CN101554142B - 动物智能训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动物智能训练系统，它包括训练控制单元、显示单元、图像监控单元以及具有刺激单元的动物活动箱，所述图像监控单元固定于动物活动箱的上方用于实时监控动物的运动状况，所述动物活动箱内的刺激单元、显示单元、图像监控单元与训练控制单元相连，所述动物活动箱包括底板以及设置于底板四周的围栏，动物活动箱中部通过一块以上的隔板分隔成两个以上的单元格，相邻单元格之间设有单元格进出门，至少一个单元格内装设有刺激单元。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、自动化程度高、适用范围广、利用动物条件反射和学习能力训练其完成一定任务的动物智能训练系统。

Description

动物智能训练系统

技术领域

本发明主要涉及到动物训练设备领域，特指一种动物智能训练系统。

背景技术

人工训练是人类训练动物执行任务的主要方式，如每只军犬、警犬、猎狗、赛马、军马的饲养、训练和使用往往由某一个人单独进行，存在人力成本高、训练周期长、指令不规范、其他人不能指挥等缺点。随着科学技术不断发展，研制融合了计算机、机械电子、智能控制的动物智能训练系统成为可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、自动化程度高、适用范围广、利用动物条件反射和学习能力训练其完成一定任务的动物智能训练系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种动物智能训练系统，其特征在于：它包括训练控制单元、显示单元、图像监控单元以及具有刺激单元的动物活动箱，所述图像监控单元固定于动物活动箱的上方用于实时监控动物的运动状况，所述动物活动箱内的刺激单元、显示单元、图像监控单元与训练控制单元相连，所述动物活动箱包括底板以及设置于底板四周的围栏，动物活动箱中部通过一块以上的隔板分隔成两个以上的单元格，相邻单元格之间设有单元格进出门，至少一个单元格内装设有刺激单元。

作为本发明的进一步改进：

所述刺激单元包括电源模块、刺激控制模块以及刺激产生模块，所述刺激产生模块为电刺激模块、或声音刺激模块、或光刺激模块、或振动刺激模块中的任意一种或任意几种的组合。

所述动物活动箱的上方设有用来采集动物所发出声音信号的声音采集单元。

所述至少一个围栏上开设有围栏进出门。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

本发明动物智能训练系统能够详细和准确地记录动物在实验过程中的表现，并能方便对程控条件性逃避反射训练的数据进行整理和统计。本发明依靠摄像及图像分析技术辨别实验动物的运动轨迹，并根据其运动轨迹在适当时间控制电路模块发出光刺激、电刺激、振动刺激和声音刺激，同时记录整个实验过程中实验动物的运动情况，在各项参数设定的情况下，自动完成条件性反射任务训练，并提供反映动物逃避反射实验过程中行为表现的多项指标。本发明的系统结构简单、控制灵活、成本低、适用范围广，可广泛适用于警犬、军犬、牲畜、宠物等各种动物，可在程序控制下自动完成各种条件反射、避险、觅食等学习训练过程，提高训练速度，节约人力成本；本发明的系统还可用于分析研究动物的学习过程和智力水平。本发明结构紧凑、功能齐全、自动化程度高，利用该系统可以在程序控制下自动完成实验动物条件性逃避反射、空间方位学习能力、信号意义学习能力等实验，操作简便，节约人力和时间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中训练控制单元与各受控单元的连接示意图；

图3是本发明中动物活动箱体的结构示意图；

图4是本发明中拆掉围栏后动物活动箱体的结构示意图；

图5是本发明中刺激单元的结构示意图；

图6是本发明中电刺激金属网的安装示意图；

图7是具体实施例中刺激单元的电路原理示意图。

图例说明：

1、训练控制单元            2、显示单元

3、图像监控单元            4、声音采集单元

5、底板                    6、围栏

7、隔板                    8、围栏进出门

9、单元格进出门            10、支架

11、动物活动箱             12、单元格

13、刺激单元               14、电源模块

15、刺激控制模块           16、电刺激模块

17、声音刺激模块           18、光刺激模块

19、振动刺激模块           20、扬声器

21、电刺激金属网

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明一种动物智能训练系统，它包括训练控制单元1、显示单元2、图像监控单元3以及具有刺激单元13的动物活动箱11，图像监控单元3固定于动物活动箱11的上方用于实时监控动物的运动状况，动物活动箱11内的刺激单元13、显示单元2、图像监控单元3与训练控制单元1相连，动物活动箱11包括底板5以及设置于底板5四周的围栏6，动物活动箱11中部通过一块以上的隔板7分隔成两个以上的单元格12，相邻单元格12之间设有单元格进出门9，至少一个单元格12内装设有刺激单元13。单元格12内还可以铺设有机玻璃板作为底板。本发明在至少一个围栏6上开设有围栏进出门8，供动物出入。训练控制单元1可以采用普通计算机，显示单元2可采用普通显示器，图像监控单元3可采用摄像头，动物活动箱11的上方还设有用来采集动物所发出声音信号的声音采集单元4，声音采集单元4可采用麦克风。摄像头和麦克风通过支架10固定于动物活动箱11的正上方。训练计算机上的控制程序通过摄像头和麦克风检测动物的学习训练情况，同时由人选择不同的学习训练模式、控制参数，通过RS232串行数据通信方式发送给每一个刺激单元13执行相应的操作。在上述过程中，训练计算机可以完整地记录动物学习训练过程中的视频、图像、声音等数据并供后期数据分析处理。

刺激单元13包括电源模块14、刺激控制模块15以及刺激产生模块，刺激产生模块为电刺激模块16、或声音刺激模块17、或光刺激模块18、或振动刺激模块19中的任意一种或任意几种的组合。其中，光刺激模块18为能够产生或生成颜色、图形、图像的电路；声音刺激模块17为能够产生某种声音信号的电路，并通过扬声器20输出；振动刺激模块19为能够产生震动的电路(如由直流电动机驱动偏心轮装置，转动时带动刺激单元13振动)；电刺激模块16为能够产生电流刺激动物的电路，参见图6，可以将电刺激金属网21布置在单元格12上，让动物直接接触。

如图7所示，为具体实施例中刺激单元的电路原理示意图，刺激控制模块15采用ATMEL公司的8位单片微处理器89C2051，其中第1腿与复位电路中的RESET连接，2腿连接训练计算机串行接口的发送端，4、5脚分别与晶振的两端连接，10脚连接电源地GND，20脚连接电源正极VCC，11脚P37驱动单片机状态指示灯。单片机的I/O管脚6、7、8、14、15、16、17、18、19输出到两块光藕集成电路TLP521-4。上电复位电路由10uF电容和10K电阻构成，电路板上电时，由于初始电容两端电压相等且不能突变，因此RESET端为高电平，此后通过10K电阻对地放电而导致RESET端电压下降为零，因此在单片机复位端得到一个下降复位脉冲，使单片机复位。时钟震荡电路由晶振和电容构成，其中晶振震荡频率为12MHz或11.0592MHz，电容为33pF或30pF，晶振两端与单片机89C2051第4、5管腿连接，并分别通过电容接地。单片机状态指示电路由89C2051的第11腿通过一个0.5千欧电阻驱动一个发光二极管，发光二极管的另一端与5V电源连接。电源模块14由集成稳压芯片7805和滤波电容构成，输入电压VSS为直流12V，经过7805稳压成5V后输出VCC供电路板上5V电源的电子元件使用，12V电源与5V电源共地。电路板上采用12V电源的直接与外部输入电源VSS连接。电源VSS、VCC与地线GND之间分别连接22uF、10uF电容滤波。VSS与GND之间串联一个2K电阻和发光二极管作为12V电源指示灯，VCC与GND之间串联一个0.5K电阻和发光二极管作为5V电源指示灯，电源指示灯点亮提示电源工作正常，熄灭表示未上电或电源电路故障。刺激控制模块15的第一级驱动电路由两块光藕TLP521-4构成，所有高电平输入端In1H、In2H、In3H、In4H与VCC直接连接，所有高电平输出端与12V电源VSS直接连接。低电平输入端与单片机89C2051的I/O口连接，其中P17、P16、P15、P14对应的输出端为DRV0、DRV1、DRV2、DRV3，P13、P12、P34、P35对应的输出端为DRV4、DRV5、DRV6、DRV7。当刺激控制模块15的I/O管腿输出低电平时，光藕内部的发光二极管发光，驱动光电三极管导通，光藕输出端与VSS导通，输出电源电压。当单片机I/O管腿输出高电平时，光藕内部的发光二极管熄灭，光电三极管截止，光藕输出端为高电阻状态。继电器驱动电路采用OMRON公司的12V直流继电器，四个继电器的线圈连接端XQA分别与光藕输出端DRV0、DRV1、DRV2、DRV3连接，四个继电器的的线圈连接端XQB与12V电源VSS连接。四个继电器的输入端IN与12V电源VSS连接，输出端分别为管脚JDQB0、JDQB1、JDQB2、JDQB3。以第一路为例，DRV0为高电平时，线圈通电导致输入端VSS与输出端JDQB0导通；DRV0为低电平时，线圈断电，输入端VSS与输出端JDQB0断开。继电器输出JDQ0驱动光刺激电路G_LED，继电器输出JDQB1驱动光刺激电路R_LED，继电器输出JDQB2驱动振动刺激模块19的振动刺激电机。电刺激模块16的电刺激驱动电路由两块OMRON直流继电器构成，两个继电器的线圈连接端XQB与电源地直接连接，输入端分别与电极输入接口EActin的两个管腿连接，输出端JDQ4、JDQ5连接到EAct的两个管腿。EActin的输入为脉冲电刺激信号的两端，EActout将脉冲电刺激信号直接输出给下一块单元格电路板。当DRV4、DRV5同时为高电平时，脉冲电刺激信号的两极经JDQ4、JDQ5输出到EAct的两端，EAct与单元格电刺激金属网连接。串口通信电路中，计算机的TTL电平的串口输出端GND、TXD作为所有单元格电路板串口通信电路的输入端。光刺激模块18的光刺激电路中，JDQB0、JDQB1分别驱动一组高亮发光二极管，发光二极管的颜色根据需要可以选取红色、绿色、白色、蓝色。当JDQB0、JDQB1为高电平时，对应发光二极管导通发光，透过单元格地板对动物进行光刺激。当JDQB0、JDQB1为高电阻或低电平时，发光二极管熄灭，对动物的光刺激消失。

应用实例1：上踏板试验

实验对象：豚鼠；

实验目的：豚鼠接到指令后迅速上踏板；

实验时间：30分钟；

实验过程：

在实验开始前，需设定某一个单元格12为训练区，在单元格12中央放置一块萝卜，在角落里放置一个可触发开关的踏板，同时关闭该单元格12与其他单元格12连通的单元格进出门9。设定警告方式和刺激方式。设定动物的进食时间为T1，警告到施加刺激的时间间隔为T2。

进行实验，轻提豚鼠后颈把其从笼中取出，由作为训练区单元格12的入口处放入，使动物处在一个封闭的单元格12中，打开单元格12内的绿灯，待其适应1分钟后，开始训练。T1时间后警告刺激绿灯亮(也可把绿灯熄灭作为警告刺激)，若豚鼠逃窜，偶然间跑上踏板，则绿灯熄灭，若豚鼠没有跑上踏板，T2时间后施加惩罚刺激(如电刺激)，豚鼠在逃窜过程中，偶然间会跑上踏板，这样就不用再承受惩罚刺激，此时绿灯熄灭。

由于受到食物引诱，豚鼠在在经过一定间隔后，又会尝试走下踏板进食，于是重新开始计时进行训练。经过反复强化训练后，可达到只熄灭绿灯，动物也会跑上踏板的训练目的。

在训练过程中计算机通过摄像头采集动物的位置信息，统计训练次数以及豚鼠接到警告刺激与跑上踏板的时间间隔。

应用实例2：躲避试验

实验目的：当豚鼠接到指令后迅速离开所在单元格12；

实验时间：30分钟

实验过程：在实验开始前，设定某一个单元格12为训练区，在单元格12中央放置一块萝卜，设定警告方式和刺激方式。设定动物的进食时间为T1，警告到施加刺激的时间间隔为T2。豚鼠由单元格12放入后，让其自由运动。当豚鼠找到食物开始进食后，开始计时，T1时间后开启单元格12的警告刺激(如震动、声音等)，若豚鼠离开该区域，警告刺激关闭，若豚鼠未离开，T2时间后开启单元格12的惩罚刺激(如电刺激等)，豚鼠被驱赶离开。当豚鼠在食物引诱下再次进入该区域，则重新开始计时。

训练10分钟后，变换区域进行训练。在训练过程中计算机通过摄像头采集动物的位置信息，统计训练次数以及豚鼠接到警告刺激与离开所在单元格12的时间间隔。

应用实例3：穿梭箱实验

本实验在应用实例2的基础上，取消食物引诱，当豚鼠在任意单元格12内待的时间超过T1，则警告刺激开启，若豚鼠离开，则警告刺激解除，若豚鼠不离开，则T2时间后惩罚刺激开启，驱使它离开。当豚鼠进入新的单元格12后，重新计时进行实验，强化豚鼠对警告刺激的敏感性，达到训练目的。

应用实例4：路线引导

结合应用实例1、2的训练成果，实现豚鼠按照指定的路线行进，到达目的地后踩上踏板的训练目的。用绿灯指引路线，当动物到达新的绿灯区时，原绿灯区绿灯熄灭，若动物T时间内没有到达下一个单元格12，则用惩罚刺激驱赶，直到动物到达目的地，踩上踏板，触发开关。

实验过程：

用灯光设定指引路线，关闭路线上单元格12与路线外路线单元格12之间的小门，打开路线上各单元格12的绿灯作为指引路线标志，设定引导路线标志，设定停留时间T。

关闭路线起始单元格12与其他单元格12连通的单元格进出门9，在起始单元格12中放入豚鼠，待其熟悉环境后，开启路线引导标志，打开起始单元格12与路线上其它单元格12连通的小门。

开始计时，若豚鼠在T时间内离开单元格12，则单元格12绿灯熄灭，惩罚刺激开启以防止其返回，若豚鼠在T时间内未离开单元格12，则绿灯熄灭，同时施加惩罚刺激，驱使它离开。当豚鼠进入新的绿灯区时，重新开始计时。直到豚鼠到达目的地，踩上踏板，一次训练才结束。

将豚鼠放回起始单元格12，重复以上训练过程。

实验过程中，记录豚鼠从起始单元格12到目的单元格12的时间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种动物智能训练系统，其特征在于：它包括训练控制单元(1)、显示单元(2)、图像监控单元(3)以及具有刺激单元(13)的动物活动箱(11)，所述图像监控单元(3)固定于动物活动箱(11)的上方用于实时监控动物的运动状况，所述动物活动箱(11)内的刺激单元(13)、显示单元(2)、图像监控单元(3)与训练控制单元(1)相连，所述动物活动箱(11)包括底板(5)以及设置于底板(5)四周的围栏(6)，动物活动箱(11)中部通过一块以上的隔板(7)分隔成两个以上的单元格(12)，相邻单元格(12)之间设有单元格进出门(9)，至少一个单元格(12)内装设有刺激单元(13)；所述动物活动箱(11)的上方设有用来采集动物所发出声音信号的声音采集单元(4)；所述至少一个围栏(6)上开设有围栏进出门(8)。

2.根据权利要求1所述的动物智能训练系统，其特征在于：所述刺激单元(13)包括电源模块(14)、刺激控制模块(15)以及刺激产生模块，所述刺激产生模块为电刺激模块(16)、或声音刺激模块(17)、或光刺激模块(18)、或振动刺激模块(19)中的任意一种或任意几种的组合。

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