州的圣荷西风险公司研制出一种利用传感器读取人脑波并用于手机各种应用的“耳机式〞系统装置。
该装置通过接触手机用户的额头来读取脑电波，进而掌握用户大脑的放松程度和集中程度，并将检测到的脑波信息显示在手机画面上，以与用意念操控游戏和卡通形象等。
2013年6月，美国明尼苏达大学的华人科学家贺斌教授带领的研究团队展示了他的意念控制研究成果。
与以往需要在大脑中植入电极的意念控制技术不同。
贺斌教授最新的意念控制技术完全是无创的，无需进展大脑植入操作。
使用者只需戴上一个帽子，通过帽子上的电极即可记录下使用者的脑电波。
在这个脑电图扫描帽具有64个紧贴头皮的电极。
电极监控来自大脑的电活动并将信号〔或信号中断〕传递给电脑。
电脑对数据进展处理后将之转化为另一种电子信号，通过Wifi传递至飞行器的接收器，从而控制飞行器的飞行动作。
贺斌教授团队展示了如何利用自己的意念操控一架模型直升机在空中飞行、俯冲、上升，甚至可以毫无困难地穿越以气球做成的环形形障碍物。
2009年，日本研究人员开发出了一种应用于电动轮椅的脑电波控制系统，可通过检测脑电波了解人的意图，然后控制电动仪器做出相应反响，用意念操纵电动轮椅活动。
据说，将这种脑电波系统装在电动轮椅上，坐在轮椅上的人只要脑中想“走〞的时候，轮椅就会前进不过，如果想要停止的话，如此需要通过面颊的肌肉来控制。
2009年，第一款玩具类产品意念小球推向市场，在美国供售出100多万套，是当年亚马逊圣诞节玩具销量冠军。
目前，运用脑控技术的产品多围绕四个领域展开——教育产业、健康产业、娱乐产业和竞技体育领域。
比如美国、韩国和欧洲一些国家的专业射箭运动员就在使用脑控产品来练习大脑的精神集中度。
近10年来，各国科学家在开发利用脑电波方面取得了不少令人惊叹的进展，技术前沿也不断被挑战和革新，意念控制这项技术在医疗保健、教育、工程建设和日常生活中将给人们带来极大地便利。
2.2作品创新点
该作品是将当今市场上原有的传统儿童玩具形式与脑电波思维训练创意整合设计，针对目前一些儿童注意力不集中，无法专心学习的现象，整合设计了儿童注意力培养与脑机交换技术的一款具有实际意义，能辅助注意力训练的玩具。
设计过程中始终以儿童的角度思考问题，考虑儿童喜好与其行为特征，逐步确立并完善产品形式与产品结构。
与其他同类型玩具产品相比拟，本作品具有以下创新点：
1.目前市面上对儿童智力开发与注意力的培养方面的产品形式十分单一，缺乏实质性作用，而通过思维控制技术训练注意力的产品就更加缺乏。
开发有效的、互动性强的儿童益智产品成为非常必要的事情，意念控制仿生机器鱼的出现正好弥补了这一方面。
2.通过脑电波来控制玩具的表现形式可以极大的培养孩子注意力，弱化儿童注意力障碍，减轻生活中因为意力不集中而产生的负面影响。
3.仿生机器鱼的外观的设计上要偏向可爱圆润的造型，防止出现锋利的直角造型，既能激发使用群体的兴趣又能保证他们的安全，同时又不分散注意力，成功的进展思维集中训练。
4.TGAM模块应用广泛，现已成功推广，且该芯片制作本钱较低，价格较低，仿生机器鱼主要由3D打印与软体橡胶制作而成，所以本作品本钱较低，而且潜在市场需求很大，有着良好的应用前景和推广价值。
第三章方案设计与制作
3.1控制系统设计
1.大脑电信号的产生
在人的大脑皮层中存在着频繁的电活动,这种电活动是自发的,在大脑活动时脑皮质细胞群之间形成电位差,电位是随着时间发生变化的,用电极将这种电位随时间变化的波形提取出来,并加以记录就得到脑电图.脑电信号是大脑皮层或头皮外表记录到的大脑皮层神经元群突触后电位的总和.
2.建立大脑电压与原始数据之间的关系
我们采用神念科技TGAM模块采集脑电信号，TGAM模块包括了一个高度集成的单一芯片脑电传感器，可以将至于前额和耳根的电极片采集的脑电信号进展前置放大,高通滤波,去除50Hz工频干扰,40Hz低通滤波,电平迁移以与后级放大。
使用A/D转换电路,转化为数字信号。
经过电压转换,通过串口即可上传至上位机,便于人们在上位机对信号进展处理和分析。
信号通过HC-05蓝牙模块实现无线通信,采用HC-05蓝牙模块来构成无线发射和无线接收电路的核心单元。
这样我们利用TGAM模块建立了原始数据rawdata与电压之间的关系：
放大后的电压=rawdata*（1.8/4096）
前额皮肤的实时电压=[rawdata*（1.8/4096）]/2000。
3.用原始数据rawdata计算出数据包
TGAM大约每秒钟发送513个数据包，意思就是发送包的个数是不会变的，只是发送513个包所花费的时间是一秒左右。
发送的513个数据包含有512个小包和1个大包，我们用前512个小包计算“丢包率〞，“丢包率〞是指对信号产生干扰的，不集中的无效数据占总数据的百分比。
小包的格式是AAAA048002xxHighxxLowxxCheckSum,其中前面的AAAA048002是不变的，后三个字节是一直变化的。
xxHigh和xxLow组成原始数据rawdata，xxCheckSum是用来校验的,把数据包中04后边的字节加起来，取反再取低八位
sum=（（0x80+0x02+xxHigh+xxLow）^0XFFFFFFFF）&0XFF
与校验和xxCheckSum进展比照，如果结果一致，证明数据包是正确的。
原始数据求解计算公式如下：
rawdata=〔xxHigh<<8〕|xxLow;
If（rawdata>32768）
{
rawdata-=65536；
}
这样，我们就得出了有效的第513个数据包，数据如下：
AAAA2002C08318004A9400616800407900114F0039D8001974000D7D0022810435051A7F
数据解析：
AA：
同步AA：
同步20：
十进制中的32，即有32字节的playload02：
表示信号值signalC0：
表示信号的值83：
表示EEGPower开始18：
16进制中的24说明EEGPower是由24个字节组成的......04:
代表专注度
〔attention〕35:
专注度的值〔0—100〕05：
代表放松度〔meditation〕1A:
放松度的值〔0—100〕7F：
校验和。
4.从有效的数据包中提取attention
我们通过arduino单片机对第513个数据包进展处理，从而得到有效的attention有效值，进而控制仿生机器鱼的运动。
如下图为脑波模块的电路设计示意图：
基于前期我们对TGAM中513个包数据的分析，我们提出了关于意念控制仿生机器鱼的构想，我们用arduino对TGAM发送出的数据包进展处理转化，用arduino做机器鱼的控制局部，进而控制机器鱼完成相应的动作。
1.蓝牙主从机建立联系后的表现
当脑波模块上的蓝牙从机与arduino上的蓝牙主机连接上后，蓝牙主机会每隔一定的时间快闪两次，同时arduino上的第13口所对应的LED灯会亮。
2.建立联系后的注意力值的传输
当建立联系后TGAM模块会把提取到的脑电值传至arduino，我们基于TGAM提取出的数据设计出了用于处理数据的arduino程序，该程序会对第513个数据包进展处理，提取出我们控制需要的注意力〔attention〕值。
我们对arduino处理后得到的注意力〔attention〕值进展区段上的划分，对机器鱼的运动进展程序上的控制。
来实现对机器鱼的启停、游动速度与把戏游泳的控制。
机器鱼直游竞速时动作1对应慢速；动作2对应中速；动作3对应快速。
机器鱼把戏游泳时动作1对应鱼在水中游出“S〞型；动作2对应鱼在水中游出“O〞型；动作3对应鱼在水中游出“8〞型。
机器鱼的游动依靠其尾部的单个舵机来实现，舵机转动的角度与速度靠PWM来调控，我们经过查阅资料与测试把鱼尾摆动的角度X围设置在30度到150度之间。
3.2仿生机器鱼的设计
智能仿生机器鱼主要分为鱼头、鱼尾、鱼鳍三局部。
鱼头由鱼头盖，衔接盖，胸鳍组成。
通过自助设计图纸用3D打印与软体橡胶制作而成。
其控制装置包括：
驱动装置和摆动装置。
整体设计图如如下图：
1.鱼头设计
我们结合美观设计理念，用Solidworks软件画出模型图，3D打印机制作出来。
2.鱼尾设计
尾部采用橡胶材料，其具有易成型，柔软度好，安全环保易加工等特点。
其配合3D打印技术制作而成。
3.3运动设计
启停：
根据脑波设备打开后蓝牙与设备建立的联系情况。
速度：
根据大脑注意力程度控制。
把戏游泳：
将大脑注意力程度进展区别划分区间进展动作的对应。
单人竞速：
根据大脑注意力程度控制，注意力越高速度越快。
双人对抗：
两个不同的脑波模块进展比拼。
第四章实验测试
为了全面准确的评估我们设计并制作的意念控制仿生机器鱼的各项性能和指标，我们在实验室内了一系列的实验。
我们屡次进展了在下水模式下的实验与未下水模式下的实验，最后得到了意念控制仿生机器鱼的最优设计方案并完成改良。
第五章结论与应用前景
5.1结论
意念控制仿生机器鱼是通过检测脑电波数据，来控制玩具产品的运动状态，使孩子的注意力在娱乐的过程中得到提升。
通过屡次实验，本作品性能较稳定，可通过脑波实现对仿生机器鱼的启停、游动速度与把戏游泳的控制，并开发出单人竞速、双人对抗两种模式的脑电波意念对抗游戏，完全符合预期目标，可以考虑适时投放市场。
5.2应用前景
目前，脑波相关的技术大多应用在医疗领域，例如治疗癫痫等脑部疾病的病人。
此外，已经有多个科研机构宣称开发出了可以利用思维控制的义肢，但是，目前大多仍停留在实验室阶段。
虽然人类对于脑波的研究已经有60多年，但是相关的科研成果一直没有能够进展大规模的商业化应用。
一方面是由于人的大脑过于复杂，人类对于它的研究还比拟初级，另一方面，脑波测量的困难也成为阻碍技术进一步开展的重要原因。
目前对于儿童产品高科技化也成为趋势，越来越多的人意识到在幼儿与少儿时期智力培养的重要性，通过思维控制技术训练儿童智力必将成为一种常见的教育。
所以国内家长对玩具在“益智〞方面的要求越来越高，意念控制仿生机器鱼的出现，定将引领新一代玩具产品的趋势，潜在市场需求很大，有着良好的应用前景和推广价值。
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