CN106950884A - 一种用于鸟类户外飞行神经调控的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于鸟类户外飞行神经调控的装置及方法，装置包括GPS模块、主控模块、存储模块、刺激信号模块和电源模块。本发明预先按照需求设定鸟类的飞行轨迹，在鸟类飞行过程中实时记录并判断鸟类的飞行坐标和状态，当鸟类飞行到达预设位置/时间刺激区域时，通过中脑丘间核与半环隆枕脑区的植入电极发送电刺激信号对其飞行运动进行控制，从而促使其完成预期的飞行活动。本发明采用预编程设置刺激信号，不需借助无线信号传输，装置体积小，重量轻，便于携带，刺激时间长，信号稳定，不受调控的环境和距离的限制；而且，刺激信号与飞行状态可同步记录，便于实验的进一步展开，适用于复杂环境下的鸟类飞行运动的神经调控研究。

Description

一种用于鸟类户外飞行神经调控的装置及方法

技术领域

本发明涉及电子通讯领域，尤其是一种用于鸟类户外飞行神经调控的装置及方法。

背景技术

生物机器人相对传统机器人具有更好的续航能力，运动更加灵活精细，具有更好的隐蔽性、机动性和复杂环境的适应性。在人员搜救、灾害预警、情报侦察、军事打击等方面具有广阔的应用前景。鸟类具有活动能力强、反应灵敏等优点，最主要的是它具有超强的环境适应能力，持续飞行能力强，负重能力理想，具有极大的研究价值。2000年瑞士苏黎世大学的神经解剖研究中心的Lgor Steiner最早进行了鸟类飞行运动的研究，2007年山东科技大学的苏学成教授实现鸽子室内飞行运动的无线调控。目前鸟类机器人对鸟类飞行进行控制主要依靠射频或者3g网络发送控制信号，但射频传输距离有限，信号受场地限制；而3g模块过大过重，超过鸟类负重能力，导致二者都无法有效控制鸟类户外远距离的飞行运动，影响鸟类机器人研究和利用的深入。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于鸟类户外飞行神经调控的装置及方法，

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于鸟类户外飞行神经调控的装置，包括GPS模块、主控模块、存储模块、刺激信号模块和电源模块；GPS模块与主控模块相连，接收卫星信号，根据卫星定位信号获取鸟类的定位信息和飞行状态并传送给主控模块；主控模块分别与存储模块和刺激信号模块相连，主控模块接收到GPS模块发送的鸟类飞行状态信息，将目标位置和当前位置信息进行比较，判断是否需要对鸟类大脑进行电刺激，若是，进一步判断需要何种刺激方式，并根据反馈的刺激效果实行进一步刺激，同时发送GPS位置信号和鸟类受刺激方式到存储模块；刺激信号模块根据主控模块发送的刺激指令，输出指定正负脉冲、频率、脉宽、脉冲数的刺激信号，经刺激线发送给刺激电极，刺激鸟类脑部特定区域；存储模块存储鸟类当前位置信息和运动状态，记录鸟类飞行运动的轨迹信息和刺激方式；电源模块与主控模块、GPS模块、存储模块和刺激信号模块分别相连，给各个模块进行供电。

优选的，GPS模块包括接收天线和GPS芯片；接收天线用于接收定位卫星发送的卫星信号；GPS芯片与接收天线相连，将接收到的卫星信号转变成符合NMEA-0813协议要求的数据格式，获取被追踪目标的地理位置信息以及运动信息，将其发送给主控模块。

优选的，主控模块包括STM32F103RBT6芯片以及时钟电路。

优选的，电源模块包括锂电池、稳压电路、负压转换电路、抗干扰电路和保护电路；电源模块包括锂电池、稳压电路、负压转换电路、抗干扰电路和保护电路；由锂电池产生的电压通过抗干扰电路奖励电源之间的耦合干扰，经由RT9193稳压电路产生稳定的3.3V电压为其他电路供电；负压转换电路产生负压提供给减法电路；抗干扰电路降低电源之间的耦合干扰；保护电路用于过压保护，保护元器件。

优选的，存储模块包括TF卡槽、TF卡及配置的上拉电阻；TF卡安装在TF卡槽中，上拉电阻设置在TF卡的4管脚与6管脚之间。

优选的，刺激信号模块包括主控芯片发出的特定频率脉宽的PWM波信号，通过分压产生的低强度刺激信号和电路产生的正负脉冲信号。

一种用于鸟类户外飞行神经调控的方法，包括如下步骤：

(1)将装置固定穿戴于鸟类身上，在无刺激的情况下进行定点归巢放飞实验，记录鸟类归巢的飞行运动轨迹；

(2)将TF卡内的记录的鸟类飞行运动轨迹移至PC端进行轨迹分析，分析鸟类飞行运动的轨迹规律，寻找具有普遍规律的位点；

(3)对鸟类进行电极植入手术，等鸟类修养恢复后，将装置固定在鸟类身上，启动装置，在具有普遍规律的位点，当满足预编程判据条件时，向刺激模块发送相应的刺激信号；

(4)将获取的鸟类飞行调控过程的GPS信息存储至存储模块中，GPS信息包括追踪目标的地理位置、速度、高度、记录时间和刺激方式；

(5)飞行活动结束后，将存储模块中的数据导出到电脑，在Googleearth或者matlab上生成轨迹曲线，分析实验刺激效果或进一步分析实验。

优选的，预编程判据包括位置判据和时间判据。

优选的，位置判据具体为：事先编程设定鸟类预期的飞行通道GPS坐标，通道分为左右两条边界，当GPS模块成功获取被追踪目标当前的位置信息后，GPS模块发送鸟类的位置坐标和状态信息给主控模块与预设通道GPS坐标进行判定，并根据前后两次的坐标变化判定鸟类的飞行方向；当鸟类飞出预设通道时，根据获取的飞行方向和偏转方向，主控模块向刺激信号模块发送相应的刺激信号，通过鸟类头部的电极刺激鸟类，促使其回到预期飞行通道内；同时，主控模块接收下一次GPS信息，判读飙泪的飞行状态，根据反馈的刺激效果决定是否进行下一步刺激，根据获得的不同状态信息，使用相应强度和频率的刺激信号刺激，促使其完成预期的飞行活动。

优选的，时间判据具体为：事先编程设定刺激信号发生的时刻，当鸟类飞行达到这一时刻时，由主控模块向刺激信号模块发送刺激信号，控制鸟类的飞行动作，促使其完成飞行活动；刺激过程中，具体包括每个小周期，刺激2s休息2s，5组小周期刺激后等待30s，换同样的反方向5组刺激，也间隔30s，每个大周期共100s。

本发明的有益效果为：使用预编程控制刺激信号，输出的信号稳定，不受距离限制，实现了鸟类远距离飞行调控，设备总重量轻，便于鸟类背负；利用微处理器产生的PWM和外围电路，实现刺激信号幅值脉宽频率脉冲数的控制，提供更优的飞行中刺激信号，提升了飞行调控的效果；多种电刺激方式相结合，有效降低了刺激对鸟类大脑的损伤，刺激信号和飞行状态同步记录，利用鸟类的归巢性，保存了数据，为进一步研究提供数据参考。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是本发明的进行飞行调控电刺激和存储的流程示意图。

图3是本发明的基于位置调控的流程示意图。

图4是本发明的鸟类背负本发明装置的示意图。

图5是本发明的存储模块电路结构示意图。

图6是本发明的负压转换电路结构示意图。

图7是本发明的电源稳压与保护电路结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及的鸟类户外飞行调控的脑电刺激装置包括主控模块、GPS模块、刺激模块和数据存储模块，整个装置采用聚合物锂电池供电。其中GPS模块通过串口与主控模块连接，主控模块同时与刺激模块和数据存储模块相连接。GPS模块将接收到的数据通过串口输出主控模块中，主控模块将从串口得到的数据存储到数据存储模块中；主控模块输出到刺激模块的同时将刺激方式存储到数据存储模块中；刺激模块通过转接口和导线与鸟类头部的电极相连。

主控模块采用型号为STM32F103RBT6的芯片，该芯片内置128K FLASH、20K SRAM，同时具备丰富的增强I/O端口和外设，支持JTAG/SWD，支持串口下载。

GPS模块主芯片型号优选μ-box的NEO-6M，采用无源陶瓷天线，本发明中将陶瓷天线更换通信波特率为38400的小型天线，有效减轻原始模块重量。其主芯片工作电压为3.3V/5V，工作电流为39mA，选择省电模式以节省用电，选用通信波特率为38400。GPS模块自带一个状态指示灯，默认条件下有两个状态：1)、常亮，表示GPS模块已开始工作，但未定位成功；2)、闪烁，表示该模块已定位成功。数据存储模块采用TF存储卡，体积小、重量轻，其容量可选8GB或者更高，可大大减小整个装置的体积，存储卡容量的选择根据数据采样频率和采样时间来决定。

刺激模块采用芯片的PWM输出加外围电路，将两路PWM组合为一路刺激信号输出，能产生特定幅值的正负脉冲，负脉冲，正脉冲刺激信号。输出为三个接口：左右控制端和接地接口。

电池选用工作电压为4.2V，250mAH的可充电锂电池。GPS模块的最大工作电流为39mA，该锂电池的工作时间大约为100分钟，在保证装置重量不变或者更轻的情况下，可选用其它型号的锂电池代替。

诱导产生扇翅、呼吸加快、羽毛倒竖的位点在鸽子中脑被盖区的丘间外侧核(Nucleus Intercollicularis，ICo)和半环隆枕(Torus Semicircularis，Tos)脑区。为达到调控户外飞行轨迹目的，对靶点进行鸟类脑部电极植入和转接装置的固定，待鸟类伤口恢复后再进行电刺激实验。

如图2所示,上电程序启动后，先进行系统初始化，TF卡初始完时主板指示灯闪烁。接着开始判定是否从串口传回GPS数据，若否继续读取，若是，接下来判定是否符合刺激条件，若否，不刺激，若是，根据获得的GPS状态信息发送刺激信号。为减少电荷在鸽子脑区的积累，减轻刺激对鸽脑的影响，刺激信号采用脉宽在0.1～0.75ms的正负电压信号，信号的峰值为3.3V，正负最高电压分别为+1.75V和-1.75V，周期为12.5ms。然后将刺激方式，刺激坐标和时间写入TF卡。程序运行直到记录完成，最后下电。

如图3所示，为一种位置判据流程图。实验前以经纬度无基准设定轨迹通道，当动物飞出预定轨迹通道后，根据GPS坐标变化判断其飞行方向，从而确定应该给何种刺激使其回归预定轨道。为减轻对动物的伤害当不间断的连续5次刺激后，设置30秒等待缓冲时间。除位置判据调控飞行轨迹外，还有时间判据等方式可以实现对动物的调控。

如图4所示，本发明涉及的记录装置采用背部负载方式，整个装置的重量在18.8克左右，经过训练的鸟类可负重30g以上持续飞行6-8小时，远小于鸟类背部能够承载的重量；鸟类背载的背包在充分考虑GPS模块中天线部分的暴露保证接收卫星信号接收的同时确保鸟类飞行过程中记录装置的牢固固定。

如图5所示，存储模块包括TF卡槽、TF卡及配置的上拉电阻；TF卡安装在TF卡槽中，上拉电阻设置在TF卡的4管脚与6管脚之间。

如图6和图7所示，电源模块包括锂电池、稳压电路、负压转换电路、抗干扰电路和保护电路；电源模块包括锂电池、稳压电路、负压转换电路、抗干扰电路和保护电路；由锂电池产生的电压通过抗干扰电路奖励电源之间的耦合干扰，经由RT9193稳压电路产生稳定的3.3V电压为其他电路供电；负压转换电路产生负压提供给减法电路；抗干扰电路降低电源之间的耦合干扰；保护电路用于过压保护，保护元器件。

负压转换电路的具体结构为：包括控制芯片U4、第十五电容C15和第十六电容C16，控制芯片U4的8管脚接3.3V的电压，控制芯片的6管脚直接接地，控制芯片的5管脚接第十六电容C16后直接接地，控制芯片的4管脚与2管脚之间通过第十五电容C15连接，控制芯片的3管脚直接接地。

源稳压与保护电路的具体结构为：包括电源Power、按钮S1、控制芯片、第十二电容C12、第十三电容C13和第十四电容C14，电源Power的3管脚直接接地，1管脚直接接地，2管脚连接按钮S1后连接到控制芯片1管脚，控制芯片的1管脚与2管脚之间连接有第十二电容C12，控制芯片的1管脚与3管脚直接相连，控制芯片的4管脚连接第十四电容C14后接地，控制芯片的5管脚连接第十三电容C13后直接接地。

本发明在实施过程中，为了保证鸟类适应远距离负载飞行能力，首先对鸟类进行负重飞行训练，训练时设计的模拟背包与本发明涉及的记录装置尺寸一致，重量略大于该装置，在30g左右。为使鸟类充分适应背负的重物，进行放飞实验的鸟类从开始训练，背包一直固定于鸟类背部，整个训练周期在2周以上。鸟类负重的具体加载步骤为：选择鸟类不影响鸟类正常飞行的背部合适区域剪去羽毛，仅保留2mm左右的羽轴，在该区域涂AB胶，厚度不超过1mm，然后将尼龙搭扣的子代背侧涂AB胶后与背部进行贴合,待AB胶固化后将模拟背包固定于鸟类背部，模拟背包由AB胶将尼龙搭扣母版和两个螺母粘合而成。

完成负重训练的鸟类在进行首次野外放飞实验时，先负重进行2次归巢实验，以保证鸟类能够顺利安全的返回鸽舍，然后用该装置的GPS模块记录一次鸟类飞行轨迹，分析鸟类归巢的飞行路径，为路径规划提供轨迹数据。

进行鸟类电刺激调控实验时，在放飞点，将刺激绕线插上鸟类头部的转接接口，将整个装置粘贴在鸟类背部，待上电和GPS指示灯闪烁后，且主板指示灯闪烁一次时，将鸟类放飞。待鸟类归巢，取下装置，在PC端导出数据，在matlab或者Googleearth上分析飞行轨迹和检查刺激效果。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于鸟类户外飞行神经调控的装置，其特征在于，包括：GPS模块、主控模块、存储模块、刺激信号模块和电源模块；GPS模块与主控模块相连，接收卫星信号，根据卫星定位信号获取鸟类的定位信息和飞行状态并传送给主控模块；主控模块分别与存储模块和刺激信号模块相连，主控模块接收到GPS模块发送的鸟类飞行状态信息，将目标位置和当前位置信息进行比较，判断是否需要对鸟类大脑进行电刺激，若是，进一步判断需要何种刺激方式，并根据反馈的刺激效果实行进一步刺激，同时发送GPS位置信号和鸟类受刺激方式到存储模块；刺激信号模块根据主控模块发送的刺激指令，输出指定正负脉冲、频率、脉宽、脉冲数的刺激信号，经刺激线发送给刺激电极，刺激鸟类脑部特定区域；存储模块存储鸟类当前位置信息和运动状态，记录鸟类飞行运动的轨迹信息和刺激方式；电源模块与主控模块、GPS模块、存储模块和刺激信号模块分别相连，给各个模块进行供电。

2.如权利要求1所述的用于鸟类户外飞行神经调控的装置，其特征在于，GPS模块包括接收天线和GPS芯片；接收天线用于接收定位卫星发送的卫星信号；GPS芯片与接收天线相连，将接收到的卫星信号转变成符合NMEA-0813协议要求的数据格式，获取被追踪目标的地理位置信息以及运动信息，将其发送给主控模块。

3.如权利要求1所述的用于鸟类户外飞行神经调控的装置，其特征在于，主控模块包括STM32F103RBT6芯片以及时钟电路。

4.如权利要求1所述的用于鸟类户外飞行神经调控的装置，其特征在于，电源模块包括锂电池、稳压电路、负压转换电路、抗干扰电路和保护电路；由锂电池产生的电压通过抗干扰电路奖励电源之间的耦合干扰，经由RT9193稳压电路产生稳定的3.3V电压为其他电路供电；负压转换电路产生负压提供给减法电路；抗干扰电路降低电源之间的耦合干扰；保护电路用于过压保护，保护元器件。

5.如权利要求1所述的用于鸟类户外飞行神经调控的装置，其特征在于，存储模块包括TF卡槽、TF卡及配置的上拉电阻；TF卡安装在TF卡槽中，上拉电阻设置在TF卡的4管脚与6管脚之间。

6.如权利要求1所述的用于鸟类户外飞行神经调控的装置，其特征在于，刺激信号模块包括主控芯片发出的特定频率脉宽的PWM波信号，通过分压产生的低强度刺激信号和电路产生的正负脉冲信号。

7.一种用于鸟类户外飞行神经调控的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将装置固定穿戴于鸟类身上，在无刺激的情况下进行定点归巢放飞实验，记录鸟类归巢的飞行运动轨迹；

(2)将TF卡内的记录的鸟类飞行运动轨迹移至PC端进行轨迹分析，分析鸟类飞行运动的轨迹规律，寻找具有普遍规律的位点；

(3)对鸟类进行电极植入手术，等鸟类修养恢复后，将装置固定在鸟类身上，启动装置，在具有普遍规律的位点，当满足预编程判据条件时，向刺激模块发送相应的刺激信号；

(4)将获取的鸟类飞行调控过程的GPS信息存储至存储模块中，GPS信息包括追踪目标的地理位置、速度、高度、记录时间和刺激方式；

(5)飞行活动结束后，将存储模块中的数据导出到电脑，在Googleearth或者matlab上生成轨迹曲线，分析实验刺激效果或进一步分析实验。

8.如权利要求7所述的用于鸟类户外飞行神经调控的方法，其特征在于，预编程判据包括位置判据和时间判据。

9.如权利要求8所述的用于鸟类户外飞行神经调控的方法，其特征在于，位置判据具体为：事先编程设定鸟类预期的飞行通道GPS坐标，通道分为左右两条边界，当GPS模块成功获取被追踪目标当前的位置信息后，GPS模块发送鸟类的位置坐标和状态信息给主控模块与预设通道GPS坐标进行判定，并根据前后两次的坐标变化判定鸟类的飞行方向；当鸟类飞出预设通道时，根据获取的飞行方向和偏转方向，主控模块向刺激信号模块发送相应的刺激信号，通过鸟类头部的电极刺激鸟类，促使其回到预期飞行通道内；同时，主控模块接收下一次GPS信息，判读飙泪的飞行状态，根据反馈的刺激效果决定是否进行下一步刺激，根据获得的不同状态信息，使用相应强度和频率的刺激信号刺激，促使其完成预期的飞行活动。

10.如权利要求8所述的用于鸟类户外飞行神经调控的方法，其特征在于，时间判据具体为：事先编程设定刺激信号发生的时刻，当鸟类飞行达到这一时刻时，由主控模块向刺激信号模块发送刺激信号，控制鸟类的飞行动作，促使其完成飞行活动；刺激过程中，具体包括每个小周期，刺激2s休息2s，5组小周期刺激后等待30s，换同样的反方向5组刺激，也间隔30s，每个大周期共100s。