使用LabVIEW開發(fā)研究飛蟲的機器人設備 虛擬儀器

使用LabVIEW開發(fā)研究飛蟲的機器人設備 虛擬儀器

 北京瀚文網星科技有限公司

蒼蠅能夠高速追逐，并精確地降落在盤子的邊緣，這其中的機動性令人非常感興趣。我們可以利用蒼蠅作為模型系統研究神經信息處理、空氣動力學和遺傳學，此外，它們還可以快速、精確地使用它們的生物傳感器、控制器和執(zhí)行機構。人們對它們這樣的能力很感興趣但是難以進行研究。測量和激勵裝置必須具有高帶寬、低延遲，并擁有靈活的界面。同時，易用性和模塊化特性也是跨學科和合作研究的關鍵。

我們利用CompactRIO 控制器和LabVIEW 圖形系統設計軟件來研究飛蟲如何實現出色的飛行控制。我們采用了數字I/O模塊來連接一個基于LED的視覺激勵場，它具備了時間和空間的精確的分辨率，使得我們可以有效刺激蒼蠅的視覺系統。記錄昆蟲的響應需要一個快速、靈活的采集系統。LabVIEW能夠提供記錄這些信號所需要的速度和模塊化特性，并且能夠將它們作為實時反饋來生成刺激信號。這樣，我們就能夠把將蒼蠅作為一個活的傳感器，并嵌入到一個科技系統中。

我們開發(fā)了一個試驗。在試驗中，我們把一只果蠅用繩拴住，通過果蠅的動作來控制伊普克（e-puck）機器人。該機器人是一個小型移動機器人，是一個大學的研究項目，它被設計用于通過充滿障礙的環(huán)境。從綁定在機器人上的照相機和接近傳感器可以獲得反饋，用來確定向蒼蠅展示的視覺刺激、翅振頻率和幅度等飛行參數，來控制機器人運動（圖1）。蒼蠅和機器人之間的傳遞函數會發(fā)生變化，從而實現一系列的試驗模式。

蒼蠅的高速電影：加速的LED視覺場

視覺激勵場包括8個綠色LED 面板，它們通過I²C協議連接到定制的控制器。在過去的設計中，所有的飛行都由一條總線進行控制。為了實現更高的幀率，并根據蒼蠅的反饋來調節(jié)視覺激勵，我們必須使用多條并行的總線。zui終，我們選擇了NI cRIO-9014 實時控制器和一體化NI cRIO-9104可重新配置嵌入式機箱更換了zui初的控制器。

蠅控機器人：從蒼蠅到機器人

在實驗裝置（圖2）中，果蠅被用繩拴在一個環(huán)形的LED面板陣列的中心。雖然昆蟲不能夠移動，但仍可以拍打翅膀并且按照和自由飛行相同的方式飛行。數字振翅分析儀會獲得電流頻率、振幅、位置均值和蒼蠅振翅的相位。這些行為狀態(tài)矢量通過用戶數據協議（UDP）包傳輸到一臺運行LabVIEW的主機上。我們可以在主機上應用自定義傳遞函數計算出更新的伊普克（e-puck）機器人的輪轉速。這些數值再通過藍牙（Bluetooth）發(fā)送到機器人上。

從機器人到蒼蠅

當我們利用昆蟲的行為來操縱機器人時，來自機器人設備的反饋會修改面向昆蟲的視覺顯示方式。反饋由安裝在機器人頂部的三個線性照相機和八個接近傳感器給出。照相機以10Hz的頻率采集，每幀擁有102像素。接近傳感器以20Hz的頻率輸出標定后的數據。主機會通過藍牙（Bluetooth）接收這些信號并且應用第二個自定義傳遞函數，以生成在LED視覺場上顯示的下一幀圖像。

主機應用程序通過以太網（Ethernet）把新的圖像模式發(fā)送到實時控制器。然后這一圖像模式被劃分為8×8像素塊，每個像素塊將與一個LED面板相對應，并被轉換為I²C指令。為了實現zui大處理量，這些數據會經由DMA（直接內存存?。┑?/span>FIFO（*先出）隊列傳遞到FPGA（現場可編程門陣列）。中斷向量可以保證在實時控制器命令生成和FPGA底層硬件通信之間的同步。而后，FPGA背板采用I²C協議控制12條總線，每條總線分別控制五個面板。從而，機器人所看到的環(huán)境決定了針對蒼蠅的視覺刺激，而蒼蠅對視覺刺激的響應也改變了機器人前進的路徑。

視覺刺激的幀率大約在30Hz和400Hz之間，這取決于模式的深度和是否垂直對稱?？刂苹芈分械睦鄯e延遲小于50毫秒并且這主要是由傳感器信息是經由藍牙從機器人傳輸到主機而造成的。

有效地設計：靈活的界面和模塊化的結構

借助于LabVIEW和CompactRIO，我們可以通過各種不同的協議連接到一系列的研究工具。NI和LabVIEW的網絡用戶社區(qū)提供的*的靈活性和許多范例程序，這使得基于LabVIEW設計的應用有效地替代了實驗生物學中的定制控制器。

我們設計了一種友好的GUI（圖形用戶界面），它為實驗者提供了必要的控制手段和信息，從而簡化了多個硬件平臺上運行的代碼的復雜度（圖3）。這一功能在一些跨學科的應用中非常有效，能夠增進生物學家、數學家、物理學家和工程師之間的密切合作。此外，LabVIEW代碼的模塊性和可移植性也使其能夠在實驗室之間被分享和重復利用。例如，在這一解決方案的定制化版本，運算模式可以被預成并且保存在U盤中，然后下載到實時控制器的RAM中，再傳輸到LED面板，以獲得更高的刷新率。

一個混合的自適應控制器

由于蒼蠅的部分神經回路具有高度的可塑性，它可以被看作一個自適應控制器。通過使用新的仿生機器人平臺，我們能夠評估控制器在各種外部傳遞函數下的性能，這些傳遞函數幾乎能夠模仿出所有的蒼蠅的自然飛行環(huán)境，例如根據zui靠近機器人的障礙物的位置來確定視覺場中的柵格的上下移動。但令人驚訝地是，zui接近于直覺的傳遞函數并不一定會獲得很好結果。

LabVIEW 和 CompactRIO為構造這一包含活體昆蟲并且允許我們進行各種實驗的控制回路提供了理想解決方案。CompactRIO負責采集并生成各種適用不同工業(yè)標準的信號，并擴展了自定制的研究工具。另外，由于我們在計算機、實時控制器和FPGA上分別實現的應用程序是在同一個編程環(huán)境和開發(fā)語言下完成的，這大大節(jié)省了我們的學習時間，提高了效率。此外，大量的附件產品和外接接口還為未來的擴展和適應性提供了巨大潛力。

北京瀚文網星科技有限公司，是一家以LabVIEW（虛擬儀器）為主要技術手段的開發(fā)公司，為您提供全套的系統集成服務，包括結構設計、軟件開發(fā)、軟件與硬件的產品升級與改造。其服務領域包括：汽車、通信、航空、半導體、電子設計生產、過程控制和生物醫(yī)學等各領域。涵蓋了從研發(fā)、測試、生產到服務的產品開發(fā)所有階段。

      北京瀚文網星科技有限公司經N認證，已正式成為NI聯盟合作伙伴，為您提供運動控制、電子設計、視覺和射頻以及無線等諸多領域的解決方案，技術咨詢以及資源整合。所提供服務確保符合NI產品認證和行業(yè)標準，更有效地使用NI資源，提供優(yōu)質的NI產品及LabVIEW軟件服務。

    北京瀚文網星科技有限公司不但代理NI全系列產品，更為您提供LabVIEW軟件服務。在NI產品使用過程中，或者由于時間關系，或者NI產品本身功能比較復雜，導致工作無法順利開展。這些都可以交給我們來解決。我們不僅僅是代理，更為您提供技術解決方案。公司在設備開發(fā)與集成方面積累了豐富經驗，為您提供完整的解決方案?？梢蕴峁┙Y構設計、機械加工、有機玻璃設計與加工、電路設計、機箱選型、開孔與絲印、線纜及連接器選型與加工等服務。

    經過多年的積累，目前北京瀚文網星科技有限公司產品已有多個品種，包括：防護時間測試儀、高速粒子沖擊試驗機、工業(yè)用*（人工肺）、氣密阻力測試儀、皮秒級時間間隔計數器、多通道移相信號源，從項目策劃階段，我們就會介入，一起討論，并提供我們的建議供參考。