基于PXIe和LabVIEW的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：為了解決動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的多通道、高采樣率和大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等問題，提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)及其圖形化開發(fā)環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)以PXIe和LabVIEW為平臺(tái)，采用3×8傳感器陣列、72通道數(shù)據(jù)采集與處理模塊和高速攝像機(jī)等，同步采集力學(xué)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確獲得動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)腳掌的三維接觸反力和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)行為數(shù)據(jù)，為仿生機(jī)器人的研究提供了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：傳感器陣列；PXIe；LabVIEW；運(yùn)動(dòng)力學(xué)；數(shù)據(jù)采集

    運(yùn)動(dòng)是動(dòng)物捕食、逃逸、生殖和繁衍等行為的基礎(chǔ)，許多動(dòng)物具有在各種表面(地面、墻面和天花板等)迅速、敏捷爬行的能力，如壁虎、蜜蜂和蟑螂等。對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為和力學(xué)的研究，可以揭示動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特性和規(guī)律，為仿生機(jī)器人的研究提供重要理論基礎(chǔ)。虛擬儀器技術(shù)及其圖形化開發(fā)環(huán)境為動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為和力學(xué)的研究提供了很好的方法，NI公司開發(fā)的LabVIEW是目前廣泛應(yīng)用的虛擬儀器軟件，它是一種基于G語言的圖形化編程語言，其圖形化界面可以方便地進(jìn)行虛擬儀器的開發(fā)，在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)試測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
    壁虎、蜜蜂和蟑螂等動(dòng)物的接觸反力為毫牛級(jí)或微牛級(jí)，需要精密的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，目前大部分的動(dòng)物接觸反力測(cè)試系統(tǒng)，只能獲得單個(gè)腳掌或整個(gè)身體的力學(xué)信息，無法采集到動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)腳掌的三維接觸反力和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)行為數(shù)據(jù)。本文介紹了一種基于PXIe和LabVIEW的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的PXIe模塊集信號(hào)調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、采樣／保持等多個(gè)環(huán)節(jié)于一體，解決了動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的諸多問題，為探索和發(fā)現(xiàn)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律提供了重要的方法。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    數(shù)據(jù)采集就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示及存儲(chǔ)的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器陣列把動(dòng)物運(yùn)動(dòng)時(shí)的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過PXIe數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理和采集，最后在LabVIEW程序中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、顯示和保存；高速攝像機(jī)和冷光源用于記錄動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息。力學(xué)數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)通過單片機(jī)(AVR Mega16)同步觸發(fā)采集。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要盡量遵循標(biāo)準(zhǔn)化、開放化和模塊化的原則。系統(tǒng)的硬件部分主要包括傳感器陣列、PXIe數(shù)據(jù)采集模塊、高速攝像機(jī)和冷光源。
2．1 力學(xué)數(shù)據(jù)采集
2．1．1 傳感器陣列
    在此采用南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所自行研制的3維力傳感器。24個(gè)傳感器以3×8(行×列)的形式組成傳感器陣列，陣列平臺(tái)可以360°旋轉(zhuǎn)，每個(gè)傳感器測(cè)量動(dòng)物運(yùn)動(dòng)過程中的3維接觸反力，這需要建立72組數(shù)據(jù)采集通道。傳感器采用惠斯通全橋電路連接，由PXIe系統(tǒng)為傳感器提供5 V的驅(qū)動(dòng)電壓。傳感器結(jié)構(gòu)和實(shí)體圖如圖2所示。

2．1．2 信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊
    信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的部分，其關(guān)鍵硬件是數(shù)據(jù)采集卡。NI公司的產(chǎn)品擁有高效的軟件、模塊化I／O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)，充分發(fā)揮了虛擬儀器技術(shù)性能高，擴(kuò)展性強(qiáng)，開發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成等優(yōu)勢(shì)。因此該系統(tǒng)選用NI公司的PXIe數(shù)據(jù)采集模塊。
    該模塊的數(shù)據(jù)采集卡集信號(hào)調(diào)理與模／數(shù)轉(zhuǎn)換于一體，包含8個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道配有獨(dú)立的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率達(dá)到25．6 kS／s，分辨率為24 b，精度可達(dá)0．02％。其橋接輸入模塊能夠進(jìn)行1／4，1／2和全橋的自動(dòng)同步測(cè)量，可用于測(cè)試高性能應(yīng)變、載荷、力值與力矩等。8通道橋接輸入模塊可在單個(gè)機(jī)箱中擴(kuò)展到136通道，在多機(jī)箱同步時(shí)可擴(kuò)展到數(shù)千條通道。
    系統(tǒng)需要以較高的采樣率采集72組通道的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供足夠高的采樣率和獨(dú)立的通道，使72組通道的數(shù)據(jù)采集快速、精確，而且互不干擾。傳感器陣列的數(shù)據(jù)通過前置接線端子傳送到數(shù)據(jù)采集卡，前置接線端子可以自動(dòng)檢測(cè)到信號(hào)，支持熱拔插，安裝方便。數(shù)據(jù)采集卡封裝在18槽3U的機(jī)箱中，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在同步采集時(shí)，單片機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給PXIe的時(shí)鐘卡實(shí)現(xiàn)外部觸發(fā)。早期使用的基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用單獨(dú)的信號(hào)調(diào)理模塊和采集模塊，只有一個(gè)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集。相比之下，PXIe系統(tǒng)集信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集于一體，不需要外接電腦，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置一體化，可以方便地進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)(模擬動(dòng)物在空間不同傾斜表面的運(yùn)動(dòng))；每個(gè)通道配有獨(dú)立的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)的同步采集；安裝和調(diào)試方便，操作簡(jiǎn)單。從實(shí)際應(yīng)用情況看，PXIc系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，可以方便地進(jìn)行多通道拓展。
2．2 行為數(shù)據(jù)采集
2．2．1 高速攝像蟣
    高速攝像機(jī)型號(hào)為Olympus i-SPEED 3，其提供了高分辨率、超低光照靈敏度和高達(dá)150 000 f／s的錄制速度。在2000 f／s以下，分辨率為1 280×1024，具有多種觸發(fā)方式(如前觸發(fā)、中間觸發(fā)和后觸發(fā)等)，通過CF卡可以無限擴(kuò)展容量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，單片機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給高速攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)和力學(xué)數(shù)據(jù)的同步采集。根據(jù)圖像資料，可以更加精確地判斷動(dòng)物腳掌和傳感器的接觸情況，并且能夠掌握動(dòng)物不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)時(shí)腳掌的三維接觸力學(xué)信息。
2．2．2 冷光源
    冷光源是繼白熾燈、LCD、LFD等光源產(chǎn)品之后出現(xiàn)的新型光源，發(fā)光原理是在電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生電子碰撞激發(fā)熒光材料產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，具有十分優(yōu)良的光學(xué)特性。當(dāng)高速攝像機(jī)采用較高的幀數(shù)進(jìn)行拍攝時(shí)，調(diào)節(jié)冷光源的位置和角度，提高光照強(qiáng)度，冷光源的不發(fā)熱特性避免了影響實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和系統(tǒng)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)方案
    系統(tǒng)軟件在LabVIEW 8．5的環(huán)境下編寫，采用DAQmx取代了傳統(tǒng)DAQ。相比傳統(tǒng)DAQ，在許多應(yīng)用中，DAQmx都可以提高應(yīng)用程序的性能，因?yàn)镈AQmx在驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)上作出了很多改進(jìn)，比如多線程操作、更好地控制各種驅(qū)動(dòng)操作和內(nèi)置的硬件定時(shí)單點(diǎn)操作等。圖3是系統(tǒng)的LabVIFW采集程序前面板，采集程序主要有四個(gè)步驟：空采集(Space Acquisition)、初始化(Initialization)、果集(Acquisition)和停止(Termination)?？詹杉瘯r(shí)，程序?qū)⒎麄€(gè)通道實(shí)際采集到的信號(hào)以數(shù)據(jù)圖線的形式在前面板上顯示出來，不做處理和保存，從中可以檢查各個(gè)傳感器和測(cè)試系統(tǒng)是否正常工作；初始化的作用是采集一定量的傳感器陣列空載時(shí)的初始數(shù)據(jù)，然后求出每個(gè)通道采集到的數(shù)據(jù)平均值，作為該通道的零點(diǎn)輸出值；進(jìn)入采集模塊后，實(shí)驗(yàn)人員通過觀察動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)情況和視頻的回放決定是否保存數(shù)據(jù)；點(diǎn)擊停止后，數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束。

    LabVIEW程序使用條件結(jié)構(gòu)(Case Structure)執(zhí)行空采集(0)、初始化(1)、采集(2)和停止(3)程序，同時(shí)用While循環(huán)控制每個(gè)具體程序的執(zhí)行，為防止發(fā)生意外情況，程序最外層的While循環(huán)可以隨時(shí)終止程序。下面以程序的核心部分采集模塊為例，說明程序的流程。采集模塊主要包括硬件配置、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)顯示和保存，如圖4所示。限于篇幅，圖4省略了72通道中的部分通道。

    硬件配置時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
    (1)DAQmx物理通道的選擇，橋信息、應(yīng)變計(jì)信息的設(shè)置要與傳感器和數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)一致，避免采集的信號(hào)產(chǎn)生畸變。
    (2)選擇合理的采樣頻牢。為了能夠較好地再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣頻率必須足夠高，但過高的采樣頻率又會(huì)加重機(jī)器的負(fù)擔(dān)，根據(jù)奈奎斯特理論，采樣頻率至少足原信號(hào)的2倍，但實(shí)際中，一般都需要5～10倍。通過運(yùn)用Matlab軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累，設(shè)定程序的采樣頻率為500～1 000Hz。
    (3)DAQmx讀取時(shí)，每個(gè)通道的采樣數(shù)要小于或等于采樣頻率，否則可能會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)溢出而影響程序的正常執(zhí)行。
    將讀取到的數(shù)據(jù)乘以傳感器的靈敏度系數(shù)矩陣(解耦系數(shù)矩陣的逆矩陣)，通過三維數(shù)組后，在波形圖中顯示出來，每個(gè)波形圖顯示一個(gè)傳感器采集到的三維接觸反力。點(diǎn)擊前面板中的保存按鈕執(zhí)行數(shù)據(jù)保存功能，可以按照指定的保存路徑和文件名完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，保存格式為txt文本文件。由于系統(tǒng)以500～1000 Hz的采樣頻率采集72通道的數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以需要有足夠的存貯容量。

4 應(yīng)用實(shí)例
    使用大壁虎(體重：(65．4±2．4)g；體長(zhǎng)：(136．6±12．4)mm；mean±s．d；編號(hào)為1～16號(hào))作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)試大壁虎在空間不同傾斜表面上的運(yùn)動(dòng)力學(xué)信息。實(shí)驗(yàn)時(shí)，開啟測(cè)試系統(tǒng)并完成設(shè)備初始化，一切正常后，將大壁虎平穩(wěn)地放在測(cè)試平臺(tái)通道的一端，通過人工刺激，大壁虎經(jīng)過傳感器陣列通道爬向另一端。壁虎運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，單片機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給PXIe系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘卡和高速攝像機(jī)，同步采集力學(xué)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的圖像信息，采用圖像識(shí)別的方法，選擇大壁虎運(yùn)動(dòng)過程中方向和速度沒有顯著變化，并且將全腳掌與傳感器接觸的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。

    圖5是大壁虎在105°表面爬行時(shí)的圖像和力學(xué)信息．L1，L2，R1，R2分別代表大壁虎的左前腿、左后腿、右前腿和右后腿。從大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，系統(tǒng)能夠精確獲得動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)腳掌與運(yùn)動(dòng)表面間的接觸力變化趨勢(shì)及運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)行為，這為深入理解動(dòng)物保持高靈活性、機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性的深層力學(xué)原因提供了理論依據(jù)。

5 結(jié)語
    基于PXIe和LabVIEW的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決了動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的多通道、高采樣率和大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等問題，能夠精確獲得動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)過程中各腿掌的接觸反力變化過程以及身體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的調(diào)整過程。這為探索和發(fā)現(xiàn)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律提供了重要的方法，也為仿牛機(jī)器人的研究提供了理論基礎(chǔ)。