基于圖形化系統(tǒng)開發(fā)的便攜式智能溫室設(shè)計方案

The Challenge:

開發(fā)一個靈活的高帶寬機器人設(shè)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。

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。

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(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)行機構(gòu)。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(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鼈冏鳛閷崟r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(xué)的研究項目，它被設(shè)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(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?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行控制。為了實現(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LabVIEW的主機上。我們可以在主機上應(yīng)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(zhuǎn)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(dāng)我們利用昆蟲的行為來操縱機器人時，來自機器人設(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(biāo)定后的數(shù)據(jù)。主機會通過藍牙(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。

主機應(yīng)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，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(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)用有效地替代了實驗生物學(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(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驗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(jié)果。

LabVIEW 和 CompactRIO為構(gòu)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(zé)采集并生成各種適用不同工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(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展和適應(yīng)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 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 dynamic coupling effects between a fruit fly and a robot. IROS 2008 Sept;14-19.