基于有意眼動控制電動輪椅的研究.pdf

1、人機(jī)交互技術(shù)將人與計(jì)算機(jī)或者其他電子設(shè)備進(jìn)行連接，體現(xiàn)人的意志。隨著科技的進(jìn)步，人機(jī)交互手段也變得多樣化，給人們的生活帶來了很多便利。但是目前人機(jī)交互大多是通過使用者的肢體進(jìn)行操作完成的，并不適用于肢體運(yùn)動障礙患者或老年人，所以針對這些群體需要開發(fā)一種新的人機(jī)交互手段。目前，關(guān)于生物電信號的應(yīng)用研究越來越廣泛，將其應(yīng)用于人機(jī)交互領(lǐng)域已成為研究熱點(diǎn)。
　　眼電信號（Electro-oculogram，EOG）是由于眼睛的視網(wǎng)膜與角膜

2、之間的電勢差引起的電信號，屬于生物電信號的一種。隨著眼球的轉(zhuǎn)動，眼電信號也隨之發(fā)生變化，而且不同模式的眼部動作對應(yīng)的眼電信號也不同，具有可區(qū)分性。因此通過眼電信號將特定模式的眼部動作識別出來，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為對外部設(shè)備的控制指令，理論上是一個可行的方法。
　　本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持下，根據(jù)現(xiàn)階段眼電處理技術(shù)中存在的問題并結(jié)合課題的要求，設(shè)計(jì)了基于有意眼動的電動輪椅控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括眼電信號的采集、消噪等預(yù)處理、特征提取以及9

3、類眼部動作的眼電信號檢測，并在線驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性及實(shí)時性。本文主要完成了以下研究工作，并取得了部分創(chuàng)新成果：
　　（1）根據(jù)眼電信號的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)眼電信號的采集方案：選擇雙極導(dǎo)聯(lián)方式，采集眼球運(yùn)動的水平方向和垂直方向兩路眼電信號，采集連續(xù)兩次眨眼、向上掃視、向下掃視、向左掃視、向右掃視、左上掃視、左下掃視、右上掃視和右下掃視等9類眼部動作產(chǎn)生的眼電信號。在眼電信號預(yù)處理階段，以巴特沃斯低通濾波器對眼電信號進(jìn)行消噪，然后選用短時能

4、量的端點(diǎn)檢測方案，應(yīng)用于眼電信號中以提取信號的有效時段。為了消除不同受試者眼電信號在信號強(qiáng)度上的差異，將眼電數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。同時由于端點(diǎn)檢測之后的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)可能不一致，提出以一維插值法使所有數(shù)據(jù)長度保持在200個采樣點(diǎn)數(shù)。
　　（2）在眼電信號特征提取階段，首先提取眼電信號的時域波形特征，之后又利用差分線性預(yù)測系數(shù)以及小波變換兩種方法對眼電信號進(jìn)行特征提取。對水平通道與垂直通道的眼電信號分別提取特征，再將兩個通道的特征組合構(gòu)

5、成特征向量。
　?。?）在模式分類階段，設(shè)計(jì)了三種分類器，分別為S_Kohonen網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)以及模糊支持向量機(jī)。本文首先針對眼電信號的時域波形特征直接進(jìn)行眼電信號的類別判斷，之后嘗試將 S_Kohonen網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于眼電信號的模式識別，以小波分解低頻系數(shù)作為特征，識別率可以達(dá)到94％以上。利用支持向量機(jī)以及模糊支持向量機(jī)分別對眼電信號進(jìn)行識別，以小波分解低頻系數(shù)作為特征，識別率分別可達(dá)到96%以上和97%以上。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對

6、比，選擇小波分解低頻系數(shù)作為特征、模糊支持向量機(jī)作為分類器，為下一步的輪椅控制提供理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　（4）本文設(shè)計(jì)了一個在線的基于有意眼動控制的電動輪椅控制方案，該方案可以通過連續(xù)兩次眨眼信號區(qū)分后面的眼電信號為有意識還是無意識。只有在控制系統(tǒng)檢測到連續(xù)兩次眨眼信號之后的1s內(nèi)檢測到其他眼部動作指令，才將該指令作為有效控制輪椅的指令，否則視為無效指令，輪椅不做任何動作，該方案可有效避免無意識眼動帶來的干擾問題。由于眼部動作模式