开发利用肌电(EMG)信号的实时无人机控制系统
在山火灾难中找到的想法,专业课程成为坚实的基础
“超越技术的‘问题定义’才是核心,梦想能帮助患者的商业化技术”

由汉阳大学 电气生体工学部 生物医学工学专业学生组成的“玉米实习生们”团队开发了利用肌电(EMG)信号的实时无人机控制系统,在第5届 MATLAB AI 竞赛中荣获了第2名。这些人在一个月内不分昼夜地研究提高了技术完成度,被评价为提出了能够克服灾难现场局限性的替代方案。
 

专业知识与社会关切的相遇,“玉米实习生们”的诞生

▲ 在 MathWorks 主办的 MATLAB 大学生 AI 竞赛中,由汉阳大学 电气生体工学部 、生物医学工学专业 学生组成的“玉米实习生们”团队荣获了第2名。© 崔熙珍 同学
▲ 在 MathWorks 主办的 MATLAB 大学生 AI 竞赛中,由汉阳大学 电气生体工学部 、生物医学工学专业 学生组成的“玉米实习生们”团队荣获了第2名。© 崔熙珍 同学

队名“玉米实习生们”源自他们所属的计算智能及脑科学研究室(CoNE Lab,Computational Intelligence & Neural Engineering Lab)的英文名称。崔熙珍(生物医学工学专业 4)同学解释称:“研究室名称‘CoNE’与玉米(Corn)的发音相近,平时开玩笑地这么叫,后来就成了队名。”团队由同一研究室作为本科研究生开展活动的生物医学工学专业4年级三人集结意愿组建而成。

研究从对社会问题的关注开始。崔同学表示:“准备大赛的时候大型山火火灾是重要议题,因此正在寻找能在灾难情况下提供实质帮助的主题。发挥学科特色,将去年项目课程中处理过的肌电(EMG)信号接入了无人机控制。”

在此过程中,专业课程“生体系统设计项目”成为坚实的垫脚石。崔同学补充道:“得益于从电路焊接到信号测量都亲自经历过的课程,稳定地利用了EMG相关的技术。”

 

通过肌电(EMG)信号进行实时无人机控制

▲ 正在利用“玉米实习生们”团队开发的技术,用 EMG 传感器感知肌肉的电活动。© 崔熙珍 同学
▲ 正在利用“玉米实习生们”团队开发的技术,用 EMG 传感器感知肌肉的电活动。© 崔熙珍 同学

他们开发的系统是通过佩戴在一侧手臂上的 EMG 传感器感知肌肉的电活动来操控无人机的方式。通过读取随动作产生的肌肉收缩与舒张差异的电信号,实现了对无人机前·后、左·右、上升及下降6方向的实时控制。

核心在于用于准确分类作为非定型数据的 EMG 信号模式的深度学习模型。崔同学就技术结构解释道:“将3个通道的信号转换为时间-频率图后,经由各通道的 CNN 段(Convolutional Neural Network)提取特征并将其结合,设计了使其通过 LSTM 段(Long Short-Term Memory)的模型。”

此外,通过“App Designer”实时测量信号并确认数据收集及分类,并利用“Simulink”复现并控制无人机的实际运动。崔同学表示:“仅凭一只手臂的动作就能直观地控制高度与方向,是我们技术的强项。”

开发过程并非一帆风顺。最大的问题是实时控制的稳定性与准确度。崔同学回忆当时的困难道:“AI 分类结果不可能在每个瞬间都100%完美,因此一旦输入错误值,无人机就经常会剧烈摇晃。”

为了解决这一问题,团队添加了独创性的逻辑。崔同学表示:“包括静止的中立状态在内,总共分类8种动作,但只有当‘停止’动作被明确识别时才执行下一命令,从而提高了控制的精密度。在中立状态下保持前一条指令。”此外,为了解决 App Designer 与 Simulink 之间的实时时间同步问题,经历了将工作环境整合到 Simulink 内部的修改过程。

 

梦想成为超越技术、为患者生活作出贡献的工程师

▲ 崔同学表示,目标是深入研究脑波接口,成为对患者生活提供实质帮助的工程师。© Getty Images
▲ 崔同学表示,目标是深入研究脑波接口,成为对患者生活提供实质帮助的工程师。© Getty Images

崔同学在准备大赛过程中领悟到了作为 AI 开发者的重要能力。他强调道:“技术能力固然重要,但我感到定义问题情境的能力最重要。因为只有准确设定目的意识,才能按照与之相符的解决过程进行。”

实时无人机控制技术的扩展可能性也无穷无尽。崔同学表示:“利用生体信号的控制可以应用于康复或产业领域等多种地方。虽然已经有很多研究在进行中,但要走到现场商业化还有很多山要越过。期待技术能像此次研究一样朝着在现实生活中更容易、更准确地使用的方向发展。”

崔同学以本次获奖为踏板,正在做着更大的梦。他表示:“计划明年进入研究生院深入研究脑波接口(BCI)。想成为不仅停留在单纯研究、而是对患者生活作出实际贡献的系统的工程师。”

最后,对于正在考虑参赛的汉阳人后辈,他留下鼓励的言语道:“这也是我在多次落选之后获得的第一个奖。即使没能获奖,挑战过程中学到的能力也很多,所以如果有志同道合的同伴,就不要犹豫,先去闯一下吧。”

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