论文总字数：24206字

摘 要

脑-机接口旨在提供一种非自然的对外信息交流通路，它不依赖于身体的外周神经系统和肌肉组织。由于脑-机接口的研究价值巨大并且实际应用前景广泛，近年来已成为生物医学工程、信号处理以及计算机控制等领域的研究热点。

本论文在了解了国内外脑-机接口的发展现状后，运用注意力的集中程度，使用脑电图（EEG）脑电信号研究了基于alpha脑电波幅值的脑-机接口系统。注意力的集中程度可表现在alpha波波幅的变化上，注意力集中时alpha波波幅较小，反之较大，这种现象在前额区域尤为明显。该系统主要采集前额区域的脑电信号，并对采集到的脑电信号进行信号预处理以及快速傅立叶变换，得到频谱图后，分析计算alpha脑电波的幅值大小。采取alpha波波幅变小时小车加速，波幅变大时小车减速的控制策略，并且为了防止速度的突变，本论文采用了一个时长为5秒的滑动窗格，计算5秒内alpha波波幅的平均值，前一个窗格的后4秒和后一个窗格的前4秒重合。最后产生的速度值指令通过串口传送至单片机上，单片机控制输出不同电压大小来改变小车速度。

在线实验表明，本论文实现的基于alpha脑电波幅值的脑-机接口系统能够有效的控制小车的启动、停止、加速与减速。

关键词：注意力，alpha脑电波，快速傅立叶变换，频谱图，串口

Abstract

The brain-computer interface is designed to provide an unnatural external communication pathway that does not rely on the body's peripheral nervous system and muscle tissue. Due to the huge research value of brain-computer interface and its wide application prospects, it has become a research hotspot in biomedical engineering, signal processing and computer control in recent years.

After understanding the development status of brain-computer interface at home and abroad, this dissertation uses the degree of concentration of attention to study brain-computer interface system based on alpha brain wave amplitude using electroencephalogram (EEG). The degree of concentration of attention can be shown in the change of the amplitude of the alpha wave. When the concentration is focused on, the amplitude of the alpha wave is smaller, and vice versa. This phenomenon is particularly evident in the forehead area. The system mainly collects the EEG signals in the forehead area, and performs signal preprocessing and fast Fourier transform on the collected EEG signals to obtain the frequency spectrum map and then analyzes and calculates the magnitude of the alpha brain wave. The strategy of decelerating the car when the alpha-wave amplitude becomes big and accelerating the car when the alpha-wave amplitude becomes small is adopted, and in order to prevent the abrupt change of speed, a sliding pane with a duration of 5 seconds is adopted in this paper to calculate the mean value of the alpha-wave amplitude in 5 seconds, which the last 4 seconds of the previous pane coincides with the first 4 seconds of the next pane. The final speed value command is sent to the MCU through the serial port. The MCU controls the output voltage to change the speed of the car.

Online experiments show that the brain-computer interface system based on alpha brain wave amplitude achieved in this paper can effectively control the start, stop, acceleration and deceleration of the car.

KEY WORDS: attention, Alpha brain wave, Fast Fourier Transform, Spectrogram, serial port

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2脑机接口简介 2

1.3脑电波分类 3

1.4本文结构 4

第二章 实验设计与小车控制系统软硬件平台设计 5

2.1实验设计 5

2.1.1注意力与alpha波 5

2.1.2基于alpha脑电波幅值的小车控制实验方法 5

2.1.3数据采集 6

2.2控制系统的软硬件平台设计 7

2.2.1用户界面 7

2.2.2EEG处理模块 9

2.2.3小车控制模块 10

2.3本章小结 11

第三章 系统模块实现 12

3.1用户控制界面 12

3.1.1图形用户界面 12

3.1.2信号与槽 13

3.1.3多线程 13

3.2EEG处理模块 14

3.2.1预处理 14

3.2.2快速傅立叶变换 14

3.2.3alpha波幅值计算 16

3.3控制模块 16

3.3.1控制命令的产生与输出 17

3.3.2控制命令的接收与执行 17

3.4本章小结 17

第四章 小车控制在线实验 18

4.1在线实验设计 18

4.2在线实验结果分析 18

第五章 总结与展望 21

5.1工作总结 21

5.2展望 21

致 谢 23

参考文献 24

第一章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

自从德国耶那大学精神病学教授Hans Berger发现人类大脑产生的电信号可以从头皮记录以来，经过数十年的发展，脑电波（Electroencephalogram，EEG）不仅可以作为临床诊断和研究大脑的基本工具，更是可以作为一种通信方式，作用在社会的各个领域和人群中，尤其是在那些由于疾病完全丧失交流或活动能力的患者中。基于脑电波的脑-机接口（Brain-Computer Interface，BCI）在辅助治疗和对交流能力和运动能力的恢复以及对于外部设备的控制，甚至在日常生活中对于娱乐方式的改进都具有非常重大的意义。

中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）通过产生满足人体需要的输出来响应外界或身体产生的事件，中枢神经系统的所有自然输出全部是神经肌肉或者荷尔蒙输出。BCI却为中枢神经系统提供了一种新的输出方式，该输出是一种人工输出，既不是神经肌肉输出也不是荷尔蒙输出，可以增强、替代、恢复、改善或者补充自然的中枢神经系统输出以此来改变CNS与其内部或外部环境之间正在发生的交互作用。

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