馬曉琪，陳姝元

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210016)

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，傳統(tǒng)人造機(jī)械機(jī)器人發(fā)展迅速，但其普遍存在靈活性低和適應(yīng)性差等問(wèn)題，于是動(dòng)物機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。動(dòng)物機(jī)器人是對(duì)動(dòng)物直接進(jìn)行控制，指利用動(dòng)物自身優(yōu)點(diǎn)，采用腦機(jī)接口技術(shù)，結(jié)合電子信息科學(xué)、腦科學(xué)、控制科學(xué)等多學(xué)科技術(shù)對(duì)動(dòng)物的感覺(jué)傳入或其內(nèi)部神經(jīng)進(jìn)行刺激控制，從而人為操控動(dòng)物行為，使其能夠代替或輔助人類完成危險(xiǎn)復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)[1-3]。目前鴿子機(jī)器人是戶外實(shí)驗(yàn)研究的熱門課題，其天生的導(dǎo)航、回巢、避障、避險(xiǎn)和抗干擾等能力得到研究人員的廣泛認(rèn)可。因此對(duì)鴿子機(jī)器人的飛行調(diào)控研究意義重大。

2005年國(guó)外學(xué)者VYSSOTSKI A L等制作了一套鴿子數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，研究了飛行狀態(tài)下鴿子的腦電信號(hào)[4]；2017 年國(guó)內(nèi)學(xué)者YANG J Q等研發(fā)了一套鴿子戶外自由飛行時(shí)給予刺激并記錄飛行軌跡的設(shè)備[5]，利用該設(shè)備研究了鴿子機(jī)器人在脈沖頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間的最優(yōu)刺激參數(shù)問(wèn)題；2019年國(guó)內(nèi)鄭州大學(xué)王宏昌研制了一套基于軌跡偏差反饋的鴿子飛行裝置[3]，利用該裝置實(shí)現(xiàn)了控制鴿子按照預(yù)規(guī)劃路徑飛行的功能，實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)該飛行裝置根據(jù)GPS實(shí)時(shí)定位信息計(jì)算出鴿子當(dāng)前位置與預(yù)設(shè)路徑之間的偏差，根據(jù)偏差的大小和方向?qū)澴邮┘硬煌D(zhuǎn)向行為和不同強(qiáng)度的刺激，最終實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)調(diào)整鴿子飛行軌跡使其按照預(yù)設(shè)折線軌跡飛行的功能，但由于研究基于動(dòng)物活體，該研究在綜合考慮鴿子機(jī)器人的刺激耐受性、自主運(yùn)動(dòng)意圖和神經(jīng)疲勞等生物特性方面尚有不足，需要完善控制策略和算法。本文在前人的基礎(chǔ)上研究控制鴿子機(jī)器人飛行轉(zhuǎn)向行為的優(yōu)化算法，改善控制策略使其飛行轉(zhuǎn)向的控制效果更好。

本研究更加注重鴿子機(jī)器人飛行轉(zhuǎn)向行為控制的準(zhǔn)確性和多因素的綜合考量，深入研究鴿子機(jī)器人控制策略的優(yōu)化，目的在于通過(guò)具有預(yù)編程功能的飛行裝置刺激調(diào)控鴿子機(jī)器人，使其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向具有一定的支配性和確定性。研究方法主要是通過(guò)戶外試驗(yàn)檢驗(yàn)控制算法的有效性并比較不同控制策略的試驗(yàn)結(jié)果，最終得到效果更佳的控制算法。

1 材料和方法

1.1 飛行控制邏輯設(shè)計(jì)

微處理器上的控制主程序基于Keil uVision5平臺(tái)開(kāi)發(fā)，程序用C語(yǔ)言編寫。主控制程序的功能模塊主要包括刺激器參數(shù)設(shè)置、SD卡及文件系統(tǒng)初始化、直線通道設(shè)置、GPS定位信息的記錄、經(jīng)緯度信息的平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算、轉(zhuǎn)向行為判斷、室外定時(shí)刺激以及程序停止等。其中直線通道設(shè)置和轉(zhuǎn)向行為判斷功能可以為不同的實(shí)驗(yàn)軌跡配置個(gè)性的參數(shù)方案。

根據(jù)刺激方案，當(dāng)鴿子機(jī)器人超出預(yù)設(shè)通道需要施加轉(zhuǎn)向刺激時(shí)，由刺激裝置輸出一系列頻率為80 Hz的脈沖，產(chǎn)生虛擬神經(jīng)電活動(dòng)從而控制鴿子行為[6]。刺激發(fā)送端分為3個(gè)端口，3路分別為參考地電壓、左轉(zhuǎn)刺激信號(hào)和右轉(zhuǎn)刺激信號(hào)[6]，可分別設(shè)置刺激脈沖參數(shù)，如脈沖周期和占空比等?；贕PS坐標(biāo)的鴿子機(jī)器人飛行調(diào)控[6]流程如圖1所示。GPS獲取的信息由鴿子飛行器的存儲(chǔ)卡記錄，通過(guò)讀卡器傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和處理。

圖1 基于GPS坐標(biāo)的鴿子機(jī)器人飛行調(diào)控流程圖

1.2 鴿子飛行控制實(shí)驗(yàn)

1)實(shí)驗(yàn)材料

3只實(shí)驗(yàn)鴿，編號(hào)分別為19號(hào)、W1號(hào)和15號(hào)，平均體重438 g(±20 g)，年齡6個(gè)月左右，身體健壯，具有優(yōu)秀持久飛行能力及導(dǎo)航能力，均養(yǎng)殖于南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所鴿舍。

2)鴿子機(jī)器人的端口測(cè)試和選用

通過(guò)室內(nèi)藍(lán)牙裝置進(jìn)行鴿子機(jī)器人端口測(cè)試，選擇負(fù)正脈沖連續(xù)刺激方式，設(shè)置頻率80 Hz，波寬1 ms，首次刺激電壓1.2 V。借助實(shí)驗(yàn)人員自主開(kāi)發(fā)的手機(jī)應(yīng)用軟件，根據(jù)鴿子的刺激應(yīng)答情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，按步長(zhǎng)0.2 V逐漸增加電壓至鴿子產(chǎn)生強(qiáng)度合適的刺激反應(yīng)，電壓上限為2.6 V。

由于端口間存在差異，需比對(duì)不同端口下鴿子的反應(yīng)效果，選取左右轉(zhuǎn)刺激效果最好的一對(duì)端口，并確定能使鴿子產(chǎn)生轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的最小信號(hào)(鴿子勻速自然地旋轉(zhuǎn)一圈)并記錄。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。最終根據(jù)測(cè)試結(jié)果19號(hào)鴿左轉(zhuǎn)刺激通道為3，刺激電壓為1.8 V，右轉(zhuǎn)刺激通道為8，刺激電壓為2.0 V；W1號(hào)鴿左轉(zhuǎn)刺激通道為4，刺激電壓為2.0 V，右轉(zhuǎn)刺激通道為7，刺激電壓為2.5 V；15號(hào)鴿左轉(zhuǎn)刺激通道為3，刺激電壓為2.0 V，右轉(zhuǎn)刺激通道為6，刺激電壓為2.0 V。

表1 實(shí)驗(yàn)鴿端口測(cè)試通道反應(yīng)

表2 左右轉(zhuǎn)所選通道刺激電壓測(cè)定結(jié)果 單位：V

19號(hào)實(shí)驗(yàn)鴿測(cè)試時(shí)鴿子的有效行為反應(yīng)如圖2所示。本研究采用直徑0.2 mm的八芯細(xì)導(dǎo)線制作彈簧刺激線，用于連接設(shè)備所選端口和鴿子腦部電極進(jìn)行刺激信號(hào)的輸出。

圖2 端口測(cè)試時(shí)鴿子的左右轉(zhuǎn)刺激反應(yīng)

1.3 鴿子機(jī)器人公里級(jí)直線飛行控制的模擬仿真

鴿子飛行軌跡的模擬仿真程序基于MATLAB平臺(tái)開(kāi)發(fā)。將軌跡數(shù)據(jù)導(dǎo)入平臺(tái)，模擬大地坐標(biāo)系下鴿子飛行狀態(tài)，通過(guò)模擬找出最佳實(shí)驗(yàn)直線通道。后期實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)仍用該方式顯示運(yùn)動(dòng)軌跡，以檢驗(yàn)刺激主程序的正確性和可靠性。

為保證鴿子安全需確保刺激主程序準(zhǔn)確無(wú)誤，于正式試驗(yàn)前采用兩種方式檢驗(yàn)，一為實(shí)驗(yàn)者攜刺激設(shè)備乘校車，檢驗(yàn)對(duì)校車軌跡的刺激情況是否符合預(yù)期；二為實(shí)驗(yàn)鴿僅背載刺激設(shè)備但腦部未連接刺激線，檢驗(yàn)對(duì)鴿子軌跡的刺激情況是否符合預(yù)期，并預(yù)估施加刺激后能否達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。檢驗(yàn)時(shí)刺激裝置僅需記錄GPS定位信息，通過(guò)上述方式借助MATLAB分析處理數(shù)據(jù)，優(yōu)化控制算法，至少連續(xù)3次獲得符合預(yù)期的鴿子背載檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，才可正式進(jìn)行鴿子機(jī)器人飛行刺激試驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

采用基于GPS坐標(biāo)的鴿子機(jī)器人飛行調(diào)控[6]，預(yù)先設(shè)定了鴿子機(jī)器人飛行直線通道，當(dāng)鴿子飛行軌跡偏離預(yù)設(shè)通道時(shí)，根據(jù)GPS定位經(jīng)緯度信息判斷鴿子飛行狀態(tài)，向端口發(fā)送特定刺激信號(hào)，從而調(diào)控鴿子機(jī)器人的飛行轉(zhuǎn)向行為。根據(jù)鴿子當(dāng)前所在位置與通道之間的距離偏差，判斷鴿子機(jī)器人是否超越邊界。當(dāng)判斷其超出邊界范圍時(shí)，根據(jù)鴿子飛行速度方向和通道傾角之間的角度偏差，判斷是否需給予刺激以及應(yīng)給予何種轉(zhuǎn)向行為的刺激，判斷依據(jù)如圖3所示。

圖3 刺激輸出判斷依據(jù)

根據(jù)前期多次鴿子背載試驗(yàn)的軌跡數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)擬合了寬500 m的直線通道，通道起點(diǎn)設(shè)置為秦淮河，選定北緯31.985°；終點(diǎn)為南航仿生所鴿舍，東經(jīng)118.817 5°、北緯32.04°。因鴿子對(duì)刺激信號(hào)反應(yīng)具有延遲性和疲勞性，為確保戶外實(shí)驗(yàn)刺激效果，設(shè)計(jì)刺激方案如下：過(guò)秦淮河后等待5 s進(jìn)入刺激判斷，單次刺激時(shí)長(zhǎng)2 s，刺激后休息2 s才能進(jìn)行下次刺激判斷，刺激2 s停2 s視為一個(gè)刺激小周期；當(dāng)連續(xù)刺激了5個(gè)小周期時(shí)，設(shè)置20 s等待時(shí)間進(jìn)行休息，期間不施加刺激，并將其視為一個(gè)刺激大周期；40個(gè)小周期為刺激上限，當(dāng)刺激總次數(shù)達(dá)上限時(shí)停止刺激判斷，當(dāng)鴿子機(jī)器人到達(dá)終點(diǎn)時(shí)退出刺激主程序，刺激結(jié)束。將所得軌跡數(shù)據(jù)和刺激數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，用MATLAB和谷歌地圖顯示鴿子實(shí)際飛行軌跡，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，由刺激前后鴿子機(jī)器人的坐標(biāo)變化計(jì)算出刺激后鴿子機(jī)器人每秒鐘飛行方向的角度變化，從而得到不同刺激形式下鴿子機(jī)器人左右轉(zhuǎn)刺激反應(yīng)的成功率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)3只實(shí)驗(yàn)鴿子機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)距離飛行調(diào)控實(shí)驗(yàn)，每只鴿子機(jī)器人調(diào)控實(shí)驗(yàn)重復(fù) 3 次。實(shí)驗(yàn)記錄鴿子機(jī)器人飛行軌跡如圖4所示。在設(shè)計(jì)的飛行調(diào)控刺激方案下，當(dāng)鴿子機(jī)器人飛行軌跡超出左邊界且飛行方向與邊界方向夾角<90°時(shí)，向鴿子施加右轉(zhuǎn)刺激信號(hào)，鴿子隨即出現(xiàn)右轉(zhuǎn)趨勢(shì)，繼而向邊界內(nèi)飛行；當(dāng)鴿子機(jī)器人處于左邊界外且飛行方向與邊界方向夾角≥90°時(shí)，向鴿子施加左轉(zhuǎn)刺激信號(hào)，鴿子機(jī)器人即出現(xiàn)左轉(zhuǎn)趨勢(shì)，進(jìn)而能更快飛回通道邊界內(nèi)，轉(zhuǎn)向趨勢(shì)符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)鴿子機(jī)器人飛行轉(zhuǎn)向的調(diào)控，達(dá)到了控制鴿子機(jī)器人飛行軌跡趨向于預(yù)設(shè)直線通道的目的。

圖4 3只實(shí)驗(yàn)鴿轉(zhuǎn)向調(diào)控飛行軌跡

3 結(jié)語(yǔ)

在基于GPS坐標(biāo)的鴿子機(jī)器人戶外飛行調(diào)控實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了鴿子機(jī)器人飛行控制策略和控制算法，通過(guò)GPS定位獲取鴿子當(dāng)前位置坐標(biāo)，進(jìn)行偏差比較，判斷施加的刺激，從而實(shí)現(xiàn)鴿子飛行方向的調(diào)控，其轉(zhuǎn)向使軌跡趨向于預(yù)設(shè)直線通道。分別選取每只鴿子實(shí)驗(yàn)效果最好的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)得到了不同形式刺激下鴿子左右轉(zhuǎn)刺激反應(yīng)的成功率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)鴿子機(jī)器人戶外飛行的轉(zhuǎn)向行為調(diào)控，達(dá)到了控制鴿子機(jī)器人飛行軌跡趨向于人為規(guī)劃直線路徑的目的。本研究對(duì)鴿子機(jī)器人日后的飛行調(diào)控研究具有借鑒意義，推動(dòng)鴿子機(jī)器人在人員搜救、空間探索、定點(diǎn)運(yùn)輸和情報(bào)偵查等實(shí)際應(yīng)用方面的發(fā)展。

表3 鴿子機(jī)器人實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

本研究最終僅實(shí)現(xiàn)鴿子機(jī)器人的轉(zhuǎn)向調(diào)控，但對(duì)其轉(zhuǎn)向程度的控制效果不佳，后續(xù)將進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化刺激參數(shù)辦法，實(shí)現(xiàn)鴿子從趨向于直線通道飛行轉(zhuǎn)變?yōu)樵谥本€通道內(nèi)飛行，實(shí)現(xiàn)對(duì)其飛行軌跡的調(diào)控。鴿子機(jī)器人調(diào)控由外加刺激信號(hào)和自身大腦控制共同作用，隨著刺激實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加外加刺激信號(hào)的調(diào)控效果會(huì)逐漸減弱，且有的鴿子機(jī)器人刺激后出現(xiàn)逃避實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，因此需嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)置刺激參數(shù)，參數(shù)設(shè)置方法有待改進(jìn)。通過(guò)調(diào)整參數(shù)，獲得滿足實(shí)驗(yàn)需求的最溫和的、刺激強(qiáng)度最小的刺激信號(hào)，把對(duì)鴿子日常生理活動(dòng)的影響和對(duì)鴿子相關(guān)腦區(qū)的傷害降到最小，減小刺激效果的衰減速度，延長(zhǎng)鴿子機(jī)器人的使用壽命。考慮到生物本身具有個(gè)體差異性，同一刺激強(qiáng)度下其反應(yīng)速度和應(yīng)答效果有所不同，因此需要更多試驗(yàn)鴿驗(yàn)證本研究的有效性和普適性。