CN103434502A - 基于脑机接口技术的紧急刹车系统 - Google Patents

Abstract

基于脑机接口技术的紧急刹车系统，涉及一种汽车用紧急刹车系统。设有脑电波及肌肉张力采集装置和汽车辅助紧急刹车处理装置；脑电波及肌肉张力采集装置设有电极帽、电信号放大处理电路、MCU微控制器、无线发射模块、电信号放大处理电路和肌肉张力传感器；汽车辅助紧急刹车处理装置设有无线接收模块、主控制器、安全气囊装置、汽车制动模块、油门屏蔽模块、汽车速度计、测距仪、踩踏加速度计和整车加速度计。可实现迅速紧急刹车，人体的意念会比人体动作快一点，在车辆高速运动时，这一点点的时间差往往可以决定事故的严重性；可辅助修正驾驶员误操作；能在整车刹车时加速度超过人体承受范围时弹出安全气囊。

Description

基于脑机接口技术的紧急刹车系统

技术领域

本发明涉及一种汽车用紧急刹车系统，尤其是涉及一种可通过脑电波来控制的紧急刹车的基于脑机接口技术的紧急刹车系统。

背景技术

随着科学技术的发展和生活水平的提高，汽车已逐渐成为人们的主要交通工具。但汽车数量的增多也伴随着交通事故的增多，据不完全统计，中国是世界上交通事故死亡人数最多的国家，究其原因，据一份交通事故原因统计，有1/2是因车速过快来不及刹车相撞造成的，1/3是超载引起的，1/4是因车辆性能、机械故障引起的。从该数据可以看出，车辆的刹车系统在车辆正常工作中扮演着极其重要的角色。

目前跟刹车系统有关而导致交通事故的主要有以下两种情况：

1、车速过快，驾驶员的反应速度来不及而导致的。汽车的速度越大，其紧急刹车的距离就越远，当突然遇到紧急情况而需要刹车时，驾驶员的反应能力是极其关键的，踩刹车的速度快慢有时决定了交通事故的严重程度。

2、新手上路，误将油门当作刹车。这种情况对于新手来说较为普遍，在遇到紧急刹车时，新手驾驶员容易将油门踩到底，这样不管汽车的速度快慢，都会造成严重的后果，轻则汽车撞损，重则车毁人亡。

脑机接口技术是将脑电波转变现实运动的一种技术，它的研究为人类提供了一种人脑和外部设备直接连接的新方式。通过对脑电信息的分析解读，可以将其脑电波进一步转化为相应的执行动作。

目前市场上存在的车用紧急刹车系统一般为机械式人工制动，更先进一点就是电子检测辅助刹车，但还未出现通过监测驾驶员的脑电波来实现制动的刹车系统。

中国专利201110252104.8公开一种基于弹性阵列的脑机接口电极帽，该电极帽具有佩戴舒适、使用快捷方便、信噪比高、通用性强、稳定性好的优点。

中国专利201120123142.9公开一种肌肉张力传感器，该肌肉张力传感器可用于获取肌肉张力参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现通过驾驶员的意念控制汽车紧急刹车的基于脑机接口技术的紧急刹车系统。

本发明设有脑电波及肌肉张力采集装置和汽车辅助紧急刹车处理装置；

所述脑电波及肌肉张力采集装置设有电极帽、电信号放大处理电路、MCU微控制器、无线发射模块、电信号放大处理电路和肌肉张力传感器；

所述汽车辅助紧急刹车处理装置设有无线接收模块、主控制器、安全气囊装置、汽车制动模块、油门屏蔽模块、汽车速度计、测距仪、踩踏加速度计和整车加速度计；

所述电极帽贴合在人脑上，所述电信号放大处理电路与电极帽连接；无线发射模块与MCU微控制器的串口连接；电信号放大处理电路与MCU微控制器的通信接口连接，MCU微控制器的A/D输入端口接肌肉张力传感器；

所述无线接收模块通过串口与主控制器连接；安全气囊装置的I/O信号输入端接主控制器的I/O口；汽车制动模块的CAN总线接口与主控制器的CAN总线接口连接；油门屏蔽模块通过CAN总线与主控制器连接；汽车速度计的CAN总线接口接主控制器的CAN总线接口；测距仪的485总线接口接主控制器的485总线；踩踏加速度计的模拟输出端口与主控制器的A/D输入端口连接，整车加速度计接主控器的485总线。

所述电信号放大处理电路可通过一条低阻抗屏蔽线与电极帽连接，将非常微弱的脑信号放大处理成MCU可读取的信号。

所述MCU微控制器与电信号放大处理电路可制作在同一块印刷电路板上，两者非常靠近。

所述无线发射模块可通过3条PCB走线与MCU微控制器的串口接在一起。

所述电信号放大处理电路可通过低阻抗屏蔽线接在MCU微控制器的通信接口，且A/D输入端口接到肌肉张力传感器，肌肉张力传感器制成类似血压计的形状，绑在驾驶员的右脚上。

所述MCU微控制器可采用单片机、DSP或ARM等。

所述主控制器可采用PC机。

与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：

1、可实现迅速紧急刹车，人体的意念会比人体动作快一点，在车辆高速运动时，这一点点的时间差往往可以决定事故的严重性；

2、可辅助修正驾驶员误操作，帮助修正驾驶员想要要刹车，而实际动作却踩到油门的情况，通过正确获取驾驶员的脑电波，并将油门屏蔽掉，可实现即使驾驶员踩上油门也可以刹车的优点；

3、多种传感器如测距传感器、加速度计等及其他技术手段来辅助意念控制，能最大限度的降低误操作的可能性；

4、能在整车刹车时加速度超过人体承受范围时弹出安全气囊，这相对传统气囊需要强大冲击时才弹出具备更显著的优点，其可以最大限度的降低紧急刹车可能给驾驶员身体带来的伤害；

5、具备肌肉张力传感器配合电极帽，且整体形状制作人性化，驾驶员带在身上就类似于带着眼镜，并不觉得不舒服、拘束的地方；

6、辅助刹车系统可根据速度传感器、加速度传感器、测距传感器等传感器获取的数据来之能判断汽车是要完全刹车抱死的还是减速动作；

7、本发明可智能选择以最合理的加速度减速来达到驾驶员最大的舒适性。可根据测距计来判断车辆与障碍物的距离，并自动计算得到最小的加速度值，使得汽车可以在接近障碍物前刚好停止，这样驾驶员受车辆加速度影响就可达到最小化；

8、本发明能够以最大的灵活性与现存的整车控制系统兼容，具备汽车常用的CAN总线接口，具备丰富的接口功能，可实现多功能复用；

9、脑电波及肌肉张力采集装置与汽车辅助紧急刹车处理装置通过无线模块连接起来，可减少实际连线的困扰，采用有线连接可能会产生长线传输干扰和不美观的情况，而无线连接则可完美克服该缺点。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有脑电波及肌肉张力采集装置和汽车辅助紧急刹车处理装置；

所述脑电波及肌肉张力采集装置设有电极帽2、电信号放大处理电路3、MCU微控制器4、无线发射模块5、电信号放大处理电路6和肌肉张力传感器7；所述汽车辅助紧急刹车处理装置设有无线接收模块8、主控制器9、安全气囊装置10、汽车制动模块11、油门屏蔽模块12、汽车速度计13、测距仪14、踩踏加速度计15和整车加速度计16。

所述电极帽2贴合在人脑1上，所述电信号放大处理电路3通过一条低阻抗屏蔽线与电极帽2连接，将非常微弱的脑信号放大处理成MCU可读取的信号；MCU微控制器4与电信号放大处理电路3制作在同一块印刷电路板上，两者非常靠近；无线发射模块5通过3条PCB走线与MCU微控制器的串口接在一起；电信号放大处理电路6通过低阻抗屏蔽线接在MCU微控制器4的通信接口，且A/D输入端口接到肌肉张力传感器7，肌肉张力传感器7制成类似血压计的形状，绑在驾驶员的右脚上；无线接收模块8通过串口连接到主控制器9上；安全气囊装置10的I/O信号输入端接到主控制器9的I/O口上；汽车制动模块11的CAN总线接口与主控制器9的CAN总线接口连接；油门屏蔽模块12同样通过CAN总线与主控制器9连接；汽车速度计13的CAN总线接口接到主控制器的CAN总线接口上；测距仪14的485总线接口接到主控制器的485总线上；踩踏加速度计15的模拟输出端口与主控制器的A/D输入端口连接、整车加速度计16接到主控器9的485总线上。

所述MCU微控制器4可采用单片机、DSP或ARM等。

所述主控制器9可采用PC机。

所述人脑1为实施例的测试驾驶员的头脑，主要用于脑电波数据的提供及对紧急情况下脑电波的变化提供数据源。

所述电极帽2用于实时对人脑信号的监测和获取，并将其以模拟量的电信号形式发送出去。

所述电信号放大处理电路3用于对从电极帽传送过来的微弱的脑电波进行放大滤波等处理。正常的脑电波的电压值在毫伏级别甚至更小，而且频率主要分布在1到30Hz之间，这样微弱的电信号，就需要对其进行放大处理。将不规律、能量极其微弱的脑电波处理成可供MCU微处理器4读取的模拟或者数字信号。

所述MCU微控制器4主要用于对经过滤波放大处理的脑电波和肌肉张力新号进行处理分析，并形成相应协议的通信数据发送到无线发射模块5中。

所述无线发射模块5主要用于接收MCU微处理器4发送过来的信号，并将其发送广播。

所述电信号放大处理电路6用于处理肌肉张力传感器发送的数据，并将处理后的信号发送给MCU微控制器4，其主要功能跟电信号放大处理电路3类似。

所述肌肉张力传感器7主要用于采集获取驾驶员右腿的肌肉绷紧力度，并将获得的微弱的电信号发送至电信号放大处理电路6中进行进一步处理。

所述无线接收模块8用于接收无线发射模块5的数据，并将数据传给主控制器9。

所述主控制器9为一高性能的嵌入式处理器模块，其是整套系统的控制核心，承担着各类数据的获取处理分析，并需要与其他从控制器通信，同时需要发送执行命令给安全气囊装置10、汽车制动模块11、油门屏蔽模块12等执行装置。

所述安全气囊装置10用于紧急情况下，汽车的刹车加速度达到安全阈值时，安全气囊弹出，主要目的是保护驾驶员的安全，传统安全气囊一般得汽车撞到障碍物后才打开的，该系统中的安全气囊弹出是受主控制器9控制的，其主要是监测驾驶员在刹车时的加速度达到受伤的阈值时启动弹出。

所述汽车制动模块11用于对汽车进行减速、刹车等动作。是整个系统的最主要的执行装置，主控制器9通过CAN总线与汽车主控制器通信来间接控制汽车制动模块。当不发生紧急刹车时，汽车制动模块脱离意念控制紧急刹车系统，受汽车主控制器控制，此时与传统的制动系统相同，当意念控制系统工作时，汽车制动模块11就脱离其他控制源，只受主控制器9控制，此时踩油门也没有效果，汽车不会加速。

所述油门屏蔽模块12用于在紧急刹车时屏蔽油门的功能，当紧急刹车系统工作时，驾驶员踩油门也不会有加速的效果，这样做的目的是保护误将油门当刹车的情况发生，避免事故更严重化。

所述汽车速度计13用于汽车速度数据的采集，并将采集的速度值送回到主控器9中进行分析处理。

所述测距仪14用于测量汽车前方障碍物的距离，并将测得的数据传到主控制器9中。

所述踩踏加速度计15用于检测刹车或油门踏板的踩踏加速度值，这主要用于判断驾驶员是否在紧急刹车状态。

所述整车加速度计16用于检测整车在紧急刹车的加速度值，即惯性的大小，若检测到的加速度值超过驾驶员承受能力，则会启动安全气囊装置10，弹出安全气囊。

当驾驶员进入汽车驾驶座后，在人脑1带上电极帽2的设备，后在右腿上套上肌肉张力传感器7，起动汽车开始行驶。

当汽车上路行驶时，脑电波及肌肉张力采集装置的各个部分除了无线发射模块5外都在工作，电极帽2以一定周期采集人脑1的脑信号，并将获得的脑信号转成相应的微弱的电信号传给电信号放大处理电路3，经过电信号放大处理电路3后，该信号的能量及形式满足MCU微控制器4的要求后，电信号放大处理电路3就将处理后的信号发给MCU微控制器4，在微控制器4中进行A/D分析该信号是否满足紧急刹车的阈值要求。肌肉张力传感器7紧贴驾驶员右腿，并以一定的周期获取驾驶员右腿肌肉的力度值，并将获取的信号值传到电信号放大处理电路6中进行处理，后将处理过的信号发给MCU微控制器4进行A/D转换处理分析。微控制器4结合脑信号和肌肉力度信号来分析判断驾驶员此时的状态是否满足紧急刹车的条件，若满足，则将相关协议数据通过无线发射模块5发射广播出去。若不满足，则不发送数据。

汽车辅助紧急刹车处理装置中所有检测传感部分均已一定周期进行相关数据扫描。在汽车正常行驶时，执行机构如安全气囊装置10、油门屏蔽模块12不工作，且汽车制动模块11此时控制权转交给整车控制中心，整车此时的工作状态就跟传统的汽车相同。当无线接收模块8接收到无线发射模块5发送过来的数据时，主控制器9对数据进行分析，若是符合紧急刹车条件时，主控制器9迅速向整车控制中心夺取汽车制动模块的控制权，并在最短的时间内进行整车的车速、加速度、前方障碍距离、油门或踏板加速度值的监测，通过一定的算法判断依据来做出如下的动作：

当监测到整车速度缓慢，前方障碍物有一定距离，且驾驶员脚踩在刹车踏板上时，主控制器9可以选择将汽车制动模块11还给整车控制中心，让驾驶员正常实现刹车。也可以通过障碍物距离和车速，然后以最低的刹车加速度值减速。

当监测到整车速度很快，前方障碍物距离很近时，主控制器9立即启动汽车制动模块11，并实时监测整车加速度计16，当整车加速度计16达到人体安全阈值时，立即启动安全气囊装置10，最大限度保障驾驶员的人身安全。

此外，对于所有条件满足紧急刹车时，主控制器9会立马启动油门屏蔽模块12来保证驾驶员误操作的可能性，这功能对于新手来说是极具重要意义的，也可以让老车手避免失误操作。

当汽车整车满足紧急刹车解除条件时，主控制器9又将汽车制动模块11交还给整车控制中心，其他执行机构不工作，设定的传感器均以一定周期扫描获取数据。整套系统进入了待机监测状态。

Claims (7)

1.基于脑机接口技术的紧急刹车系统，其特征在于设有脑电波及肌肉张力采集装置和汽车辅助紧急刹车处理装置；

所述脑电波及肌肉张力采集装置设有电极帽、电信号放大处理电路、MCU微控制器、无线发射模块、电信号放大处理电路和肌肉张力传感器；

所述汽车辅助紧急刹车处理装置设有无线接收模块、主控制器、安全气囊装置、汽车制动模块、油门屏蔽模块、汽车速度计、测距仪、踩踏加速度计和整车加速度计；

所述电极帽贴合在人脑上，所述电信号放大处理电路与电极帽连接；无线发射模块与MCU微控制器的串口连接；电信号放大处理电路与MCU微控制器的通信接口连接，MCU微控制器的A/D输入端口接肌肉张力传感器；

所述无线接收模块通过串口与主控制器连接；安全气囊装置的I/O信号输入端接主控制器的I/O口；汽车制动模块的CAN总线接口与主控制器的CAN总线接口连接；油门屏蔽模块通过CAN总线与主控制器连接；汽车速度计的CAN总线接口接主控制器的CAN总线接口；测距仪的485总线接口接主控制器的485总线；踩踏加速度计的模拟输出端口与主控制器的A/D输入端口连接，整车加速度计接主控器的485总线。

2.如权利要求1所述基于脑机接口技术的紧急刹车系统，其特征在于所述电信号放大处理电路通过屏蔽线与电极帽连接。

3.如权利要求1所述基于脑机接口技术的紧急刹车系统，其特征在于所述MCU微控制器与电信号放大处理电路制作在同一块印刷电路板上。

4.如权利要求1所述基于脑机接口技术的紧急刹车系统，其特征在于所述无线发射模块通过3条PCB走线与MCU微控制器的串口接在一起。

5.如权利要求1所述基于脑机接口技术的紧急刹车系统，其特征在于所述电信号放大处理电路通过屏蔽线接在MCU微控制器的通信接口，且A/D输入端口接到肌肉张力传感器。

6.如权利要求1所述基于脑机接口技术的紧急刹车系统，其特征在于所述MCU微控制器采用单片机、DSP或ARM。

7.如权利要求1所述基于脑机接口技术的紧急刹车系统，其特征在于所述主控制器采用PC机。

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