基于有意眼動控制電動輪椅的研究.pdf

1、人機交互技術(shù)將人與計算機或者其他電子設(shè)備進行連接，體現(xiàn)人的意志。隨著科技的進步，人機交互手段也變得多樣化，給人們的生活帶來了很多便利。但是目前人機交互大多是通過使用者的肢體進行操作完成的，并不適用于肢體運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)用于人機交互領(lǐng)域已成為研究熱點。
　　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，并在線驗證了該系統(tǒng)的有效性及實時性。本文主要完成了以下研究工作，并取得了部分創(chuàng)新成果：
　?。?）根據(jù)眼電信號的特點，設(shè)計眼電信號的采集方案：選擇雙極導(dǎo)聯(lián)方式，采集眼球運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行消噪，然后選用短時能

4、量的端點檢測方案，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度上的差異，將眼電數(shù)據(jù)進行歸一化處理。同時由于端點檢測之后的數(shù)據(jù)采樣點數(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個采樣點數(shù)。
　?。?）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)計了三種分類器，分別為S_Kohonen網(wǎng)絡(luò)、支持向量機以及模糊支持向量機。本文首先針對眼電信號的時域波形特征直接進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，識別率可以達到94％以上。利用支持向量機以及模糊支持向量機分別對眼電信號進行識別，以小波分解低頻系數(shù)作為特征，識別率分別可達到96%以上和97%以上。通過實驗結(jié)果的對

6、比，選擇小波分解低頻系數(shù)作為特征、模糊支持向量機作為分類器，為下一步的輪椅控制提供理論及實驗基礎(chǔ)。
　　（4）本文設(shè)計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