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

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。- Chauncey Graetzel, Optotune AGThe Challenge: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。The Solution: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 信息流示意图Author (s):Chauncey Graetzel - Optotune AGVasco Medici - ETH ZrichNicola Rohrseitz - ViSSee SaglDaniel A. Schwyn - Imperial College LondonChris Rogers - Tufts UniversityHolger G. Krapp - Imperial College LondonBradley J. Nelson - ETH ZrichSteven N. Fry - ETH Zrich苍蝇能够高速追逐， 并精确地降落在盘子 的边缘，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 NI cRIO-9014 实时控制器和一体 化NI cRIO- 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88像素块，每 个像素块将与一个 LED面板相对应， 并被转换为I2 C指令。为了实现最 大处理量，这些数据 会经由DMA（直接 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 要是由传感器信息是 经由蓝牙从机器人传 输到主机而造成的。有效地设计：灵活的 界面和模块化的结构借助于 LabVIEW和 CompactRIO， 我们可以通过各种不 同的协议连接到一系 列的研究工具。NI 和LabVIEW的 网络用户社区提供的 极大的灵活性和许多 范例程序，这使得基 于LabVIEW设 计的应用有效地替代 了实验生物学中的定 制控制器。我们设计了一种友好 的GUI（图形用户 界面），它为实验者 提供了必要的控制手 段和信息，从而简化 了多个硬件平台上运 行的代码的复杂度 （图3）。这一功能 在一些跨学科的应用 中非常有效，能够增 进生物学家、数学 家、物理学家和工程 师之间的密切合作。 此外， LabVIEW代码 的模块性和可移植性 也使其能够在实验室 之间被分享和重复利 用。例如，在这一解 决方案的定制化版 本，运算模式可以被 预先生成并且保存在 U盘中，然后下载到 实时控制器的RAM 中，再传输到LED 面板，以获得更高的 刷新率。一个混合的自适应控 制器由于苍蝇的部分神经 回路具有高度的可塑 性，它可以被看作一 个自适应控制器。通 过使用新的仿生机器 人平台，我们能够评 估控制器在各种外部 传递函数下的性能， 这些传递函数几乎能 够模仿出所有的苍蝇 的自然飞行环境，例 如根据最靠近机器人 的障碍物的位置来确 定视觉场中的栅格的 上下移动。但令人惊 讶地是，最接近于直 觉的传递函数并不一 定会获得最佳结果。LabVIEW 和 CompactRIO 为构造这一包含活体 昆虫并且允许我们进 行各种实验的控制回 路提供了理想解决方 案。 CompactRIO 负责采集并生成各种 适用不同工业标准的 信号，并扩展了自定 制的研究工具。另 外，由于我们在计算 机、实时控制器和 FPGA上分别实现 的应用程序是在同一 个编程环境和开发语 言下完成的，这大大 节省了我们的学习时 间，提高了效率。此 外，大量的附件产品 和外接接口还为未来 的扩展和适应性提供 了巨大潜力。Acknowledgements 鸣谢W 我们感谢瓦斯科 美第奇 （Vasco Medici）、尼 古拉罗尔赛茨 （Nicola Rohrseitz） 和吉勒斯卡普拉瑞 （Gilles Caprari）帮 助开发机器人控制 器。我们还感谢约翰 克利斯朵夫朱费瑞 （Jean- Christophe Zufferey） 和达里奥弗罗来若 （Dario Floreano） 提供伊普克（e- puck）机器人， 并且感谢简巴尔图 赛克（Jan Bartussek）帮助运行试验以及感 谢莫泽 （Moser）帮助 制作飞行视觉场。References 参考资料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.Author Information:Chauncey GraetzelOptotune AGchauncey. graetzeloptotune. com2/5蝇控机器人实验中的 信息流示意图3/54/5视觉激励场和数字振 翅分析仪图形用户界面在实验 中提供了单一的信息 流LegalThis case study (this case study) was develo