蠅控機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中的信息流示意圖
　
作者:
　　Chauncey Graetzel - Optotune AG
　　Vasco Medici - ETH Zürich
　　Nicola Rohrseitz - ViSSee Sagl
　　Daniel A. Schwyn - Imperial College London
　　Chris Rogers - Tufts University
　　Holger G. Krapp - Imperial College London
　　Bradley J. Nelson - ETH Zürich
　　Steven N. Fry - ETH Zürich
　
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(mǎn)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?br /> 　
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(xiàn)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(xiàn),。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(hù)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(xiàn)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)存存取）的FIFO（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(xiàn),，每條總線(xiàn)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(chēng),?？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(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(hù)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(hù)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),。