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现今有很多高位截瘫病人或其他重症残疾人丧失了行为能力，如何利用高科技技术改善他们的生活质量，让他们重获自理能力是科学研究服务于社会的一个重要方向。当前的智能轮椅
已经实现了自主导航、自主避障、语音驱动、防碰撞等诸多功能，但这依然不能服务于几乎丧失行为能力和语言能力的重症残疾人。肢体功能不健全的人的思维与正常人基本上没有差别，脑电生理信号可以用来控制高性能智能轮椅。研究高性能的脑电信号控制智能轮椅是切实可行的。基于此，本文提出一种利用脑电波信号来控制智能轮椅运动轨迹的设计方法。经过一定训练以后利用意念控制可以很好地控制轮椅的前进、停止、后退、左拐、右拐，同时还具有基本的环境监测、语音控制功能。实验表明该系统具有较好的市场应用前景。
1、脑电波检测基础
人类在进行生理活动时会放电，如在思考问题时大脑会产生0.2～1毫伏的电压，这就是通常所说的“脑电波”。脑电波活动具有一定的规律性特征，并且与大脑的意识存在一定程度的对应关系。人在昏迷、兴奋、紧张等不同状态下，脑电波的频率会有明显的不同，大约分布在1-40赫兹之间。依照不同的频率，脑波又被进一步分为α、β、δ、θ波。当人在一定的压力之下精神高度集中时，脑波的频率在12-38赫兹之间，这个波段被称为β波，是“意识”层面的脑波；当人注意力下降，处于放松状态时，脑波的频率会下降到8-12赫兹，这被称为α波；进入睡眠状态后，脑波频率进一步下降，分为θ波（4-8赫兹）和δ波（0.5-4赫兹），它们分别反映的是人在“潜意识”和“无意识”阶段的状态。
利用脑机接口的技术（Brain-ComputerInterface，BCI），可在人脑与计算机等外部设备之间建立直接的连接通路。通过对于脑电信号的分析解读，将其进一步转化为相应的动作，也即通常所说的用“意念”操控物体的基本原理。本设计所使用的脑电波传感器具有检测灵敏度高，干式接触，先进的噪音过滤技术，低能耗，成本低等优点。该脑电波传感器通过蓝牙设备发送数据，每秒大约发送513个数据包。在这些数据报中包含检测到的眨眼数据、专注度数据和放松度数据等。
2、系统硬件设计
2.1系统结构
核心控制模块为控制板，其余主要模块有脑电波传感器模块，蓝牙模块、电机驱动模块、语音模块、温湿度传感器模块和液晶显示模块。核心硬件脑电波传感器用来采集脑电波信号数据，通过蓝牙模块将采集来的数据发送给作为核心控制板。核心控制板处理数据并根据处理结果控制小车的运动（前进、停止、左转和右转等），用语音模块播报小车行驶状态信息，同时使用液晶显示屏显示小车行驶状态以及温湿度传感器采集的环境温湿度等信息。
2.2硬件电路模块
（1）核心控制模块
本系统硬件核心控制平台采用微处理器，该处理器基于ARM体系结构，具有低成本、低功耗、高性能等优良品质，适用于移动电话和广泛的应用开发。
（2）脑电波传感器模块
脑电波传感器主要部件为TGAM模块。TGAM模块主要功能有：采集原始脑波信号；处理和输出α、β等脑波波段数据；处理和输出专注度和放松度指数；侦测眨眼状态；分析嵌入式的信号质量；发出接触不良或是完全没接触等异常状态的警告数
据。
（3）蓝牙模块
本系统蓝牙模块工作模式为从机模式。使用前需要首先通过PC机上串口调试工具利用蓝牙设备的AT配置指令配置它的波特率，设备名称，蓝牙连接密码，主机或从机模式并绑定对应的另一台蓝牙设备的地址。
（4）语音模块
本系统的语音发声具有语音处理速度更快，输出的音质较好等优点。
（5）液晶显示模块
液晶显示模块显示屏幕较大，视觉效果良好，具有低电压低功耗、编程操作指令灵活简单的特点。
（6）温湿度检测模块
温湿度检测模块具有体积小，功耗低，信号传输距离长及稳定性好等优点。
（7）电机驱动模块
本系统轮椅模型由轮椅机架、四个直流电机和电机驱动组成。另外，这个驱动板还带有固定铜柱和散热片，以及控制方向的指示灯。
3、系统软件设计
3.1系统软件构架
系统对各模块初始化之后，核心控制板通过蓝牙开始接收脑电波传感器发送的脑电波信号。经过解析算法函数对接收到的数据进行解析，通过逐级比较脑电波信号数据内的标志位数据，筛选出脑电波专注度数据和眨眼数据，然后将这些数据与预先设定的阀值进行比较。若专注度数据值高于阀值，则进入轮椅运行子系统或轮椅转向子系统。通过判断眨眼的次数分别在轮椅运行子系统控制轮椅的前进和停止，在转向子系统控制轮椅的左拐和右拐。为了帮助乘坐人员对轮椅运动轨迹更好的控制，利用液晶模块显示当前运行状态信息，语音模块播报当前运行状态信息。
3.2脑电波数据解析
脑电波传感器通过蓝牙模块每秒大约发送513个数据包，分为小包数据和大包数据。其中前512个包是小包数据，包含了一个原始数据，根据解析算法从原始数据中可以获得眨眼数据；第513个包是大包数据，包含了专注度数据和放松度数据。每个数据包由包头部、有效负载及有效负载校检和三部分组成。数据包头部由两个字节的SYNC（0xAA）和一个字节的PRELENGTH（有效负荷长度，最大值169）组成。有效负载校验和长度为一个字节，其值为将有效负荷的所有字节相加取最低8位然后取反得到的值。
本文利用嵌入式微处理器和脑电波传感器等器件设计了智能轮椅的控制系统，并进行了硬件和软件联调，初步实现了意念控制轮椅的目的。本系统的主要优点是不需要人体的肢体动作，通过简单的脑电波传感器的使用训练就可以实现对智能轮椅运动方向的控制，为肢体功能不健全的人士提供了一个自由的控制平台。系统对轮椅的运动控制较为精准，成本较低，对今后进一步实现智能轮椅的产品化来说具有良好的参考价值。
