一種用于鳥類戶外飛行神經調控的裝置及方法與流程

本發明涉及電子通訊領域，尤其是一種用于鳥類戶外飛行神經調控的裝置及方法。

背景技術：

生物機器人相對傳統機器人具有更好的續航能力，運動更加靈活精細，具有更好的隱蔽性、機動性和復雜環境的適應性。在人員搜救、災害預警、情報偵察、軍事打擊等方面具有廣闊的應用前景。鳥類具有活動能力強、反應靈敏等優點，最主要的是它具有超強的環境適應能力，持續飛行能力強，負重能力理想，具有極大的研究價值。2000年瑞士蘇黎世大學的神經解剖研究中心的lgorsteiner最早進行了鳥類飛行運動的研究，2007年山東科技大學的蘇學成教授實現鴿子室內飛行運動的無線調控。目前鳥類機器人對鳥類飛行進行控制主要依靠射頻或者3g網絡發送控制信號，但射頻傳輸距離有限，信號受場地限制；而3g模塊過大過重，超過鳥類負重能力，導致二者都無法有效控制鳥類戶外遠距離的飛行運動，影響鳥類機器人研究和利用的深入。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于，提供一種用于鳥類戶外飛行神經調控的裝置及方法，

為解決上述技術問題，本發明提供一種用于鳥類戶外飛行神經調控的裝置，包括gps模塊、主控模塊、存儲模塊、刺激信號模塊和電源模塊；gps模塊與主控模塊相連，接收衛星信號，根據衛星定位信號獲取鳥類的定位信息和飛行狀態并傳送給主控模塊；主控模塊分別與存儲模塊和刺激信號模塊相連，主控模塊接收到gps模塊發送的鳥類飛行狀態信息，將目標位置和當前位置信息進行比較，判斷是否需要對鳥類大腦進行電刺激，若是，進一步判斷需要何種刺激方式，并根據反饋的刺激效果實行進一步刺激，同時發送gps位置信號和鳥類受刺激方式到存儲模塊；刺激信號模塊根據主控模塊發送的刺激指令，輸出指定正負脈沖、頻率、脈寬、脈沖數的刺激信號，經刺激線發送給刺激電極，刺激鳥類腦部特定區域；存儲模塊存儲鳥類當前位置信息和運動狀態，記錄鳥類飛行運動的軌跡信息和刺激方式；電源模塊與主控模塊、gps模塊、存儲模塊和刺激信號模塊分別相連，給各個模塊進行供電。

優選的，gps模塊包括接收天線和gps芯片；接收天線用于接收定位衛星發送的衛星信號；gps芯片與接收天線相連，將接收到的衛星信號轉變成符合nmea-0813協議要求的數據格式，獲取被追蹤目標的地理位置信息以及運動信息，將其發送給主控模塊。

優選的，主控模塊包括stm32f103rbt6芯片以及時鐘電路。

優選的，電源模塊包括鋰電池、穩壓電路、負壓轉換電路、抗干擾電路和保護電路；電源模塊包括鋰電池、穩壓電路、負壓轉換電路、抗干擾電路和保護電路；由鋰電池產生的電壓通過抗干擾電路獎勵電源之間的耦合干擾，經由rt9193穩壓電路產生穩定的3.3v電壓為其他電路供電；負壓轉換電路產生負壓提供給減法電路；抗干擾電路降低電源之間的耦合干擾；保護電路用于過壓保護，保護元器件。

優選的，存儲模塊包括tf卡槽、tf卡及配置的上拉電阻；tf卡安裝在tf卡槽中，上拉電阻設置在tf卡的4管腳與6管腳之間。

優選的，刺激信號模塊包括主控芯片發出的特定頻率脈寬的pwm波信號，通過分壓產生的低強度刺激信號和電路產生的正負脈沖信號。

一種用于鳥類戶外飛行神經調控的方法，包括如下步驟：

(1)將裝置固定穿戴于鳥類身上，在無刺激的情況下進行定點歸巢放飛實驗，記錄鳥類歸巢的飛行運動軌跡；

(2)將tf卡內的記錄的鳥類飛行運動軌跡移至pc端進行軌跡分析，分析鳥類飛行運動的軌跡規律，尋找具有普遍規律的位點；

(3)對鳥類進行電極植入手術，等鳥類修養恢復后，將裝置固定在鳥類身上，啟動裝置，在具有普遍規律的位點，當滿足預編程判據條件時，向刺激模塊發送相應的刺激信號；

(4)將獲取的鳥類飛行調控過程的gps信息存儲至存儲模塊中，gps信息包括追蹤目標的地理位置、速度、高度、記錄時間和刺激方式；

(5)飛行活動結束后，將存儲模塊中的數據導出到電腦，在googleearth或者matlab上生成軌跡曲線，分析實驗刺激效果或進一步分析實驗。

優選的，預編程判據包括位置判據和時間判據。

優選的，位置判據具體為：事先編程設定鳥類預期的飛行通道gps坐標，通道分為左右兩條邊界，當gps模塊成功獲取被追蹤目標當前的位置信息后，gps模塊發送鳥類的位置坐標和狀態信息給主控模塊與預設通道gps坐標進行判定，并根據前后兩次的坐標變化判定鳥類的飛行方向；當鳥類飛出預設通道時，根據獲取的飛行方向和偏轉方向，主控模塊向刺激信號模塊發送相應的刺激信號，通過鳥類頭部的電極刺激鳥類，促使其回到預期飛行通道內；同時，主控模塊接收下一次gps信息，判讀飆淚的飛行狀態，根據反饋的刺激效果決定是否進行下一步刺激，根據獲得的不同狀態信息，使用相應強度和頻率的刺激信號刺激，促使其完成預期的飛行活動。

優選的，時間判據具體為：事先編程設定刺激信號發生的時刻，當鳥類飛行達到這一時刻時，由主控模塊向刺激信號模塊發送刺激信號，控制鳥類的飛行動作，促使其完成飛行活動；刺激過程中，具體包括每個小周期，刺激2s休息2s，5組小周期刺激后等待30s，換同樣的反方向5組刺激，也間隔30s，每個大周期共100s。

本發明的有益效果為：使用預編程控制刺激信號，輸出的信號穩定，不受距離限制，實現了鳥類遠距離飛行調控，設備總重量輕，便于鳥類背負；利用微處理器產生的pwm和外圍電路，實現刺激信號幅值脈寬頻率脈沖數的控制，提供更優的飛行中刺激信號，提升了飛行調控的效果；多種電刺激方式相結合，有效降低了刺激對鳥類大腦的損傷，刺激信號和飛行狀態同步記錄，利用鳥類的歸巢性，保存了數據，為進一步研究提供數據參考。

附圖說明

圖1是本發明的裝置結構示意圖。

圖2是本發明的進行飛行調控電刺激和存儲的流程示意圖。

圖3是本發明的基于位置調控的流程示意圖。

圖4是本發明的鳥類背負本發明裝置的示意圖。

圖5是本發明的存儲模塊電路結構示意圖。

圖6是本發明的負壓轉換電路結構示意圖。

圖7是本發明的電源穩壓與保護電路結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明涉及的鳥類戶外飛行調控的腦電刺激裝置包括主控模塊、gps模塊、刺激模塊和數據存儲模塊，整個裝置采用聚合物鋰電池供電。其中gps模塊通過串口與主控模塊連接，主控模塊同時與刺激模塊和數據存儲模塊相連接。gps模塊將接收到的數據通過串口輸出主控模塊中，主控模塊將從串口得到的數據存儲到數據存儲模塊中；主控模塊輸出到刺激模塊的同時將刺激方式存儲到數據存儲模塊中；刺激模塊通過轉接口和導線與鳥類頭部的電極相連。

主控模塊采用型號為stm32f103rbt6的芯片，該芯片內置128kflash、20ksram，同時具備豐富的增強i/o端口和外設，支持jtag/swd，支持串口下載。

gps模塊主芯片型號優選μ-box的neo-6m，采用無源陶瓷天線，本發明中將陶瓷天線更換通信波特率為38400的小型天線，有效減輕原始模塊重量。其主芯片工作電壓為3.3v/5v，工作電流為39ma，選擇省電模式以節省用電，選用通信波特率為38400。gps模塊自帶一個狀態指示燈，默認條件下有兩個狀態：1)、常亮，表示gps模塊已開始工作，但未定位成功；2)、閃爍，表示該模塊已定位成功。數據存儲模塊采用tf存儲卡，體積小、重量輕，其容量可選8gb或者更高，可大大減小整個裝置的體積，存儲卡容量的選擇根據數據采樣頻率和采樣時間來決定。

刺激模塊采用芯片的pwm輸出加外圍電路，將兩路pwm組合為一路刺激信號輸出，能產生特定幅值的正負脈沖，負脈沖，正脈沖刺激信號。輸出為三個接口：左右控制端和接地接口。

電池選用工作電壓為4.2v，250mah的可充電鋰電池。gps模塊的最大工作電流為39ma，該鋰電池的工作時間大約為100分鐘，在保證裝置重量不變或者更輕的情況下，可選用其它型號的鋰電池代替。

誘導產生扇翅、呼吸加快、羽毛倒豎的位點在鴿子中腦被蓋區的丘間外側核(nucleusintercollicularis，ico)和半環隆枕(torussemicircularis，tos)腦區。為達到調控戶外飛行軌跡目的，對靶點進行鳥類腦部電極植入和轉接裝置的固定，待鳥類傷口恢復后再進行電刺激實驗。

如圖2所示,上電程序啟動后，先進行系統初始化，tf卡初始完時主板指示燈閃爍。接著開始判定是否從串口傳回gps數據，若否繼續讀取，若是，接下來判定是否符合刺激條件，若否，不刺激，若是，根據獲得的gps狀態信息發送刺激信號。為減少電荷在鴿子腦區的積累，減輕刺激對鴿腦的影響，刺激信號采用脈寬在0.1～0.75ms的正負電壓信號，信號的峰值為3.3v，正負最高電壓分別為+1.75v和-1.75v，周期為12.5ms。然后將刺激方式，刺激坐標和時間寫入tf卡。程序運行直到記錄完成，最后下電。

如圖3所示，為一種位置判據流程圖。實驗前以經緯度無基準設定軌跡通道，當動物飛出預定軌跡通道后，根據gps坐標變化判斷其飛行方向，從而確定應該給何種刺激使其回歸預定軌道。為減輕對動物的傷害當不間斷的連續5次刺激后，設置30秒等待緩沖時間。除位置判據調控飛行軌跡外，還有時間判據等方式可以實現對動物的調控。

如圖4所示，本發明涉及的記錄裝置采用背部負載方式，整個裝置的重量在18.8克左右，經過訓練的鳥類可負重30g以上持續飛行6-8小時，遠小于鳥類背部能夠承載的重量；鳥類背載的背包在充分考慮gps模塊中天線部分的暴露保證接收衛星信號接收的同時確保鳥類飛行過程中記錄裝置的牢固固定。

如圖5所示，存儲模塊包括tf卡槽、tf卡及配置的上拉電阻；tf卡安裝在tf卡槽中，上拉電阻設置在tf卡的4管腳與6管腳之間。

如圖6和圖7所示，電源模塊包括鋰電池、穩壓電路、負壓轉換電路、抗干擾電路和保護電路；電源模塊包括鋰電池、穩壓電路、負壓轉換電路、抗干擾電路和保護電路；由鋰電池產生的電壓通過抗干擾電路獎勵電源之間的耦合干擾，經由rt9193穩壓電路產生穩定的3.3v電壓為其他電路供電；負壓轉換電路產生負壓提供給減法電路；抗干擾電路降低電源之間的耦合干擾；保護電路用于過壓保護，保護元器件。

負壓轉換電路的具體結構為：包括控制芯片u4、第十五電容c15和第十六電容c16，控制芯片u4的8管腳接3.3v的電壓，控制芯片的6管腳直接接地，控制芯片的5管腳接第十六電容c16后直接接地，控制芯片的4管腳與2管腳之間通過第十五電容c15連接，控制芯片的3管腳直接接地。

源穩壓與保護電路的具體結構為：包括電源power、按鈕s1、控制芯片、第十二電容c12、第十三電容c13和第十四電容c14，電源power的3管腳直接接地，1管腳直接接地，2管腳連接按鈕s1后連接到控制芯片1管腳，控制芯片的1管腳與2管腳之間連接有第十二電容c12，控制芯片的1管腳與3管腳直接相連，控制芯片的4管腳連接第十四電容c14后接地，控制芯片的5管腳連接第十三電容c13后直接接地。

本發明在實施過程中，為了保證鳥類適應遠距離負載飛行能力，首先對鳥類進行負重飛行訓練，訓練時設計的模擬背包與本發明涉及的記錄裝置尺寸一致，重量略大于該裝置，在30g左右。為使鳥類充分適應背負的重物，進行放飛實驗的鳥類從開始訓練，背包一直固定于鳥類背部，整個訓練周期在2周以上。鳥類負重的具體加載步驟為：選擇鳥類不影響鳥類正常飛行的背部合適區域剪去羽毛，僅保留2mm左右的羽軸，在該區域涂ab膠，厚度不超過1mm，然后將尼龍搭扣的子代背側涂ab膠后與背部進行貼合,待ab膠固化后將模擬背包固定于鳥類背部，模擬背包由ab膠將尼龍搭扣母版和兩個螺母粘合而成。

完成負重訓練的鳥類在進行首次野外放飛實驗時，先負重進行2次歸巢實驗，以保證鳥類能夠順利安全的返回鴿舍，然后用該裝置的gps模塊記錄一次鳥類飛行軌跡，分析鳥類歸巢的飛行路徑，為路徑規劃提供軌跡數據。

進行鳥類電刺激調控實驗時，在放飛點，將刺激繞線插上鳥類頭部的轉接接口，將整個裝置粘貼在鳥類背部，待上電和gps指示燈閃爍后，且主板指示燈閃爍一次時，將鳥類放飛。待鳥類歸巢，取下裝置，在pc端導出數據，在matlab或者googleearth上分析飛行軌跡和檢查刺激效果。

盡管本發明就優選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本發明的權利要求所限定的范圍，可以對本發明進行各種變化和修改。