［編輯簡介］：借助於CompactRIO控製器和LabVIEW
，采用數字I/O模塊來連接一個基於LED的視覺激勵場

，作者對於飛蟲如何實現出色的飛行控製進行了研究。

［關鍵詞］：LabVIEW CompactRIO 機器人

行業:
生命科學, 機器視覺/成像設備, 科研

產品:
LabVIEW, CompactRIO, cRIO-9014

挑戰:
開發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硬件製造一個快速、模塊化、易於使用的仿生機器人平台，它涉及各種工業協議和實時閉環激勵信號生成。

    "借助於CompactRIO控製器和LabVIEW
，我們對於飛蟲如何實現出色的飛行控製進行了研究。"

    蒼蠅能夠高速追逐，並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係統研究神經信息處理、空氣動力學和遺傳學
，此外
，它們還可以快速、精確地使用它們的生物傳感器、控製器和執行機構。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，並擁有靈活的界麵。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 控製器和LabVIEW 圖形係統設計軟件來研究飛蟲如何實現出色的飛行控製。我們采用了數字I/O模塊來連接一個基於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係統。記錄昆蟲的響應需要一個快速
、靈活的采集係統。LabVIEW能neng夠gou提ti供gong記ji錄lu這zhe些xie信xin號hao所suo需xu要yao的de速su度du和he模mo塊kuai化hua特te性xing

，並bing且qie能neng夠gou將jiang它ta們men作zuo為wei實shi時shi反fan饋kui來lai生sheng成cheng刺ci激ji信xin號hao。這zhe樣yang
，我wo們men就jiu能neng夠gou把ba將jiang蒼cang蠅ying作zuo為wei一yi個ge活huo的de傳chuan感gan器qi
，並bing嵌qian入ru到dao一yi個ge科ke技ji係xi統tong中zhong。

    我們開發了一個試驗。在試驗中，我們把一隻果蠅用繩拴住
，通過果蠅的動作來控製伊普克（e-puck）jiqiren。gaijiqirenshiyigexiaoxingyidongjiqiren，shiyigedaxuedeyanjiuxiangmu
，tabeishejiyongyutongguochongmanzhangaidehuanjing。congbangdingzaijiqirenshangdezhaoxiangjihejiejinchuanganqikeyihuodefankui，yonglaiquedingxiangcangyingzhanshideshijiaociji
、翅振頻率和幅度等飛行參數


，來控製機器人運動（圖1）。蒼蠅和機器人之間的傳遞函數會發生變化，從而實現一係列的試驗模式。

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 麵板，它們通過I²Cxieyilianjiedaodingzhidekongzhiqi。zaiguoqudeshejizhong
，suoyoudefeixingdouyouyitiaozongxianjinxingkongzhi。weileshixiangenggaodezhenlv，binggenjucangyingdefankuilaitiaojieshijiaojili
，womenbixushiyongduotiaobingxingdezongxian。zuizhong，womenxuanzeleNI cRIO-9014 實時控製器和一體化NI cRIO-9104可重新配置嵌入式機箱更換了最初的控製器。

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形的LED麵板陣列的中心。雖然昆蟲不能夠移動
，但仍可以拍打翅膀並且按照和自由飛行相同的方式飛行。數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。這些行為狀態矢量通過用戶數據協議（UDP）包傳輸到一台運行LabVIEW的主機上。我們可以在主機上應用自定義傳遞函數計算出更新的伊普克（e-puck）機器人的輪轉速。這些數值再通過藍牙（Bluetooth）發送到機器人上。

從機器人到蒼蠅

    當dang我wo們men利li用yong昆kun蟲chong的de行xing為wei來lai操cao縱zong機ji器qi人ren時shi，來lai自zi機ji器qi人ren設she備bei的de反fan饋kui會hui修xiu改gai麵mian向xiang昆kun蟲chong的de視shi覺jiao顯xian示shi方fang式shi。反fan饋kui由you安an裝zhuang在zai機ji器qi人ren頂ding部bu的de三san個ge線xian性xing照zhao相xiang機ji和he八ba個ge接jie近jin傳chuan感gan器qi給gei出chu。照zhao相xiang機ji以yi10Hz的頻率采集，每幀擁有102像素。接近傳感器以20Hz的頻率輸出標定後的數據。主機會通過藍牙（Bluetooth）接收這些信號並且應用第二個自定義傳遞函數

，以生成在LED視覺場上顯示的下一幀圖像。

    主機應用程序通過以太網（Ethernet）把新的圖像模式發送到實時控製器。然後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麵板相對應，並被轉換為I²C指令。為了實現最大處理量

，這些數據會經由DMA（直接內存存取）的FIFO（先進先出）隊列傳遞到FPGA（現場可編程門陣列）。中斷向量可以保證在實時控製器命令生成和FPGA底層硬件通信之間的同步。而後，FPGA背板采用I²C協議控製12tiaozongxian，meitiaozongxianfenbiekongzhiwugemianban。conger
，jiqirensuokandaodehuanjingjuedinglezhenduicangyingdeshijiaociji
，ercangyingduishijiaocijidexiangyingyegaibianlejiqirenqianjindelujing。

    視覺刺激的幀率大約在30Hz和400Hz之間
，這取決於模式的深度和是否垂直對稱。控製回路中的累積延遲小於50毫秒並且這主要是由傳感器信息是經由藍牙從機器人傳輸到主機而造成的。

有效地設計：靈活的界麵和模塊化的結構

    借助於LabVIEW和CompactRIO
，我們可以通過各種不同的協議連接到一係列的研究工具。NI和LabVIEW的網絡用戶社區提供的極大的靈活性和許多範例程序，這使得基於LabVIEW設計的應用有效地替代了實驗生物學中的定製控製器。

    我們設計了一種友好的GUI（圖形用戶界麵）
，它為實驗者提供了必要的控製手段和信息
，從而簡化了多個硬件平台上運行的代碼的複雜度（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
、數學家、物理學家和工程師之間的密切合作。此外，LabVIEWdaimademokuaixinghekeyizhixingyeshiqinenggouzaishiyanshizhijianbeifenxianghezhongfuliyong。liru，zaizheyijiejuefangandedingzhihuabanben
，yunsuanmoshikeyibeiyuxianshengchengbingqiebaocunzaiU盤中
，然後下載到實時控製器的RAM中，再傳輸到LED麵板，以獲得更高的刷新率。

一個混合的自適應控製器

    由you於yu蒼cang蠅ying的de部bu分fen神shen經jing回hui路lu具ju有you高gao度du的de可ke塑su性xing，它ta可ke以yi被bei看kan作zuo一yi個ge自zi適shi應ying控kong製zhi器qi。通tong過guo使shi用yong新xin的de仿fang生sheng機ji器qi人ren平ping台tai
，我wo們men能neng夠gou評ping估gu控kong製zhi器qi在zai各ge種zhong外wai部bu傳chuan遞di函han數shu下xia的de性xing能neng
，這zhe些xie傳chuan遞di函han數shu幾ji乎hu能neng夠gou模mo仿fang出chu所suo有you的de蒼cang蠅ying的de自zi然ran飛fei行xing環huan境jing
，例li如ru根gen據ju最zui靠kao近jin機ji器qi人ren的de障zhang礙ai物wu的de位wei置zhi來lai確que定ding視shi覺jiao場chang中zhong的de柵zha格ge的de上shang下xia移yi動dong。但dan令ling人ren驚jing訝ya地di是shi
，最zui接jie近jin於yu直zhi覺jiao的de傳chuan遞di函han數shu並bing不bu一yi定ding會hui獲huo得de最zui佳jia結jie果guo。

    LabVIEW 和 CompactRIO為構造這一包含活體昆蟲並且允許我們進行各種實驗的控製回路提供了理想解決方案。CompactRIO負責采集並生成各種適用不同工業標準的信號，並擴展了自定製的研究工具。另外
，由於我們在計算機、實時控製器和FPGAshangfenbieshixiandeyingyongchengxushizaitongyigebianchenghuanjinghekaifayuyanxiawanchengde，zhedadajieshenglewomendexuexishijian，tigaolexiaolv。ciwai，daliangdefujianchanpinhewaijiejiekouhaiweiweilaidekuozhanheshiyingxingtigonglejudaqianli。

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）幫助開發機器人控製器。我們還感謝約翰克利斯朵夫•朱費瑞（Jean-Christophe Zufferey） 和達裏奧•弗羅來若（Dario Floreano）提供伊普克（e-puck）機器人

，並且感謝簡•巴爾圖賽克（Jan Bartussek）幫助運行試驗以及感謝莫澤（Moser）幫助製作飛行視覺場。

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.

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