挑戰(zhàn):
開發(fā)一個靈活的高帶寬機(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軟件和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。
"借助于CompactRIO控制器和LabVIEW,我們對于飛蟲如何實(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(jì)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(jì)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(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)器人實(shí)驗(yàn)中的信息流示意圖
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(jì)算出更新的伊普克(e-puck)機(jī)器人的輪轉(zhuǎn)速。這些數(shù)值再通過藍(lán)牙(Bluetooth)發(fā)送到機(jī)器人上。
UDP 是User Datagram Protocol的簡稱, 中文名是用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議,是 OSI 參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議,提供面向事務(wù)的簡單不可靠信息傳送服務(wù)。它是IETF RFC 768是UDP的正式規(guī)范。也是ISO參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議,提供面向事務(wù)的簡單不可靠信息傳送服務(wù)。 UDP協(xié)議基本上是IP協(xié)議與上層協(xié)議的接口。UDP協(xié)議適用端口分別運(yùn)行在同一臺設(shè)備上的多個應(yīng)用程序。
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。
藍(lán)牙,是一種支持設(shè)備短距離通信(一般10m內(nèi))的無線電技術(shù)。能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù),能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信,也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信,從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效,為無線通信拓寬道路。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù),支持點(diǎn)對點(diǎn)及點(diǎn)對多點(diǎn)通信,工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段。其數(shù)據(jù)速率為1Mbps。采用時分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。
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。
以太網(wǎng)(Ethernet)指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范,是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測)技術(shù),并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)最早由Xerox(施樂)公司創(chuàng)建,在1980年,DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為一個標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng),包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)(10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太網(wǎng),采用的是CSMA/CD訪問控制法,它們都符合IEEE802.3。
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(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。
我們設(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。
圖形用戶界面(Graphical User Interface,簡稱 GUI,又稱圖形用戶接口)是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶界面。與早期計(jì)算機(jī)使用的命令行界面相比,圖形界面對于用戶來說在視覺上更易于接受。它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令,取而代之的是可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進(jìn)行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個方面的基本要求:輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點(diǎn)。
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。
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(jì)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。
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