CN106508714A - 动物实物目标识别学习训练系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动物实物目标识别学习训练系统，包括上位机控制系统、下位机控制系统和训练箱；上位机控制系统由PC机和摄像头构成；摄像头的视频信号输出端与PC机的视频信号输入端连接；下位机控制系统由内置有USB接口的单片机、实物目标刺激单元、位置传感器单元、行为反馈单元、奖励单元和惩罚单元构成；单片机的输出控制接口分别与所述实物目标刺激单元、奖励单元和惩罚单元的输入控制接口连接；单片机的信号输入接口分别与位置传感器单元和行为反馈单元的信号输出接口连接。本发明优点在于可将不同类型的实物目标自动的呈现在实验动物的面前,实验动物无需结合自身的行走能力即可完成对目标的识别，降低了训练的难度。
Description
技术领域
本发明涉及认知科学领域，尤其是涉及动物实物目标识别学习训练系统。
背景技术
认知科学是神经科学与脑科学研究领域的重要分支，开展动物的学习训练是研究动物学习认知能力的关键步骤，主要基于大脑神经系统的可塑性机制，建立特定目标刺激模式与动物特定行为间的对应关系。认知科学领域相关技术的发展在生物、医药和军事等领域都有着重要的应用价值。视觉是动物获取外界感知信息的重要感官，大多数动物的日常行为都是基于视觉线索引导的。因此，研究动物的视觉目标认知具有代表性和典型性，是当今认知神经科学领域的研究侧重点。开发视觉目标识别的学习训练系统是研究动物视觉认知的前提，同时也是必要的实验条件。
目前,现有的动物视觉认知学习训练系统大多是基于液晶显示屏显示图像的方式开展训练，动物通过观看液晶屏上播放的图像执行动作，系统判断动物执行动作的对错给与奖励或惩罚。上述基于液晶显示屏的视觉认知训练系统，只能播放图像目标，受制于图像的分辨率以及拍摄的技术，与真实环境中动物看到的实物存在差异，不能完全的反映真实环境中物品的全部信息。利用真实环境中的物体作为刺激模式的训练箱较少，仅有一些用于研究动物探索能力的箱体，如Y型迷宫，在两个分叉路径的尽头放置实物目标，根据动物选择的路径来判断动物的识别结果，然而这种训练箱仅适用于二选一的情况，可扩展性较差。
发明内容
本发明目的在于提供一种动物实物目标识别学习训练系统。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的动物实物目标识别学习训练系统，包括上位机控制系统、下位机控制系统和训练箱；
所述上位机控制系统由PC机和摄像头构成；所述摄像头的视频信号输出端与所述PC机的视频信号输入端连接；
所述下位机控制系统由内置有USB接口的单片机、实物目标刺激单元、位置传感器单元、行为反馈单元、奖励单元和惩罚单元构成；所述单片机的输出控制接口分别与所述实物目标刺激单元、奖励单元和惩罚单元的输入控制接口连接；单片机的信号输入接口分别与所述位置传感器单元和行为反馈单元的信号输出接口连接；单片机的通信接口与PC机通信连接。
所述上位机控制系统的PC机还包含人机交互软件，采用VB语言开发，用户通过所述人机交互软件控制所述实物刺激单元的启停与转速、所述摄像头监控功能的启停，同时记录训练过程中位置传感器单元反馈的信息、动物行为反馈的信息。
所述训练箱包括内层箱体和外层箱体；所述内层箱体为遮光材料制成，用于放置动物，并限制动物的视野和活动范围，底部为网状结构的金属丝，下方放置抽屉式底盒，用于收集动物的排泄物；外层箱体罩在所述内层箱体和实物刺激单元的外周，用于将外层箱体内的各单元与外部环境进行隔离；所述外层箱体上设置有通风换气装置。
所述实物目标刺激单元由电机驱动的转盘主体和沿所述转盘主体径向间隔布置的多个不透明立板构成，用于放置多个不同的实物目标；所述转盘主体沿着设定的方向运转，将实物目标传送到或送出动物视野；
所述位置传感器单元由设置在所述内层训练箱体前开口侧壁下方的位置传感器和设置在所述转盘主体下方的感应片构成，用于标记实物目标的类别标签，同时记录实物目标进入到动物视野的时间；
所述行为反馈单元由按键式压力传感器构成，是动物执行特定行为反馈的单元，用于将动物执行行为反馈的时间记录下来传送给所述单片机；
所述奖励单元用于给予动物实施食物奖励，由所述单片机判断行为反馈单元返回的信息是否正确，正确的话会驱动所述奖励单元启动，给予动物一定量的食物奖励；
所述惩罚单元用于给予动物实施惩罚，由所述单片机判断行为反馈单元返回的信息是否正确，错误的话会驱动所述惩罚单元启动，给予动物一定时长的惩罚；
所述摄像头用于监控整个训练过程动物的状态和实物目标刺激单元的运转情况。
所述实物刺激单元中，实物目标放置在所述两两径向间隔布置的不透明立板之间，且所述两两径向间隔布置的不透明立板外边缘的间距大于或等于内层训练箱体两侧壁间的距离，确保相邻两立板不会同时出现在动物视野内；
所述位置传感器单元中位置传感器的位置与转盘主体转动的方向有关，若所述转盘主体顺时针转动，则所述位置传感器放置在所述内层训练箱体右侧壁的下方，而所述感应片则放置在实物目标右侧位置正下方的转盘主体上，反之，则分别放置在左侧。
所述位置传感器单元的感应片与转盘主体上放置的实物目标位数量保持一致，所述感应片从所述位置传感器中间穿过，向所述单片机传送信号，通过对单片机编程，可对不同的实物目标进行标记，并将标签信息传送给所述PC机，所述PC机的内部程序结合所述行为反馈单元采集的动物行为反馈信息，判断动物是否在指定目标出现时做出正确的行为反馈，驱动所述奖励或者惩罚单元给予动物奖励或者惩罚，从而完成一个试次的学习认知训练。
本发明优点在于可将不同类型的实物目标自动的呈现在实验动物的面前, 实验动物无需结合自身的行走能力即可完成对目标的识别，降低了训练的难度。且实验动物无效的触键行为不会获得奖励，错误的触键会对实验动物施加惩罚措施，这样避免了受训动物无目的频繁的触键，强化受训动物行为目的性，减少无效试次，提高训练的正确率和训练速度。此外，本发明能够通过扩展隔段（转盘主体径向间隔布置的多个不透明立板）的数量，从而实现对多目标识别的学习训练。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的控制系统结构框图。
图3是本发明的控制系统主程序流程图。
图4是本发明所述的USB接口中断设置程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实例。
如图1、2所示，本发明所述的动物实物目标识别学习训练系统，包括上位机控制系统、下位机控制系统和训练箱；所述上位机控制系统由PC机1和摄像头2构成；所述摄像头2的视频信号输出端与所述PC机1的视频信号输入端连接；所述下位机控制系统由内置有USB接口的单片机3、实物目标刺激单元、位置传感器单元、行为反馈单元、奖励单元和惩罚单元构成；所述单片机3的输出控制接口分别与所述实物目标刺激单元、奖励单元和惩罚单元的输入控制接口连接；单片机的信号输入接口分别与所述位置传感器单元和行为反馈单元的信号输出接口连接；单片机3的通信接口与PC机1通信连接。
所述训练箱分内层箱体14和外层箱体4，内层箱体为由遮光材料制成，用于限制动物的视野和活动范围，置于实物刺激单元正后方，底部为网状结构的金属丝，下方放置抽屉式底盒5，用于收集动物的排泄物，便于清洁，保证内层箱体14内的整洁；外层箱体4为透明材质制成，罩在所述内层箱体14和实物刺激单元的外周，用于将外层箱体4内部各单元与外部环境进行隔离，方便实验人员观察实验情况；所述外层箱体4上设置有通风换气装置15。
所述PC机1内还包含人机交互软件，采用VB语言开发，用户可通过所述人机交互软件控制训练实验的开始、暂停、终止、实验数据的保存和监控的启停等，其中，保存的实验数据包括正确执行相应行为的次数、错误次数以及未在指定时间内执行指定动作的次数，并且将这些数据实时保存于excel文档中，便于数据分析。
所述实物目标刺激单元由电机驱动的转盘主体6、和沿所述转盘主体6径向间隔布置的六个不透明立板7构成；六个不透明立板7将转盘主体6的台面分隔成六个独立的扇形区域，用于放置实物目标，一个扇形区域内仅放置一个实物目标，立板7选择不透明材料制成，是为了避免放置在不同扇形区域内的不同实物目标8对实验动物的干扰；转盘主体6设置在所述内层训练箱14开口的前方，所述电机的电机控制器输入控制接口与单片机3的输出控制接口连接，转盘主体6的启动、停止、转速和转动方向由单片机3进行控制。
所述位置传感器单元由设置在所述内层训练箱14开口处侧壁下方位置的传感器9和设置在所述转盘主体6下方的感应片10构成，感应片10在转盘主体的位置与实物目标8在转盘主体6上的位置相对应，且在随所述转盘主体6运转过程中能从所述位置传感器9的凹槽中间穿过；位置传感器9的信号输出接口与单片机3的信号输入接口连接，在位置传感器9被感应片10遮挡时，会向单片机3发送一个电信号，表示实物目标8出现在实验动物视野中；单片机3检测到此电信号之后向PC机1发送信号，根据相邻不透明立板7所围城的扇形区域中实物目标8的不同，单片机3传递的信号也有差别；在实验中，对各个实物目标8进行编号，如01,02,03等，在位置传感器9受到遮挡时，单片机3发送相应实物目标8的编号。
所述行为反馈单元由侧开口的盒体11和置于其顶面上的按键式压力传感器12构成；行为反馈单元布置在转盘主体后方内层箱体14的内部；当实验动物碰触按键时，导致按键闭合，单片机3则会检测到一个电信号，并把此信号发送给PC机1，由PC机1进行判断。行为反馈单元主要判断实验动物对实物目标8的认知能力；当特定实物目标8出现在实验动物视野中，实验动物碰触按键则表示实验动物与特定实物目标8建立了正确的条件反射。
所述奖励单元由电磁铁驱动水平往复移动的食盒13构成，奖励单元设置在所述行为反馈单元的侧开口盒体11内；奖励单元用于对实验动物执行正确行为反馈后进行投食犒赏，要求每次的投食量小且精确；由于动物视觉学习训练是一个多次重复、逐步加强的过程，若每次投食量过大的话，就会在较短时间内将实验动物喂饱，从而无法进行后续实验，严重影响实验进度；当实验动物执行正确的行为反馈后，单片机3驱动电磁铁将食盒13弹出，给予食物奖励，经过设定的一段时间后缩回，投食时间可调。
所述惩罚单元由扫频超声波扬声器或闪光灯构成，惩罚单元设置在行为反馈单元的盒体11上或内层箱体14的内壁上；当实验动物做出错误行为时，则单片机3发出指令驱动扫频超声波扬声器发声或驱动闪光灯发光，对实验动物施加相应的惩罚措施。
所述内层训箱体14两侧壁的间距小于或等于所述转盘主体6上相邻两立板7的间距，所述位置传感器9和感应片10放置的位置与转盘主体6转动的方向有关，图1表示对应于逆时针转动的情况，若所述转盘主体6顺时针转动，则位置传感器9需放置在内层箱体14右侧壁的下方，而所述感应片10则放置在实物目标8右侧的下方；感应片10数量与转盘主体6上放置的实物目标数量相一致。
本发明的训练方案简述如下：
第一阶段：触键训练；
训练目的：建立触键与奖励的关联；
训练模式：转盘主体6上放置同一种类型的实物目标8，转盘主体6匀速转动；
奖惩条件：实验动物在实物目标8出现的时间段内触键则给予食物奖励，期间没有触键行为则给予惩罚。
第二阶段： 识别训练；
训练目的：建立特定实物目标8与触键间的反射；
训练模式：转盘主体6上放置不同类型的实物目标8；
奖惩条件：实验动物在特定实物目标8出现的时间段内触键则给予食物奖励，其它条件下触键行为则给予惩罚。
Claims (6)
1.一种动物实物目标识别学习训练系统，包括上位机控制系统、下位机控制系统和训练箱；其特征在于：
所述上位机控制系统由PC机和摄像头构成；所述摄像头的视频信号输出端与所述PC机的视频信号输入端连接；
所述下位机控制系统由内置有USB接口的单片机、实物目标刺激单元、位置传感器单元、行为反馈单元、奖励单元和惩罚单元构成；所述单片机的输出控制接口分别与所述实物目标刺激单元、奖励单元和惩罚单元的输入控制接口连接；单片机的信号输入接口分别与所述位置传感器单元和行为反馈单元的信号输出接口连接；单片机的通信接口与PC机通信连接。
2.根据权利要求1所述的动物实物目标识别学习训练系统，其特征在于：所述上位机控制系统的PC机还包含人机交互软件，采用VB语言开发，用户通过所述人机交互软件控制所述实物刺激单元的启停与转速、所述摄像头监控功能的启停，同时记录训练过程中位置传感器单元反馈的信息、动物行为反馈的信息。
3.根据权利要求1所述的动物实物目标识别学习训练系统，其特征在于：所述训练箱包括内层箱体和外层箱体；所述内层箱体为遮光材料制成，用于放置动物，并限制动物的视野和活动范围，底部为网状结构的金属丝，下方放置抽屉式底盒，用于收集动物的排泄物；外层箱体罩在所述内层箱体和实物刺激单元的外周，用于将外层箱体内的各单元与外部环境进行隔离；所述外层箱体上设置有通风换气装置。
4.根据权利要求1所述的动物实物目标识别学习训练系统，其特征在于：
所述实物目标刺激单元由电机驱动的转盘主体和沿所述转盘主体径向间隔布置的多个不透明立板构成，用于放置多个不同的实物目标；所述转盘主体沿着设定的方向运转，将实物目标传送到或送出动物视野；
所述位置传感器单元由设置在所述内层训练箱体前开口侧壁下方的位置传感器和设置在所述转盘主体下方的感应片构成，用于标记实物目标的类别标签，同时记录实物目标进入到动物视野的时间；
所述行为反馈单元由按键式压力传感器构成，是动物执行特定行为反馈的单元，用于将动物执行行为反馈的时间记录下来传送给所述单片机；
所述奖励单元用于给予动物实施食物奖励，由所述单片机判断行为反馈单元返回的信息是否正确，正确的话会驱动所述奖励单元启动，给予动物一定量的食物奖励；
所述惩罚单元用于给予动物实施惩罚，由所述单片机判断行为反馈单元返回的信息是否正确，错误的话会驱动所述惩罚单元启动，给予动物一定时长的惩罚；
所述摄像头用于监控整个训练过程动物的状态和实物目标刺激单元的运转情况。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的动物实物目标识别学习训练系统，其特征在于：
所述实物刺激单元中，实物目标放置在所述两两径向间隔布置的不透明立板之间，且所述两两径向间隔布置的不透明立板外边缘的间距大于或等于内层训练箱体两侧壁间的距离，确保相邻两立板不会同时出现在动物视野内；
所述位置传感器单元中位置传感器的位置与转盘主体转动的方向有关，若所述转盘主体顺时针转动，则所述位置传感器放置在所述内层训练箱体右侧壁的下方，而所述感应片则放置在实物目标右侧位置正下方的转盘主体上，反之，则分别放置在左侧。
6.根据权利要求5所述的动物实物目标识别学习训练系统，其特征在于：所述位置传感器单元的感应片与转盘主体上放置的实物目标位数量保持一致，所述感应片从所述位置传感器中间穿过，向所述单片机传送信号，通过对单片机编程，可对不同的实物目标进行标记，并将标签信息传送给所述PC机，所述PC机的内部程序结合所述行为反馈单元采集的动物行为反馈信息，判断动物是否在指定目标出现时做出正确的行为反馈，驱动所述奖励或者惩罚单元给予动物奖励或者惩罚，从而完成一个试次的学习认知训练。
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