[논문]뇌파 EEG신호 분석 기반의 자동차 움직임 컨트롤

최용혁; 서승우; 권서경; 권상은; 이은주; 고병철

뇌파 EEG신호 분석 기반의 자동차 움직임 컨트롤
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최용혁 (계명대학교 컴퓨터공학부) , 서승우 (계명대학교 컴퓨터공학부) , 권서경 (계명대학교 컴퓨터공학부) , 권상은 (계명대학교 컴퓨터공학부) , 이은주 (계명대학교 컴퓨터공학부) , 고병철 (계명대학교 컴퓨터공학부)

최근 국내에서는 상용화된 뇌파기반 인터페이스(BCI) 구현을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 본 논문에서는 안전한 비침습형 뇌파 측정 방법을 사용하여 뇌전도(EEG)를 측정하고 증폭된 데이터를 사용하여 RC카의 4방향 제어가 가능한 알고리즘을 제안한다. 뇌파측정기로 수집된 데이터 셋은 고속 푸리에 변환을 거쳐 사전 정의된 7가지 뇌파의 필터를 통해 집중도와 이완도를 검출하게 된다. 검출된 데이터는 아두이노 우노에 연결된 원격컨트롤러를 통하여 RC카의 전진 및 후진 제어를 담당한다. 또한 추가로 설치된 자이로센서를 통해 입력된 전자신호는 칼만 필터를 이용하여 좌회전 및 우회전 제어를 담당한다. 훈련된 실험자에 의해 실내 외에서 검출된 뇌파가 각기 다른 특성과 머리 회전만으로 상황을 구분하여 RC카 제어를 할 수 있음을 확인하였다.

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문제 정의

이 방법은 휴대가 간편하며 비용이 저렴하여 실험자에게 안전하다는 장점을 가지고 있다[4]. 따라서 본 논문에서는 EEG를 사용하는 Neurosky사의 마인드웨이브 모바일을 사용하여 뇌파를 측정한다.
본 논문에서는 뇌파의 의미 분석을 통한 RC카 제어를 제안하였다. 그 결과 실내외를 구분하여 뇌전도와 머리의 회전으로만 RC카를 제어할 수 있었다.

제안 방법

뇌파측정 장비에 대하여 훈련/비훈련에 따른 측정 결과 와실/내외에 따른 측정결과의 차이를 검증하기 위해서 측정경험이 15회 이상인 피 실험자를 훈련된 사용자, 미만인 피 실험자를 훈련되지 않은 사용자로 분류 하였다. 각 그룹은 15명으로 나누어 측정을 진행하였고 측정시간이 1분이 넘어 갈때 실험집중도가 급격히 떨어져 측정 시간은 1분으로 제한하여 수행 하였다. 실험 장소는 조용한 실내와 다수의 사람이 모여 있는 실외에서 측정하였다.
뇌파측정 장비에 대하여 훈련/비훈련에 따른 측정 결과 와실/내외에 따른 측정결과의 차이를 검증하기 위해서 측정경험이 15회 이상인 피 실험자를 훈련된 사용자, 미만인 피 실험자를 훈련되지 않은 사용자로 분류 하였다. 각 그룹은 15명으로 나누어 측정을 진행하였고 측정시간이 1분이 넘어 갈때 실험집중도가 급격히 떨어져 측정 시간은 1분으로 제한하여 수행 하였다.
마인드웨이브로부터 전송된 EEG 입력 신호는 사용자가 가공할 수 있는 RAW형태의 데이터로 가공되고 이때 사전 정의한 델타파, 세타파, 알파파 등 7가지 대역의 뇌파와 이 7가지 대역의 뇌파가 필터를 통해 집중도, 이완도를 검출한다. 이것은 매 1초 간격으로 RAW데이터로부터 10가지의 필터를 통하여 원하는 값을 수신 가능하게 한다.
본 논문에서는 마인드웨이브에서 측정한 여러 뇌파를 필터하여 0에서 100사이의 값인 집중도(Attention)와 이완도(Meditation)를 검출하였다. 마인드웨이브 모바일은 1채널의 센싱만 지원하기 때문에 검출되는 뇌파가 제한적이므로 전, 후진 움직임은 뇌파를 이용하고 좌회전, 우회전 움직임은 자이로(gyro)센서를 이용하여 RC카를 제어하기 위한 뇌파 기반 인터페이스를 구현한다.
본 논문에서는 전체 프레임워크를 두 단계로 나누어 설계한다. 첫째, 마인드웨이브에서 전송된 EEG를 가공하고 맵핑한 뇌파를 찾아 신호 전달을 통한 전, 후진 컨트롤, 둘째, 자이로센서를 사용하여 좌, 우회전 컨트롤이 가능하도록 한다.
이에 본 논문에서는 실내·외를 구분하기 위하여 집중도와 이완도의 가중치를 다르게 적용하였다.
본 논문에서는 전체 프레임워크를 두 단계로 나누어 설계한다. 첫째, 마인드웨이브에서 전송된 EEG를 가공하고 맵핑한 뇌파를 찾아 신호 전달을 통한 전, 후진 컨트롤, 둘째, 자이로센서를 사용하여 좌, 우회전 컨트롤이 가능하도록 한다.
측정된 전자 신호를 칼만 필터를 통해 사용 가능한 값으로 바꾸어, 초기 값과의 차이가 600이상이면 ‘R’, ’L’ 문자열을 아두이노 우노로 전송한다.

대상 데이터

각 그룹은 15명으로 나누어 측정을 진행하였고 측정시간이 1분이 넘어 갈때 실험집중도가 급격히 떨어져 측정 시간은 1분으로 제한하여 수행 하였다. 실험 장소는 조용한 실내와 다수의 사람이 모여 있는 실외에서 측정하였다. 그림 4의 (a)와같이 실험에서 집중도의 임계값을 넘는 횟수가 훈련된 피실험자 그룹은 19회, 훈련 되지 않은 피실험자 그룹은 14회로 측정되었고 이완도의 임계값을 넘는 횟수는 훈련된 피실험자 그룹은 26회, 훈련되지 않은 그룹은 18회로 측정되었다.

성능/효과

실험 장소는 조용한 실내와 다수의 사람이 모여 있는 실외에서 측정하였다. 그림 4의 (a)와같이 실험에서 집중도의 임계값을 넘는 횟수가 훈련된 피실험자 그룹은 19회, 훈련 되지 않은 피실험자 그룹은 14회로 측정되었고 이완도의 임계값을 넘는 횟수는 훈련된 피실험자 그룹은 26회, 훈련되지 않은 그룹은 18회로 측정되었다. 그리고 그림 4의 (b)에서는 실내·외에서의 집중도의 임계값을 넘는 횟수는 각각 16, 20회로 실외가 높게 측정되었고 이완도의 임계값을 넘는 횟수는 각각 21, 12회로 실내가 실외에 비해 높게 측정되었다.
본 논문에서는 뇌파의 의미 분석을 통한 RC카 제어를 제안하였다. 그 결과 실내외를 구분하여 뇌전도와 머리의 회전으로만 RC카를 제어할 수 있었다. 그러나 비침습적 뇌파 측정 장비의 문제점으로 뇌를 직접적으로 접촉하지 못하기 때문에 두개골에서 발생되는 신호의 감쇄와 노이즈가 발생할 뿐만 아니라 사람마다 훈련의 유무나, 뇌파 측정 장비를 사용할 때 환경에 따라 큰 차이를 보인다.
반대로 실외의 경우에는 집중도가 나올 확률이 이완도보다 높으므로 집중도의 가중치를 높게 주고 전진을 우선시 한다. 사용자의 주변 상황을 고려하여 다른 가중치를 사용함으로써 뇌파기반 RC카 제어 할 수 있음을 확인하였다.
실험 결과에 따라 뇌파 기반 인터페이스는 실험자의 훈련 여부에 영향을 받으며 주변 환경 요인도 집중도와 이완도의 검출에 영향을 주는 것으로 분석된다.

후속연구

향후 연구에서는 뇌파 신호를 보다 넓은 스펙트럼에서 분석할 수 있는 장비를 사용하여 이를 기반으로 자이로센서를 사용하지 않고 자동차를 사람의 생각으로 움직일 수 있도록 하고, 실내와 실외 사이의 뇌파를 분석하여 알고리즘에서 사용자의 상황을 구분하여 집중도와 이완도의 가중치를 다르게 해 성능을 향상 시키고자 한다.

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