STEM教育 · 脑波控制小车：美少女战士把科幻变为现实

一、美少女战士把科幻变为现实

美少女战士中的
水手月亮
是一个从来不服输的乐观女孩，不管在什么时候都给人一种看着她就开心的感觉。她面对强敌，永远不服输。她是银水晶
守护的爱与正义的战士，
宁可牺牲自己也要换来其他人的幸
。同时也是包容一切的战士，她宽大的心胸是她每次成功最重要的一点。她
身体里具有着强大的能量，能够变想法为现实。现实中“她”已经把它实现
，在这里她把美丽与科技，梦幻与现实完美结合。

二、
窥探神秘的脑电波
   脑电波（Electroencephalogram,EEG）是大脑在活动时，脑皮质细胞群之间形成电位差，从而在大脑皮质的细胞外产生电流。它记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。生物电现象是生命活动的本特征之一，各种生物均有电活动的表现，大到鲸鱼，小到细菌，都有或强或弱的生物电。其实，英文细胞（cell）一词也有电池的含义,无数的细胞就相当于一节节微型的小电池，是生物电的源泉。人脑中有许多的神经细胞在活动着，而成电器性的变动。也就是说，有电器性的摆动存在。而这种摆动呈现在科学仪器上，看起来就像波动一样。脑中的电器性震动我们称之为脑波。用一句话来说明脑波的话，或许可以说它是由脑细胞所产生的生物能源，或者是脑细胞活动的节奏。

三、脑电波特征
   现代科学研究已经知道，人脑工作时会产生自己的脑电波，可用电子扫描仪检测出，至少有四个重要的波段。经过研究证实大脑在至少有四个不同的脑电波。
脑电波是是一些自发的有节律的神经电活动，其频率变动范围在每秒1－30次之
间的，可划分为四个波段，即δ（1－3Hz）、θ（4－8Hz）、α（8－13Hz）、β（14－30Hz）。（这几种波的频率边界，在学界还没有完全统一的标准。亦有学者认为δ波小于4Hz，θ波4～8Hz，α波8～12Hz，β波12～35Hz，并认为有大于35Hz的脑电波，并命名为γ波。长期处于该状态下的人会有生命危险）

四、控制原理

1.脑波传感器接收信号：
信号放大技术让原始脑波信号更加的清晰。噪音过滤技术可以去除掉肌肉，脉搏和电气设备发出的噪音。滤波器可以过滤掉来自电网中50-60Hz之间的干扰噪音。要把脑电波信号从干扰噪音中区分出来需要一个参考电极和电路接地系统。电路接地系统让人体电压与耳机的电压持平，参考电极通过共态抑制过滤掉周围的环境噪音。设备的参考电极和电路接地系统大多是通过人的耳朵连接的。所以使用设备时一定要确认耳部
的接触是良好的。

2.脑波控制小车前进：通过脑波电极放在前额上，把信号传输到传感器中，同时也把周围的干扰信号也传进来。通过共模抑制算法滤波滤除干扰信号，就可以的到脑波的信号。再把脑波信号传送到控制器中，来控制小车的前进。

3.控制小车的方向：控制小车的左右旋转是通过三轴加速度传感器实现的，我们可以通过转动头的快慢来判断需要旋转的方向。此三轴I2C通信方式，通信方式简
单。同时体积也是非常小（20*20mm),控制比较灵活。

4调试过程中的问题总结：1）波特率不对，应设置为57600
2）脑波接触问题，要使得电极和皮肤接触良好，可以擦拭一点酒精或水
3）干扰问题，就是围在干扰还是比较大，建议不要用电脑供电
4）编程问题——接收信息时堵塞现象，时效性比较差

五、视频展示

六、电路图
发射端电路：
通过脑波电极放在前额上，把信号传输到传感器中，同时也把周围的干扰信号也传进来。通过共模抑制算法滤波滤除干扰信号，就可以的到脑波的信号。再把脑波信号传送到控制器中，控制小车的运动。
控制小车的左右旋转是通过三轴加速度传感器实现的，我们可以通过转动头的快慢来判断需要旋转的方向

接收端电路：
   Romeo V2 多合一Arduino兼容控制器
继承了RoMeo控制器的所有功能并在其基础上增加了蓝牙4.0无线通信功能，可以说是蓝牙4.0和Arduino激烈碰撞并完美融合
的众多结晶之一，因此受到成千上万
的开放源码的支持，并可以很容易地扩展arduino模块。此模块
集成2路直流电动机驱动器和无线插座，给出了一个更简单容易的方式开始项目。此电路是通过蓝牙接信号，然后控制电机的运动。

七、运用的元器件
  控制端：
   Bluno Nano
   BMA220三轴加速度传感器
   脑波传感器
   电池
  接收端
Romeo V2 多合一Arduino兼容控制器
Devastator 履带机器人移动平台
八、软件代码
   控制端：brain.zip
   接收端：car.zip