CN102914668A

CN102914668A - 一种研究鸟类飞行动力学的方法和装置

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Publication number: CN102914668A
Application number: CN2012103756488A
Authority: CN
Inventors: 刘小峰; 齐本胜; 徐晓平; 刘玉宏; 苗红霞
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2012-09-30
Filing date: 2012-09-30
Publication date: 2013-02-06

Abstract

本发明涉及一种研究鸟类飞行动力学的方法和装置，属于仿生研究领域；该装置具有三轴加速度传感器、数据存储模块、主控模块、通讯模块、电源模块、控制开关和USB接口；使用时，通过主控模块控制，该装置将鸟类飞行时头部和/或翅膀等部位的加速度信号采集并存储到数据存储模块；然后，数据存储模块中的加速度信号通过通讯模块和USB接口，传输到计算机；传输到计算机的加速度信号通过智能控制算法，得到鸟类飞行过程中头部摆动的幅度和角度，或者翅膀扇动的幅度和频率，以便进一步研究鸟类的起飞、避障、降落动力学。本发明具有体积小，重量轻，功耗低，操作简单，使用方便的特点。

Description

一种研究鸟类飞行动力学的方法和装置

技术领域

本发明涉及仿生研究领域，尤其涉及仿生研究中一种研究鸟类飞行动力学的方法和装置。

背景技术

鸟类能轻松穿越复杂的丛林，能在快速飞行的过程中避开障碍物，并具有优秀的安全起飞和安全着陆能力。这种能力，不仅是研究人员不断探索的科学研究内容，也是工程界，特别是飞行器研究者的仿生学习对象。

为了揭示鸟类飞行过程中飞行动力学特征及其变化规律，如鸟类在起飞和降落时速度变化，位姿变化，飞行过程中轨迹变化以及变化频率，特别是在自然开放的环境中研究鸟类的飞行动力学，需要发展新研究方法，并设计相应的有效的装置和系统。

鸟类能够准确、快速、安全飞行并避障，需要准确感知外部环境信息。鸟类的主要感觉器官集中与头部，如视觉、听觉、体感与平衡，甚至地磁信号的感受器官。因而，研究飞行过程中鸟类头部相对于躯干的运动特性尤其受到关注，包括头部摆动幅度和角度等，对深入探索鸟类的飞行动力学，进而揭示鸟类飞行机制具有重要意义。这种研究，对研制无人机及更智能的自动飞行系统有重要的启发意义与工程仿生价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种研究鸟类飞行动力学的方法和装置，用于研究鸟类起飞、滑翔、降落的飞行动力学特性。

本发明所采用的技术方案为：一种研究鸟类飞行动力学的方法，该方法是在鸟类头部、翅膀和/或者躯干部位设置一个或多个三轴加速度传感器采集鸟类飞行时头部、翅膀和/或者躯干部位的加速度数据，存储在监测装置中；计算机通过所述装置中的USB接口获得相应的加速度数据；计算机对加速度数据进行处理，将各采样点加速度数据映射为相应的摆动方位角和摆幅；通过智能控制算法，将被测鸟类头部、翅膀和/或躯干的摆动映射为鸟类的扭头、振翅、拐弯和/或滑翔的具体行为。

其具体步骤包括：

第一步：将监测装置安装于被监测对象的身上，放飞被监测对象，同时启动监测装置；

第二步：所述装置初始化主控模块的模数转换器，初始化三轴加速度传感器，定时器并开启中断程序；

第三步：所述装置设置并启动数据存储模块；

第四步：采用三轴加速度传感器采集到的鸟类飞行时头部、翅膀和/或者躯干等部位的加速度数据，存储在存储芯片中；

第五步：计算机通过所述装置中的USB接口获得相应的加速度数据；

第六步：计算机对加速度数据进行处理，将各采样点加速度数据映射为相应的摆动方位角和摆幅；

第七步：通过智能控制算法，将被测鸟类头部、翅膀和/或躯干的摆动映射为鸟类的扭头、振翅、拐弯、滑翔等具体行为，以便进一步的分析。

所述的第二步中装置每隔1/16s或者1/32s执行一次中断程序；所述的第四步中采用MMA7361L三轴加速度传感器采集头部摆动信息，采用MMA7660FC三轴加速度传感器采集翅膀和/或躯干的摆动信息，同时将数据传送到MX25L6436E存储芯片中存储。

所述第五步中，计算机通过所述装置的USB接口获得相应的加速度数据是在被检测对象归巢时，从所述装置上取下所述数据存储模块，将所述数据存储模块通过USB接口连接到电脑上从而获得数据，然后对获取的数据进行分析，得出实验结果；所述第七步中，所述的智能控制算法包括模糊控制、神经元网络、量子遗传算法、小波分析、支持向量机、D-S证据理论中的一种或多种，来获取鸽子在飞行时头部摆动的幅度和频率、身体的倾斜程度、翅膀扇动的幅度和频率等信息。

同时，基于该方法本发明还提供了一种研究鸟类飞行动力学的装置，该装置包括

三轴加速度传感器，用于采样鸟类不同部位在X、Y、Z三个方向的加速度数据；

数据存储模块，由串行NOR Flash存储器为主构成，用于存取采样到的加速度数据；

主控模块，所述装置核心控制单元，由低功耗小封装单片机为主构成；

通讯模块，RS232接口电平和USB接口电平转换电路，分别和主控模块和USB接口连接；

控制开关，连接到主控模块，用于确定所述装置是否处于工作状态，是否可以对锂电池充电，以及装置是处于数据采样阶段还是处于数据传输阶段；

电源模块，给所述装置提供电源，含锂电池、充电回路和电压调整电路，充电回路连接到USB接口；

USB接口，USB MINI B型5Pin接口，给所述装置提供数据交换和充电电源的物理接口；

其中，所述的主控模块与三轴加速度传感器、控制开关、数据存储模块、通讯模块相连接，所述的通讯模块与USB接口相连接，所述的USB接口与电源模块相连接。

本发明所述三轴加速度传感器包括两种三轴加速度传感器，所用型号为MMA7361L和MMA7660FC，采用容性MEMs单封装结构，其中所述MMA7361L三轴加速度传感器和主控模块相连，MMA7660FC三轴加速度传感器与主控模块相连。

本发明MX25L6436E的Nor Flash存储芯片，采用8-pin SOP封装，其中所述MX25L6436E存储芯片与主控模块相连接。

本发明主控模块为Philips小封装低功耗单片机，所用型号为P89LPC916，采用TSSOP16封装，其中所述P89LPC916单片机与三轴加速度传感器、控制开关、通讯模块、数据存储模块相连接。

本发明充电电路与USB接口相连接，锂电池与充电电路相连接，电压调整电路与锂电池相连接，所述电压调整电路输出+3.3V电压。

本发明的有益效果是：能够追踪鸟类的活动路径及飞行特点；在使用时，通过主控模块控制，该装置将鸟类飞行时头部和/或翅膀等部位的加速度信号能够连续采集并存储到数据存储模块，待被追踪鸟类归巢后，将数据传输到电脑上完成记录鸟类行为和相关研究；不仅可以观测个体行为还可以观测群体行为；对研究而言，最重要的是获取实验数据，此装置具有大容量的数据存储芯片，可以保存鸟类长时间的飞行数据；且本发明的装置具有体积小，重量轻，功耗低，操作简单，使用方便的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一种研究鸟类飞行动力学的装置在鸟类身上的安装示意图；

图2为本发明一种研究鸟类飞行动力学的装置的方框图；

图3为本发明一种研究鸟类飞行动力学的装置的实施图；

图4（a）和（b）为两种三轴加速度传感器的电路原理图；

图5为主控模块与数据存储模块连接电路原理图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

参考图2，本发明实施例的一种研究鸟类飞行动力学的装置包括安装于被监测对象背部的三轴加速度传感器7和8、主控模块2、数据存储模块4、控制开关1、电源模块6、USB接口5。参考图1，具体是在装置的背带端用甲基丙烯酸（哥两好）粘在尼龙粘扣带上，然后将尼龙粘扣带与实验鸟类背部的尼龙粘扣带9扣紧。主控模块2别与三轴加速度传感器7和8、控制开关1、数据存储模块4、通讯模块3连接，通讯模块3别与USB接口5和主控模块2相连接，电源模块6分别与三轴加速度传感器7和8、主控模块2、数据存储模块4、通讯模块3相连接，用来为这些模块提供直流电。

其中，三轴加速度传感器7用于采集类头部在X、Y、Z三个方向的加速度数据。另一个三轴加速度传感器8用于采集翅膀和/或躯干在X、Y、Z三个方向的加速度数据。数据存储模块4，由串行NOR Flash存储器为主构成，用于存取采样到的加速度数据。通讯模块3，RS232接口电平和USB接口电平转换电路，分别和主控模块和USB接口连接，用于将数据传输到电脑上。控制开关1，连接到主控模块，用于确定所述装置是否处于工作状态，是否可以对锂电池充电，以及装置是处于数据采样阶段还是处于数据传输阶段。电源模块6，给所述装置提供电源，含锂电池、充电回路和电压调整电路，充电回路连接到USB接口。USB接口5，USB MINI B型5Pin接口，给所述装置提供数据交换和充电电源的物理接口。主控模块2，所述装置核心控制单元，由低功耗小封装单片机为主构成。

参考图4，两种三轴加速度传感器包括MMA7361L和MMA7660FC两种型号，其中MMA7361L三轴加速度传感器放在鸟类的头部，采集头部摆动信息，MMA7660FC三轴加速度传感器放在背部采集背部摆动信息。参考图4和图5，在图4中，C6、C7为0.1uF的电容，C3、C4、C5为3.3nF的电容，U3为MMA7361L三轴加速度传感器，U4为MMA7660FC加速度传感器。U3的管脚1、管脚14、管脚8、管脚9、管脚11、管脚12悬空；管脚2通过C3与地相连接，管脚3通过C4与地相连接，管脚4通过C5与地相连接；管脚6、管脚7均通过C6与+3.3V直流电源相连接，C6连接在地与+3.3V直流电源之间，作为去耦电容；管脚10、管脚13均与地直接相连接。U4的管脚2、管脚5、管脚10均悬空；U4的管脚3、管脚9直接与+3.3V直流电源相连接；管脚1、管脚4、管脚8直接与地相连接；管脚3与+3.3V电源相连接，C7连接在地与+3.3V直流电源之间，做为电源的去耦电容。U3的管脚2、管脚3、管脚4分别是X、Y、Z方向上得加速度值输出端口，分别与图5中U1的管脚16、管脚15、管脚14相连接；U4的管脚6、管脚7为IIC端口，分别与图5中U1的管脚7、管脚8相连接。

参考图5，主控模块2包括单片机芯片U1及一些外围电路，单片机芯片U1采用P89LPC916小封装低功耗单片机，R2、R3分别为U1管脚7、管脚8的阻值都为5K的上拉电阻，电阻R2、R3分别连在+3.3V直流电源与U1管脚7、+3.3V直流电源与U1管脚8之间。参考图4，图5中的U1的管脚7、管脚8分别与图4中U4的管脚7、管脚8相连接。U1的管脚1在实际实用中使用一个短路帽通过阻值为4.7K的电阻R5连接到+3.3V直流电源，管脚3通过阻值为5K的电阻R1连接到+3.3V直流电源，管脚9、管脚10分别与通讯模块的数据输入输出口相连接，管脚12与+3.3V直流电源相连接，管脚16、管脚15、管脚14分别与图4中U3的管脚2、管脚3、管脚4相连接。

主控模块2还包括程序下载端口P7。程序下载端口P7的管脚1接+3.3V直流电源，管脚2接地，管脚3与U1的管脚3相连接，管脚4与U1的管脚13相连接，管脚5与U1的管脚14相连接。

数据存储模块4包括存储芯片U2。存储芯片U2采用信号为MX25L6436E的Nor Flash芯片。U2的管脚3通过阻值为10K的R4连接到+3.3V直流电源，管脚4连接到地，管脚7悬空，管脚8与+3.3V直流电源连接，在管脚8与地之间连接一个0.1uF的电容C2。U2的管脚1、管脚2、管脚5、管脚6分别与U1的管脚2、管脚5、管脚6、管脚11相连接。

参考图1，图2，本发明一种研究鸟类飞行动力学的方法，具体包括以下步骤：

第一步：将装置安装于被监测对象的身上，放飞被监测对象，同时启动监测装置；

第三步：所述装置设置并启动数据存储模块；

第四步：所述装置每隔1/16s或者1/32s执行一次中断程序，将MMA7361L和MMA7660FC三轴加速度传感器采集到的鸟类飞行时头部、翅膀和/或者躯干等部位的加速度数据，存储在MX25L6436E存储芯片中；

中断程序生成鸟类飞行时头部、翅膀和/或者躯干等部位的加速度数据的步骤是，MMA7361L三轴加速度传感器采集头部摆动信息，MMA7660FC三轴加速度传感器采集翅膀和/或躯干的摆动信息，同时将数据传送到MX25L6436E存储芯片中存储。

计算机通过所述装置的USB接口获得相应的加速度数据是在被检测对象归巢时，从所述装置上取下所述数据存储模块，将所述数据存储模块通过USB接口连接到电脑上从而获得数据，然后对获取的数据进行分析，得出实验结果。

智能控制算法包括模糊控制、神经元网络、量子遗传算法、小波分析、支持向量机、D-S证据理论等中的一种或多种，来获取鸽子在飞行时头部摆动的幅度和频率、身体的倾斜程度、翅膀扇动的幅度和频率等信息。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims

1.一种研究鸟类飞行动力学的方法，其特征在于：该方法是在鸟类头部、翅膀和/或者躯干部位设置一个或多个三轴加速度传感器采集鸟类飞行时头部、翅膀和/或者躯干部位的加速度数据，存储在监测装置中；计算机通过所述装置中的USB接口获得相应的加速度数据；计算机对加速度数据进行处理，将各采样点加速度数据映射为相应的摆动方位角和摆幅；通过智能控制算法，将被测鸟类头部、翅膀和/或躯干的摆动映射为鸟类的扭头、振翅、拐弯和/或滑翔的具体行为。

2.如权利要求1所述的一种研究鸟类飞行动力学的方法，其特征在于：所述的方法的具体步骤包括：

第三步：所述装置设置并启动数据存储模块；

第四步：采用三轴加速度传感器采集到的鸟类飞行时头部、翅膀和/或者躯干部位的加速度数据，存储在存储芯片中；

第七步：通过智能控制算法，将被测鸟类头部、翅膀和/或躯干的摆动映射为鸟类的扭头、振翅、拐弯和/或滑翔的具体行为。

3.如权利要求2所述的一种研究鸟类飞行动力学的方法，其特征在于：所述的第二步中装置每隔1/16s或者1/32s执行一次中断程序；所述的第四步中采用MMA7361L三轴加速度传感器采集头部摆动信息，采用MMA7660FC三轴加速度传感器采集翅膀和/或躯干的摆动信息，同时将数据传送到MX25L6436E存储芯片中存储。

4.如权利要求2所述的一种研究鸟类飞行动力学的方法，其特征在于：所述第五步中，计算机通过所述装置的USB接口获得相应的加速度数据是在被检测对象归巢时，从所述装置上取下所述数据存储模块，将所述数据存储模块通过USB接口连接到电脑上从而获得数据，然后对获取的数据进行分析，得出实验结果；所述第七步中，所述的智能控制算法包括模糊控制、神经元网络、量子遗传算法、小波分析、支持向量机、D-S证据理论中的一种或多种，来获取鸽子在飞行时头部摆动的幅度和频率、身体的倾斜程度、翅膀扇动的幅度和频率等信息。

5.一种如权利要求1所述的研究鸟类飞行动力学的方法所使用到的装置，其特征在于：该装置包括

6.如权利要求5所述的一种研究鸟类飞行动力学的装置，其特征在于：所述三轴加速度传感器包括两种三轴加速度传感器，所用型号为MMA7361L和MMA7660FC，采用容性MEMs单封装结构，其中所述MMA7361L三轴加速度传感器和主控模块相连，MMA7660FC三轴加速度传感器与主控模块相连。

7.如权利要求5所述的一种研究鸟类飞行动力学的装置，其特征在于：所述数据存储模块所用型号为MX25L6436E的Nor Flash存储芯片，采用8-pin SOP封装，其中所述MX25L6436E存储芯片与主控模块相连接。

8.如权利要求5所述的一种研究鸟类飞行动力学的装置，其特征在于：所述主控模块为Philips小封装低功耗单片机，所用型号为P89LPC916，采用TSSOP16封装，其中所述P89LPC916单片机与三轴加速度传感器、控制开关、通讯模块、数据存储模块相连接。

9.如权利要求5所述的一种研究鸟类飞行动力学的装置，其特征在于：所述充电电路与USB接口相连接，锂电池与充电电路相连接，电压调整电路与锂电池相连接，所述电压调整电路输出+3.3V电压。