基于預設直線通道的鴿子機器人飛行轉向調控研究

馬曉琪，陳姝元

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京210016)

0 引言

隨著社會發展和科學的進步，傳統人造機械機器人發展迅速，但其普遍存在靈活性低和適應性差等問題，于是動物機器人應運而生。動物機器人是對動物直接進行控制，指利用動物自身優點，采用腦機接口技術，結合電子信息科學、腦科學、控制科學等多學科技術對動物的感覺傳入或其內部神經進行刺激控制，從而人為操控動物行為，使其能夠代替或輔助人類完成危險復雜的作業任務[1-3]。目前鴿子機器人是戶外實驗研究的熱門課題，其天生的導航、回巢、避障、避險和抗干擾等能力得到研究人員的廣泛認可。因此對鴿子機器人的飛行調控研究意義重大。

2005年國外學者VYSSOTSKI A L等制作了一套鴿子數據記錄系統，研究了飛行狀態下鴿子的腦電信號[4]；2017 年國內學者YANG J Q等研發了一套鴿子戶外自由飛行時給予刺激并記錄飛行軌跡的設備[5]，利用該設備研究了鴿子機器人在脈沖頻率和脈沖持續時間的最優刺激參數問題；2019年國內鄭州大學王宏昌研制了一套基于軌跡偏差反饋的鴿子飛行裝置[3]，利用該裝置實現了控制鴿子按照預規劃路徑飛行的功能，實現方法是通過該飛行裝置根據GPS實時定位信息計算出鴿子當前位置與預設路徑之間的偏差，根據偏差的大小和方向對鴿子施加不同轉向行為和不同強度的刺激，最終實現了實時調整鴿子飛行軌跡使其按照預設折線軌跡飛行的功能，但由于研究基于動物活體，該研究在綜合考慮鴿子機器人的刺激耐受性、自主運動意圖和神經疲勞等生物特性方面尚有不足，需要完善控制策略和算法。本文在前人的基礎上研究控制鴿子機器人飛行轉向行為的優化算法，改善控制策略使其飛行轉向的控制效果更好。

本研究更加注重鴿子機器人飛行轉向行為控制的準確性和多因素的綜合考量，深入研究鴿子機器人控制策略的優化，目的在于通過具有預編程功能的飛行裝置刺激調控鴿子機器人，使其運動轉向具有一定的支配性和確定性。研究方法主要是通過戶外試驗檢驗控制算法的有效性并比較不同控制策略的試驗結果，最終得到效果更佳的控制算法。

1 材料和方法

1.1 飛行控制邏輯設計

微處理器上的控制主程序基于Keil uVision5平臺開發，程序用C語言編寫。主控制程序的功能模塊主要包括刺激器參數設置、SD卡及文件系統初始化、直線通道設置、GPS定位信息的記錄、經緯度信息的平面直角坐標轉換、運動信息計算、轉向行為判斷、室外定時刺激以及程序停止等。其中直線通道設置和轉向行為判斷功能可以為不同的實驗軌跡配置個性的參數方案。

根據刺激方案，當鴿子機器人超出預設通道需要施加轉向刺激時，由刺激裝置輸出一系列頻率為80 Hz的脈沖，產生虛擬神經電活動從而控制鴿子行為[6]。刺激發送端分為3個端口，3路分別為參考地電壓、左轉刺激信號和右轉刺激信號[6]，可分別設置刺激脈沖參數，如脈沖周期和占空比等。基于GPS坐標的鴿子機器人飛行調控[6]流程如圖1所示。GPS獲取的信息由鴿子飛行器的存儲卡記錄，通過讀卡器傳輸至計算機進行數據顯示和處理。

圖1 基于GPS坐標的鴿子機器人飛行調控流程圖

1.2 鴿子飛行控制實驗

1)實驗材料

3只實驗鴿，編號分別為19號、W1號和15號，平均體重438 g(±20 g)，年齡6個月左右，身體健壯，具有優秀持久飛行能力及導航能力，均養殖于南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所鴿舍。

2)鴿子機器人的端口測試和選用

通過室內藍牙裝置進行鴿子機器人端口測試，選擇負正脈沖連續刺激方式，設置頻率80 Hz，波寬1 ms，首次刺激電壓1.2 V。借助實驗人員自主開發的手機應用軟件，根據鴿子的刺激應答情況進行參數調整，按步長0.2 V逐漸增加電壓至鴿子產生強度合適的刺激反應，電壓上限為2.6 V。

由于端口間存在差異，需比對不同端口下鴿子的反應效果，選取左右轉刺激效果最好的一對端口，并確定能使鴿子產生轉向運動的最小信號(鴿子勻速自然地旋轉一圈)并記錄。實驗測試結果見表1和表2。最終根據測試結果19號鴿左轉刺激通道為3，刺激電壓為1.8 V，右轉刺激通道為8，刺激電壓為2.0 V；W1號鴿左轉刺激通道為4，刺激電壓為2.0 V，右轉刺激通道為7，刺激電壓為2.5 V；15號鴿左轉刺激通道為3，刺激電壓為2.0 V，右轉刺激通道為6，刺激電壓為2.0 V。

表1 實驗鴿端口測試通道反應

表2 左右轉所選通道刺激電壓測定結果 單位：V

19號實驗鴿測試時鴿子的有效行為反應如圖2所示。本研究采用直徑0.2 mm的八芯細導線制作彈簧刺激線，用于連接設備所選端口和鴿子腦部電極進行刺激信號的輸出。

圖2 端口測試時鴿子的左右轉刺激反應

1.3 鴿子機器人公里級直線飛行控制的模擬仿真

鴿子飛行軌跡的模擬仿真程序基于MATLAB平臺開發。將軌跡數據導入平臺，模擬大地坐標系下鴿子飛行狀態，通過模擬找出最佳實驗直線通道。后期實驗所得數據仍用該方式顯示運動軌跡，以檢驗刺激主程序的正確性和可靠性。

為保證鴿子安全需確保刺激主程序準確無誤，于正式試驗前采用兩種方式檢驗，一為實驗者攜刺激設備乘校車，檢驗對校車軌跡的刺激情況是否符合預期；二為實驗鴿僅背載刺激設備但腦部未連接刺激線，檢驗對鴿子軌跡的刺激情況是否符合預期，并預估施加刺激后能否達到實驗要求。檢驗時刺激裝置僅需記錄GPS定位信息，通過上述方式借助MATLAB分析處理數據，優化控制算法，至少連續3次獲得符合預期的鴿子背載檢驗數據，才可正式進行鴿子機器人飛行刺激試驗。

2 結果

2.1 實驗方案

采用基于GPS坐標的鴿子機器人飛行調控[6]，預先設定了鴿子機器人飛行直線通道，當鴿子飛行軌跡偏離預設通道時，根據GPS定位經緯度信息判斷鴿子飛行狀態，向端口發送特定刺激信號，從而調控鴿子機器人的飛行轉向行為。根據鴿子當前所在位置與通道之間的距離偏差，判斷鴿子機器人是否超越邊界。當判斷其超出邊界范圍時，根據鴿子飛行速度方向和通道傾角之間的角度偏差，判斷是否需給予刺激以及應給予何種轉向行為的刺激，判斷依據如圖3所示。

圖3 刺激輸出判斷依據

根據前期多次鴿子背載試驗的軌跡數據，設計擬合了寬500 m的直線通道，通道起點設置為秦淮河，選定北緯31.985°；終點為南航仿生所鴿舍，東經118.817 5°、北緯32.04°。因鴿子對刺激信號反應具有延遲性和疲勞性，為確保戶外實驗刺激效果，設計刺激方案如下：過秦淮河后等待5 s進入刺激判斷，單次刺激時長2 s，刺激后休息2 s才能進行下次刺激判斷，刺激2 s停2 s視為一個刺激小周期；當連續刺激了5個小周期時，設置20 s等待時間進行休息，期間不施加刺激，并將其視為一個刺激大周期；40個小周期為刺激上限，當刺激總次數達上限時停止刺激判斷，當鴿子機器人到達終點時退出刺激主程序，刺激結束。將所得軌跡數據和刺激數據上傳至計算機，用MATLAB和谷歌地圖顯示鴿子實際飛行軌跡，進行數據處理和分析，根據實驗所得數據，由刺激前后鴿子機器人的坐標變化計算出刺激后鴿子機器人每秒鐘飛行方向的角度變化，從而得到不同刺激形式下鴿子機器人左右轉刺激反應的成功率。

2.2 實驗結果

對3只實驗鴿子機器人進行遠距離飛行調控實驗，每只鴿子機器人調控實驗重復 3 次。實驗記錄鴿子機器人飛行軌跡如圖4所示。在設計的飛行調控刺激方案下，當鴿子機器人飛行軌跡超出左邊界且飛行方向與邊界方向夾角<90°時，向鴿子施加右轉刺激信號，鴿子隨即出現右轉趨勢，繼而向邊界內飛行；當鴿子機器人處于左邊界外且飛行方向與邊界方向夾角≥90°時，向鴿子施加左轉刺激信號，鴿子機器人即出現左轉趨勢，進而能更快飛回通道邊界內，轉向趨勢符合實驗預期。實驗結果表明本實驗成功實現了對鴿子機器人飛行轉向的調控，達到了控制鴿子機器人飛行軌跡趨向于預設直線通道的目的。

圖4 3只實驗鴿轉向調控飛行軌跡

3 結語

在基于GPS坐標的鴿子機器人戶外飛行調控實驗中，設計了鴿子機器人飛行控制策略和控制算法，通過GPS定位獲取鴿子當前位置坐標，進行偏差比較，判斷施加的刺激，從而實現鴿子飛行方向的調控，其轉向使軌跡趨向于預設直線通道。分別選取每只鴿子實驗效果最好的一組數據進行處理，統計得到了不同形式刺激下鴿子左右轉刺激反應的成功率，統計結果如表3所示。實驗結果表明：成功實現了對鴿子機器人戶外飛行的轉向行為調控，達到了控制鴿子機器人飛行軌跡趨向于人為規劃直線路徑的目的。本研究對鴿子機器人日后的飛行調控研究具有借鑒意義，推動鴿子機器人在人員搜救、空間探索、定點運輸和情報偵查等實際應用方面的發展。

表3 鴿子機器人實驗統計數據

本研究最終僅實現鴿子機器人的轉向調控，但對其轉向程度的控制效果不佳，后續將進一步研究優化刺激參數辦法，實現鴿子從趨向于直線通道飛行轉變為在直線通道內飛行，實現對其飛行軌跡的調控。鴿子機器人調控由外加刺激信號和自身大腦控制共同作用，隨著刺激實驗次數增加外加刺激信號的調控效果會逐漸減弱，且有的鴿子機器人刺激后出現逃避實驗的現象，因此需嚴謹設置刺激參數，參數設置方法有待改進。通過調整參數，獲得滿足實驗需求的最溫和的、刺激強度最小的刺激信號，把對鴿子日常生理活動的影響和對鴿子相關腦區的傷害降到最小，減小刺激效果的衰減速度，延長鴿子機器人的使用壽命?？紤]到生物本身具有個體差異性，同一刺激強度下其反應速度和應答效果有所不同，因此需要更多試驗鴿驗證本研究的有效性和普適性。