挑戰(zhàn):
開發(fā)一個靈活的高帶寬機(jī)器人" title="機(jī)器人">機(jī)器人設(shè)備,，以便測量和仿真有翼昆蟲的飛行方式。
解決方案:
利用NI的LabVIEW" title="LabVIEW">LabVIEW軟件和CompactRIO" title="CompactRIO">CompactRIO硬件制造一個快速,、模塊化,、易于使用的仿生機(jī)器人平臺，它涉及各種工業(yè)協(xié)議和實(shí)時閉環(huán)激勵信號生成,。
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(jī)動性令人非常感興趣,。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),。人們對它們這樣的能力很感興趣但是難以進(jìn)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(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)計軟件來研究飛蟲如何實(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(tǒng)。記錄昆蟲的響應(yīng)需要一個快速,、靈活的采集系統(tǒng),。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?qū)⑺鼈冏鳛閷?shí)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(tǒng)中,。
我們開發(fā)了一個試驗(yàn),。在試驗(yàn)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(jī)器人。該機(jī)器人是一個小型移動機(jī)器人,，是一個大學(xué)的研究項(xiàng)目,，它被設(shè)計用于通過充滿障礙的環(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,，用來確定向蒼蠅展示的視覺刺激、翅振頻率和幅度等飛行參數(shù),，來控制機(jī)器人運(yùn)動（圖1）。蒼蠅和機(jī)器人之間的傳遞函數(shù)會發(fā)生變化,，從而實(shí)現(xiàn)一系列的試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>
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(xié)議連接到定制的控制器,。在過去的設(shè)計中，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)蒼蠅的反饋來調(diào)節(jié)視覺激勵，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(shù)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(shù)據(jù)協(xié)議（UDP）包傳輸?shù)揭慌_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)我們利用昆蟲的行為來操縱機(jī)器人時,，來自機(jī)器人設(shè)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(jī)器人頂部的三個線性照相機(jī)和八個接近傳感器給出,。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)會通過藍(lán)牙（Bluetooth）接收這些信號并且應(yīng)用第二個自定義傳遞函數(shù),，以生成在LED視覺場上顯示的下一幀圖像。
主機(jī)應(yīng)用程序通過以太網(wǎng)（Ethernet）把新的圖像模式發(fā)送到實(shí)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(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)場可編程門陣列）,。中斷向量可以保證在實(shí)時控制器命令生成和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面板,。從而,，機(jī)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(yīng)也改變了機(jī)器人前進(jìn)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,。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：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,。
我們設(shè)計了一種友好的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,，從而簡化了多個硬件平臺上運(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盤中,，然后下載到實(shí)時控制器的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,，它可以被看作一個自適應(yīng)控制器。通過使用新的仿生機(jī)器人平臺,，我們能夠評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確定視覺場中的柵格的上下移動,。但令人驚訝地是，最接近于直覺的傳遞函數(shù)并不一定會獲得最佳結(jié)果,。
LabVIEW 和 CompactRIO為構(gòu)造這一包含活體昆蟲并且允許我們進(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,，并擴(kuò)展了自定制的研究工具。另外,，由于我們在計算機(jī)、實(shí)時控制器和FPGA上分別實(shí)現(xiàn)的應(yīng)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(xué)習(xí)時間,，提高了效率,。此外,，大量的附件產(chǎn)品和外接接口還為未來的擴(kuò)展和適應(yīng)性提供了巨大潛力。
References 參考資料
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