一種基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及人因工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于人的生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控輔助決策系統(tǒng)。包括控制器，以及第一采集模塊，采集操作員心電信號(hào)，將心電信號(hào)的心率增長(zhǎng)率與預(yù)設(shè)的第一心率增長(zhǎng)率閾值和其它條件進(jìn)行比較；第二采集模塊，采集操作員的皮膚信號(hào)，將人控操作開始之前和人控操作開始之后的皮膚信號(hào)進(jìn)行比較；第三采集模塊，采集操作員呼吸信號(hào)，將呼吸率增長(zhǎng)率與預(yù)設(shè)的第一呼吸率增長(zhǎng)率閾值和其它條件進(jìn)行比較，由控制器判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)。評(píng)估操作員在任務(wù)中的認(rèn)知狀態(tài)，客觀性好；基于操作員在人控任務(wù)中是否處于精神高度緊張狀態(tài)的判斷，輔助進(jìn)行人控轉(zhuǎn)機(jī)控，有效降低人因失誤發(fā)生概率，提高系統(tǒng)的人因可靠性和安全性水平。
【專利說明】
一種基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及人因工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于人的生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控輔 助決策系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 人工控制（以人為主導(dǎo)的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)控制方式，簡(jiǎn)稱人控)和機(jī)器控制（又稱為 自動(dòng)控制，是以機(jī)器為主導(dǎo)的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制方式，簡(jiǎn)稱機(jī)控)相結(jié)合逐漸成為復(fù)雜 人機(jī)系統(tǒng)控制方式的主要形式。如大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)工業(yè)系統(tǒng)控制、核電站應(yīng)急操作控制、 民航或軍用航空飛行器飛行控制等，既有人控，又有機(jī)控，它們都充分發(fā)揮了操作員和機(jī)器 系統(tǒng)自身的各自優(yōu)勢(shì)，提高了復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)整體的安全性水平。
[0003] 人控和機(jī)控相結(jié)合的控制方式在任務(wù)進(jìn)程的不同階段，需要面向具體任務(wù)情境科 學(xué)選擇控制方式，以保證任務(wù)成功和系統(tǒng)可靠。當(dāng)前，主要依靠操作員自身決策的方式實(shí) 現(xiàn)。但該方法存在著較大的人因失誤風(fēng)險(xiǎn)，特別是在緊急或復(fù)雜的任務(wù)情境下，操作員處于 高度緊張、認(rèn)知能力較弱的狀態(tài)，只能進(jìn)行有限的計(jì)劃或期望性判斷，每個(gè)下一步動(dòng)作的選 擇主要依賴于對(duì)任務(wù)情境突出特征的感知或經(jīng)驗(yàn)，使得人因失誤概率大大上升。
[0004] Wastell D.G?和Newman M在《Behaviour and Information Technology》上發(fā)表 的論文"Stress，control and computer system design:a psycho physiological field study"中，提出人體生理信號(hào)對(duì)于認(rèn)知狀態(tài)變化，如負(fù)面/正面情緒、關(guān)注度以及工作負(fù)荷 的變化具備敏感特性，可用于系統(tǒng)人機(jī)交互事件和用戶認(rèn)知狀態(tài)的評(píng)估和分析。Picard R.ff. , Vyzas E . ,Healey J等人在《IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence》上發(fā)表的論文"Toward machine emotional intelligence : analysis of affective physiological state"中，提出人體生理信號(hào)用于認(rèn)知和情感狀 態(tài)的評(píng)估，具有不易受主觀調(diào)控的影響、實(shí)時(shí)性號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 基于上述文獻(xiàn)分析，將人體生理心電、呼吸及皮膚電信號(hào)用于緊急或復(fù)雜的任務(wù) 情境下操作人員認(rèn)知狀態(tài)評(píng)估具有技術(shù)可行性。同時(shí)，將該技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)人控 轉(zhuǎn)機(jī)控過程尚未見相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)目前上述存在的上述問題，本發(fā)明提供一種基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策 系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，應(yīng)用于對(duì)操作員的認(rèn)知狀態(tài)進(jìn)行評(píng) 估，包括控制器，分別通訊連接所述控制器的液晶顯示模塊和蜂鳴器，以及
[0009] 第一采集模塊，實(shí)時(shí)采集操作員的心電信號(hào)，所述控制器將所述心電信號(hào)的心率 增長(zhǎng)率與預(yù)設(shè)的心率增長(zhǎng)率閾值進(jìn)行比較，并且當(dāng)前心率增長(zhǎng)率不高于相鄰的后一個(gè)心率 增長(zhǎng)率，以獲得操作員的實(shí)時(shí)心率特征，并判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)；
[0010] 第二采集模塊，實(shí)時(shí)采集操作員的皮膚信號(hào)，所述控制器將人控操作開始之前與 人控操作開始之后的兩個(gè)皮膚信號(hào)的均值之差與預(yù)設(shè)的第一均值閾值進(jìn)行比較，并且當(dāng)前 皮膚信號(hào)的均值不小于相鄰的后一個(gè)皮膚信號(hào)均值，且當(dāng)前的皮膚信號(hào)以及相鄰的下一個(gè) 皮膚信號(hào)的一階方差絕對(duì)值都不高于預(yù)設(shè)的第一一階方差絕對(duì)值閾值，以獲得操作員的實(shí) 時(shí)皮膚特征，并判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)；
[0011] 第三采集模塊，實(shí)時(shí)采集操作員的呼吸信號(hào)，所述控制器將所述呼吸信號(hào)的呼吸 率增長(zhǎng)率與預(yù)設(shè)的呼吸率增長(zhǎng)率閾值進(jìn)行比較，并且當(dāng)前的呼吸率增長(zhǎng)率不高于相鄰的后 一個(gè)呼吸率增長(zhǎng)率，以獲得操作員的實(shí)時(shí)呼吸率特征，并判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)。
[0012] 優(yōu)選地，所述第二采集模塊采集的皮膚信號(hào)，所述控制器將人控操作開始之后與 人控操作開始之前的兩個(gè)皮膚信號(hào)的均值之差與預(yù)設(shè)的第二均值閾值進(jìn)行比較，并且當(dāng)前 皮膚信號(hào)的均值不高于相鄰的后一個(gè)皮膚信號(hào)均值，且當(dāng)前的皮膚信號(hào)以及相鄰的下一個(gè) 皮膚信號(hào)的一階方差絕對(duì)值都不高于預(yù)設(shè)的第二一階方差絕對(duì)值閾值；以獲得操作員的實(shí) 時(shí)皮膚特征，并由所述控制器判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)。
[0013] 優(yōu)選地，所述第一采集模塊包括脈搏傳感器，所述脈搏傳感器與所述控制器電連 接，將采集的所述心電信號(hào)傳輸至所述控制器。
[0014] 優(yōu)選地，用腕部束縛帶將所述脈搏傳感器置于操作員的非利手脈搏處。
[0015] 優(yōu)選地，所述第二采集模塊包括依次電連接的生物電極、第一放大器和第一 ADR 換器;所述皮膚信號(hào)通過生物電極傳輸至所述第一放大器進(jìn)行共模抑制放大，所述第一 AD 轉(zhuǎn)換器將所述第一放大器傳輸過來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過串行外設(shè)接口傳輸 至所述控制器。
[0016]優(yōu)選地，所述生物電極設(shè)置于操作員的非利手掌心的食指、中指的指尖位置或掌 心的食指、中指的第二節(jié)位置或掌心的魚際、小魚際隆凸位置。
[0017]優(yōu)選地，所述第三采集模塊包括依次電連接的硅壓阻式傳感器、第二放大器和第 二AD轉(zhuǎn)換器，所述呼吸信號(hào)通過所述硅壓阻式傳感器傳輸至所述第二放大器進(jìn)行共模抑制 放大，所述第二AD轉(zhuǎn)換器將所述第二放大器傳輸過來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過 串行外設(shè)接口傳輸至所述控制器。
[0018]優(yōu)選地，用胸束縛帶將所述硅壓阻式傳感器置于操作員的胸腔處。
[0019]優(yōu)選地，所述第一放大器設(shè)有第一正相輸入端和第二正相輸入端以及第一輸出端 和第二輸出端，所述生物電極輸出的是一組差分式的正相皮膚信號(hào)和反相皮膚信號(hào)，所述 正相皮膚信號(hào)傳輸至所述第一放大器的第一正相輸入端，所述反相皮膚信號(hào)傳輸至所述第 一放大器的第二正相輸入端，
[0020] 所述第一放大器接有第一電阻和第二電阻，所述第一電阻連接在所述第一放大器 的第一輸出端和第二輸出端之間;所述第二電阻連接在所述第一輸出端和第一反相輸入端 之間；還包括第三電阻，所述第三電阻連接在所述第一輸出端和第二輸出端之間；所述第二 反相輸入端連接在所述第一電阻和第三電阻之間；所述第一放大器的放大倍數(shù)由（1+2*第 二電阻/第一電阻)決定。
[0021] 優(yōu)選地，所述第二放大器設(shè)有第三正相輸入端和第四正相輸入端以及第三輸出端 和第四輸出端，所述硅壓阻式傳感器輸出的是一組差分式的正相呼吸信號(hào)和反相呼吸信 號(hào)，所述正相呼吸信號(hào)傳輸至所述第二放大器的第三正相輸入端，所述反相呼吸信號(hào)傳輸 至所述第二放大器的第四正相輸入端，
[0022]所述第二放大器接有第四電阻和第五電阻，所述第四電阻連接在所述第二放大器 的第三輸出端和第四輸出端之間；所述第五電阻連接在所述第三輸出端和第三反相輸入端 之間；還包括第六電阻，所述第六電阻連接在所述第三輸出端和第四輸出端之間;所述第四 反相輸入端連接在所述第四電阻和第六電阻之間；所述第二放大器的放大倍數(shù)由（1+2*第 五電阻/第四電阻)決定。
[0023]優(yōu)選地，在人控操作開始前，所述第一采集模塊采集并存儲(chǔ)操作員的心電信號(hào)ho (i)i多1，對(duì)所述心電信號(hào)濾波后應(yīng)用主信號(hào)頻率確定方法進(jìn)行離散時(shí)間傅里葉變換，得到 操作員的心率f〇,h;
[0024]在人控操作開始后，所述第一采集模塊采集并存儲(chǔ)操作員的心電信號(hào)1^( i) i多1， 并對(duì)所述心電信號(hào)進(jìn)行分段處理得到分段的心電信號(hào)序列hn，h多1且為整數(shù)，對(duì)所述分段 的心電信號(hào)序列匕進(jìn)行濾波后通過主信號(hào)頻率確定方法得到操作員的心率f n,h;
[0025] 計(jì)算操作員的心率增長(zhǎng)率In, h，所述
[0026] 優(yōu)選地，在人控操作開始前，所述第二采集模塊采集并存儲(chǔ)皮膚信號(hào)XQ (i ) i多1， 對(duì)所述皮膚信號(hào)進(jìn)行分段并計(jì)算皮膚信號(hào)序列的均值Mo和一階差分絕對(duì)值均值So;
[0027] 在人控操作開始后，所述第二采集模塊采集并存儲(chǔ)皮膚信號(hào)Xn( i) i多1，對(duì)所述皮 膚信號(hào)進(jìn)行分段得到皮膚信號(hào)序列xn(i)，i多1且為整數(shù)，并計(jì)算皮膚信號(hào)序列均值M n和一 階差分絕對(duì)值均值Sn。
[0028] 優(yōu)選地，在人控操作開始前，所述第三采集模塊采集并存儲(chǔ)操作員的呼吸信號(hào)r〇 (i) i多1，對(duì)所述呼吸信號(hào)rQ( i) i多1濾波后通過主信號(hào)頻率確定方法得到操作員的呼吸率 f〇,r；
[0029]在人控操作開始后，所述第三采集模塊采集并存儲(chǔ)操作員的呼吸信號(hào)^( i) i多1， 對(duì)所述呼吸信號(hào)進(jìn)行分段得到分段的呼吸信號(hào)序列rn，n多1且為整數(shù)，并對(duì)所述呼吸信號(hào) 序列進(jìn)行濾波，通過主信號(hào)頻率確定方法確定操作員的呼吸的心率fn,r;
[0030] 計(jì)算操作員的呼吸率增長(zhǎng)率In,r，所述
[0031 ]優(yōu)選地，所述控制器判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)的方法包括：
[0032] 判斷所述皮膚信號(hào)均值^以及一階差分絕對(duì)值均值Sn是否滿足條件（1):
[0033] M〇-Mn>3yS 且 Mn>Mn+1>Mn+2且 Sn彡 e 且 Sn+1< e 且 Sn+2< e
[0034] 或者
[0035] Mn-M()>3yS 且 KMn+1<Mn+2且 Sn彡 e 且 Sn+1< e 且 Sn+2< e
[0036] 其中，yS為設(shè)定的均值閾值，n>0且為整數(shù)，e為設(shè)定一階差分絕對(duì)值均值閾值，e 的取值結(jié)合操作員個(gè)體差異、人控操作任務(wù)綜合考慮或者基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得到；
[0037] 判斷所述心率增長(zhǎng)率是否滿足條件(2):
[0038] In,h 彡 30% 且 In+2,h 彡 In+i,h 彡 In,h，n彡 1
[0039] 判斷所述呼吸率增長(zhǎng)率是否滿足條件(3):
[0040] In,r>50% 且 In+2,r彡 In+1,r彡 In,r，n彡 1
[0041] 若以上3個(gè)條件同時(shí)滿足，則操作員處于高度緊張狀態(tài)，操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G =3；
[0042] 如果僅有其中2項(xiàng)條件滿足，則操作員處于比較緊張狀態(tài)，操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí) G = 2；
[0043] 如果僅有其中1項(xiàng)條件滿足，則操作員處于緊張狀態(tài)，操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = 1;
[0044] 否則操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = 0。
[0045] 優(yōu)選地，若操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = 3,則所述決策系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)人控轉(zhuǎn)機(jī)控，且 所述蜂鳴器報(bào)警；
[0046]若操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = 2,則所述液晶顯示模塊顯示"建議人控轉(zhuǎn)機(jī)控"，且 所述蜂鳴器報(bào)警；
[0047]若操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G=l，則所述液晶顯示模塊顯示"建議人控轉(zhuǎn)機(jī)控"，但 所述蜂鳴器不報(bào)警；
[0048]若操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = 0,則所述液晶顯示模塊保持原狀態(tài)不變，且所述蜂 鳴器不報(bào)警。
[0049] 本發(fā)明的有益效果：
[0050] (1)應(yīng)用基于人體的皮膚信號(hào)、心電信號(hào)及呼吸信號(hào)的特征變化評(píng)估操作員在人 控任務(wù)中的認(rèn)知狀態(tài)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)變化情況，客觀性好、對(duì)主任務(wù)侵入性低；
[0051] (2)基于操作員在人控任務(wù)中是否處于精神高度緊張狀態(tài)的判斷，輔助進(jìn)行人控 轉(zhuǎn)機(jī)控，能夠有效降低人因失誤發(fā)生概率，提高系統(tǒng)的人因可靠性和安全性水平；
[0052] (3)本發(fā)明與控制對(duì)象人機(jī)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，可移植性好。
【附圖說明】
[0053]圖1為本發(fā)明的一種基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；
[0054]圖2為本發(fā)明的一種基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)的電路原理圖；
[0055] 圖3為本發(fā)明的一種基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)的決策流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0056] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。
[0057] 首先，結(jié)合附圖1對(duì)一種基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖進(jìn)行說 明：
[0058]該基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)包括控制器，分別通過串行外設(shè)接口連接 控制器的第一采集模塊、第二采集模塊和第三采集模塊，以及分別電連接控制器的液晶顯 示模塊9和蜂鳴器10。所述的第一采集模塊為脈搏信號(hào)模塊，第二采集模塊為皮膚信號(hào)模 塊，第三采集模塊為呼吸信號(hào)模塊。該控制器為單片機(jī)1，單片機(jī)1采用STC15W4K32S4型號(hào)的 單片機(jī)1。脈搏信號(hào)模塊包括一個(gè)脈搏傳感器2,用于實(shí)時(shí)提取操作員的心電信號(hào)，脈搏傳感 器2采用HK-2000A集成化傳感器。皮膚信號(hào)模塊用于實(shí)時(shí)提取操作員的皮膚信號(hào)，其包括依 次電連接的生物電極3、第一放大器4和第一 AD轉(zhuǎn)換器5,第一放大器4為前置生物放大器 0P4177,對(duì)稱并聯(lián)差動(dòng)放大可以獲得極高的輸入阻抗和共模抑制比。采用金質(zhì)電極片作為 測(cè)量皮膚的生物電極3。第一 AD轉(zhuǎn)換器5為AD7674型號(hào)的高速AD轉(zhuǎn)換器，采用雙極輸入，采樣 頻率調(diào)節(jié)范圍在500kS/s~800kS/s，動(dòng)態(tài)范圍為103dB。呼吸信號(hào)模塊用于實(shí)時(shí)提取操作員 的呼吸信號(hào)，其包括依次電連接的硅壓阻式傳感器6、第二放大器7和第二AD轉(zhuǎn)換器8,硅壓 阻式傳感器6為差壓型硅壓阻式傳感器6,第二放大器7也為前置生物放大器0P4177,對(duì)稱并 聯(lián)差動(dòng)放大可以獲得極高的輸入阻抗和共模抑制比；第二AD轉(zhuǎn)換器8為AD7674型號(hào)的高速 AD轉(zhuǎn)換器，其采樣頻率調(diào)節(jié)范圍在500kS/s~800kS/s。液晶顯示模塊9采用低功耗1602字符 顯示。控制器分別控制脈搏信號(hào)模塊、皮膚信號(hào)模塊、呼吸信號(hào)模塊實(shí)時(shí)測(cè)量心率特征信 息、皮膚特征信息和呼吸率特征信息，并根據(jù)以上信息進(jìn)行計(jì)算與處理，以綜合評(píng)估操作員 的認(rèn)知狀態(tài)，從而確定操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)，并根據(jù)認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)控制系統(tǒng)是否進(jìn)行人 控轉(zhuǎn)機(jī)控或者是否啟動(dòng)蜂鳴器10進(jìn)行報(bào)警。
[0059]如圖2所示的電路原理圖，生物電極3的兩個(gè)輸出端口輸出的是正相皮膚信號(hào)S1 + 和反相皮膚信號(hào)S1-兩個(gè)差分式的信號(hào)，兩個(gè)輸出端分別連接第一放大器4的第一正相輸入 端+INA1和第二正相輸入端+INB1，第一放大器4對(duì)輸入的皮膚信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的皮膚 信號(hào)通過第一放大器4的第五正相輸出端IN1+進(jìn)行輸出并傳輸至第一 AD轉(zhuǎn)換器5的第六正 相輸入端;第一放大器4的第五反相輸出端IN1-輸出信號(hào)并傳輸至第一 AD轉(zhuǎn)換器5的第六反 相輸入端。第一 AD轉(zhuǎn)換器5對(duì)輸入的皮膚信號(hào)進(jìn)行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過其四個(gè)輸出端口對(duì) 應(yīng)傳輸至單片機(jī)1的四個(gè)輸入端:CNVST1端口、CS1端口、SD0UT1端口、SCLK1端口，CNVST1端 口表示開始轉(zhuǎn)換，CNVST的下降沿使內(nèi)部采樣保持進(jìn)入保持狀態(tài)并開始轉(zhuǎn)換;CS1端口用于 設(shè)置片選端口； SD0UT端口用于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出位;SCLK1端口用于控制單片機(jī)1的時(shí)鐘頻率。 對(duì)于另一條呼吸信號(hào)支路，硅壓阻式傳感器6的兩個(gè)輸出端口輸出的是正相皮膚信號(hào)S2+和 反相皮膚信號(hào)S2-兩個(gè)差分式的信號(hào)，兩個(gè)輸出端分別連接第二放大器7的第三正相輸入端 +INA2和第四正相輸入端+INB2,第二放大器7對(duì)輸入的呼吸信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的呼吸信 號(hào)通過第二放大器7的第七正相輸出端IN2+進(jìn)行輸出并傳輸至第二AD轉(zhuǎn)換器8的第八正相 輸入端;第二放大器7的第七反相輸出端IN2-輸出信號(hào)并傳輸至第二AD轉(zhuǎn)換器8的第八反相 輸入端。其后面的工作原理和皮膚信號(hào)模塊的工作原理類似，在此不做贅述。此外，第一放 大器4設(shè)有第一正相輸入端+INA1和第二正相輸入端+INB1以及第一輸出端0UTA1和第二輸 出端0UTB1，生物電極3輸出的是一組差分式的正相皮膚信號(hào)S1+和反相皮膚信號(hào)S1-，正相 皮膚信號(hào)S1+傳輸至第一放大器4的第一正相輸入端+INA1，反相皮膚信號(hào)S1-傳輸至第一放 大器4的第二正相輸入端+INB1。第一放大器4接有第一電阻R1和第二電阻R2,第一電阻R1連 接在第一放大器4的第一輸出端0UTA1和第二輸出端0UTB1之間；第二電阻R2連接在第一輸 出端0UTA1和第一反相輸入端-INA1之間；還包括第三電阻R3,第三電阻R3連接在第一輸出 端0UTA1和第二輸出端0UTB1之間；第二反相輸入端-INB1連接在第一電阻R1和第三電阻R3 之間;第一放大器4的放大倍數(shù)由（1+2R2/R1)決定。
[0060] 第二放大器7設(shè)有第三正相輸入端+INA2和第四正相輸入端+INB2以及第三輸出端 0UTA2和第四輸出端0UTB2,硅壓阻式傳感器6輸出的是一組差分式的正相呼吸信號(hào)S2+和反 相呼吸信號(hào)S2-，正相呼吸信號(hào)S2+傳輸至第二放大器7的第三正相輸入端+INA2,反相呼吸 信號(hào)S2-傳輸至第二放大器7的第四正相輸入端+INB2。第二放大器7接有第四電阻R1'和第 五電阻R2'，第四電阻R1'連接在第二放大器7的第三輸出端0UTA2和第四輸出端0UTB2之間； 第五電阻R2'連接在第三輸出端0UTA2和第三反相輸入端-INA2之間；還包括第六電阻R3'， 第六電阻R3 '連接在第三輸出端0UTA2和第四輸出端0UTB2之間；第四反相輸入端-INB2連接 在第四電阻R1'和第六電阻R3'之間；第二放大器7的放大倍數(shù)由（1+2R2 7R1'）決定。單片機(jī) 1把傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算與處理后，將計(jì)算結(jié)果傳輸并顯示至液晶顯示模塊9上；當(dāng)計(jì) 算結(jié)果值滿足設(shè)定條件時(shí)，啟動(dòng)蜂鳴器10進(jìn)行報(bào)警。
[0061]現(xiàn)結(jié)合圖3，以某型水下航行器模擬指揮信息系統(tǒng)的控制方式轉(zhuǎn)換操作為例，對(duì)基 于操作員的皮膚信號(hào)、心電信號(hào)以及呼吸信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控輔助決策方法進(jìn)行說明。
[0062]將本發(fā)明的一種基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)安裝在裝備模擬指揮信息 系統(tǒng)附近合適位置(如控制臺(tái)）。操作員就位后對(duì)決策系統(tǒng)進(jìn)行連接，將采集皮膚信號(hào)的生 物電極3安放在操作員的非利手掌心的食指、中指指尖位置或掌心的食指、中指第二節(jié)位置 或掌心的魚際、小魚際隆凸位置，要求連結(jié)部位松緊適度。用腕部束縛帶將測(cè)量心電信號(hào)的 脈搏傳感器2置于操作員的非利手脈搏處。用胸束縛帶將測(cè)量呼吸信號(hào)的硅壓阻式傳感器6 置于操作員的胸腔處，要求連結(jié)部位松緊適度。決策系統(tǒng)連接完畢后，開啟電源。操作員以 人控方式開始進(jìn)行裝備模擬指揮信息系統(tǒng)的操作。本發(fā)明的人控轉(zhuǎn)機(jī)控系統(tǒng)中具體計(jì)算及 處理過程如下：
[0063]步驟101:操作員皮膚信號(hào)x(i)i彡1采集與記錄。
[0064]在人控操作前，皮膚信號(hào)模塊實(shí)時(shí)采集操作員的皮膚信號(hào)x(i)i多1，采集信號(hào)頻 率為 f = 10Hz。
[0065]步驟102:計(jì)算人控前操作員的皮膚信號(hào)均值Mo和一階差分絕對(duì)值均值So。
[0066]對(duì)操作員皮膚信號(hào)x(i)i多1進(jìn)行分段處理，得到分段的皮膚信號(hào)序列xn，設(shè)定序 列長(zhǎng)度L = 600;
[0067] xn=[x(n*L+l)，x(n*L+2)，???，x(n*L+L)] (1)
[0068] 當(dāng)n = 0時(shí)表示人控操作開始前操作員的皮膚信號(hào)序列xo,因此將n = 0帶入公式 (1)，并計(jì)算皮膚信號(hào)序列的均值Mo，得到Mo = 6.3yS;
[0069] 對(duì)分段的皮膚信號(hào)序列XQ計(jì)算一階差分絕對(duì)值均值
[0071] 將n = 0帶入公式（2)，并計(jì)算皮膚信號(hào)序列的一階差分絕對(duì)值均值So,得到So = 0.012yS〇
[0072] 步驟103:對(duì)人控后信號(hào)分段并計(jì)算均值Mn。
[0073] 在人控操作后，對(duì)采集的皮膚信號(hào)進(jìn)行分段處理，得到分段的皮膚信號(hào)序列Xn，設(shè) 定序列長(zhǎng)度L = 600,序列長(zhǎng)度表示采集時(shí)間為1分鐘的皮膚信號(hào)長(zhǎng)度；
[0074] xn=[x(n*L+l)，x(n*L+2)，???，x(n*L+L)]n>0且為整數(shù) （3)
[0075]根據(jù)公式⑶計(jì)算皮膚信號(hào)序列的均值1，也就是得到[M^Ms，…]=[6.6此，6.如 S，7.5yS，8.7yS，9.5yS，9.6yS，9.7yS,…]
[0076] 可以發(fā)現(xiàn)，前3分鐘（即前3個(gè)信號(hào)序列）操作員的皮膚信號(hào)均值波動(dòng)幅度不大，其 后則出現(xiàn)較大幅度的提高。
[0077] 步驟104:對(duì)人控后信號(hào)分段并計(jì)算一階差分絕對(duì)值均值Sn。
[0078] 對(duì)分段的皮膚信號(hào)序列^計(jì)算一階差分絕對(duì)值均值
?>0且為整數(shù) C4)
[0080] 根據(jù)公式(4)得到：
[0081] [Si，S2，."] = [0.022yS，0.015yS，0.016yS，0.007yS，0.005yS，0.004yS，0.004y S,…]對(duì)分段的皮膚信號(hào)序列
[0082] 以上為皮膚特征，可以發(fā)現(xiàn)，前3分鐘（即前3個(gè)信號(hào)序列）操作員的皮膚信號(hào)一階 差分絕對(duì)值均值較大，其代表了操作員皮膚信號(hào)較大的波動(dòng)速率;其后該指標(biāo)一直保持在 較低水平，可解釋為操作員的認(rèn)知狀態(tài)變化處于不明顯的水平。
[0083]步驟105:判斷操作員皮膚電信號(hào)是否滿足條件(1):
[0084] M〇-Mn> 3yS 且 Mn>Mn+1>Mn+2且 Sn彡 e 且 Sn+1< e 且 Sn+2< e
[0085] 或者
[0086] Mn-M()>3yS 且 KMn+1<Mn+2且 Sn彡 e 且 Sn+1< e 且 Sn+2< e
[0087]也就是人控操作開始之前與人控操作開始之后的兩個(gè)皮膚信號(hào)的均值之差與預(yù) 設(shè)的第一均值閾值3此進(jìn)行比較，并且當(dāng)前皮膚信號(hào)的均值Mn不小于相鄰的后一個(gè)皮膚信 號(hào)均值Mn+l，且當(dāng)前的皮膚信號(hào)以及相鄰的下一個(gè)皮膚信號(hào)的一階方差絕對(duì)值Sn和Sn+l都不 高于預(yù)設(shè)的第一一階方差絕對(duì)值閾值又或者人控操作開始之后與人控操作開始之前的 兩個(gè)皮膚信號(hào)的均值之差與預(yù)設(shè)的第二均值閾值3iiS進(jìn)行比較，并且當(dāng)前皮膚信號(hào)的均值 Mn不高于相鄰的后一個(gè)皮膚信號(hào)均值Mn+1，且當(dāng)前的皮膚信號(hào)以及相鄰的下一個(gè)皮膚信號(hào)S n 和Sn+1的一階方差絕對(duì)值都不高于預(yù)設(shè)的第二一階方差絕對(duì)值閾值e。先行設(shè)定一個(gè)關(guān)于皮 膚信號(hào)序列的一階差分絕對(duì)值均值的指定值e， e取值結(jié)合操作員個(gè)體差異、人控操作任務(wù) 特點(diǎn)綜合考慮，或者基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得到。
[0088] 步驟201:操作員的心電信號(hào)h(i)i彡1的采集與記錄。
[0089] 在人控操作開始之前，脈搏傳感器2實(shí)時(shí)采集操作員的心電信號(hào)h(i)i多1，以得到 操作員的心率特征，
[0090] 步驟202:計(jì)算人控前操作員的心率fo,h
[0091] 計(jì)算人控操作開始前采集的操作員心電信號(hào)為ho(i)i多1，應(yīng)用濾波器對(duì)心電信 號(hào)進(jìn)行通帶濾波，通帶截止頻率設(shè)置為Q P = [ ，7JI ]，阻帶截止頻率設(shè)置為Q s = [ 0.8JI，7.2 Jr]，通帶衰減為〇.5dB，阻帶最大衰減為10dB，輸出信號(hào)頻率范圍0.50~3.50Hz;應(yīng)用主信號(hào) 頻率確定方法，
[0092]對(duì)于有限長(zhǎng)度為N、采樣率為匕的時(shí)域信號(hào)x(n)n多1，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行離散時(shí)間傅里 葉變換
[0093] X{〇"") = ^ WiY' /wh?-7T<?<^ ?=-〇〇
[0094] 設(shè) 150：
[0095] )| = max|X(e/w)| = max ^ x(n)e~JC0!1 ,-n<a><7i W--GO
[0096] 則時(shí)域信號(hào)x (n) n多1的主信號(hào)頻率f o為
[0098] 得到操作員的心率fo,h，f(),h= 1.25Hz;
[0099]步驟203:對(duì)人控后的心電信號(hào)進(jìn)行分段并計(jì)算心率fn,h
[0100]在人控操作開始之后，對(duì)采集操作員的心電信號(hào)hn，n多1進(jìn)行分段處理，設(shè)定序列 長(zhǎng)度為1^ = 60以11，以11為操作員心電信號(hào)的采樣頻率，1^為采集時(shí)間為1分鐘的心電信號(hào)長(zhǎng) 度；
[0101] 設(shè)人控操作開始之后采集的分段心電信號(hào)1^為：
[0102] hn=[h((n-l)XLh+300fs,h+l)，h((n-l)XLh+300f s,h+2)，."，h((n-l)XLh+300fs，h +Lh)]
[0103] (5)
[0104] n多1且為整數(shù)，對(duì)1^應(yīng)用濾波器對(duì)其進(jìn)行通帶濾波，通帶截止頻率設(shè)置SQP=[3I， 7jt ]，阻帶截止頻率設(shè)置為Q s = [ 0.8jt，7.2jt ]，通帶衰減為0.5dB，阻帶最大衰減為10dB，輸 出信號(hào)頻率范圍0.50~3.50Hz;應(yīng)用主信號(hào)頻率確定方法，得到操作員的心率f n,h。
[0105] 步驟204:計(jì)算人控操作開始后操作員的實(shí)時(shí)心率增長(zhǎng)率In,h:
(6)
[0107] 從n = l開始，可以得到人控操作開始后操作員的實(shí)時(shí)心率增長(zhǎng)率序列：
[0108] [0,0,0.07,0.07,0.07,0.27,0.33,0.33,0.33, ???]
[0109] 可以發(fā)現(xiàn)，人控操作開始后第6分鐘開始，操作員的心率增長(zhǎng)率顯著升高。
[0110] 步驟205:判斷操作員的實(shí)時(shí)心率特征是否滿足條件(2):
[0111] In,h 彡 30% 且 In+2,h 彡 In+l,h 彡 In,h，n彡 1
[0112] 也就是判斷當(dāng)前心電信號(hào)的心率增長(zhǎng)率是否高于預(yù)設(shè)的心率增長(zhǎng)率閾值，并且當(dāng) 前心率增長(zhǎng)率In,h不高于相鄰的后一個(gè)心率增長(zhǎng)率In +1,h。
[0113] 步驟301:操作員呼吸信號(hào)r(i)i彡1的采集與記錄。
[0114] 在人控操作開始之前，差壓型硅壓阻式傳感器6采集的操作員呼吸信號(hào)r(i)i多1 并進(jìn)行處理，提取呼吸率特征。
[0115] 步驟302:計(jì)算人控前操作員的呼吸率fo, r
[0116] 設(shè)人控操作開始前采集的操作員呼吸信號(hào)為rQ(i)i多1，應(yīng)用濾波器對(duì)其進(jìn)行通 帶濾波，通帶截止頻率設(shè)置為Q P = [0.20JI，0.70JI]，阻帶截止頻率設(shè)置為Q s = [0.02JI，0.80 31]，通帶衰減為〇.5dB，阻帶最大衰減為10dB，輸出信號(hào)頻率范圍0.10~0.35Hz;應(yīng)用主信號(hào) 頻率確定方法，得到操作員的呼吸率f Q, r = 0.2Hz;
[0117] 步驟303:對(duì)人控后呼吸信號(hào)進(jìn)行分段并計(jì)算呼吸率fn,r:
[0118]對(duì)人控操作開始后采集的操作員呼吸信號(hào)rn( i) i多1進(jìn)行分段處理，序列長(zhǎng)度為L(zhǎng)r = 60fs,r，fs,r為操作員呼吸信號(hào)的采樣頻率，Lr為采集時(shí)間為1分鐘的呼吸信號(hào)長(zhǎng)度；
[0119] 設(shè)人控操作開始后采集的分段呼吸信號(hào)rn;
[0120] rn=[r((n-l) XLr+300fs>r+l),r((n-l) XLr+300fS)r+2) ,-'-,h((n-l) XLr+300fS)r +Lr)]
[0121] (7)
[0122] n多1且為整數(shù)，對(duì)hnS用濾波器對(duì)其進(jìn)行通帶濾波，通帶截止頻率設(shè)置= [0.20JI，0.70JI]，阻帶截止頻率設(shè)置為Q s = [0.02jt，0.80JI]，通帶衰減為0.5dB，阻帶最大衰 減為1 OdB，輸出信號(hào)頻率范圍0.10~0.35Hz ;應(yīng)用主信號(hào)頻率確定方法，得到操作員的呼吸 率 fn，r;
[0123] 步驟304:計(jì)算人控操作開始后操作員的實(shí)時(shí)呼吸率增長(zhǎng)率In,r:
[0125] 從n = l開始，可以得到人控操作開始后操作員的實(shí)時(shí)呼吸率增長(zhǎng)率序列：
[0126] [0,0,0.08,0.08,0.17,0.25,0.25,0.25,0.25, ???]
[0127] 可以發(fā)現(xiàn)，人控操作開始后第3分鐘開始，操作員的呼吸率增長(zhǎng)率開始升高。研究 表明，針對(duì)中國人群的認(rèn)知(腦力）負(fù)荷實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著任務(wù)難度的增加，被試認(rèn)知負(fù)荷 提高，逐次呼吸間期顯著減小，呼吸率顯著加快。同時(shí)，針對(duì)中國人群的研究發(fā)現(xiàn)，人體呼吸 信號(hào)的頻率范圍是〇. 10~〇. 35Hz，平靜時(shí)的呼吸率為0.20~0.33Hz，但該值存在個(gè)體間差 異?；谏鲜鼋Y(jié)果，可以認(rèn)為雖然操作員的呼吸率提高，但升高的幅度在正常范圍內(nèi)。
[0128] 步驟305:判斷操作員的實(shí)時(shí)呼吸率特征是否滿足條件(3):
[0129] In,r>50% 且 In+2,r彡 In+1,r彡 In,r，n彡 1
[0130]也就是判斷呼吸率增長(zhǎng)率與預(yù)設(shè)的呼吸率增長(zhǎng)率閾值進(jìn)行比較，并且當(dāng)前的呼吸 率增長(zhǎng)率In,r不高于相鄰的后一個(gè)呼吸率增長(zhǎng)率In+1,r。
[0131] 步驟401:判斷上述步驟105、205和305中的條件（1)、（2)、（3)是否同時(shí)滿足：
[0132] 如果3項(xiàng)條件全部滿足，操作員狀態(tài)等級(jí)G = 3,則認(rèn)為操作員處于高度緊張狀態(tài)， 自動(dòng)進(jìn)行人控轉(zhuǎn)機(jī)控，且蜂鳴器10報(bào)警；
[0133] 如果僅有其中2項(xiàng)條件全滿足，操作員狀態(tài)等級(jí)G = 2,認(rèn)為操作員處于比較緊張狀 態(tài)，建議人控轉(zhuǎn)機(jī)控，且蜂鳴器10報(bào)警；
[0134] 如果有且僅有1項(xiàng)條件滿足，操作員狀態(tài)等級(jí)G=l，認(rèn)為操作員可能處于緊張狀 態(tài)，建議人控轉(zhuǎn)機(jī)控，但蜂鳴器10不報(bào)警；
[0135] 如果3項(xiàng)條件均不滿足，操作員狀態(tài)等級(jí)G = 0,認(rèn)為操作員不處于緊張狀態(tài)，裝備 顯示保持原狀態(tài)，且蜂鳴器10報(bào)警。
[0136] 設(shè)定該操作員的￡=0.005，則n = 5時(shí)，操作員狀態(tài)等級(jí)G=1，則認(rèn)為操作員可能處 于緊張狀態(tài)，液晶顯示模塊9顯示"建議人控轉(zhuǎn)機(jī)控"，但蜂鳴器10不報(bào)警;當(dāng)n = 7時(shí)，操作員 狀態(tài)等級(jí)G = 2,則認(rèn)為操作員處于比較緊張狀態(tài)，則液晶顯示模塊9顯示"建議人控轉(zhuǎn)機(jī) 控"，且蜂鳴器10報(bào)警。操作員在得到有效提示的情況下，根據(jù)自身狀態(tài)和任務(wù)情景做出是 否執(zhí)行人控轉(zhuǎn)機(jī)控的決策。
[0137] 需要注意的是，本發(fā)明中的生理信號(hào)不僅僅包括心電信號(hào)、皮膚信號(hào)和呼吸信號(hào)， 對(duì)于其他容易想到的生理信號(hào)如頭發(fā)、血壓等，也包括在本實(shí)施方式的范圍之內(nèi)。
[0138] 以上所述僅為本發(fā)明較佳的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的實(shí)施方式及保護(hù)范 圍，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當(dāng)能夠意識(shí)到凡運(yùn)用本發(fā)明說明書及圖示內(nèi)容所做出的 等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，應(yīng)用于對(duì)操作員的認(rèn)知狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估， 其特征在于，包括控制器（1)，分別通訊連接所述控制器（1)的液晶顯示模塊(9)和蜂鳴器 (l〇)，W及 第一采集模塊，實(shí)時(shí)采集操作員的屯、電信號(hào)，所述控制器（1)將所述屯、電信號(hào)的屯、率增 長(zhǎng)率與預(yù)設(shè)的屯、率增長(zhǎng)率闊值進(jìn)行比較，并且當(dāng)前屯、率增長(zhǎng)率不高于相鄰的后一個(gè)屯、率增 長(zhǎng)率，W獲得操作員的實(shí)時(shí)屯、率特征，并判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)； 第二采集模塊，實(shí)時(shí)采集操作員的皮膚信號(hào)，所述控制器（1)將人控操作開始之前與人 控操作開始之后的兩個(gè)皮膚信號(hào)的均值之差與預(yù)設(shè)的第一均值闊值進(jìn)行比較，并且當(dāng)前皮 膚信號(hào)的均值不小于相鄰的后一個(gè)皮膚信號(hào)均值，且當(dāng)前的皮膚信號(hào)W及相鄰的下一個(gè)皮 膚信號(hào)的一階方差絕對(duì)值都不高于預(yù)設(shè)的第一一階方差絕對(duì)值闊值，W獲得操作員的實(shí)時(shí) 皮膚特征，并判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)； 第=采集模塊，實(shí)時(shí)采集操作員的呼吸信號(hào)，所述控制器（1)將所述呼吸信號(hào)的呼吸率 增長(zhǎng)率與預(yù)設(shè)的呼吸率增長(zhǎng)率闊值進(jìn)行比較，并且當(dāng)前的呼吸率增長(zhǎng)率不高于相鄰的后一 個(gè)呼吸率增長(zhǎng)率，W獲得操作員的實(shí)時(shí)呼吸率特征，并判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于，所述第二 采集模塊采集的皮膚信號(hào)，所述控制器（1)將人控操作開始之后與人控操作開始之前的兩 個(gè)皮膚信號(hào)的均值之差與預(yù)設(shè)的第二均值闊值進(jìn)行比較，并且當(dāng)前皮膚信號(hào)的均值不高于 相鄰的后一個(gè)皮膚信號(hào)均值，且當(dāng)前的皮膚信號(hào)W及相鄰的下一個(gè)皮膚信號(hào)的一階方差絕 對(duì)值都不高于預(yù)設(shè)的第二一階方差絕對(duì)值闊值；W獲得操作員的實(shí)時(shí)皮膚特征，并由所述 控制器(1)判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于，所述第一 采集模塊包括脈搏傳感器(2 )，所述脈搏傳感器(2)與所述控制器(1)電連接，將采集的所述 屯、電信號(hào)傳輸至所述控制器(1)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于，用腕部束 縛帶將所述脈搏傳感器(2)置于操作員的非利手脈搏處。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于，所述第二 采集模塊包括依次電連接的生物電極(3)、第一放大器(4)和第一 AD轉(zhuǎn)換器(5);所述皮膚信 號(hào)通過生物電極(3)傳輸至所述第一放大器(4)進(jìn)行共模抑制放大，所述第一 AD轉(zhuǎn)換器(5) 將所述第一放大器(4)傳輸過來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過串行外設(shè)接口傳輸至 所述控制器(1)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于，所述生物 電極(3)設(shè)置于操作員的非利手掌屯、的食指、中指的指尖位置或掌屯、的食指、中指的第二節(jié) 位置或掌屯、的魚際、小魚際隆凸位置。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于，所述第= 采集模塊包括依次電連接的娃壓阻式傳感器(6)、第二放大器(7)和第二AD轉(zhuǎn)換器(8)，所述 呼吸信號(hào)通過所述娃壓阻式傳感器(6)傳輸至所述第二放大器(7)進(jìn)行共模抑制放大，所述 第二AD轉(zhuǎn)換器(8)將所述第二放大器(7)傳輸過來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過串行 外設(shè)接口傳輸至所述控制器(1)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于，用胸束縛 帶將所述娃壓阻式傳感器(6)置于操作員的胸腔處。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于，所述第一 放大器（4)設(shè)有第一正相輸入端（ + INAl)和第二正相輸入端（ + INBl) W及第一輸出端 (OUTAl)和第二輸出端(OUTB1 )，所述生物電極(3)輸出的是一組差分式的正相皮膚信號(hào)(Sl + )和反相皮膚信號(hào)（S1-)，所述正相皮膚信號(hào)（SI + )傳輸至所述第一放大器(4)的第一正相 輸入端(+INAl)，所述反相皮膚信號(hào)（S1-)傳輸至所述第一放大器(4)的第二正相輸入端(+ INBl), 所述第一放大器(4)接有第一電阻(Rl)和第二電阻(R2)，所述第一電阻(Rl)連接在所 述第一放大器(4)的第一輸出端(OUTAl)和第二輸出端(OUTBl)之間；所述第二電阻(R2)連 接在所述第一輸出端(OUTAl)和第一反相輸入端(-INA1)之間；還包括第S電阻(R3)，所述 第S電阻(R3)連接在所述第一輸出端(OUTAl)和第二輸出端(OUTBl)之間;所述第二反相輸 入端(-INB1)連接在所述第一電阻(Rl)和第S電阻(R3)之間;所述第一放大器(4)的放大倍 數(shù)由（1+2R2/R1)決定。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于，所述第 二放大器（7)設(shè)有第S正相輸入端（ + INA2)和第四正相輸入端（ + INB2) W及第S輸出端 (0UTA2)和第四輸出端(0UTB2)，所述娃壓阻式傳感器(6)輸出的是一組差分式的正相呼吸 信號(hào)（S化)和反相呼吸信號(hào)（S2-)，所述正相呼吸信號(hào)(S化)傳輸至所述第二放大器(7)的第 S正相輸入端(+INA2)，所述反相呼吸信號(hào)（S2-)傳輸至所述第二放大器(7)的第四正相輸 入端(+INB2)， 所述第二放大器(7)接有第四電阻(R1'）和第五電阻(R2'），所述第四電阻(R1'）連接在 所述第二放大器(7)的第S輸出端(0UTA2)和第四輸出端(0UTB2)之間;所述第五電阻(R2 '） 連接在所述第S輸出端(0UTA2)和第S反相輸入端(-INA2)之間；還包括第六電阻(R3'），所 述第六電阻(R3 '）連接在所述第S輸出端(0UTA2)和第四輸出端(0UTB2)之間；所述第四反 相輸入端(-INB2)連接在所述第四電阻(Rr)和第六電阻(R3'）之間;所述第二放大器(7)的 放大倍數(shù)由（1+2R2'/R1'）決定。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于， 在人控操作開始前，所述第一采集模塊采集并存儲(chǔ)操作員的屯、電信號(hào)ho (i) i > 1，對(duì)所 述屯、電信號(hào)濾波后應(yīng)用主信號(hào)頻率確定方法進(jìn)行離散時(shí)間傅里葉變換，得到操作員的屯、率 f〇,h; 在人控操作開始后，所述第一采集模塊采集并存儲(chǔ)操作員的屯、電信號(hào)hn(i) i>l，并對(duì) 所述屯、電信號(hào)進(jìn)行分段處理得到分段的屯、電信號(hào)序列hn;n>l且為整數(shù)，對(duì)所述分段的屯、 電信號(hào)序列hn進(jìn)行濾波后通過主信號(hào)頻率確定方法得到操作員的屯、率fn,h; 計(jì)算操作員的屯、率增長(zhǎng)率In,4，所支12 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于， 在人控操作開始前，所述第二采集模塊采集并存儲(chǔ)皮膚信號(hào)XO ( i ) i > 1，對(duì)所述皮膚信 號(hào)進(jìn)行分段并計(jì)算皮膚信號(hào)序列的均值Mo和一階差分絕對(duì)值均值So; 在人控操作開始后，所述第二采集模塊采集并存儲(chǔ)皮膚信號(hào)Xn( i ) i > 1，對(duì)所述皮膚信 號(hào)進(jìn)行分段得到分段的皮膚信號(hào)序列Xn(i)，n>l且為整數(shù)，并計(jì)算皮膚信號(hào)序列的均值Mn 和一階差分絕對(duì)值均值Sn。 13 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于， 在人控操作開始前，所述第=采集模塊采集并存儲(chǔ)操作員的呼吸信號(hào)ro (i) i > 1，對(duì)所 述呼吸信號(hào)r〇(i) 濾波后通過主信號(hào)頻率確定方法得到操作員的呼吸率f〇,r;在人控操作開始后，所述第=采集模塊采集并存儲(chǔ)操作員的呼吸信號(hào)rn(i ) i> 1，對(duì)所 述呼吸信號(hào)進(jìn)行分段得到分段的呼吸信號(hào)序列rn，n>l且為整數(shù)，并對(duì)所述呼吸信號(hào)序列 進(jìn)行濾波，通過主信號(hào)頻率確定方法確定蠟化-A々日牢脈的率fn,r ; 計(jì)算操作員的呼吸率增長(zhǎng)率In,r，所S14. 根據(jù)權(quán)利要求11-13任意一項(xiàng)所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征 在于，所述控制器(1 )判斷操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)的方法包括： 判斷所述皮膚信號(hào)均值MnW及一階差分絕對(duì)值均值Sn是否滿足條件(1 ): M〇-Mn>：3iiS 且Mn>Mn+l>Mn+2 且 Sn《e 且Sn+l《e 且Sn+2《e 或者 1。-航>3帖且啦《1。+1《1。+2且5。《￡且8。+1《￡且8。+2《￡ 其中，yS為設(shè)定的均值闊值，n>0且為整數(shù)，e為設(shè)定一階差分絕對(duì)值均值闊值，e的取 值結(jié)合操作員個(gè)體差異、人控操作任務(wù)綜合考慮或者基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得到； 判斷所述屯、率增長(zhǎng)率是否滿足條件(2): 1。,11>30%且1。+2,11>1。+1,11>1。,11，11>1 判斷所述呼吸率增長(zhǎng)率是否滿足條件(3): 1。,，>50%且1。+2,1'>1。+1,1'>1。,。11>1 若W上3個(gè)條件同時(shí)滿足，則操作員處于高度緊張狀態(tài)，操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = 3; 如果僅有其中2項(xiàng)條件滿足，則操作員處于比較緊張狀態(tài)，操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = 2; 如果僅有其中1項(xiàng)條件滿足，則操作員處于緊張狀態(tài)，操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G=I; 否則操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = 0。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的基于生理信號(hào)的人控轉(zhuǎn)機(jī)控決策系統(tǒng)，其特征在于， 若操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = 3,則所述決策系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)人控轉(zhuǎn)機(jī)控，且所述蜂鳴器 (10)報(bào)警； 若操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = 2,則所述液晶顯示模塊(9)顯示"建議人控轉(zhuǎn)機(jī)控"，且所 述蜂鳴器(10)報(bào)警； 若操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G=I,則所述液晶顯示模塊(9)顯示"建議人控轉(zhuǎn)機(jī)控"，但所 述蜂鳴器(10)不報(bào)警； 若操作員的認(rèn)知狀態(tài)等級(jí)G = O,則所述液晶顯示模塊(9)保持原狀態(tài)不變，且所述蜂鳴 器(10)不報(bào)警。
【文檔編號(hào)】A61B5/08GK105912124SQ201610240640
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日
【發(fā)明人】王川, 徐鋒, 李強(qiáng), 黃百喬, 李曉軍, 秦晉
【申請(qǐng)人】中國人民解放軍海軍醫(yī)學(xué)研究所