[发明专利]一种基于脑电信号的无人机航迹规划系统

说明书

本发明公开了一种基于脑电信号的无人机航迹规划系统，包括接口模块、信号发生模块、数据处理模块、脑机接口模块、无人机航迹规划模块，通过本发明的技术方案能够测量基于导航能力的脑电信号，分析影响人类在导航过程中认知行为所生成的电信号，并以此完善无人机的自主导航能力。

技术领域

本发明涉及认知神经科学、信息技术领域和自动控制领域的综合应用，尤其涉及一种基于脑电信号的无人机航迹规划系统。

背景技术

EEG包含大脑皮层神经活动的信号，深入了解对揭示大脑工作的认知和思维过程具有重要意义。脑神经信号综合反映了脑神经系统的局部活动，是分析脑神经系统和大脑运转活动的重要工具。脑电信号给生物医学、计算机科学和认知科学搭建了桥梁，因此，脑电信号也一直是交叉学科热门研究对象。

位置感知和导航能力是大脑最基本的功能，人在自然环境中能表现出高于定位的导航能力，人们需要知道自身的位置以及到达目的地(寻路)的优选路径。在寻路过程中，人脑会在无意识情况下收集环境的信息，更新头脑中的认知地图，因而大脑在不熟悉的环境或复杂环境中也能迅速做出正确的决策。人脑智能寻路这种能力与记忆、思维等认知功能都紧密相关，而这一功能的潜在机制却一直未被揭晓。直到约翰·奥·基夫研究发现组成“大脑定位系统”的位置细胞和网格细胞，分析出了大脑如何创建周围空间的“地图”，以及如何在复杂环境中定位的路径，大脑定位才有了理论依据。

近年来，随着脑电分析技术和脑电设备的发展，基于认知领域的脑电信号识别成为重要的研究内容。以人脑的认知导航信号为出发点，能够为无人机领域带来突破性的发展。

无人机的自主适应能力和航迹规划能力将能引导其自主飞行。在无人机领域，“类人脑”的结构框架设计是关键突破点，是开展认知导航航迹规划技术研究的基础和前提。目前无人机的结构框架不具备学习能力，无法满足自适应要求。期望得到的“类人脑”认知模型是一种新兴模型，其优势在于通过模拟人类不同脑区的功能以及各个脑区的相互联系，从大脑认知机理上实现对人类认知过程的建模，具有空间认知、经验积累、和推理决策能力。但是当前认知决策的研究尚属理论研究阶段，“类人”认知决策模型仍处于初步发展阶段。不仅如此，无人机对外部环境非常不确定的认知决策，是十分棘手的问题。在多种类型突发情况下无人机如何“自动”规划最优航迹。智能性更好、适应环境/任务变化的能力更强、能够实时或近实时自主地规划或修改规划策略的智能自适应在线航迹规划，无疑是无人飞行器在线航迹规划技术的未来发展方向。因此，在人脑自主导航能力的基础上，把智能化的信号应用在无人机的控制系统中的问题，需要迫切解决。

随着脑机接口技术的进步，以及认知科学、计算机和材料学等多学科理论与技术的涌入，生物与机器之间的连接将会越来越紧密，智能融合的程度也会越来越深。混合智能系统是脑机接口技术发展的必然趋势，也是实现智能增强的一种新途径。

脑电信号的测量主要分为两种。一种是基于自发脑电测量(Electroencephalogram，EEG)，自发脑电是指没有特定外界刺激时大脑神经细胞自动发出的电位信息变化，对外界表现形式为在头皮表面记录的电位信息。另一种是基于事件相关电位，又称为诱发脑电测量(EventRelated Potential,ERP)，诱发脑电测量是指认为的对感觉器官施加光、声、电刺激所引起的电位变化。脑电信号按照频带定义通常可以分为δ(0.5-4Hz)、θ(4-8Hz)、α(8-12Hz、β(14-30Hz)、γ(45-50Hz)等五种节律的波形，其中β和γ波同属快波，波幅增高与神经细胞兴奋相关，这种特征通常与人脑认知功能相关。脑神经信号是一种非平稳的神经生理信号，在很多测试数据中也能发现，时间不同的频率成分也不相同，因此单一的时域或者单一的频域分析都做不到准确地表达脑神经信号所要提取的运动想象或者导航能力的特征，许多脑电信号的突变是在瞬态产生的，时频分析才能准确地处理。