融合位置姿态信息的鸟类野外飞行闭环调控系统研制

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鸟类具有卓越的三维空间运动能力,因此在动物机器人的研究中具有重要的价值。当前,使用融合遥测遥控系统的鸟类机器人调控实验大多是基于GPS轨迹的,但是GPS轨迹是观察鸟类飞行运动状态的间接途径,姿态信息是鸟类飞行运动状态的直接反映。所以,综合位置姿态两种传感器数据的系统能够对鸟类飞行运动状态有更准确的了解,该系统应用于闭环调控实验中能够提升闭环控制策略的可靠性、准确性。因此,本文开发了融合位置姿态信息的鸟类野外飞行闭环调控系统,该系统能够实现定位信息、姿态信息及刺激相关信息的采集存储,能够产生参数可调的微电流刺激,并且该系统能够嵌入闭环控制策略,利用多传感器数据融合进行刺激调控研究或闭环调控实验。本文的主要工作如下:(1)首先进行了融合位置姿态信息的鸟类野外飞行闭环调控系统需求分析,总结出了系统整体框架。综合考虑系统各功能模块,并分别从硬件及程序两方面给出了设计方案。(2)完成了融合位置姿态信息的鸟类野外飞行闭环调控系统的开发。首先,完成了系统硬件实现,系统总重量为12.08g(包含200mAh锂电池),尺寸大小为33mm×23mm×14mm,实现了小型化、轻量化和可穿戴的硬件设计目标。其次,根据系统需求及程序设计方案,完成了系统程序实现,并对系统各模块功能进行了测试,达到了系统设计要求。(3)以鸽子为实验对象,设计了到达指定目标区域的闭环调控任务实验。实验中利用位置信息和姿态信息组合导航算法进行数据融合来推算鸽子的运动方向偏差角度,并根据偏差角度大小对鸽子相关脑区施加不同的微电流刺激,以控制鸽子机器人到达目标区域,从而形成了一个融合位置姿态信息的鸟类野外飞行闭环控制算法。(4)开展刺激参数正交实验,探究刺激前后姿态角度偏差与刺激参数之间的关系。利用刺激前后被试鸽子的姿态偏航角解算结果作为正交实验输出观测指标,找到了刺激参数与姿态偏航角之间的效应关系,得到了根据运动方向偏差角度改变刺激参数幅值的刺激调控策略。最终利用本系统开展了到达目标区域的野外飞行闭环调控实验,调控鸽子到达了任务目标点,验证了系统功能的有效性。
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