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， 機器視覺/成像設備， 科研

　　產品：

　　LabVIEW, CompactRIO, cRIO-9014

　　挑戰(zhàn)：

　　開發(fā)一個靈活的高帶寬機器人設備，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)研究神經信息處理、空氣動力學和遺傳學，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)行機構。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科和合作研究的關鍵。

　　我們利用CompactRIO 控制器和LabVIEW 圖形系統(tǒng)設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，并且能夠將它們作為實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。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，是一個大學的研究項目，它被設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)一系列的試驗模式。

　　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)蒼蠅的反饋來調節(jié)視覺激勵，我們必須使用多條并行的總線。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）機器人的輪轉速。這些數(shù)值再通過藍牙（Bluetooth）發(fā)送到機器人上。

　　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，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。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，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。 UDP協(xié)議基本上是IP協(xié)議與上層協(xié)議的接口。UDP協(xié)議適用端口分別運行在同一臺設備上的多個應用程序。

　　從機器人到蒼蠅

　　當我們利用昆蟲的行為來操縱機器人時，來自機器人設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的頻率輸出標定后的數(shù)據(jù)。主機會通過藍牙（Bluetooth）接收這些信號并且應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。

　　藍牙，是一種支持設備短距離通信（一般10m內）的無線電技術。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用“藍牙”技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網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。藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多點通信，工作在通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。其數(shù)據(jù)速率為1Mbps。采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸。

　　主機應用程序通過以太網（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，并被轉換為I2C指令。為了實現(xiàn)處理量，這些數(shù)據(jù)會經由DMA（直接內存存取）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也改變了機器人前進的路徑。

　　以太網（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)的基帶局域網規(guī)范，是當今現(xiàn)有局域網采用的通用的通信協(xié)議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網早由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)成為一個標準。以太網是應用為廣泛的局域網，包括標準的以太網（10Mbit/s）、快速以太網（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網，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?？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由藍牙從機器人傳輸?shù)街鳈C而造成的。

　　有效地設計：靈活的界面和模塊化的結構

　　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的網絡用戶社區(qū)提供的極大的靈活性和許多范例程序，這使得基于LabVIEW設計的應用有效地替代了實驗生物學中的定制控制器。

　　我們設計了一種友好的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雜度（圖3）。這一功能在一些跨學科的應用中非常有效，能夠增進生物學家、數(shù)學家、物理學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算機操作用戶界面。與早期計算機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。

　　一個混合的自適應控制器

　　由于蒼蠅的部分神經回路具有高度的可塑性，它可以被看作一個自適應控制器。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。

　　LabVIEW 和 CompactRIO為構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負責采集并生成各種適用不同工業(yè)標準的信號，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)省了我們的學習時間，提高了效率。

　　Acknowledgements  鳴謝

　　W 我們感謝Vasco Medici、Nicola Rohrseitz和Gilles Caprari幫助開發(fā)機器人控制器。我們還感謝Jean-Christophe Zufferey 和Dario Floreano提供伊普克（e-puck）機器人，并且感謝Jan Bartussek幫助運行試驗以及感謝Moser幫助制作飛行視覺場。