CN111718833A - 基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备及方法 - Google Patents

基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，包括箱体、设置在箱体内的黏菌培养盘、设置在黏菌培养盘上方的投料嘴以及用于向投料嘴输送食物的食物输送装置，在箱体内设有导轨，投料嘴可移动地设置在导轨上，在箱体内还设有用于驱动投料嘴在导轨上实现两个维度水平运动的驱动机构，在箱体中设有可以向黏菌培养盘投射光线或者光点的光源和用于采集黏菌运动图像的图像采集装置。采用本发明的技术方案后，本发明具有结构简单、操作方便，能够提升模拟效率的优点，对提升类似城市规划、交通路线、逃生通道规划等工程问题的智能化具有一定的指导意义。本发明还提出了采用该设备进行工程路径规划的方法。

Description

基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备及方法
技术领域
本发明涉及一种基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备及方法。
背景技术
黏菌是介于动、植物之间的一种微生物，喜欢在遮阴、潮湿的地方，自然界中往往存在于森林中倒伏的腐木背后。黏菌能够吞噬营养，是可移动的黏菌变形体和原生质团，原质团是其营养体。燕麦、平菇都是黏菌喜欢的食物。成熟时，黏菌前端有着发达的扇状结构,亮黄色，前缘加厚，属显型原质团类型，具有迁移、融合和吞噬等特征，有着特殊的芳香气味，在迁移的过程中原质团的形态会不断发生变化。如果有几个原质团在迁移时若相遇,会融合成为一个大原质团，在保证充足食物来源，黄色的原质团可很快布满整个容器。黏菌觅食时，原质团可变形，具有向食物聚集吞噬的特性，如果食物处于分散状态，黏菌就会在食物之间形成管道，不同原质团黏菌在迁移时若相遇会融合形成管道输送养分。黏菌在不同食物分布情况下形成的路径网络并不相同，这些网络有着共同的特点：经常用的管道会越来越发达，而不用的管道会逐渐消失；最终网络的总长度达到尽可能短，这就符合节能高效的特征；黏菌这种在觅食时展现出来的由原生质团变形所形成的特别觅食轨迹，显示出惊人的高效路径图，可用于我们解决人工或者计算机难以模拟的复杂问题。但是也存在以下几个问题：(1)黏菌养殖需要专业的生物设备例如温箱等；(2)黏菌食物的定量和定位需要较高的精度，通过人工操作容易造成较大的结果偏差；(3)需要长时间不间断的观察和数据记录，采用人工需要耗费大量时间和精力。
鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够定量精准投料、提升模拟效率和操作便捷性的基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，本发明的另一目的在于提出基于黏菌生物特性的自动路径工程规划方法，用于辅助解决实际工程问题。
为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：
基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，包括箱体、设置在箱体内的黏菌培养盘、设置在黏菌培养盘上方的投料嘴以及用于向投料嘴输送食物的食物输送装置，在箱体内设有导轨，投料嘴可移动地设置在导轨上，在箱体内还设有用于驱动投料嘴在导轨上实现两个维度水平运动的驱动机构，在箱体中设有可以向黏菌培养盘投射光线或者光点的光源和用于采集黏菌运动图像的图像采集装置。
作为本发明的一种优选方式，所述驱动机构包括第一导轨、第二导轨、第三导轨、可正转和反转的第一电机、可正转和反转的第二电机、第一锯齿皮带以及第二锯齿皮带，第一导轨、第二导轨以及第三导轨均沿水平方向设置，第一导轨和第二导轨平行设置，第一导轨上设有可在第一导轨上滑动的第一滑块，第二导轨上设有可在第二导轨上滑动的第二滑块，第三导轨的两端分别安装在第一滑块和第二滑块上，第三导轨上设有可在第三导轨上滑动的第三滑块，所述投料嘴安装在第三滑块上，在第一电机的输出轴上设有第一齿轮，第二电机的输出轴上设有第二齿轮，还包括可转动地设置在箱体中的第三导轮、第四导轮、第五导轮以及第六导轮，第一齿轮、第二齿轮、第三导轮以及第四导轮位于四边形的四个顶点上，第一齿轮、第二齿轮、第五导轮以及第六导轮位于另一四边形的四个顶点上，在所述第一滑块上设有可转动的第七导轮和第八导轮，在所述第二滑块上设有可转动的第九导轮和第十导轮，第一锯齿皮带的两端均固定在第三滑块的两侧上，第二锯齿皮带两端之间的部位依次绕设第七导轮、第一齿轮、第三导轮、第六导轮和第十导轮上，第二锯齿皮带的两端分别固定在第三滑块的两侧，第二锯齿皮带的两端之间的部位依次绕设在第十导轮、第二齿轮、第四导轮、第五导轮以及第七导轮上。
作为本发明的一种优选方式，所述箱体中设有沿水平方向的托板，托板设置在所述第三滑块的下方，所述黏菌培养盘放置在托板上。
作为本发明的一种优选方式，所述箱体还设有安装板，安装板位于第三滑块的上方，所述光源和所述图像采集装置设置在安装板上。
作为本发明的一种优选方式，所述食物输送装置包括用于放置食物的料筒和用于输送食物的蠕动泵，蠕动泵的进料端与料筒连接，蠕动泵的出料端与所述投料嘴连接。
作为本发明的一种优选方式，所述箱体内设有湿度传感器和温度传感器。
作为本发明的一种优选方式，所述箱体内设有制冷机构和制热机构。
采用上述基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备的规划方法包括如下步骤：
A、将待规划的问题模型化，并将模型地图对应置于具有黏菌的黏菌培养盘下；
B、在黏菌培养盘上对应模型地图的投放黏菌喜好的食物和设置可阻挡黏菌的光线或者光点，通过食物输送装置和投料嘴控制食物的投放量，通过驱动机构控制食物的投料点；
C、通过制冷机构和制热机构控制黏菌的取食环境；
D、利用图像采集装置采用黏菌觅食路径图片；
E、对采集到的图片进行处理，得出相应的规划路径。
作为本发明的一种优选方式，所述黏菌培养盘具有透明的底盘，模型地图放置在底盘的下方。
采用本发明的技术方案后，通过光源在黏菌培养盘上形成阻挡光墙，通过食物在黏菌培养盘上形成取食节点(路径需要经过的节点)，通过驱动机构可以实现自动投放食物，通过图像采集装置找到黏菌的最佳运动路径，并辅助工程规划，本发明具有结构简单、操作方便，能够提升模拟效率的优点，对提升类似城市规划、交通路线、逃生通道规划等工程问题的智能化具有一定的指导意义。本发明还提出了采用该设备进行工程路径规划的方法。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明部分部件的配合原理图。
图3为本发明中模型地图结构示意图。
图4为本发明模型地图配合黏菌培养盘的结构示意图。
图中：
箱体10 第一导轨11
第二导轨12 第三导轨13
托板14 安装板15
黏菌培养盘20 底盘21
料筒31 蠕动泵32
投料嘴33 第一齿轮41
第二齿轮42 第三导轮43
第四导轮44 第五导轮45
第六导轮46 第七导轮47
第八导轮48 第九导轮49
第十导轮410 第一电机401
第二电机402 第一锯齿皮带403
第二锯齿皮带404 第一滑块405
第二滑块406 第二滑块406
光源50
图像采集装置60 制冷机构71
制热机构72 排气扇73
黏菌80 燕麦81
地图82
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。
参照图1至图4，基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，包括箱体10、设置在箱体10内的黏菌培养盘20、设置在黏菌培养盘20上方的投料嘴33以及用于向投料嘴33输送食物的食物输送装置，箱体10的外形呈长方体状，内部具有容置空间，在图1中为方便看到箱体10内的部件，箱体10的上盖未示出。在箱体10内设有导轨，投料嘴33可移动地设置在导轨上，在箱体10内还设有用于驱动投料嘴33在导轨上实现两个维度(也即可以驱动投料嘴33在一定区域内任意移动，在某一个平面区域内任意移动)水平运动的驱动机构，在箱体10中设有可以向黏菌培养盘20投射光线或者光点的光源50和用于采集黏菌80运动图像的图像采集装置60，在实施例中，通过广角120度，200万像素高清摄像头采集黏菌80动态路径，预设值5min拍照一次。并通过上位机可储存和处理相关图片，从而得出黏菌80的路径轨迹。为了营造较为阴暗的环境，箱体10可以设置成不透光，在箱体10中设置照明装置，照明装置采用频闪的灯源，当要拍照时，灯源打开，拍照结束后，迅速关闭灯源。
本发明中，根据黏菌80怕光的属性，通过光源50在黏菌培养盘20上投射预定形状的光点、光线、光区，形成光墙，表示路径规划中的禁止区域，黏菌80不会穿过光墙，用来模拟实际工程问题的路径蔽区域。
作为本发明的一种优选方式，所述驱动机构包括第一导轨11、第二导轨12、第三导轨13、可正转和反转的第一电机401、可正转和反转的第二电机402、第一锯齿皮带403以及第二锯齿皮带404，第一电机401和第二电机402均固定在箱体10上，第一导轨11、第二导轨12以及第三导轨13均沿水平方向设置，第一导轨11和第二导轨12平行设置，第三导轨13与第一导轨11和第二导轨12均垂直设置。第一导轨11上设有可在第一导轨11上滑动的第一滑块405，第二导轨12上设有可在第二导轨12上滑动的第二滑块406，第三导轨13的两端分别安装在第一滑块405和第二滑块406上，第三导轨13上设有可在第三导轨13上滑动的第三滑块407，所述投料嘴33安装在第三滑块407上。在第一电机401的输出轴上设有第一齿轮41，第一齿轮41的轴线沿竖直方向设置，第二电机402的输出轴上设有第二齿轮42，第二齿轮42的轴向沿竖直方向设置，通过第一电机401和第二电机402分别拉动相应的第一锯齿皮带403和第二锯齿皮带404。本发明还包括可转动地设置在箱体10中的第三导轮43、第四导轮44、第五导轮45以及第六导轮46，第三导轮43、第四导轮44、第五导轮45以及第六导轮46中各导轮的轴向均沿竖直方向设置，第一齿轮41、第二齿轮42、第三导轮43以及第四导轮44位于四边形的四个顶点(大体在一个矩形的四个顶点上)上，第一齿轮41、第二齿轮42、第五导轮45以及第六导轮46位于另一四边形的四个顶点上，在所述第一滑块405上设有可转动的第七导轮47和第八导轮48，第七导轮47和第八导轮48的轴线均沿竖直方向设置，在所述第二滑块406上设有可转动的第九导轮49和第十导轮410，第一锯齿皮带403的两端均固定在第三滑块407的两侧上(分别位于图1的左侧和右侧)，第二锯齿皮带404两端之间的部位依次绕设第七导轮47、第一齿轮41、第三导轮43、第六导轮46和第十导轮410上，第二锯齿皮带404的两端分别固定在第三滑块407的两侧(分别位于图1的左侧和右侧)，第二锯齿皮带404的两端之间的部位依次绕设在第十导轮410、第二齿轮42、第四导轮44、第五导轮45以及第七导轮47上。采用本发明的驱动机构，当第一电机401的输出轴和第二电机402的输出轴转动方向相同时，第一齿轮41和第二齿轮42可以分别拉动第一锯齿皮带403和第二锯齿皮带404移动，从而带动第三滑块407在第三导轨13上向左或者向右移动。当第一电机401的输出轴和第二电机402的输出轴转动方向相反时，可以带动第一滑块405和第二滑块406分别沿着第一导轨11和第二导轨12移动(即图1的上下方向)，第一滑块405和第二滑块406通过第三导轨13(在实施例中，第三导轨13为两根)连接在一起进行同步移动，从而带动第三滑块407滑动。本发明的驱动机构能够带动第三滑块407在水平面内的某一位置精确平稳地移动，实现精准的投送食物。
作为本发明的一种优选方式，所述箱体10中设有沿水平方向的托板14，托板14设置在所述第三滑块407的下方，所述黏菌培养盘20放置在托板14上。
作为本发明的一种优选方式，所述箱体10还设有安装板15，安装板15位于第三滑块407的上方，所述光源50和所述图像采集装置60设置在安装板15上。
作为本发明的一种优选方式，所述食物输送装置包括用于放置食物的料筒31和用于输送食物的蠕动泵32，蠕动泵32的进料端与料筒31连接，蠕动泵32的出料端与所述投料嘴33连接。在本实施例中，食物选用燕麦81，用破壁机把燕麦81磨成粉状，加水调制成适当浓度的糊状形成燕麦糊，利用蠕动泵32可以泵送燕麦81糊，蠕动泵32采用步进电机控制，可以对燕麦81糊进行精确的定量。
作为本发明的一种优选方式，所述箱体10内设有湿度传感器和温度传感器，用于监测黏菌80生长环境的温度和湿度，黏菌80最适宜的温度是25摄氏度，湿度80％以上。作为本发明的一种优选方式，所述箱体10内设有制冷机构71和制热机构72，箱体10上还设有排气扇73，制热机构72可以采用加热片，制冷机构71可以采用冷片，或者采用其它可以进行制热或者制冷的机构，主要用于在箱体10内营造最佳的温度和湿度，提升黏菌的生长速度。
采用上述基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备的规划方法包括如下步骤：
A、将待规划的问题模型化，并将模型地图82对应置于具有黏菌80的黏菌培养盘20下，在实施例中，以工程路径规划为例；
B、在黏菌培养盘20上对应模型地图82的投放黏菌80喜好的食物和设置可阻挡黏菌80的光线或者光点，食物的位置代表路径拟通过的节点，光点或者光线为路径禁止通过的区域，通过食物输送装置和投料嘴33控制食物的投放量，通过驱动机构控制食物的投料点；
C、通过制冷机构71和制热机构72控制黏菌80的取食环境；
D、利用图像采集装置60采用黏菌80觅食路径图片；
E、对采集到的图片进行处理，得出相应的规划路径。
作为本发明的一种优选方式，所述黏菌培养盘20具有透明的底盘21，模型地图82放置在底盘21的下方，通过底盘21可以看到地图82，从而使得食物的投放点与地图82的相应位置对应起来。
为了进一步地提升处理效率，本发明可以通过公知的上位机和下位机进行信息接收和处理，下位机设置在箱体10中，下位机选用arduino mega2560，上位机Labview通过串口向下位机发送驱动机构参数以及蠕动泵32的运动参数。下位机反馈各个传感器信息，上位机通过判断，做出温度控制和湿度控制的相关信号。在实施例中，导入待解决的实际工程问题地图82，利用手动方式或者程序自动方式，在实际地图82上需要模拟的路径节点点选，并设置取食量的大小，得到黏菌80运动的各个节点，黏菌80通过在各节点中运动形成最佳路径，通过labview处理后的图片进行密集采点，描绘出路径，得到各个点的数据，这些数据可以直接导出作为下一步工程问题解决的重要参考。
实际工程问题中的路径规划问题，各个节点最重要的参数是人口数量或者车辆数量。测试过程以实际工程问题中的人口数量作为节点的标志参数，以黏菌80食物量模拟该参数。统计模拟地图82中各个节点的总人数，以每个黏菌培养盘20总的燕麦糊重量10mg为标准，可以算出该地图82各个节点人口数量与燕麦糊质量的比例系数，自动算出各个节点的燕麦糊质量，转换为蠕动泵32驱动信号。
实验模拟泉州台商投资区东园镇与百崎乡的轻轨站点规划为例子。通过计算得出设备所需的控制参数，下表：
模拟节点 片区 人口总数 燕麦质量
模拟节点1 锦厝片区 13000 1.6mg
模拟节点2 镇区 20000 2.5mg
模拟节点3 群青片区 10000 1.3mg
模拟节点4 百崎乡片区 25000 3.1mg
模拟节点5 秀江片区 12000 1.5mg
总人口 80000 10mg
本发明通过，实验研究表明，黏菌80总是选出了能量消耗最少、又能获得食物的通道。在多节点最优方案上，黏菌80真正厉害之处是能考虑各个节点的情况，所寻求不简单的是最短路径，而是问题的最优方案。黏菌80的路径规划几乎满足了对智能网络路径的多重需求，是实际工程问题中所寻求的最佳优化解。利用黏菌80生物节能高效特性的自动路径工程规划设备的制作对工程设计，对提升类似城市规划、交通路线、逃生通道规划等工程问题的智能化，发挥生物高效节能的特性，尤其是最佳路径和逃生路径有积极的引导意义，能利用生物的特性将弱人工智能向强人工智能发展。
本发明的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (9)

1.基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，其特征在于：包括箱体、设置在箱体内的黏菌培养盘、设置在黏菌培养盘上方的投料嘴以及用于向投料嘴输送食物的食物输送装置，在箱体内设有导轨，投料嘴可移动地设置在导轨上，在箱体内还设有用于驱动投料嘴在导轨上实现两个维度水平运动的驱动机构，在箱体中设有可以向黏菌培养盘投射光线或者光点的光源和用于采集黏菌运动图像的图像采集装置。
2.如权利要求1所述的基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，其特征在于：所述驱动机构包括第一导轨、第二导轨、第三导轨、可正转和反转的第一电机、可正转和反转的第二电机、第一锯齿皮带以及第二锯齿皮带，第一导轨、第二导轨以及第三导轨均沿水平方向设置，第一导轨和第二导轨平行设置，第一导轨上设有可在第一导轨上滑动的第一滑块，第二导轨上设有可在第二导轨上滑动的第二滑块，第三导轨的两端分别安装在第一滑块和第二滑块上，第三导轨上设有可在第三导轨上滑动的第三滑块，所述投料嘴安装在第三滑块上，在第一电机的输出轴上设有第一齿轮，第二电机的输出轴上设有第二齿轮，还包括可转动地设置在箱体中的第三导轮、第四导轮、第五导轮以及第六导轮，第一齿轮、第二齿轮、第三导轮以及第四导轮位于四边形的四个顶点上，第一齿轮、第二齿轮、第五导轮以及第六导轮位于另一四边形的四个顶点上，在所述第一滑块上设有可转动的第七导轮和第八导轮，在所述第二滑块上设有可转动的第九导轮和第十导轮，第一锯齿皮带的两端均固定在第三滑块的两侧上，第二锯齿皮带两端之间的部位依次绕设第七导轮、第一齿轮、第三导轮、第六导轮和第十导轮上，第二锯齿皮带的两端分别固定在第三滑块的两侧，第二锯齿皮带的两端之间的部位依次绕设在第十导轮、第二齿轮、第四导轮、第五导轮以及第七导轮上。
3.如权利要求2所述的基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，其特征在于：所述箱体中设有沿水平方向的托板，托板设置在所述第三滑块的下方，所述黏菌培养盘放置在托板上。
4.如权利要求3所述的基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，其特征在于：所述箱体还设有安装板，安装板位于第三滑块的上方，所述光源和所述图像采集装置设置在安装板上。
5.如权利要求4所述的基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，其特征在于：所述食物输送装置包括用于放置食物的料筒和用于输送食物的蠕动泵，蠕动泵的进料端与料筒连接，蠕动泵的出料端与所述投料嘴连接。
6.如权利要求5所述的基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，其特征在于：所述箱体内设有湿度传感器和温度传感器。
7.如权利要求6所述的基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备，其特征在于：所述箱体内设有制冷机构和制热机构。
8.采用权利要求7所述的基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备的规划方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、将待规划的问题模型化，并将模型地图对应置于具有黏菌的黏菌培养盘下；
B、在黏菌培养盘上对应模型地图的投放黏菌喜好的食物和设置可阻挡黏菌的光线或者光点，通过食物输送装置和投料嘴控制食物的投放量，通过驱动机构控制食物的投料点；
C、通过制冷机构和制热机构控制黏菌的取食环境；
D、利用图像采集装置采用黏菌觅食路径图片；
E、对采集到的图片进行处理，得出相应的规划路径。
9.如权利要求8所述的基于黏菌生物特性的自动路径工程规划设备的规划方法，其特征在于：所述黏菌培养盘具有透明的底盘，模型地图放置在底盘的下方。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114063623A (zh) * 2022-01-11 2022-02-18 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种基于多策略改进的黏菌算法的机器人路径规划方法

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