一种昆虫机器人运动行为监测与控制系统及方法与流程

本发明属于电子信息技术，微制造技术和生物科学技术领域，具体涉及一种昆虫机器人运动行为监测与控制系统及方法。

背景技术：

昆虫机器人对于复杂的地形和突发情况有较高的适应能力，在环境适应性、隐蔽性、机动性、负载能力等方面都表现出了巨大的优势。它的研究在神经科学与工程、灾害救援、动物行为学等领域具有重要的理论和应用价值，目前已经成为备受关注的前沿研究课题。在进行动物机器人的行为实验时，通常需要把动物的运动反应记录下来用于统计分析。目前使用的动物运动轨迹记录方法是当进行人为干预神经回路活动来促使动物运动反应后，通过有线的传输方式记录其运动轨迹，动作角度，速度等。在可见范围内，实验人员根据需要调整刺激参数使实验体达到既定位置。常用方法的缺陷是若实验对象位于视野范围之外，实验人员就无法根据实验体的位置设置刺激参数使其达到指定位置。另一方面，通过视频监控法也可记录动物的运动反应，视频监控及数字图像处理法用于研究动物行为的前提是能记录到较为清晰的动物活动视频。但视频监控数据量庞大，不利于数据的整理和保存，导致不能采用较高的采样帧率，对于毫秒级的精细运动无法捕捉。其次，视频监控依赖于摄像机拍摄的每一帧图像，若动物进入封闭区，或者光源不好，在这种情况下，视频监控法则表现得无能为力。利用gps定位动物机器人时，gps受动物机器人的位置和天气的影响较大，当动物机器人工作于地下环境或者当遇到天气不佳时，gps的定位效果就会受到相当大的影响，定位服务功能甚至不能应用。目前对动物机器人的研究主要集中于动物控制，未能实现动物运动行为轨迹无线数据采集，也未见集控制、无线采集两者于一体的智能系统。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种昆虫机器人运动行为监测与控制系统及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种昆虫机器人运动行为监测与控制系统，包括数据采集和滤波模块、数据解析模块、无线通讯a通信端模块、无线通讯b通信端模块、控制信号产生模块、两块电源管理模块、主控模块、上位机显示控制单元和数据存储模块；

数据采集和滤波模块、数据解析模块、无线通讯b通信端模块、控制信号产生模块和电源管理模块通过线路依次连接；电源管理模块分别和数据采集和滤波模块、数据解析模块、无线通讯b通信端模块通过线路连接；主控模块分别和无线通讯a通信端模块、数据存储模块通过线路连接；电源管理模块分别和无线通讯a通信端模块、主控模块、数据存储模块通过线路连接；

数据采集和滤波模块、数据解析模块、无线通讯b通信端模块、控制信号产生模块和电源管理模块构成系统从机，设计在同一集成pcb板中，固定于动物背部；

主控模块、无线通讯a通信端模块、数据存储模块、另一电源管理模块构成系统主机，设计在同一集成pcb板中，与上位机显示控制单元相连接；

数据采集和滤波模块，被配置为用于采集动物机器人的运动数据并对采集的数据进行滤波；

数据解析模块，被配置为用于对数据采集和滤波模块采集到的数据进行数据解析；

无线通讯a通信端模块，被配置为用于与无线通讯b通信端模块进行无线传输，接收无线通讯b通信端模块无线发送的动物机器人运动行为数据和回执信号；

无线通讯b通信端模块，被配置为用于与无线通讯a通信端模块进行无线传输，接收无线通讯a通信端模块发来的控制指令；

控制信号产生模块，被配置为用于接收无线通讯b通信端模块传来的相应指令，并产生相应的控制波形和回执信号，控制信号产生模块能够产生四个通道的控制波形，每个通道分别连接至预先植入昆虫体内的微电极；

主控模块，被配置为用于接收上位机显示控制单元传来的指令，并将其传给无线通讯a通信端模块，接收无线通讯a通信端模块传来的动物机器人运动数据协议包和回执信号，并将其传给上位机显示控制单元，另一方面，将监控到的运动信息和控制指令存到数据存储模块；

电源管理模块，被配置为用于对整个硬件系统包括系统主机和系统从机提供稳定的电源；

上位机显示控制单元，被配置为用于对动物机器人运动行为实时监测并发送控制指令给系统主机；

数据存储模块，被配置为用于存储监测到的动物机器人运动行为信息、已发出的历史控制指令；

上位机显示控制单元能够实时监测视野外的动物机器人的包括位置、姿态信息、速度、位移轨迹在内的信息，操作人员通过上位机显示控制单元确定需要发射的波形信号，上位机显示控制单元将刺激指令传递给系统主机中的主控模块，主控模块将刺激指令经无线通讯a、b通信端模块发送到控制信号发生模块，控制信号发生模块通过解码指令选择合适的通道发射所需波形刺激昆虫，从而实现对昆虫的控制。

优选地，pcb板采用插拔设计，能够随时卸载。

优选地，数据解析模块，其内部集成有姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法、漂移校正算法和积分算法，能够在动态环境下解算出动物机器人在三维空间的姿态角和运动学信息；运动学信息包括加速度、速度和位移；其中，数据解析模块中的微处理单元将解析的信息打包成数据协议包，以便下一步的数据无线传输使用。

优选地，电源管理模块，采用聚合物锂电池供电，电池采用插拔设计，能够随时更换，电源管理模块包括稳压电路、升压电路；稳压电路和升压电路通过线路连接。

优选地，pcb板中集有数据解算器，配合动态卡尔曼滤波算法能够地输出机器人当前姿态和运动学数据。

优选地，控制信号产生模块的波形多样化，能够选择的波形包括方波、正弦波和三角波，也能够选择不同频率的波形叠加。

优选地，上位机显示控制单元，设置有动物机器人三维姿态角度显示界面，动物机器人实时位移显示界面，原始数据的记录、存储、查看界面以及自动或手动控制界面。

优选地，该监测与控制系统为集数据无线采集、实时监测、控制于一体的闭环反馈系统。

此外，本发明还提到一种昆虫机器人运动行为监测与控制方法，该方法采用如上所述的昆虫机器人运动行为监测与控制系统，具体包括如下步骤：

步骤1：实验人员将系统从机与预先植入昆虫体内的微电极连接，根据昆虫体内不同位置特性，在上位机显示控制单元中选择合适波形并适当调整刺激参数，刺激指令发出后通过主控模块、无线通讯a、b通信端模块传送到系统从机的控制信号发生模块；

步骤2：控制信号发生模块根据接收到的指令选择相对应的控制信号传输通道，并发出相应的控制波形，控制波形经控制信号传输通道作用于昆虫，使其完成相应的包括左右转、前进在内的动作；

步骤3：将昆虫机器人放于视野范围外，固定于动物背部的数据采集、解析模块得到的数据协议包经无线通讯a、b通信端模块传送给系统主机的主控模块，主控模块接收到数据协议包后通过usb数据连接线将数据协议包传给上位机，上位机显示控制单元根据接收到的运动数据向用户提供昆虫机器人的包括三维姿态角、位移轨迹和速度在内的信息；

步骤4：设定昆虫机器人要达到的目标位置，用户在上位机显示控制单元实时观察昆虫机器人的运动信息，通过三维姿态角、位移轨迹、速度等信息判断与目标位置的偏差，从而决定需要发出的控制指令；

步骤5：在上位机显示控制单元的手动控制界面，用户能够根据昆虫机器人当前的位置与目标位置之间的偏差，通过左右转、前进按键发送左右转、前进控制指令；

步骤6：控制信号发生模块根据接收到的指令选择相对应的控制信号传输通道，并发出相应的控制波形后，产生回执信号，回执信号沿指令传来的通道逆向传到上位机显示控制单元，此时信号发出控制灯亮；用户能够给根据信号发出控制灯的亮灭状态判断波形是否成功发出；

步骤7：在上位机的自动控制界面，用户可以预定位移轨迹使昆虫机器人按预定位移轨迹行进，上位机显示控制单元将监测到的昆虫位移轨迹与预定位移轨迹进行对比，根据偏移角度发出相应的左右转、前进指令，使信号发生模块接收指令后产生相应的刺激波形，从而使昆虫按预定位移轨迹行进以达到控制目的；

步骤8：昆虫的实际位置与界面中的位置按一定比例映射，映射比例能够设置，当向昆虫施加刺激时，每发出一次控制指令，上位机显示控制单元将记录刺激点位置并在位移轨迹上做出相应标记；

步骤9：当刺激一段时间后，昆虫会适应当前刺激参数，用户能够加大刺激参数或者选择其他种类的刺激波形。

步骤10：主控模块将监测到的运动行为信息和刺激参数存入数据存储模块，用户可以通过数据存储模块查看历史数据进行实验数据分析。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明通过检测昆虫机器人的运动行为，对得到的运动行为数据进行处理后在上位机中显示坐标信息、姿态信息，实验人员可通过坐标信息和姿态信息观察视野外的动物机器人的位置、位移轨迹、空间姿态等信息，从而可对视野之外的实验体通过上位机显示控制单元进行监测、控制，实现集控制、监测于一体的闭环反馈系统。

本发明提出一种基于新一代信息技术(包括集成技术、传感器技术、无线通信、软件技术等技术)的视野范围之外昆虫机器人的行为监测与控制方法及系统；在效果上，通过对动物机器人监测控制系统的设计使实验人员可以对视野范围之外的实验体进行实验；从长远来看，为动物机器人的发展应用提供一种新思路。

附图说明

图1为本发明的系统总体结构示意图。

图2为本发明系统主从机结构示意图。

图3为本发明上位机显示控制单元结构示意图。

图中：1-上位机显示控制单元；2-usb数据传输；3-系统主机；4-无线通讯；5-墙面；6-系统从机；7-实验用蟑螂；8-绝缘固定装置；9-植入动物体内微电极；10-任意地面；11-无线通讯a通信端；12-主控模块；13-usb接口；14-数据存储模块；15-电源管理模块；16-数据采集和滤波模块17-数据解析模块；18-无线通讯b通信端19-控制信号发出模块；20-控制信号传输通道；21-位移轨迹界面；22-三维姿态显示界面；23-数据存储查看界面；24-手动刺激界面；25-自动分析刺激界面；26-单位时间平均角速度；27-单位时间平均加速度；28-单位时间平均速度；29-姿态角度x；30-姿态角度y；31-姿态角度z；32-左转控制信号；33-右转控制信号；34-前进控制信号；35-控制信号发出指示灯；36-方波选择按键；37-三角波选择按键；38-正弦波选择按键；39-位移及指令标记。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，一种昆虫机器人运动行为监测与控制系统，包括数据采集和滤波模块、数据解析模块、无线通讯a通信端模块、无线通讯b通信端模块、控制信号产生模块、电源管理模块、主控模块、上位机显示控制单元和数据存储模块；

数据采集和滤波模块、数据解析模块、无线通讯b通信端模块、控制信号产生模块，均采用集成化处理，集成为系统从机，减轻了质量、减小了对动物的影响，系统从机可固定在昆虫背部，在非实验时间从机可以从昆虫背部取下，以减小对实验昆虫的伤害。

系统从机中还包括电源管理模块，其中电源管理模块与所述数据采集模块、数据解析模块、无线通讯b通信端模块、控制信号产生模块分别连接。

其中，所述电源管理模块设计稳压电路用于为数据采集模块、数据解析模块、控制信号发生器、无线通讯b通信端模块提供5v稳定直流电源，所述电源管理模块中电池设计为插拔连接，电池可随时更换，具体可以为锂电池、聚合物锂电池等。

所述数据采集模块用于采集动物机器人的运动数据，数据解析模块中集成姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法、漂移校正算法，积分算法，解算出动物机器人在三维空间的姿态角、运动学信息(速度、位移等)。其中数据解析模块中微处理单元将解析的信息打包成数据协议包，以便下一步的数据无线传输使用。

所述无线通讯a、b通信端模块分别位于系统主机和系统从机，使系统主从机可以在空间中分布工作，可以实现数据的双向传输。无线通讯b通信端模块接收无线通讯a通信端模块发来的控制指令，无线通讯a通信端模块接收无线通讯b通信端模块发来的昆虫机器人行为数据和回执信号。

所述控制信号产生模块在接收到无线通讯从机模块传来的相应指令后产生相应刺激波形，并通过模拟开关选择合适的通道对昆虫进行刺激。所述通道可设计为多通道但一般为4通道，分别用来刺激昆虫，使其完成相应的包括左右转、前进在内的动作。

其中，控制信号发生器波形多样化，可选择的波形包括方波，正弦波和三角波，也可选择不同频率的波形叠加，使刺激的成功率得到了保障，可用于多种昆虫的刺激。

所述昆虫手术实验中粘贴在昆虫背部用来固定从机的绝缘装置内部设计成多通道并与植入昆虫特定位点的微电极连接。

上位机显示控制单元上设置有动物机器人三维姿态角度显示界面、动物机器人实时位移显示界面、原始数据的记录、存储、查看界面以及自动或手动控制界面。

其中，三维姿态角度显示界面将显示动物机器人的三维姿态角，据此判断视野外动物机器人的姿态特征；位移显示界面将动物机器人的位置轨迹记录下供实验人员监测动物机器人位置，实验人员可据此在控制界面发送指令。

操作人员通过上位机显示控制单元确定需要发射的波形信号，上位机显示控制单元将刺激指令传递给系统主机中的主控模块，主控模块将刺激指令经无线通讯a、b通信端模块发送到控制信号发生模块，控制信号发生模块通过解码指令选择合适的通道发射所需波形刺激昆虫，从而实现对昆虫的控制。

所述控制信号发生模块可以产生正弦波，方波以及三角波，用户可以在控制界面进行选择，另外用户可以选择调整波形参数(电压大小，串数，频率等)，因此用户可以根据不同的动物进行不同的波形选择。

本实施例中，动物可采用不同种类的动物

实施例2：

在上述实施例1的基础上，本发明还提供一种昆虫机器人运动行为监测与控制方法，以蟑螂机器人为例作具体说明，具体包括如下步骤：

步骤1：实验人员将系统从机与预先植入昆虫体内的微电极连接，根据昆虫体内不同位置特性，在上位机显示控制单元中选择合适波形并适当调整刺激参数，刺激指令发出后通过主控模块、无线通讯a、b通信端模块传送到系统从机的控制信号发生模块；

步骤2：控制信号发生模块根据接收到的指令选择相对应的控制信号传输通道，并发出相应的控制波形，控制波形经控制信号传输通道作用于昆虫，使其完成相应的包括左右转、前进在内的动作；

步骤3：将昆虫机器人放于视野范围外，固定于动物背部的数据采集、解析模块得到的数据协议包经无线通讯a、b通信端模块传送给系统主机的主控模块，主控模块接收到数据协议包后通过usb数据连接线将数据协议包传给上位机，上位机显示控制单元根据接收到的运动数据向用户提供昆虫机器人的包括三维姿态角、位移轨迹和速度在内的信息；

步骤4：设定昆虫机器人要达到的目标位置，用户在上位机显示控制单元实时观察昆虫机器人的运动信息，通过三维姿态角、位移轨迹、速度等信息判断与目标位置的偏差，从而决定需要发出的控制指令；

步骤5：在上位机显示控制单元的手动控制界面，用户能够根据昆虫机器人当前的位置与目标位置之间的偏差，通过左右转、前进按键发送左右转、前进控制指令；

步骤6：控制信号发生模块根据接收到的指令选择相对应的控制信号传输通道，并发出相应的控制波形后，产生回执信号，回执信号沿指令传来的通道逆向传到上位机显示控制单元，此时信号发出控制灯亮；用户能够给根据信号发出控制灯的亮灭状态判断波形是否成功发出；

步骤7：在上位机的自动控制界面，用户可以预定位移轨迹使昆虫机器人按预定位移轨迹行进，上位机显示控制单元将监测到的昆虫位移轨迹与预定位移轨迹进行对比，根据偏移角度发出相应的左右转、前进指令，使信号发生模块接收指令后产生相应的刺激波形，从而使昆虫按预定位移轨迹行进以达到控制目的；

步骤8：昆虫的实际位置与界面中的位置按一定比例映射，映射比例能够设置，当向昆虫施加刺激时，每发出一次控制指令，上位机显示控制单元将记录刺激点位置并在位移轨迹上做出相应标记；

步骤9：当刺激一段时间后，昆虫会适应当前刺激参数，用户能够加大刺激参数或者选择其他种类的刺激波形。

步骤10：主控模块将监测到的运动行为信息和刺激参数存入数据存储模块，用户可以通过数据存储模块查看历史数据进行实验数据分析。

本发明实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时包括上述方法实施例中记载的全部步骤。

本发明实施例的方法的步骤顺序可以根据实际需要进行调整、合并或删减。在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。

本具体实施方式可广泛运用在各种不同类型的地面运动动物机器人控制研究中，也可用于动物行为学研究中。本实施例提供一种基于新一代信息技术(集成技术、传感器技术、无线通信、软件技术等技术)的视野范围之外昆虫机器人的行为监测与控制方法及系统，为动物行为学研究提供了完善的科研手段，具有广阔的市场应用前景。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

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