LabVIEW-和-CompactRIO-设计一个用于研究飞-虫的机器人设备.doc

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1、LabVIEW和CompactRIO设计一个用于研究飞虫的机器人设备"借助于CompactRIO控制器和LabVIEW，我们对于飞虫如何实现出色的飞行控制进行了研究。"-ChaunceyGraetzel,OptotuneAGTheChallenge:开发一个灵活的高带宽机器人设备，以便测量和仿真有翼昆虫的飞行方式。TheSolution:利用NI的LabVIEW软件和CompactRIO硬件制造一个快速、模块化、易于使用的仿生机器人平台，它涉及各种工业协议和实时闭环激励信号生成。蝇控机器人实验中的信息

2、流示意图Author(s):ChaunceyGraetzel-OptotuneAGVascoMedici-ETHZürichNicolaRohrseitz-ViSSeeSaglDanielA.Schwyn-ImperialCollegeLondonChrisRogers-TuftsUniversityHolgerG.Krapp-ImperialCollegeLondonBradleyJ.Nelson-ETHZürichStevenN.Fry-ETHZürich苍蝇能够高速追逐，并精确地降落在盘子的边缘

3、，这其中的机动性令人非常感兴趣。我们可以利用苍蝇作为模型系统研究神经信息处理、空气动力学和遗传学，此外，它们还可以快速、精确地使用它们的生物传感器、控制器和执行机构。人们对它们这样的能力很感兴趣但是难以进行研究。测量和激励装置必须具有高带宽、低延迟，并拥有灵活的界面。同时，易用性和模块化特性也是跨学科和合作研究的关键。我们利用CompactRIO控制器和LabVIEW图形系统设计软件来研究飞虫如何实现出色的飞行控制。我们采用了数字I/O模块来连接一个基于LED的视觉激励场，它具备了时间和空间的精确的分

4、辨率，使得我们可以有效刺激苍蝇的视觉系统。记录昆虫的响应需要一个快速、灵活的采集系统。LabVIEW能够提供记录这些信号所需要的速度和模块化特性，并且能够将它们作为实时反馈来生成刺激信号。这样，我们就能够把将苍蝇作为一个活的传感器，并嵌入到一个科技系统中。我们开发了一个试验。在试验中，我们把一只果蝇用绳拴住，通过果蝇的动作来控制伊普克（e-puck）机器人。该机器人是一个小型移动机器人，是一个大学的研究项目，它被设计用于通过充满障碍的环境。从绑定在机器人上的照相机和接近传感器可以获得反馈，用来确定向苍

5、蝇展示的视觉刺激、翅振频率和幅度等飞行参数，来控制机器人运动（图1）。苍蝇和机器人之间的传递函数会发生变化，从而实现一系列的试验模式。苍蝇的高速电影：加速的LED视觉场视觉激励场包括8个绿色LED面板，它们通过I2C协议连接到定制的控制器。在过去的设计中，所有的飞行都由一条总线进行控制。为了实现更高的帧率，并根据苍蝇的反馈来调节视觉激励，我们必须使用多条并行的总线。最终，我们选择了NIcRIO-9014实时控制器和一体化NIcRIO-9104可重新配置嵌入式机箱更换了最初的控制器。蝇控机器人：从苍蝇到

6、机器人在实验装置（图2）中，果蝇被用绳拴在一个环形的LED面板阵列的中心。虽然昆虫不能够移动，但仍可以拍打翅膀并且按照和自由飞行相同的方式飞行。数字振翅分析仪会获得电流频率、振幅、位置均值和苍蝇振翅的相位。这些行为状态矢量通过用户数据协议（UDP）包传输到一台运行LabVIEW的主机上。我们可以在主机上应用自定义传递函数计算出更新的伊普克（e-puck）机器人的轮转速。这些数值再通过蓝牙（Bluetooth）发送到机器人上。从机器人到苍蝇当我们利用昆虫的行为来操纵机器人时，来自机器人设备的反馈会修改面

7、向昆虫的视觉显示方式。反馈由安装在机器人顶部的三个线性照相机和八个接近传感器给出。照相机以10Hz的频率采集，每帧拥有102像素。接近传感器以20Hz的频率输出标定后的数据。主机会通过蓝牙（Bluetooth）接收这些信号并且应用第二个自定义传递函数，以生成在LED视觉场上显示的下一帧图像。主机应用程序通过以太网（Ethernet）把新的图像模式发送到实时控制器。然后这一图像模式被划分为8×8像素块，每个像素块将与一个LED面板相对应，并被转换为I2C指令。为了实现最大处理量，这些数据会经由DMA（直

8、接内存存取）的FIFO（先进先出）队列传递到FPGA（现场可编程门阵列）。中断向量可以保证在实时控制器命令生成和FPGA底层硬件通信之间的同步。而后，FPGA背板采用I2C协议控制12条总线，每条总线分别控制五个面板。从而，机器人所看到的环境决定了针对苍蝇的视觉刺激，而苍蝇对视觉刺激的响应也改变了机器人前进的路径。1/5视觉刺激的帧率大约在30Hz和400Hz之间，这取决于模式的深度和是否垂直对称。控制回路中的累积延迟小于50毫秒并且这主要是由传感器信息