教你打造一架用“意念”控制的直升機(jī) - 全文

　　這個制作會向你展示如何拆開一架遙控直升機(jī)，然后修改它的遠(yuǎn)程控制硬件使之能夠通過開源的電腦軟件來控制。更重要的是，它可以通過常見的消費(fèi)級 腦電圖 頭戴式感應(yīng)器感應(yīng)到人腦的專注和放松狀態(tài)，進(jìn)而控制直升機(jī)的飛行！

　　項(xiàng)目中用到的軟件包含兩個應(yīng)用程序，Puzzlebox Synapse和 Puzzlebox Brainstorms 。前者連接到市售的消費(fèi)級頭戴式腦電圖感應(yīng)器，比如 NeuroSky MindSet 或者 Emotiv EPOC 。后者連接到從遙控器拆出的發(fā)射芯片上，依據(jù)Puzzlebox Synapse給出的信號向直升機(jī)發(fā)送飛行命令。這些軟件（包括源代碼）可以在 Brainstorms Puzzlebox 的網(wǎng)站下載。

　　1、材料和工具

　　○ 一架遙控直升機(jī)

　　○ 頭戴式腦電圖感應(yīng)器，比如 NeuroSky MindSet 或者 Emotiv EPOC

　　○ USB轉(zhuǎn)串口線，可以設(shè)置任意波特率

　　● 示波器

　　● 邏輯分析儀

　　● 烙鐵和焊錫（可選）

　　● 連接線和萬能電路板（可選）

　　● Puzzlebox Synapse和Puzzlebox Brainstorms軟件

　　開始干活之前，拆解直升機(jī)。充電并安裝好電池，確定所有部件都工作良好之后再開始檢查或拆卸單個部件（譯注：開拆前別忘了取下電池，不要帶電拆卸）。你也應(yīng)該事先熟悉直升機(jī)的基本控制，包括如何設(shè)置，基本控制和飛行特征。這里我們用的直升機(jī)是一架 Blade mCX2 。

　　2、 檢查遙控器組件

　　首先要拆卸和檢查遙控器電路板的組件。弄個顯微鏡記錄制造商的名稱和各種芯片的編號和數(shù)目可能是有用的，這對研究電路的功能和通訊協(xié)議的時候有幫助，可以在下一步用 示波器 或 邏輯分析儀 工作時節(jié)省時間。我們用的遙控器是 Blade MLP4DSM 。

　　遙控器上有4個控制飛行的遙控通道：

　　A. 油門（在空中上升/下降）

　　B. 升降舵（前進(jìn)/后退）

　　C. 副翼（左右轉(zhuǎn)向）

　　D. 方向舵（順時針/逆時針旋轉(zhuǎn)）

　　這兩個操縱桿連接到 電位器 上，能夠控制電位器的輸出電壓。電位器與電源相連，抽頭連接到 Atmega88PA 單片機(jī)的端口上。

　　單片機(jī)測量輸入電壓，然后轉(zhuǎn)換成 PCM 數(shù)字信號傳送到發(fā)射芯片。發(fā)射芯片通過 Spektrum DSM2 協(xié)議和直升機(jī)進(jìn)行通訊。

　　簡要說明：這里的說明可能不是100%準(zhǔn)確，但卻是一個簡要有用，易于理解的可視化說明方式。

　　把電類比成水可能會簡單一些，水通過管道而不是電線或者電路板上的印刷線路流動。如果你測量水壓或者管道中某點(diǎn)的水位，就相當(dāng)于測量電壓。管道的直徑就是電路可接受的最大電壓。測量在某一點(diǎn)單位時間內(nèi)通過的水量相當(dāng)于在電路中測量電流。想象高處不斷落下的大水滴，這是一個高電壓，低電流的電路。而一場爆發(fā)式的洪水，是一個相對低電壓但是大電流的電路。也正是由于這一原因，放大器（它們放大電流）通常被認(rèn)為比高電壓還要危險(xiǎn)一些。

　　這些電池充當(dāng)著水源的角色，和水（電力）通過管道（電路）流動的目標(biāo)。連接在遙控桿上的電位器起的作用就像管道中的閥門，能夠改變之后管道中的水位（電壓）。比如說，當(dāng)油門搖桿處在最低的位置，相當(dāng)于閥門的轉(zhuǎn)子葉片完全關(guān)閉，所以管道中沒有水流動（電壓為0）。當(dāng)搖桿在最高的位置，閥門開啟，后面管道的水位（電壓）則處在最高位置。

　　如果水管途中經(jīng)過一個水輪，水輪轉(zhuǎn)動時就能驅(qū)動直升機(jī)的旋翼。這里可以看出越多的水沖擊水輪（電壓越高），輪子和旋翼就轉(zhuǎn)的越快，使直升機(jī)飛的越高。不過這里討論的搖桿和電路在遙控器而不是直升機(jī)上，所以需要一些額外的中繼步驟。

　　在這個假想的例子中，微處理器（單片機(jī)）測量管道中的流水水位。這個數(shù)字代表著電壓和搖桿的當(dāng)前位置。這個數(shù)字將被轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式并且通過發(fā)射芯片發(fā)射，數(shù)目對應(yīng)于各操縱桿的這些數(shù)字發(fā)射到直升機(jī)以后，直升機(jī)上的接收器傳送這些數(shù)據(jù)給微處理器，在那里數(shù)字信號最后轉(zhuǎn)化成用于驅(qū)動漿葉和舵機(jī)的模擬輸出。

　　3 、將控制電路板連接到示波器

　　利用一個示波器，我們可以探測微處理器和發(fā)射芯片之間通訊信號的特征。把示波器的探頭輪流接到發(fā)射芯片的每個引腳和地線上，直到找出哪個腳用于信號傳輸，那些腳是電氣地線。調(diào)整示波器的靈敏度將使顯示的圖像更加清晰可見。最重要的是，我們將可以確定我們的遙控器發(fā)送一個數(shù)字信號，而不是相反的 模擬信號 。

　　另外一點(diǎn)也很重要，就是我們可以測量數(shù)字信號的電平電壓，來確保我們的USB轉(zhuǎn)串口線可以產(chǎn)生和接收相同電平的信號。如果不是這種情況，就需要一個簡單電平轉(zhuǎn)換電路來變換信號電平，以適合現(xiàn)有的USB轉(zhuǎn)串口線。

　　在第一幅照片里，下邊沿附近的亮點(diǎn)顯示了數(shù)據(jù)包（又名數(shù)據(jù)幀）的發(fā)送，我們想要知道每一個數(shù)據(jù)包內(nèi)含的信息，為此需要使用邏輯分析儀。

　　在第二張放大的照片中可以看到，在數(shù)字信號的垂直邊沿上，部分線條將隨著操縱桿的操作而閃動。這表明每個數(shù)據(jù)包的內(nèi)含數(shù)據(jù)都隨著對搖桿的操作而變化，變化方式隨通道不同而不同。

　　更具體的討論和示波器的使用方法超出了本教程的范圍，暫且不表。

　　4 、連接邏輯分析儀

　　一個邏輯分析儀能夠幫助你抓到從微處理器發(fā)送到發(fā)射芯片間的每幀PCM數(shù)據(jù)包。顯示并且解碼它們。在這個項(xiàng)目里我們用了Tektronix 1241邏輯分析儀。 Saleae Logic 軟件能夠幫助我們精確測量每幀數(shù)據(jù)發(fā)送的頻率（22ms一幀），還有數(shù)據(jù)格式，位數(shù)，每個字節(jié)數(shù)據(jù)的格式（8個數(shù)據(jù)位，無效驗(yàn)，1個停止位），波特率（133000波特）。每幀數(shù)據(jù)中包含14個可以用十六進(jìn)制方便表示的字節(jié)。

　　注意：波特率是相當(dāng)重要的。最接近我們使用要求的，并且被大多數(shù)串口設(shè)備（比如項(xiàng)目中的USB轉(zhuǎn)串口線）支持的標(biāo)準(zhǔn)波特率是115200。但這離我們的無線發(fā)射頻率差距太遠(yuǎn)，開始的嘗試失敗了。所以選用一個轉(zhuǎn)換芯片允許任意設(shè)置波特率的USB轉(zhuǎn)串口線就顯得十分重要。在之后的版本里我們選用了一個基于 FTDI 芯片的版本。（FT232 USB-Serial ‘UART’ IC，詳見最后的說明。）

　　同這一步驟有關(guān)的是Saleae邏輯分析軟件捕獲數(shù)據(jù)的記錄文件示例。在第一個文件示例中油門搖桿完全出于最下方，而在第二個文件里油門搖桿始終處于最上方。更多搖桿位置的數(shù)據(jù)實(shí)例和討論以及邏輯分析儀的使用超出了本教程的范圍。

　　簡要說明：在我們之前的比喻里，我們說水流的水壓（水位）可以類比為電流流過電路時的電壓，由于操縱桿控制的閥門而升降。然而當(dāng)我們使用示波器的時候可以觀測到，在微處理器和發(fā)射芯片之間的信號是數(shù)字的，而不是模擬的。這實(shí)際上意味著管道要么充滿水要么枯竭，沒有中間狀態(tài)。通過兩種極端狀態(tài)的變化，在管道中發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

　　用另一種方式思考，想象管道兩端分別有著發(fā)送者和接收者。在這種情況下，發(fā)送者是微處理器（因?yàn)樗缹⒁l(fā)送的數(shù)字值）而接收者是發(fā)送芯片。試圖通過調(diào)節(jié)管道中的水流發(fā)送信息非常緩慢，所以他們采用了手電筒互打莫爾斯電碼的方式。每隔一段時間，接收者探頭進(jìn)入管道觀察情況。同一時刻發(fā)射者要么打開手電表示一個1，要么關(guān)上手電筒將之表示為0。每次發(fā)生這種情況，稱作一個位（bit）的發(fā)送。這會連續(xù)快速發(fā)送8次，形成一個字節(jié)（Byte）。如果每個詞的一個字母是一位，一個詞就是一個字節(jié)。邏輯分析儀還告訴我們微處理器朝發(fā)射芯片說的每個‘句子’有14個‘詞’，這個句子包含了所有的搖桿位置和每個運(yùn)動方向的信號。只要遙控器開啟，完整的句子每秒重復(fù)約45次（每22ms一次）。波特率非常重要是因?yàn)樗砹税l(fā)射方和接收方之間預(yù)先約定的信號時間間隔。換句話說，如果發(fā)送方每五秒鐘發(fā)送一次閃光，而接收方每十秒鐘看一次管道，他就只會記錄到一半的信號，并且將它記錄下來以后，實(shí)際上每個位都是錯的。當(dāng)我們說波特率是133000的時候，實(shí)際上這一意味著每秒鐘發(fā)生的閃爍高達(dá)133000次！

　　5 、拆焊發(fā)射芯片

　　在使用示波器觀察微處理器和發(fā)射芯片之間的數(shù)字信號，并使用邏輯分析儀對 串行 通訊協(xié)議進(jìn)行解碼之后，通過軟件遙控直升機(jī)的道路就變得清晰了。我們的軟件會繞過所有其他組件，直接通過USB轉(zhuǎn)串口線同發(fā)射芯片進(jìn)行通訊。如果這一步不順利，我們還有一個替代方案?？梢允褂?Arduino 輸出模擬電壓來模擬電位器的輸出電平。

　　由于發(fā)射器芯片實(shí)際上是一塊單獨(dú)的電路板（見附圖），而且在兩個引腳之間有足夠的空間讓我們飛出信號，我們已經(jīng)能夠記錄和分析所有微處理器發(fā)送給它的原始數(shù)據(jù)，但我們最終希望能夠自行產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)。這需要給發(fā)射板額外供電，如果遙控器的電源開關(guān)打開，然后微處理器也將發(fā)送數(shù)據(jù)，這將與我們插入的數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突；如果我們關(guān)閉了電源開關(guān)，發(fā)射器芯片也將關(guān)閉，任何數(shù)據(jù)都不會發(fā)送到直升機(jī)。我們認(rèn)為我們將能夠從USB轉(zhuǎn)串口線為發(fā)射器芯片供電，但是我們不能肯定，電力會不會回流到微處理器使之開始工作。因此，我們決定從遙控器上拆下發(fā)射器芯片板，因?yàn)檫@是我們的項(xiàng)目唯一需要的部分。

　　6 、連接控制板與USB轉(zhuǎn)串口線

　　當(dāng)發(fā)射芯片板被拆下來以后，我們需要重新用導(dǎo)線將原來的遙控器與發(fā)射芯片板飛線相連，這樣就既可以像以前一樣放飛直升機(jī)，又可以將它連接到USB轉(zhuǎn)串口線通過軟件遙控飛行，還可以通過USB轉(zhuǎn)串口線直接記錄遙控器發(fā)出的數(shù)據(jù)幀。

　　我們最終使用一塊萬能板搭建了簡易的開關(guān)電路，使我們能夠控制信號流向任意需要的方向。

　　通過這些收集到的信息我們用 Python 語言編寫了“Helicopter_Control.py”模塊作為Puzzlebox Brainstorms軟件的一部分。

　　在圖片里，我們從控制臺運(yùn)行了這個此模塊，像下面這樣發(fā)出了“讀”的命令：python Helicopter_Control.py --command=read --device=/dev/ttyUSB0

　　注意：在我們的具體配置里，我們的Linux系統(tǒng)在創(chuàng)建USB到串行端口設(shè)備時串行端口被附加了“/ dev/ttyUSB0”，這可能根據(jù)您的特定系統(tǒng)有所不同。比如在Windows下的COM端口可能被注為“COM1“。

　　當(dāng)以這種方式執(zhí)行模塊時很容易看到從微處理器發(fā)送到發(fā)射器芯片的實(shí)時數(shù)據(jù)。將這個模塊納入我們的源代碼之后，我們可以任意發(fā)送特定的命令字符串給直升機(jī)。

　　順便提一句，我們注意到，當(dāng)直升機(jī)首次啟動時，需要發(fā)送一個“中間”油門位置的命令來建立匹配（不論是由連接到發(fā)射器芯片遙控器或計(jì)算機(jī)軟件發(fā)出該字符串）。否則直升機(jī)將不會識別發(fā)射器芯片，并進(jìn)入同步模式（由一個在駕駛艙閃爍的藍(lán)燈表示）。

　　此外，當(dāng)控制臺命令不再發(fā)送，直升機(jī)會顯示斷開連接（在駕駛艙外長亮的藍(lán)燈），為了重新建立連接，需要再次發(fā)射了大約兩秒鐘的“中間”油門位置命令才能發(fā)送其它操縱命令，例如“懸?！被颉跋蚯帮w。”這些設(shè)置傳輸會自動由Puzzlebox Brainstorms軟件處理。

　　7 、測試飛行-從命令控制臺遙控直升機(jī)

　　在這個示例視頻中，遙控直升機(jī)首先通過原來的遙控器操作，再經(jīng)過萬能板電路切換信號通道，由在控制臺模式下運(yùn)行的Puzzlebox Brainstorms軟件發(fā)送“向前飛”的命令。注意在直升機(jī)起飛前有一個延遲，在此期間，發(fā)射器和直升機(jī)之間重新建立了同步。

　　可用的控制臺命令示例：

　　Neutral： 使用此命令來與直升機(jī)建立初始同步

　　python Helicopter_Control.py --command=neutral

　　Hover： 直升機(jī)在空中懸停

　　python Helicopter_Control.py --command=hover

　　Fly Forward： 直升機(jī)向前飛行，高度降低，此時易于著陸

　　python Helicopter_Control.py --command=fly_forward

　　Read： 讀取遙控器的輸出指令并直接在顯示器上顯示

　　python Helicopter_Control.py --command=read

　　8 、連接腦電圖感應(yīng)器到Puzzlebox Synapse

　　Puzzlebox Synapse是一個免費(fèi)，開源，跨平臺的應(yīng)用程序，它能直接連接到市售的消費(fèi)級腦電圖頭戴感應(yīng)器上，采集腦電波信號（包括檢測狀態(tài)），將數(shù)據(jù)繪圖，選擇性地記錄數(shù)據(jù)到磁盤，并提供了TCP / IP服務(wù)器功能來為遠(yuǎn)程客戶端傳遞信息。

　　這個項(xiàng)目我們將使用Puzzlebox Synapse連接到一個NeuroSky MindSet感應(yīng)器，然后區(qū)分 “專注”和“冥想”的思想集中程度，Puzzlebox Brainstorms則使用這些數(shù)據(jù)來遙控直升機(jī)飛行，懸停，或著陸。如果使用的是Emotiv EPOC感應(yīng)器則可以使用“EmoKey”軟件直接同Puzzlebox Brainstorms通訊，從而跳過這一步。

　　首先需要建立一個電腦與NeuroSky MindSet的藍(lán)牙連接。連接方法應(yīng)該已經(jīng)在感應(yīng)器的說明中提供了，不在本教程的范圍之內(nèi)。如果你使用的是Windows XP，建議使用東芝（Toshiba）藍(lán)牙驅(qū)動（感應(yīng)器安裝光盤中有），而不是內(nèi)置的Microsoft藍(lán)牙驅(qū)動，我們使用東芝公司的軟件獲得了更好的效果。對于NeuroSky MindSet默認(rèn)的藍(lán)牙Pin識別碼為“0000”，一旦連接到你的Windows系統(tǒng)會獲得新的COM端口或Linux下的/ dev/ ttyUSB。建議Mac OS X的任何用戶嘗試使用Python解釋器從源代碼開始運(yùn)行，并通知我遇到的任何問題。理論上這些軟件應(yīng)當(dāng)兼容，但是截至交稿時我還沒有在OS X上實(shí)際測試過。

　　一旦連接建立，只需選擇你NeuroSky MindSet的藍(lán)牙連接MAC地址，或選擇顯示的的適當(dāng)COM端口。

　　點(diǎn)選“Server Daemon”下面的“Start”按鈕，圖形界面將開始顯示實(shí)時腦電圖測量結(jié)果。腦波和“eSense”計(jì)算每秒更新一次。它也可以繪制原始腦電圖輸出波形圖用來查看，顯示隨著時間的推移被測對象專注和放松的趨勢，并存儲用戶會話的全部內(nèi)容到磁盤或輸出為OpenOffice.org Calc或Microsoft Excel中使用的CSV文件。

　　9 、使用Puzzlebox Brainstorms遙控直升機(jī)飛行

　　Puzzlebox Brainstorms是一個免費(fèi)，開源，跨平臺的軟件應(yīng)用程序，它允許通過腦機(jī)接口（BCI）控制車輛，設(shè)備，玩具（例如 LEGO MINDSTORMS ），遙控直升機(jī)，甚至電動輪椅。

　　在這個項(xiàng)目里我們將使用該軟件控制直升機(jī)的向前飛行，懸停和/或著陸。這些操作的控制命令來源于NeuroSky MindSet或Emotiv EPOC腦電圖頭戴感應(yīng)器自動檢測到的被測對象專注/放松的程度。

　　第一步是在啟動應(yīng)用程序之后連接到上一步的準(zhǔn)備好的Puzzlebox Synapse的服務(wù)器。服務(wù)器可以搭建在同一臺計(jì)算機(jī)上或通過TCP/ IP協(xié)議或者因特網(wǎng)進(jìn)行訪問。在“控制面板”點(diǎn)擊Puzzlebox Brainstorms標(biāo)簽，核對主機(jī)和端口設(shè)置后，點(diǎn)擊“連接”，開始接收腦電圖檢測數(shù)據(jù)。

　　下一步點(diǎn)擊“遙控直升機(jī)”標(biāo)簽。該發(fā)射器芯片應(yīng)該已經(jīng)被改裝并連接到電腦系統(tǒng)。如前面的步驟中所述，USB轉(zhuǎn)換的串行接口將出現(xiàn)在Windows下的COM端口或/ dev/ ttyUSB Linux下的串行設(shè)備里。默認(rèn)情況下，當(dāng)大腦“專注”或“放松”的水平達(dá)到一定的閾值（約60％或更高，在“puzzlebox_brainstorms_configration.ini”文件中定義） “速度”表將開始上升，遙控直升機(jī)將工作在“懸?！蹦Ｊ?，一旦放松水平低于閾值直升機(jī)則自動下降并著陸。

　　如果使用Emotiv EPOC感應(yīng)器，你可以通過“EmoKey”程序指定以下快捷鍵并用它們?nèi)我庵付ㄖ鄙龣C(jī)的工作狀態(tài)：

　　“Home ” or “［ ” -懸停

　　“Page Up ” or “］ ” – 向前飛行

　　“End ” or “” -著陸

　　簡要說明（注意：這里的說明可能不是100%準(zhǔn)確，但卻是一個簡要有用，易于理解的可視化說明方式。）

　　A. 假設(shè)你站在正在進(jìn)行棒球比賽的體育場外，你不能看到球場上的球員（我們不能“讀你的心”），但每過一段時間，你就可以聽到人群歡呼和叫喊，知道發(fā)生了令人興奮的事件。我們知道，當(dāng)發(fā)生類似這樣的情況，就意味著你在保持專注。你可以設(shè)想頭上的電極就像接收場內(nèi)人群歡呼聲信號的天線，當(dāng)我們調(diào)整到合適的頻率（電極處于合適的位置），聽到興奮的叫喊轟鳴（電極傳出信號），我們就知道你在專注。

　　B. 人類的大腦是由約100億個 神經(jīng)元 組成的，它們不斷通過化學(xué)過程交換信息，在這一過程產(chǎn)生電信號，當(dāng)與特定功能相關(guān)的大腦區(qū)域高度活躍時，可以直接在該區(qū)域?qū)?yīng)的頭皮表面測量出電信號的微小變化。就像遙控控制電路，我們測量這些電信號的幅度和變化并用電壓表示（盡管實(shí)際的變化小而又?。?。

　　C. 如果你從遙控器中取出單節(jié)AA電池，你會發(fā)現(xiàn)在一邊寫著“1.5V”，表示該電池正常電壓為1.5伏。我們測量腦電信號用的單位是伏特十萬分之一（微伏），腦電圖本質(zhì)上就是一個極靈敏的電壓表的測量結(jié)果。

　　D. 當(dāng)我們使用腦電圖感應(yīng)器測量出大腦的電活動后，就可以用數(shù)學(xué)知識來處理這些信號。結(jié)合腦科學(xué)上的知識，我們將電極放置在大腦皮層（大腦右額葉，位于前額右下部），同時采集了中立參考點(diǎn)的信號（例如用戶的耳朵，那里沒有神經(jīng)元。，據(jù)此我們可以計(jì)算出人們的大腦對事物注意的程度——是專注還是放松。