LabVIEW-和-CompactRIO-設計一個用于研究飛-蟲的機器人設備

1、labview 和 compactrio設計一個用于研究飛蟲的機器人設備"借助于compactrio 控制器和labview ,我們對于飛蟲如何實現(xiàn) 出色的飛行控制進行了研究。"-chauncey graetzel, optotune agthe challenge:開發(fā)一個靈活的高帶寬機器人設備，以便 測量和仿真有翼昆蟲 的飛行方式。the solution:利用ni的labview 軟件 和compactrio 硬件制造一個快速、模塊化、易于使用的 仿生機器人平臺，它 涉及各種工業(yè)協(xié)議和 實時閉環(huán)激勵信號生 成。蠅控機器人實驗中的信息流示意圖author (s):cha

2、uncey graetzel - optotune agvasco medici - eth z u richnicola rohrseitz - vissee sagldaniel a. schwyn - imperial college londonchris rogers - tufts universityholger g. krapp - imperial college londonbradley j. nelson - eth z u richsteven n. fry - eth zu richfidockg - fwtjilist:聿曾at-achilvemeni award

3、s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(tǒng)研究 神經(jīng)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(tǒng)設計軟件來研究飛蟲如何實現(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

4、的分辨率，使得我們可以有效刺激蒼蠅的視覺系統(tǒng)。記錄昆蟲的響應需要一個快速、靈活的采集系統(tǒng)。labv丘w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(tǒng)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(shù)，來控制 機器人運動

5、（圖1）。蒼蠅和機器人 之間的傳遞函數(shù)會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)一系列的試驗模式。蒼蠅的高速電影：加 速白l 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。在過去的設計中，所有的飛行都由一條總線進行控制。為了實現(xiàn)更高的幀率，并根據(jù)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。最終，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 箱更換了最初的控制 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

6、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_運行l(wèi)abview 的主機上。我們可 以在主機上應用自定義傳遞 函數(shù)計算出更新的伊 普克（e- puck ）機器人的 輪轉速。這些數(shù)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

7、定后的數(shù)據(jù)。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(shù)， 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(wǎng)（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8x 8像素塊，每個像素塊將與一個led面板相對應，并被轉換為i2 c指令。為了實現(xiàn)最大處理量，這些數(shù)據(jù) 會經(jīng)由dma （直接內(nèi)存存?。┑膄ifo （先進先出）隊列傳遞到fpga （現(xiàn)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(xié)議才$制12條總線，每條總線分別控制五個面板。

8、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。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)由藍牙從機器人傳 輸?shù)街鳈C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(xié)議連接到一系列的研究工具。 ni 和 labview 的 網(wǎng)絡用戶社區(qū)提供的 極大的靈活性和許多范例程序，這使得基 于 labview 設 計的應用有效地替代 了實驗生物學中的定 制控制

9、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(shù)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 預先生成并且保存在 u 盤中，然后下載到 實時控制器的 ram 中，再傳輸?shù)絣ed 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(jīng) 回路具有高度的可塑 性，它可以被看作一個

10、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(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(xiàn) 的應用程序是在同一個編程環(huán)境和開發(fā)

11、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(chǎn)品 和外接接口還為未來 的擴展和適應性提供 了巨大潛力。acknowledgements 鳴謝w 我們感謝瓦斯科?美第奇( vasco medici )、尼 古拉?羅爾賽茨( nicola rohrseitz ) 和吉勒斯?卡普拉瑞( gilles caprari )幫 助開發(fā)機器人控制 器。我們還感謝約翰 克利斯朵夫?朱費瑞( jean- christophe zufferey ) 和達里奧?弗羅來若( dario floreano ) 提供伊普克( e- puck )機器人， 并且感謝簡?巴爾圖賽克( jan

12、bartussek )幫助運行試驗以及感 謝莫澤 ( moser )幫助 制作飛行視覺場。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 dynam

13、ic coupling effects between a fruit fly and a robot. iros2008 sept;14- 19.author information:chauncey graetzeloptotune agchauncey. graetzeloptotune. com5/5(cfly-to-robottransferfunctionrobot-to-fly transfer function蠅控機器人實驗中的信息流示意圖視覺激勵場和數(shù)字振翅分析儀.!：.1：,：4星印ylwd arenadigital wing beat analyzertrtrnsfer

14、functionsl 而 由 恂 ijh 呷i00stop圖形用戶界面在實驗中提供了單一的信息流rpwjjwry eff* § , - , q 1(0200(1* +肝eh . |," 1 i 4 8 , i0 10 a 31 w df心釬問 時,. jhhhb4力.inplui 整 0k's ftid j. » a iriij 。叮 bmk mn sum df lke 寸修小w，+sc <h4$q jtr®m dfffi i r i. i |ii i i ! i ;口 j口用 114 k 卬3ie2plkkobcitrl-imte1 or attenielegalthis case study (this "case study") was developed