昆蟲飛行信息自動化采集裝置的設(shè)計(jì)

陸古月，邢 強(qiáng)，趙 蔚，馬 磊，張小萍，王文波

（1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019；2.南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226019；3.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

昆蟲在復(fù)雜環(huán)境中飛行時，采取了豐富的感知行為去識別障礙及尋找最優(yōu)飛行路徑。分析這些行為對飛行器障礙感知和避障控制等研究具有十分重要的意義[1-4]，因此昆蟲的飛行受到了生物學(xué)家和工程師的密切關(guān)注[5-7]。用昆蟲的飛行機(jī)制來啟發(fā)仿生飛行器感知系統(tǒng)[8-9]的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于精準(zhǔn)地獲取昆蟲的飛行信息。現(xiàn)行昆蟲飛行信息獲取方法主要為拴系法和自由法[10-11]，但其存在昆蟲運(yùn)動受限、采集數(shù)據(jù)量大和效率低等問題。因此，研發(fā)昆蟲飛行信息自動化采集裝置十分必要。

拴系法是將實(shí)驗(yàn)生物拴系在飛行磨機(jī)上，利用力傳感器和測速器等設(shè)備測量生物的運(yùn)動參數(shù)。如：Lawson等[12-13]以昆士蘭果蠅為研究對象，給予果蠅視覺和氣流刺激，利用力反饋傳感器測量果蠅飛行時產(chǎn)生的推力和俯仰力矩，以此研究昆蟲應(yīng)對風(fēng)速和光流變化的飛行反應(yīng)機(jī)制；Ribak等[14]將紅棕象甲拴系在飛行磨機(jī)上，分析其飛行時的速度、曲率和向心加速度等參數(shù)，研究紅棕象甲的飛行耐力和飛行生理學(xué)特征。拴系法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠精準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)變量，直觀獲取實(shí)驗(yàn)對象的飛行參數(shù)，但要求實(shí)驗(yàn)對象降低飛行速度[15]，導(dǎo)致獲取的飛行參數(shù)失真。自由法是通過設(shè)定“誘餌”和飛行通道引導(dǎo)生物飛行[16-17]，同時利用高速相機(jī)獲取生物飛行軌跡參數(shù)。如：Ravi等[18]根據(jù)高速相機(jī)采集的大黃蜂飛行序列圖像獲取其穿越障礙墻間隙時的質(zhì)心位置、體長和航向等參數(shù)，并綜合其飛行過程中速度矢量的變化研究大黃蜂識別間隙、評估通過性的機(jī)制，然而，該實(shí)驗(yàn)通過人工手段把控大黃蜂進(jìn)入通道，存在耗時長、效率低等問題；Bertrand等[19]采用通道內(nèi)的異色障礙來研究大黃蜂的視覺記憶行為，由于在實(shí)驗(yàn)中高頻地使用相機(jī)，造成了數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等問題，且由于實(shí)驗(yàn)場地選在室內(nèi)，昆蟲的行為易受人為影響，導(dǎo)致得出的行為機(jī)制存在偏差；Ravi等[20]通過分析不同障礙間距下大黃蜂的自定位感知行為，研究大黃蜂在復(fù)雜環(huán)境下的感知機(jī)制，但研究主要涉及昆蟲在靜態(tài)障礙下的感知機(jī)制，未涉及在動態(tài)障礙下的感知機(jī)制。

筆者設(shè)計(jì)了一種自動采集昆蟲自由飛行信息的裝置。通過視覺檢測手段和機(jī)械操作的方式，實(shí)現(xiàn)昆蟲飛行信息的自動化采集，以解決傳統(tǒng)方法存在的昆蟲運(yùn)動受限、采集數(shù)據(jù)量大和效率低的問題，為研究動態(tài)障礙下昆蟲的飛行感應(yīng)機(jī)制提供支持；以中華蜜蜂為實(shí)驗(yàn)對象，通過其飛行信息自動化采集實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該裝置的適用性以及采集的效率和準(zhǔn)確率，并通過分析蜜蜂自由穿越間隙的軌跡信息來推斷其識別間隙的機(jī)制與橫向運(yùn)動的幅度和速度是否存在聯(lián)系。

1 裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

昆蟲飛行信息自動化采集裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個裝置由障礙通道模塊、運(yùn)動觸發(fā)采集模塊、飛行軌跡獲取模塊和自動采集控制系統(tǒng)等組成。

圖1 昆蟲飛行信息自動化采集裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of automatic collection device for insect flight information

裝置的工作原理為：首先利用障礙通道模塊引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)昆蟲飛行，其次采用間隙控制器調(diào)整障礙物間距和開閉速度，然后借助運(yùn)動觸發(fā)采集模塊檢測昆蟲的飛行方向，當(dāng)飛行方向符合設(shè)定時發(fā)出采集指令而觸發(fā)高速相機(jī)，實(shí)現(xiàn)飛行序列圖像的采集，最后通過飛行軌跡獲取模塊獲得昆蟲飛行軌跡信息。

2 裝置的功能模塊設(shè)計(jì)

昆蟲飛行信息自動化采集裝置3個主要功能模塊的設(shè)計(jì)包括功能設(shè)計(jì)和硬件選取。各模塊之間協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)對昆蟲飛行序列圖像的采集和飛行軌跡信息的獲取。

2.1 障礙通道模塊

障礙通道模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)昆蟲的快速自定位、引導(dǎo)昆蟲飛行并提供動態(tài)和靜態(tài)的障礙場景。該模塊主要由間隙控制器、飛行通道和紅外LED（light emitting diode，發(fā)光二極管）補(bǔ)光燈等組成。其中間隙控制器是障礙通道模塊的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)要求為：工作噪聲低于I級噪音（30～59 dB）；機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠、靈敏，能準(zhǔn)確控制障礙間距并保證2 mm以內(nèi)的誤差。

間隙控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由步進(jìn)電機(jī)帶動齒輪與齒條嚙合實(shí)現(xiàn)門板的開閉，并采用激光測距傳感器檢測其實(shí)際間距，以準(zhǔn)確控制門板的間距和運(yùn)動速度。為了提高裝置的靈敏性，在門板與滑動軌道連接處安裝了滾珠軸承以減小門板運(yùn)動時產(chǎn)生的摩擦力，并在間隙控制器的夾層中添加了隔音棉，用于降低電機(jī)工作和齒輪嚙合時產(chǎn)生的噪聲。

圖2 間隙控制器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of gap controller

在圖像采集過程中通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)角來調(diào)節(jié)門板的間距和運(yùn)動速度。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與門板運(yùn)動速度的關(guān)系為：

式中：νc——門板運(yùn)動速度，m/s；

n——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

rc——齒輪分度圓半徑，m；

f——控制脈沖頻率，Hz。

基于昆蟲是采用光流平衡策略實(shí)現(xiàn)自定位的[21]，將飛行通道的側(cè)面和底部設(shè)計(jì)為消色差棋盤圖案，并在通道兩側(cè)安裝LED紅外補(bǔ)光燈，用于相機(jī)補(bǔ)光和弱化背景圖案，便于后期序列圖像的分割。紅外光補(bǔ)光前后圖像的對比如圖3所示。相比正常光下的圖像，紅外光可有效弱化背景的棋盤圖案。

圖3 紅外光補(bǔ)光前后圖像的對比Fig.3 Comparison of images before and after infrared light compensation

2.2 運(yùn)動觸發(fā)采集模塊

運(yùn)動觸發(fā)采集模塊主要由嵌入式開發(fā)平臺、STM32微控制器、OV3850運(yùn)動檢測相機(jī)、高速相機(jī)和相機(jī)角度調(diào)節(jié)器等組成，如圖4所示。其中：嵌入式開發(fā)平臺基于RK3399芯片開發(fā)，可通過開源的計(jì)算機(jī)視覺庫OpenCV對OV3850相機(jī)檢測區(qū)域的視頻流進(jìn)行處理；高速相機(jī)采用Blackfly S USB3相機(jī)，幀率最高可達(dá)163幀/s，鏡頭選用FA0801C工業(yè)面陣鏡頭，焦距為8 mm，光圈范圍為F2.0～C，最大鏡像面為1/1.8"，分辨率為（1 920×1 200）像素；相機(jī)角度調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)前后傾角-15°～15°和相機(jī)左右位置-10～10 cm的調(diào)節(jié)。

圖4 運(yùn)動觸發(fā)采集模塊的組成Fig.4 Composition of motion trigger acquisition module

該模塊的主要功能是采集昆蟲在規(guī)定飛行方向的序列圖像。采集前將高速相機(jī)設(shè)定成脈沖觸發(fā)模式，并調(diào)節(jié)鏡頭的調(diào)焦環(huán)、光圈、物距以及相機(jī)角度，使得相機(jī)平面與平臺平面保持平行，保證昆蟲飛行行為成像清晰。圖像坐標(biāo)與平臺坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

式中：fc——相機(jī)的焦距，mm；

θ——相機(jī)角度調(diào)節(jié)器的前傾角，（°）；

W——鏡頭中心到主光軸與地面交點(diǎn)的距離（即物距），mm；

Ix，Iy——所采集圖像的寬度和高度，mm；

x，y——圖像坐標(biāo)系下的橫、縱坐標(biāo)，像素；

xm，ym——平臺坐標(biāo)系下的橫、縱坐標(biāo)，mm。

為了檢測昆蟲的飛行方向，在飛行通道濾板上安裝了OV3850相機(jī)。檢測方法是：對OV3850相機(jī)視頻流中相鄰兩幀圖片作差分運(yùn)算來獲得運(yùn)動目標(biāo)，再通過OpenCV軟件中的ContourArea函數(shù)計(jì)算出輪廓面積及通過GoodFeaturesToTrack函數(shù)獲取具有最大特征值的角點(diǎn)P的像素坐標(biāo)，并將角點(diǎn)P的x向像素坐標(biāo)值放入長度為L的隊(duì)列中；當(dāng)隊(duì)列滿時通過式（3）計(jì)算隊(duì)列元素的差值平均值PxS；最后根據(jù)PxS的增減情況判斷昆蟲的飛行方向。該檢測算法可以通過改變隊(duì)列L的長度和輪廓的限制條件，實(shí)現(xiàn)對檢測靈敏度的調(diào)整和檢測目標(biāo)大小的限定。

式中：L——設(shè)定的存儲隊(duì)列長度；

Pxi——前幀最大特征角點(diǎn)的x向坐標(biāo)，像素；

Pxi-1——現(xiàn)幀最大特征角點(diǎn)的x向坐標(biāo)，像素。

當(dāng)檢測到昆蟲飛行方向符合設(shè)定時，嵌入式開發(fā)平臺向STM32微處理器發(fā)出采集指令，微處理器收到指令后調(diào)制出PWM（pulse width modulation，脈沖寬度調(diào)制）波觸發(fā)高速相機(jī)，實(shí)現(xiàn)飛行序列圖像的采集。

2.3 飛行軌跡獲取模塊

飛行軌跡獲取模塊主要由計(jì)算機(jī)和圖像采集卡組成。計(jì)算機(jī)通過視覺庫OpenCV對采集卡中的序列圖像進(jìn)行處理，從中提取出昆蟲飛行軌跡信息。昆蟲飛行軌跡信息獲取流程如圖5所示。

圖5 昆蟲飛行軌跡信息獲取流程Fig.5 Process of obtaining insect flight path information

昆蟲飛行軌跡信息獲取流程為：首先對序列圖像進(jìn)行背景分割，由于昆蟲屬于運(yùn)動前景而通道屬于靜態(tài)后景，選取KNN（K-nearest neighbor，K近鄰）分割器分割出昆蟲飛行的前景圖像，結(jié)果如圖5（b）所示；分割后的圖像仍存在椒鹽噪聲，而中值濾波能有效去除椒鹽噪聲，因此選用中值濾波來消除噪聲，結(jié)果如圖5（c）所示；通過開運(yùn)算保留較大的連通域，使得采集對象的表面邊界平滑，結(jié)果如圖5（d）所示；最后對處理后的圖像進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，并提取目標(biāo)的質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)并存放于向量組中，結(jié)果如圖5（e）所示。

3 裝置自動采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動采集控制系統(tǒng)主要用于控制采集裝置各模塊之間的通信和信號的傳輸，實(shí)現(xiàn)采集過程自動化。其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。該系統(tǒng)以嵌入式開發(fā)平臺為主控單元控制步進(jìn)電機(jī)的輸出，并通過激光測距傳感器檢測間距，實(shí)現(xiàn)對間隙控制器門板間距和運(yùn)動速度的控制；同時采用運(yùn)動觸發(fā)采集模塊對昆蟲的運(yùn)動方向進(jìn)行判別，當(dāng)運(yùn)動方向符合設(shè)定時，嵌入式平臺向STM32微處理器發(fā)出采集指令而觸發(fā)高速相機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對昆蟲飛行序列圖像的采集。

圖6 自動采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structure block diagram of automatic acquisition control system

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件主要由嵌入式開發(fā)平臺、STM32微控制器、驅(qū)動器、圖像采集卡和步進(jìn)電機(jī)等組成，如圖7所示。

圖7 自動采集控制系統(tǒng)硬件組成Fig.7 Hardware composition of automatic acquisition control system

選用的步進(jìn)電機(jī)為28BYJ4步進(jìn)減速電機(jī)，扭矩為550 N·m，步進(jìn)角為5.625°，噪聲小于40 dB，滿足對扭矩和噪聲的要求；微控制器采用STM32微處理器，其工作頻率可達(dá)72 MHz，具有穩(wěn)定調(diào)制高頻PWM的優(yōu)點(diǎn)，滿足對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制及觸發(fā)高速相機(jī)的要求；測距傳感器采用分辨率為1 mm、測量距離為20～500 mm的TOF050F激光測距傳感器，在量程和精準(zhǔn)度上滿足要求。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

自動采集控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。該流程為：控制系統(tǒng)通電并進(jìn)行初始化，然后在嵌入式開發(fā)平臺上設(shè)置采集視頻的數(shù)量、時長及間隙等；系統(tǒng)開始工作，STM32微控制器中的PWM模塊調(diào)制序列脈沖驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)而帶動門板運(yùn)動，若門板間距未達(dá)到設(shè)定距離，嵌入式開發(fā)平臺持續(xù)向微控制器發(fā)出電機(jī)控制指令直至門板間距達(dá)到指定距離，此時，系統(tǒng)進(jìn)入等待采集指令階段；當(dāng)飛行昆蟲經(jīng)過檢測區(qū)域時，運(yùn)動觸發(fā)采集模塊對昆蟲的飛行方向進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測方向符合設(shè)定時，嵌入式開發(fā)平臺向STM32微處理器發(fā)出采集指令，微處理器收到指令后調(diào)制PWM而觸發(fā)高速相機(jī)，實(shí)現(xiàn)序列圖像的采集；隨后，系統(tǒng)再次進(jìn)入等待采集指令階段，直至采集數(shù)達(dá)到設(shè)定數(shù)量后停止采集，最終完成對昆蟲自由飛行過程中序列圖像的自動化采集。

圖8 自動采集控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程Fig.8 Software design process of automatic acquisition control system

4 昆蟲飛行信息自動化采集實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證昆蟲飛行信息自動化采集裝置在室外環(huán)境下的適用性和可靠性，選取體積較小、飛行較靈活、采集難度較大的蜜蜂為實(shí)驗(yàn)對象。中華蜜蜂在飛行速度、生存能力和繁殖能力上具有明顯的優(yōu)勢[22]，因而蜜蜂品種選擇中華蜜蜂。在2021年7月1日—9月25日，在觀察站讓蜜蜂自由穿越間隙，進(jìn)行蜜蜂飛行信息自動化采集實(shí)驗(yàn)。在該觀察站周圍玉米和油菜等主要蜜源和棉花等輔助蜜源數(shù)量充足，有利于蜂群的生存與繁殖。為確保實(shí)驗(yàn)時蜜蜂的活躍性，實(shí)驗(yàn)時間選取為晴天的9：30—11：30、14：00—16：00，溫度要求在26℃以上。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

中華蜜蜂中工蜂體長為10～13 mm，翼展為18～24 mm，飛行速度為10～11 m/s，基于此并參考文獻(xiàn)[19]，將飛行通道的長、寬、高分別設(shè)置為1.56，0.28，0.28 m，并根據(jù)中華蜜蜂的飛行習(xí)慣將間隙控制器安裝于通道總長2/5的近入口處。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段將蜂箱的側(cè)面覆蓋泡沫反光膜并放置在長、寬、高分別為2，1.5，0.45 m的平臺上，在平臺上方安裝黑色遮陽網(wǎng)以避免陽光直曬導(dǎo)致蜂箱內(nèi)溫度過高而影響蜜蜂行為。蜜蜂飛行信息自動化采集實(shí)驗(yàn)場景如圖9所示。

圖9 蜜蜂飛行信息自動化采集實(shí)驗(yàn)場景Fig.9 Experiment scene of automatic collection of honeybee flight information

蜂箱與飛行通道之間的縫隙用棉條封閉以防止蜜蜂飛出；為了避免蜜蜂因趨光性撞擊通道上方的透明板，在高速相機(jī)的采集區(qū)域內(nèi)采用全遮光布搭建暗室，并打開通道內(nèi)的紅外燈帶以確保相機(jī)補(bǔ)光充足。調(diào)節(jié)相機(jī)鏡頭上的調(diào)焦環(huán)、光圈、物距以及相機(jī)角度，使成像清晰。經(jīng)多次測試后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物距W=530 mm，焦距fc=8 mm時，采集的蜜蜂行為序列圖像清晰。最后進(jìn)行功能調(diào)試，根據(jù)測試中采集的序列圖像的效果調(diào)節(jié)OV3850相機(jī)位置、檢測區(qū)域范圍和檢測算法的靈敏度，實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)最優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)開始前，給予蜜蜂1周的時間適應(yīng)環(huán)境，確認(rèn)其在紅外光光照下行為正常。根據(jù)中華蜜蜂的體長和翼展，進(jìn)行障礙間距分別為20，30，35，40 mm條件下的間隙穿越實(shí)驗(yàn)，每種條件下記錄蜜蜂飛行序列圖像100次。圖像采集開始前檢查裝置各個模塊的工作情況，確保采集控制系統(tǒng)工作正常。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了確保采集裝置符合設(shè)計(jì)要求，在4種間距條件下分別對該裝置進(jìn)行2次噪聲和控制準(zhǔn)確率測試。測試結(jié)果如表1所示，裝置實(shí)際噪聲強(qiáng)度為45～55 dB，誤差最大值為1.54 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 蜜蜂飛行信息自動化采集裝置噪聲和控制準(zhǔn)確性測試結(jié)果Table 1 Test results of noise and control accuracy of automatic collection device for honeybee flight information

蜜蜂間隙穿越實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中：采集樣品數(shù)包括準(zhǔn)確采用樣品數(shù)和無效采集數(shù)，準(zhǔn)確采用樣品數(shù)指實(shí)驗(yàn)結(jié)束后高速相機(jī)采集到的存在蜜蜂飛行行為的序列圖像數(shù)量，包括單目標(biāo)、多目標(biāo)的有效序列圖像數(shù)，無效采集數(shù)包括采集時間過短導(dǎo)致未完整記錄飛行過程的序列圖像和蜜蜂飛行雜亂未通過間隙的序列圖像；單目標(biāo)通過量為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后單只蜜蜂穿越間隙且在采集區(qū)域內(nèi)具有完整間隙判斷行為的序列圖像數(shù)；多目標(biāo)通過量為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后多只蜜蜂穿越間隙且在采集區(qū)域內(nèi)具有完整間隙判斷行為的序列圖像數(shù)；采集準(zhǔn)確率為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后單目標(biāo)、多目標(biāo)通過量的總數(shù)與采集樣品數(shù)之比。

表2 蜜蜂間隙穿越實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of honeybee gap crossing experiment

由表2可知，實(shí)驗(yàn)中平均采集樣品為88份，平均準(zhǔn)確采用樣品數(shù)為64.5份，平均采集準(zhǔn)確率為73.24%，障礙間距對采集準(zhǔn)確率有顯著影響。在20～40 mm間距下，采集準(zhǔn)確率隨著間距增大而提高，在40 mm間距下準(zhǔn)確率達(dá)到75.82%。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是，隨著間距的減小，蜜蜂在門板前滯留數(shù)量和時長增加，間隙穿越時間延長。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采集裝置性能良好，可以有效采集昆蟲飛行序列圖像，獲取昆蟲飛行軌跡信息。

4.4 飛行軌跡數(shù)據(jù)分析

選取4種障礙間距條件下任意3只蜜蜂的質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)，利用MATLAB軟件繪制出蜜蜂的飛行軌跡，如圖10所示。其中，X向代表蜜蜂縱向飛行方向，Y向代表蜜蜂橫向飛行方向，用來分析蜜蜂縱橫向飛行速度的變化。

圖10 蜜蜂飛行軌跡Fig.10 Honeybee flight path

為了研究蜜蜂在飛行過程中識別障礙間隙的機(jī)制，根據(jù)蜜蜂5°左右的視線索視角[23]，通過式（4）計(jì)算得出距障礙物23～46 cm處為蜜蜂理論識別距離，因此選取范圍中值35 cm作為分界線，將蜜蜂飛行軌跡劃分為前后兩階段，并通過多組瞬時速度與平均速度的比值（以下簡稱速比）來比較不同障礙間距下蜜蜂縱橫向速度的變化，以此來推斷與蜜蜂識別間隙機(jī)制相關(guān)的運(yùn)動參數(shù)，分析蜜蜂在飛行過程中識別間隙大小和判斷通過性的機(jī)制。

式中：D——蜜蜂與障礙物的距離，cm；

d——障礙間距，mm；

γ——蜜蜂視線索視角，（°）。

在不同障礙間距下蜜蜂縱橫向速比如圖11所示，平均速比如表3所示。

圖11 在不同障礙間距下蜜蜂縱橫向速比Fig.11 Longitudinal and transverse velocity ratio of honeybee under different obstacle distances

表3 在不同障礙間距下蜜蜂縱橫向平均速比Table 3 Longitudinal and transverse average velocity ratio of honeybee under different obstacle distances

當(dāng)障礙間距為35 mm和40 mm時，蜜蜂前后階段縱向平均速比變化率小于12%；當(dāng)障礙間距為20 mm和30 mm時，蜜蜂后階段的縱向平均速比較前階段降低25%以上，且隨著障礙間距的減小，速比的變化幅度增大，如圖11（a）所示。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是，當(dāng)間距在30 mm以上時，對蜜蜂評估間隙通過性能力的要求低，因此蜜蜂判斷時間較短；當(dāng)間距在30 mm以下時，隨著間距的減小，對蜜蜂評估間隙通過性能力的要求提高，因此蜜蜂通過降低縱向飛行速度、延長飛行時間來判斷間隙通過性。

當(dāng)障礙間距為30，35，40 mm時，蜜蜂后階段的橫向平均速比較前階段低，且隨著障礙間距的增大，橫向平均速比變化率增大。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是，蜜蜂靠近間隙觀察區(qū)域時，為保證穿越間隙的成功率，主動降低自身的橫向飛行速度，導(dǎo)致后階段的橫向平均速比降低。當(dāng)障礙間距為20 mm和30 mm時，相較于蜜蜂后階段的橫向速度，其前階段速度變化范圍明顯增大，如圖11（b）所示。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是，隨著障礙間距的減小，對蜜蜂評估間隙通過性能力的要求提高，蜜蜂通過增大橫向飛行的幅度來加強(qiáng)對間隙障礙的識別和判斷間隙通過性，以保證成功穿越間隙。

在研究蜜蜂飛行機(jī)制的過程中發(fā)現(xiàn)蜜蜂存在學(xué)習(xí)行為，其通過積累前期的飛行經(jīng)驗(yàn)不斷優(yōu)化飛行軌跡，使得飛行軌跡趨于平緩，如圖12所示。

圖12 蜜蜂在不同實(shí)驗(yàn)階段的飛行軌跡Fig.12 Honeybee flight path in different stages of the experiment

在實(shí)驗(yàn)前期，蜜蜂在初始飛行階段的軌跡相對雜亂，在飛行過程中持續(xù)左右探索通道的間隙，最終從門板出口處的左邊緣飛出，且此階段蜜蜂的飛行時間比后續(xù)觀測時間長。

在實(shí)驗(yàn)中期，蜜蜂沿著左側(cè)方向持續(xù)飛行，直到位于門板出口方框的左邊緣處（y=85像素），由前期積累的飛行經(jīng)驗(yàn)得出出口的中間位置大致在y=0像素處，蜜蜂向右側(cè)飛行探索一段時間之后成功從門板中間飛出。

在實(shí)驗(yàn)后期，除了個別蜜蜂由于個體發(fā)育、外部刺激、實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及光亮等原因而引起行為變化之外，多數(shù)蜜蜂在連續(xù)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中通過排錯與嘗試積累了飛行經(jīng)驗(yàn)，適應(yīng)了在通道內(nèi)直線飛行直至飛出門板。

5 結(jié) 論

本文將視覺檢測與自動化技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種昆蟲飛行信息自動化采集裝置。采用該裝置可以提高采集效率，解決人工采集過程中人為因素造成的采集準(zhǔn)確性較差的問題。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置的采集準(zhǔn)確率為73.24%，采集性能穩(wěn)定。

通過分析蜜蜂的飛行軌跡和速度變化發(fā)現(xiàn)，蜜蜂存在通過橫向運(yùn)動識別并穿越間隙的行為，并且隨著間隙減小，蜜蜂橫向運(yùn)動的幅度和速度變化增大，這表明橫向運(yùn)動的幅度和速度與蜜蜂識別間隙的飛行機(jī)制有重要聯(lián)系，可以將其作為研究蜜蜂識別間隙機(jī)制的重要參數(shù)。

通過分析不同實(shí)驗(yàn)階段蜜蜂的飛行軌跡發(fā)現(xiàn)，蜜蜂通過積累前期的飛行經(jīng)驗(yàn)不斷優(yōu)化飛行行為，使得飛行軌跡趨于平緩。這種后天的記憶性和學(xué)習(xí)性的優(yōu)化飛行機(jī)制，對飛行器自主優(yōu)化路徑的研究具有極高的參考價值。