當(dāng)前位置:首頁(yè) > 測(cè)試測(cè)量 > 測(cè)試測(cè)量
[導(dǎo)讀]蠅控機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中的信息流示意圖 行業(yè): 生命科學(xué), 機(jī)器視覺(jué)/成像設(shè)備, 科研產(chǎn)品: LabVIEW, CompactRIO, cRIO-9014挑戰(zhàn): 開(kāi)發(fā)一個(gè)靈活的高帶寬機(jī)器人設(shè)備,以便測(cè)量和仿真有翼昆蟲(chóng)的飛行方式。解決方

 

蠅控機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中的信息流示意圖

行業(yè):
    生命科學(xué), 機(jī)器視覺(jué)/成像設(shè)備, 科研
產(chǎn)品:
    LabVIEW, CompactRIO, cRIO-9014
挑戰(zhàn):
    開(kāi)發(fā)一個(gè)靈活的高帶寬機(jī)器人設(shè)備,以便測(cè)量和仿真有翼昆蟲(chóng)的飛行方式。
解決方案:
    利用NI的LabVIEW軟件和CompactRIO硬件制造一個(gè)快速、模塊化、易于使用的仿生機(jī)器人平臺(tái),它涉及各種工業(yè)協(xié)議和實(shí)時(shí)閉環(huán)激勵(lì)信號(hào)生成。

"借助于CompactRIO控制器和LabVIEW,我們對(duì)于飛蟲(chóng)如何實(shí)現(xiàn)出色的飛行控制進(jìn)行了研究。"

蒼蠅能夠高速追逐,并精確地降落在盤(pán)子的邊緣,這其中的機(jī)動(dòng)性令人非常感興趣。我們可以利用蒼蠅作為模型系統(tǒng)研究神經(jīng)信息處理、空氣動(dòng)力學(xué)和遺傳學(xué),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(jī)構(gòu)。人們對(duì)它們這樣的能力很感興趣但是難以進(jìn)行研究。測(cè)量和激勵(lì)裝置必須具有高帶寬、低延遲,并擁有靈活的界面。同時(shí),易用性和模塊化特性也是跨學(xué)科和合作研究的關(guān)鍵。

我們利用CompactRIO 控制器和LabVIEW 圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件來(lái)研究飛蟲(chóng)如何實(shí)現(xiàn)出色的飛行控制。我們采用了數(shù)字I/O模塊來(lái)連接一個(gè)基于LED的視覺(jué)激勵(lì)場(chǎng),它具備了時(shí)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(jué)系統(tǒng)。記錄昆蟲(chóng)的響應(yīng)需要一個(gè)快速、靈活的采集系統(tǒng)。LabVIEW能夠提供記錄這些信號(hào)所需要的速度和模塊化特性,并且能夠?qū)⑺鼈冏鳛閷?shí)時(shí)反饋來(lái)生成刺激信號(hào)。這樣,我們就能夠把將蒼蠅作為一個(gè)活的傳感器,并嵌入到一個(gè)科技系統(tǒng)中。

我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)試驗(yàn)。在試驗(yàn)中,我們把一只果蠅用繩拴住,通過(guò)果蠅的動(dòng)作來(lái)控制伊普克(e-puck)機(jī)器人。該機(jī)器人是一個(gè)小型移動(dòng)機(jī)器人,是一個(gè)大學(xué)的研究項(xiàng)目,它被設(shè)計(jì)用于通過(guò)充滿障礙的環(huán)境。從綁定在機(jī)器人上的照相機(jī)和接近傳感器可以獲得反饋,用來(lái)確定向蒼蠅展示的視覺(jué)刺激、翅振頻率和幅度等飛行參數(shù),來(lái)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)(圖1)。蒼蠅和機(jī)器人之間的傳遞函數(shù)會(huì)發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)一系列的試驗(yàn)?zāi)J健?/span>

蒼蠅的高速電影:加速的LED視覺(jué)場(chǎng)
視覺(jué)激勵(lì)場(chǎng)包括8個(gè)綠色LED 面板,它們通過(guò)I2C協(xié)議連接到定制的控制器。在過(guò)去的設(shè)計(jì)中,所有的飛行都由一條總線進(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)更高的幀率,并根據(jù)蒼蠅的反饋來(lái)調(diào)節(jié)視覺(jué)激勵(lì),我們必須使用多條并行的總線。最終,我們選擇了NI cRIO-9014 實(shí)時(shí)控制器和一體化NI cRIO-9104可重新配置嵌入式機(jī)箱更換了最初的控制器。

蠅控機(jī)器人:從蒼蠅到機(jī)器人
在實(shí)驗(yàn)裝置(圖2)中,果蠅被用繩拴在一個(gè)環(huán)形的LED面板陣列的中心。雖然昆蟲(chóng)不能夠移動(dòng),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(shù)字振翅分析儀會(huì)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(guò)用戶數(shù)據(jù)協(xié)議(UDP)包傳輸?shù)揭慌_(tái)運(yùn)行LabVIEW的主機(jī)上。我們可以在主機(jī)上應(yīng)用自定義傳遞函數(shù)計(jì)算出更新的伊普克(e-puck)機(jī)器人的輪轉(zhuǎn)速。這些數(shù)值再通過(guò)藍(lán)牙(Bluetooth)發(fā)送到機(jī)器人上。

從機(jī)器人到蒼蠅
當(dāng)我們利用昆蟲(chóng)的行為來(lái)操縱機(jī)器人時(shí),來(lái)自機(jī)器人設(shè)備的反饋會(huì)修改面向昆蟲(chóng)的視覺(jué)顯示方式。反饋由安裝在機(jī)器人頂部的三個(gè)線性照相機(jī)和八個(gè)接近傳感器給出。照相機(jī)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(biāo)定后的數(shù)據(jù)。主機(jī)會(huì)通過(guò)藍(lán)牙(Bluetooth)接收這些信號(hào)并且應(yīng)用第二個(gè)自定義傳遞函數(shù),以生成在LED視覺(jué)場(chǎng)上顯示的下一幀圖像。

主機(jī)應(yīng)用程序通過(guò)以太網(wǎng)(Ethernet)把新的圖像模式發(fā)送到實(shí)時(shí)控制器。然后這一圖像模式被劃分為8×8像素塊,每個(gè)像素塊將與一個(gè)LED面板相對(duì)應(yīng),并被轉(zhuǎn)換為I2C指令。為了實(shí)現(xiàn)最大處理量,這些數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)由DMA(直接內(nèi)存存?。┑腇IFO(先進(jìn)先出)隊(duì)列傳遞到FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)。中斷向量可以保證在實(shí)時(shí)控制器命令生成和FPGA底層硬件通信之間的同步。而后,F(xiàn)PGA背板采用I2C協(xié)議控制12條總線,每條總線分別控制五個(gè)面板。從而,機(jī)器人所看到的環(huán)境決定了針對(duì)蒼蠅的視覺(jué)刺激,而蒼蠅對(duì)視覺(jué)刺激的響應(yīng)也改變了機(jī)器人前進(jìn)的路徑。

視覺(jué)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(duì)稱。控制回路中的累積延遲小于50毫秒并且這主要是由傳感器信息是經(jīng)由藍(lán)牙從機(jī)器人傳輸?shù)街鳈C(jī)而造成的。

有效地設(shè)計(jì):靈活的界面和模塊化的結(jié)構(gòu)
借助于LabVIEW和CompactRIO,我們可以通過(guò)各種不同的協(xié)議連接到一系列的研究工具。NI和LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)用戶社區(qū)提供的極大的靈活性和許多范例程序,這使得基于LabVIEW設(shè)計(jì)的應(yīng)用有效地替代了實(shí)驗(yàn)生物學(xué)中的定制控制器。

我們?cè)O(shè)計(jì)了一種友好的GUI(圖形用戶界面),它為實(shí)驗(yàn)者提供了必要的控制手段和信息,從而簡(jiǎn)化了多個(gè)硬件平臺(tái)上運(yùn)行的代碼的復(fù)雜度(圖3)。這一功能在一些跨學(xué)科的應(yīng)用中非常有效,能夠增進(jìn)生物學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)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(shí)驗(yàn)室之間被分享和重復(fù)利用。例如,在這一解決方案的定制化版本,運(yùn)算模式可以被預(yù)先生成并且保存在U盤(pán)中,然后下載到實(shí)時(shí)控制器的RAM中,再傳輸?shù)絃ED面板,以獲得更高的刷新率。

一個(gè)混合的自適應(yīng)控制器
由于蒼蠅的部分神經(jīng)回路具有高度的可塑性,它可以被看作一個(gè)自適應(yīng)控制器。通過(guò)使用新的仿生機(jī)器人平臺(tái),我們能夠評(píng)估控制器在各種外部傳遞函數(shù)下的性能,這些傳遞函數(shù)幾乎能夠模仿出所有的蒼蠅的自然飛行環(huán)境,例如根據(jù)最靠近機(jī)器人的障礙物的位置來(lái)確定視覺(jué)場(chǎng)中的柵格的上下移動(dòng)。但令人驚訝地是,最接近于直覺(jué)的傳遞函數(shù)并不一定會(huì)獲得最佳結(jié)果。

LabVIEW 和 CompactRIO為構(gòu)造這一包含活體昆蟲(chóng)并且允許我們進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)的控制回路提供了理想解決方案。CompactRIO負(fù)責(zé)采集并生成各種適用不同工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào),并擴(kuò)展了自定制的研究工具。另外,由于我們?cè)谟?jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)控制器和FPGA上分別實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序是在同一個(gè)編程環(huán)境和開(kāi)發(fā)語(yǔ)言下完成的,這大大節(jié)省了我們的學(xué)習(xí)時(shí)間,提高了效率。此外,大量的附件產(chǎn)品和外接接口還為未來(lái)的擴(kuò)展和適應(yīng)性提供了巨大潛力。

Acknowledgements  鳴謝
W 我們感謝Vasco Medici、Nicola Rohrseitz和Gilles Caprari幫助開(kāi)發(fā)機(jī)器人控制器。我們還感謝Jean-Christophe Zufferey 和Dario Floreano提供伊普克(e-puck)機(jī)器人,并且感謝Jan Bartussek幫助運(yùn)行試驗(yàn)以及感謝Moser幫助制作飛行視覺(jué)場(chǎng)。

References 參考資料
[1] Reiser MB, Dickinson M. A modular display system for insect behavioral neuroscience. J Neurosc Methods 2008;167:127–139. 
[2] Graetzel CF, Medici V, Rohrseitz N, Nelson BJ, Fry SN. The Cyborg Fly: A biorobotic platform to investigate dynamic coupling effects between a fruit fly and a robot. IROS 2008 Sept;14-19.

 

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車(chē)的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車(chē)技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車(chē)工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車(chē)。 SODA V工具的開(kāi)發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車(chē) 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開(kāi)幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉