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、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?/P>

　　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。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。

　　UDP 是User Datagram Protocol的簡(jiǎn)稱(chēng)， 中文名是用戶(hù)數(shù)據(jù)包協(xié)議，是 OSI 參考模型中一種無(wú)連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡(jiǎn)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(wú)連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡(jiǎn)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(tái)設(shè)備上的多個(gè)應(yīng)用程序。

　　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。

　　藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無(wú)線電技術(shù)。能在包括移動(dòng)電話、PDA、無(wú)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(wú)線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)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(wú)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(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在通用的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(shí)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(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)處理量，這些數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)由DMA（直接內(nèi)存存?。┑腇IFO（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，每條總線分別控制五個(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。

　　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(kāi)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(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)）技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類(lèi)型的電纜上。以太網(wǎng)早由Xerox（施樂(lè)）公司創(chuàng)建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用為廣泛的局域網(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(wèn)控制法，它們都符合IEEE802.3。

　　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。

　　圖形用戶(hù)界面（Graphical User Interface，簡(jiǎn)稱(chēng) GUI，又稱(chēng)圖形用戶(hù)接口）是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶(hù)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(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)在視覺(jué)上更易于接受。它極大地方便了非用戶(hù)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(guò)窗口、菜單、按鍵等方式來(lái)方便地進(jìn)行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個(gè)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(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。

　　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。

　　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)。