【正文】 能力有顯著的效果的游戲產(chǎn)品。 其最初的構(gòu) 想 如圖 ： 圖 產(chǎn)品概念分析圖 根據(jù)前期調(diào)研得到的用戶的三個核心需求：腦電控制、強趣味性和使用方便上手容易。 團隊對 產(chǎn)品的 概念進行了頭腦風(fēng)暴，通過用戶需求的解析，確定了產(chǎn)品的設(shè)計方案： 系統(tǒng)共分為兩個部分 —— 耳機部分和小車部分。 耳機部分主要實現(xiàn)兩個功能 : 耳機部分主要是通過腦 機接口采集腦電信號，并將腦電信浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 益智小車的設(shè)計 44 號進行預(yù) 處理、特征提取、分類，將腦電信號量化成數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)會隨著用戶集中程度的不同而改變，從而達到用戶用意念控制小車行駛速度的目的。 另外一個功能是通過集成在腦 機接口耳機上的加速度傳感器來控制小車行駛的方向。即，當用戶擺動頭部一定的角度時，加速度傳感器將用戶的這一行為量化為數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化成為小車需要的機電量，用戶擺動一定的角度，小車也轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，從而達到控制小車行駛方向的目的。 小車主要實現(xiàn)的功能的是：小車接收到來自腦 機接口或加速度傳感器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，能將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為小車需要的機電量，從而達到改變小車行 駛速度或方向的目的。此外，根據(jù)不同的游戲模式，小車還需要實現(xiàn)其他的一些功能，例如：紅外循跡、按鍵檢測等功能。 小車與耳機通過無線方式實現(xiàn)通訊。 小車根據(jù)設(shè)置的游戲模式不同，能進入各種不同的游戲模式 : 目前共分 3 種模式 : (1)腦電控制模式，小車的行進方向由頭部耳機的左右傾斜角度決定。小車的行進速度由腦電波的注意力集中度控制。 (2)顏色檢測模式，小車的行進方向由頭部耳機決定。小車在行進的過程中會駛過地圖上的不同顏色。不同的顏色代表不浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 益智小車的設(shè)計 45 同的區(qū)域（地雷，方向反轉(zhuǎn)，加油站等）根據(jù)檢測到的不同顏色使小車進入不同的模式 （暫停，快速前進，降低速度等）。同時配合系統(tǒng)的聲音模塊和圖形顯示模塊發(fā)出相應(yīng)的聲音和顯示相應(yīng)的圖形。 (3)循跡模式，小車的行進方向由地面的黑色線條決定。小車的行進速度由腦電波的注意力集中度控制。 系統(tǒng)功能 設(shè)計 產(chǎn)品的基本概念確定后，必須對產(chǎn)品需要實現(xiàn)的核心功能進行確定。在對產(chǎn)品的功能討論后， 產(chǎn)品的功能描述 如表 所示 ： 表 產(chǎn)品功能描述 核心功能 描述 腦電控制 玩具可以實時地采集用戶當前的腦電狀態(tài)，并將腦電 狀態(tài)實時轉(zhuǎn)化為 0100 的數(shù)據(jù)，用戶通過改變注意力集中程度來改變小車運行狀態(tài)。 。 高趣味 性 根據(jù)收集的腦電信號，此款玩具應(yīng)該能夠快速的有回饋。讓用戶有明顯的參與感，能夠及時回饋到的準確的信息。通過創(chuàng)新的游戲方式得到全新的用戶體驗 ，增加游戲的趣味性 。 簡單方便操 簡單而有效的按鍵或其他的操作方式，方便用戶浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 益智小車的設(shè)計 46 作 使用 ，使用戶容易上手 。 表 功能 細化 表 產(chǎn)品部件 功能 功能描述 耳機 電源顯示燈 顯示電池電量 腦電信號提示燈 用于描述 腦電信號是否正常工作 腦電信號 獲取處理 采集用戶當前的腦電狀態(tài)，并量化為數(shù)據(jù) 獲取用戶頭部擺動角度數(shù)據(jù) 通過加速度傳感器模塊獲取用戶當前的頭部擺動幅度，從而控制小車的前進方向 可穿戴式的結(jié)構(gòu) 在使用時需要簡易、方便 無線傳輸數(shù)據(jù) 發(fā)送和接受無線信息 電源開關(guān) 開啟、關(guān)閉 系統(tǒng) 耳機 部分 小車 準確接收耳機信號 通過接收同的腦電信號，準確的做出反饋。 指示燈提示腦電的狀態(tài) 及時的反饋用戶腦電強度 無線傳輸數(shù)據(jù) 接受耳機發(fā)送過來的無線信號 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 益智小車的設(shè)計 47 準確尋徑 根據(jù)地圖 上的路勁自動尋找路徑 準確顏色識別 通過顏色傳感器根據(jù)地圖上所畫的顏色改變小車運行狀態(tài) 按鍵檢測 通過按鍵檢測控制游戲進入不用的游戲模式 準確處理各種數(shù)據(jù) 通過單片機處理系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)發(fā)出各種指令 電機控制 根據(jù)系統(tǒng)指令控制小車的運行狀態(tài)，如改變速度、改變角度。 音效 1 通過不同的“路況”地圖有不同的聲音反饋 音效 2 通過 不同的游戲模式、 不同的游戲進程 ， 有不同的聲音反饋 電源開關(guān) 開啟、關(guān)閉控制小車 續(xù)表 功能細化表 地圖 可變換組合 通過基本模塊組合出不同的路徑 不同的難易程度 通過特殊模塊的組合造成游戲進程中，地圖的不同難度。 發(fā)出信號 不同地圖發(fā)出不同的感應(yīng)信號，小車發(fā)出不同的音效。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 益智小車的設(shè)計 48 系統(tǒng)不同游戲模式的設(shè)計 本系統(tǒng)設(shè)計了三款不同的游戲模式， 三個游戲模式充分地滿足了玩家的需求，游戲形式豐富多樣， 各種游戲模式下玩家就有不同的交互體驗。 腦電控制模式設(shè)計 在腦電控制模式下， 用戶主要可以實現(xiàn)兩個功能：用戶用以自主的改變自己的注意力集中程度來控制小車的運行速度，用戶可以通過擺動自己頭部的位置來控制小車的前進方向。 該模式下，系統(tǒng)的耳機部分會實時地采集用戶的腦 電波數(shù)據(jù)和加速度傳感器數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送給小車的控制器，從而達到控制小車速度和前進方向的目的。 為方便用戶使用使得用戶容易上手， 在該模式下 并未設(shè)置其他的游戲模塊， 通過人的體感 來 直接控制小車， 多個用戶可以直接參與到游戲中，形成直接的競爭關(guān)系 ，使用戶具有充分的角度代入感 。 循跡模式設(shè)計 在系統(tǒng)的循跡模式下，小車的行進方向由地圖上 的黑色線條決定。小車的行進速度由用戶的 注意力集中度控制。 該 在 系統(tǒng) 游戲模式下， 游戲的趣味性主要通過兩個方面來實現(xiàn)：一方浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 益智小車的設(shè)計 49 面 游戲 的地圖采用了可拼接的模塊， 如圖 所示，地圖 與 地圖之間可以相 互拼接，用戶拼接地圖，實現(xiàn)了地圖的多樣性，增加了游戲的趣味性。 如圖 所示系統(tǒng)可實現(xiàn)的 5 種不同的地圖組合。 圖 玩具可拼接地圖 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 益智小車的設(shè)計 50 圖 地圖組合圖 另一方面 為增加游戲的趣味性，游戲還設(shè)置了不同的游戲模塊 。目前完成的游戲模塊有：蹺蹺板 U 型旋轉(zhuǎn)軌道、連續(xù)坡道、時空門、立交橋、雙旋橋。通過這些游戲模塊和可拼接的地圖極大地 提高了該游戲模式的趣味性。 顏色檢測模式 小車的行進方向由頭部耳機決定。小車在行進的過程中會駛過地圖上的不同顏色。不同的顏色代表不同的區(qū)域（地雷，方向反轉(zhuǎn)，加油站等）根據(jù)檢測到的不同顏色使小車進入不同的模式（暫停，快速前進，降低速度等）。同時配合系統(tǒng)的聲音模塊浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 益智小車的設(shè)計 51 和圖形顯示模塊發(fā)出相應(yīng)的聲音和顯示相應(yīng)的圖形。 在該模式下 YO 用戶可以 DIY 游戲地圖，用戶可以充分發(fā)揮想象能力 DIY自己的游戲地圖，從而可以大大增加了游戲的趣味性。 系統(tǒng)展示 經(jīng)過整個團隊的努力，小車的功能已經(jīng)基本實現(xiàn)。其中，小車的循跡模式和腦電控制 模式已經(jīng)開發(fā)完成。其中小車的外觀設(shè)計如圖 ，系統(tǒng)耳機部分如圖 所示 ，產(chǎn)品 的整體效果圖如圖 。 圖 小車的外觀設(shè)計 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 益智小車的設(shè)計 52 圖 耳機的外觀設(shè)計 圖 產(chǎn)品的效果圖 本章小結(jié) 本章主要介紹了小車的設(shè)計方案 ，其中 介紹了系統(tǒng)的總體的設(shè)計方案和系統(tǒng)的表現(xiàn)形式； 介紹了系統(tǒng)功能的細化； 介紹了系統(tǒng) 3 種不同游戲模式的設(shè)計，其中 介紹了腦浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 益智小車的設(shè)計 53 電控制模式的設(shè)計， 介紹了循跡模式的設(shè)計， 介紹了顏色檢測模式的設(shè)計。 。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 4 章 益智小車關(guān)鍵技術(shù)研究和實現(xiàn) 54 第 4章 益智小車 關(guān)鍵技術(shù)研究和實現(xiàn) 系統(tǒng)總體 實現(xiàn) 方案 如圖 所示，本系統(tǒng)分為穿戴式的耳機和玩具小車兩個部分，根據(jù)系統(tǒng)的不同游戲模式的設(shè)計，耳機和小車分別由不同的模塊組成，其中耳機部分由腦電信號采集處理模塊、電源管理模塊、無線傳輸模塊和加速度 傳感器模塊組成。玩具小車部分由按鍵控制模塊、發(fā)音模塊、紅外循跡模塊、電機控制模塊、無線傳輸模塊和顏色傳感器模塊組成。 圖 系統(tǒng)原理框圖 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 4 章 益智小車關(guān)鍵技術(shù)研究和實現(xiàn) 55 系統(tǒng)的架構(gòu) 及各核心模塊之間的關(guān)系 系統(tǒng)設(shè)置了三個不同的游戲模式 : 腦電控制模式、顏色檢測模式、循跡模式 ，不同的游戲模式又要實現(xiàn)不同的游戲功能，系統(tǒng)要實現(xiàn)的游戲功能決定了系統(tǒng)的架構(gòu)以各模塊之間的關(guān)系，如圖 所示， 系統(tǒng)可以通過不同的傳感器采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的處理 后直接或者通過無線傳輸模塊傳遞給小車的 MCU，小車的 MCU 根據(jù)這些數(shù)據(jù)變化放松相應(yīng)的指令給小車的電機控制模塊，小車電機控制模塊會根據(jù)這些指令 改變小車諸如速度、行駛方向等行駛狀態(tài)。 圖 系統(tǒng)的架構(gòu)及各模塊之間的關(guān)系圖 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 4 章 益智小車關(guān)鍵技術(shù)研究和實現(xiàn) 56 系統(tǒng)的詳細設(shè)計 腦電信號處理模塊設(shè)計 腦電信號處理模塊是本系統(tǒng)較為重要的一個部分，它負責(zé)采集用戶的腦電信息，并將用戶的腦電信息進行處理實時地量化成為數(shù)據(jù)，以此來控制小車的行駛速度。本系統(tǒng)腦 機接 口的設(shè)計如圖 所示，系統(tǒng)通過腦 機接口采集用戶的腦電信號，通過腦 機接口將這些信號進行預(yù)處理、特征提取、分類，將腦電信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)，最后將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為機電量，從而達到控制小車速度的目的。 圖 腦 機接口框圖 目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了普通的消費級的腦 機接口與系統(tǒng)，本系統(tǒng)的中腦電采集處理部分是由美國 neurosky 公司 研發(fā) 的TGAM 系列腦電處理芯片 完成的 ， 耳機部分是基于該 芯片的 做的二次開發(fā)， TGAM 是 Neurosky（神念科技）為大眾市場應(yīng)用所設(shè)計的腦波 傳感器 ASIC模塊。此 TGAM 模塊可以處理并輸出腦波頻浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 4 章 益智小車關(guān)鍵技術(shù)研究和實現(xiàn) 57 率譜，腦電信號質(zhì)量，原始腦電波和三個 Neurosky 的 eSense 參數(shù)（專注度，放松度和眨眼偵測）。和人體的界面只需一個簡單的干接觸點，所以可以很容易的運用于玩具，視頻游戲 和健康設(shè)備中，又由于能耗小，適合用在以電池供電的 便攜式 消費產(chǎn)品的應(yīng)用上。 該模塊可以 完成 采集人頭皮表面的電信號，并將這些信號經(jīng)過處理和特征分類，將這些信號事實地轉(zhuǎn)化成一個 0100 的數(shù)據(jù)，當用戶注意力集中程度越高小車的行駛速度越快，從而達到用戶用意念控制小車速度的目的 。 加速度傳感器模塊設(shè)計 用戶通過搖頭頭部，佩戴在用戶頭上的耳機的加速度模塊將用戶的這一行為轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，從而用戶擺動頭部一 定角度控制小車也轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，達到改變小車行駛方向的目的。其原理框圖如圖 所示。 ADXL345 通過 I2C協(xié)議與耳機主芯片相連。得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過打包后通過無線傳輸模塊發(fā)送到小車上。 ADXL345 輸出的數(shù)據(jù)有 X、 Y、 Z 三個維度，目前只用到 X 軸和 Z 軸。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 4 章 益智小車關(guān)鍵技術(shù)研究和實現(xiàn) 58 圖 系統(tǒng)加速度傳感器模塊框圖 小車電機控制模塊設(shè)計 控制小車前進的動力為兩路直流有刷電機，采用雙電機 PWM（脈寬調(diào)制）細分驅(qū)動形式。小車控制電路使用兩 根銅芯多股線與小車電機相連，通過控制兩個直流有刷電機的轉(zhuǎn)速大小實現(xiàn)小車的前進、停止、加速減速、轉(zhuǎn)向等功能。 小車電機使用 MCU產(chǎn)生兩路 PWM（脈寬調(diào)制）波形，兩個 PWM（脈寬調(diào)制）通道分別控制兩個 MOS管開關(guān)，用于驅(qū)動兩個直流電機。小車的速度控制通過改變 MCU 輸出的 PWM（脈寬調(diào)制）波形占空比實現(xiàn)。目前占空比調(diào)整范圍為 150/200 200/200。當占空比為 150/200時，小車的速度最慢， 200/200 時達到最大速度。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 4 章 益智小車關(guān)鍵技術(shù)研究和實現(xiàn) 59 圖 電機控制電路圖 小車循跡模塊設(shè)計 小車前端有兩個個紅外對管，用于探測地面反射的紅外光線。主要工作原理為紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到紙質(zhì)地圖時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收。如果遇到黑線則紅外光幾乎被完全吸收，小車上的接收管接收不到紅外光，如果遇到非黑色表面，小車上的接收管會接收到一定量的紅外光。以這些反射回來的紅外光強度為依據(jù)，可以得知地圖本身的顏色深淺，從而確定黑線的位置和小 車的行走路線。 MCU通過連接在接收管上的線路測量接收管上接收到的紅外線強度，并通過 MCU 的 ADC（ AnalogtoDigital Converter）