鴿子認知訓練系統的設計與實現

近年來，動物行為研究已成為現代科學研究的重要組成部分，研究人員出于不同的目的對各類動物的行為展開深入研究，并在不同的領域都產生了重要的成果[]。例如，動物行為的研究在保護人類和促進農作物生長方面具有重大作用。通過對蚊子和黑蠅等昆蟲尋找叮咬目標的實驗，人類研制出了驅蟲劑，可以預防蚊蟲的叮咬，大大提高了人們居住環境的舒適度[2；通過研究昆蟲如何釋放信息素來吸引配偶的實驗，人類有效提高了害蟲的定向誘捕效率，也避免了生態環境的破壞[3；動物行為的研究對醫藥科學的發展也具有獨特的優勢。研究表明，不同種類的大齡動物在學習和記憶方面存在的缺陷與人類因衰老而產生學習和記憶方面的缺陷相似，這些隨年齡增長而出現記憶缺陷的動物模型不僅促進了藥物和激素的研究，還推動了臨床試驗的發展[4]。

在動物認知研究中，鳥類因其發達的視覺與目標辨別能力而備受關注。在所有鳥類中，鴿子是最早被馴化的鳥類，最初是因其肉質美味而被飼養。然而，早在4000年前，人們就發現了鴿子的另一個特征：歸巢性[5。即能夠從任意位置放飛，最終能夠返回本群或巢穴，飛行距離最遠甚至可達數百公里，這種與生俱來的能力早在古代就被用于信息的傳遞。除此之外與其他鳥類相比，鴿子很少表現出攻擊行為，且在進行實驗時，表現出很強的抗挫折能力，能穩定可靠地工作，從而保證實驗數據的準確性。

基于以上特性，本文以鴿子為研究對象，設計了一套基于十字迷宮的自動化訓練系統。該系統通過隨機出現目標并結合食物獎勵，旨在高效訓練并評估鴿子的視覺認知行為。該設計不僅減少了人為干預、提高了實驗效率與一致性，也為鳥類視覺認知機制的研究提供了新的方法支持。

1目標認知訓練系統的總體設計

本文針對鴿子目標認知實驗的要求，設計了鴿子認知訓練的十字迷宮模型，如圖1所示。該十字迷宮模型可以為實驗鴿子提供一個復雜的空間環境，激發鴿子探索與認知的能力。同時，十字迷宮相較其他迷宮具有空間對稱的結構優勢，通過在迷宮中設置不同的任務或獎勵，研究人員便可以更系統地探究鴿子的認知能力、空間感知能力與決策能力。該訓練模型由PLC進行控制，通過PLC來實現對鴿子認知行為的自動訓練。其中，該訓練系統的硬件組成主要包含四個部分：目標刺激模塊、食物獎勵模塊、行為反饋模塊、視頻采集模塊。整個訓練過程通過PLC程序來控制，最終可以通過計算機對視頻采集模塊上傳的視頻進行分析，以研究鴿子的認知行為。

圖1鴿子目標認知訓練整體設計圖

早期，動物行為的研究數據主要通過人工記錄的方式完成，但這種方式容易對實驗對象造成干擾，進而影響測量數據的準確性。此外，人工實施的“獎勵”或“懲罰”操作可能具有一定的暗示性，且與自然條件產生的情況不同，易引發動物的應激反應（如過度興奮或焦慮），進一步對實驗結果產生干擾。為解決這一問題，近年來學術界提出了多種自動訓練動物的模型與方法。本文受研究人員設計的模型啟發，通過自動化設備設計迷宮實驗，采用自動的“獎勵”或“懲罰”措施，有效減少人為因素的影響，使實驗結果更加準確。

本文設計了一套十字形迷宮訓練系統，用于研究鴿子的認知行為研究。如圖2所示，迷宮主體由四個相同的通道組成。為防止外界環境對實驗動物的干擾，每個通道均采用不透光的木質材料搭建，且每個通道都配有可自動閉合的閘門，通道末端設有隨機目標出現裝置、食物獎勵裝置和紅外裝置。其中，目標出現裝置由PLC帶動的電機控制，通過脈沖信號控制目標的倒下與立起。食物獎勵裝置由電機帶動食盒進行旋轉運動。紅外裝置用來檢測鴿子是否走到目標旁邊，當鴿子識別到了目標，才會進行食物獎勵。在十字迷宮上方安裝有高清攝像裝置，可完整記錄訓練的全過程。拍攝的視頻可實時傳輸到計算機，通過深度學習算法對鴿子的認知行為進行研究。

圖2十字迷宮訓練系統示意圖

該訓練系統所用到的器件如表1所示，采用的PLC為SIMATICS7-200來進行控制。

PLC對該訓練系統的硬件控制是在一個控制柜中通過接線來完成的，在控制柜中，直流電源負責將外部交流電轉變為24V的直流電給內部器件使用。PLC的輸入端用來接收鴿子觸發紅外傳感器發出的信號與食盒到位停止發出的到位信號，進而按照預先的指令對電機進行控制，電機再帶著目標與食盒進行轉動。PLC的輸出端用來控制對應電機的控制器，步進電機控制器再將PLC的輸出信號轉換為脈沖信號，步進電機驅動器得到脈沖信號后，控制步進電機旋轉，最終實現對食盒和目標升起的精確控制。圖3為PLC內部器件控制信號的整個流程。

圖3PLC控制信號流程圖

表1訓練系統器件組成表

2目標認知訓練系統的硬件組成

該訓練系統的硬件組成部分主要包含四個模塊：目標刺激模塊、行為反饋模塊、獎勵模塊、視頻采集模塊，如圖4所示。

圖4硬件系統電路框圖

2.1目標刺激模塊

十字迷宮每個通道的末端都有一根可以快速直立起來的目標棒，作為該訓練系統的目標刺激模塊，該目標棒作為實物相較于觸摸屏的視覺刺激會更加直觀，方便鴿子對目標的記憶。其設計如圖5所示：首先把電機放倒，該目標棒通過鐵片與電機固定，電機旋轉將帶動目標棒立起。在電機軸的另一側加裝有限位開關，當目標棒垂直立起時，鐵片將到達接近開關所在的位置，接近開關得到信號后，將信號傳遞給PLC的輸入端，PLC會立即使電機停止轉動，此時目標模塊升起完畢。隨后各個通道的閘門開啟，供實驗鴿子進行目標選擇。

圖5目標控制實物圖

2.2行為反饋模塊

十字迷宮每個通道的外側均安裝有紅外傳感器（圖6），該傳感器作為行為反饋模塊，用于檢測鴿子的位置。訓練開始時，PLC會控制目標在四個通道中隨機出現。當鴿子進入某一通道并被紅外傳感器檢測到時，傳感器會立即將信號傳輸至PLC，并執行相應指令：若鴿子進入的是目標出現的正確通道，則觸發食物獎勵裝置；若鴿子進入錯誤通道，則啟動蜂鳴器發出警告，以提示選擇錯誤。

圖6紅外檢測裝置

2.3獎勵模塊

當鴿子正確識別立起的目標并進入相應通道時，該通道的紅外傳感器被觸發，PLC將控制食物獎勵裝置的電機轉動，使食盒的盛食部分旋轉至通道內，給予鴿子獎勵。喂食的時長可根據不同的訓練階段進行調整。反之，若鴿子進人無目標的通道并被紅外傳感器檢測到，PLC將觸發該通道的蜂鳴器發出警報。警報的持續時間可根據鴿子在錯誤通道內的滯留時間進行調節。所選蜂鳴器的聲壓級和頻率經過優化設計，可有效避免對鴿子造成過度應激。通過食物正向強化與聲音警告相結合的手段，可有效強化鴿子對目標刺激的關聯性學習，快速建立條件反射，從而提升訓練效率，同時避免了不必要的應激反應。

圖7食盒控制圖

2.4視頻采集模塊

本實驗采用1080P高清廣角SY011HD攝像頭作為該訓練系統的視頻采集模塊，如圖8所示。為使拍攝效果更加全面，把攝像頭固定到十字迷宮上方的天花板上，并且攝像頭配備了可調焦鏡頭，經USB接□與計算機相連接，實現訓練視頻能夠同步顯示到電腦屏幕上，拍攝效果如圖9所示。該攝像頭可以精確記錄鴿子在十字迷宮的運動效果，為后續構建鴿子的深度學習模型以及行為分析提供了準確數據。

同時，還可以與腦電信號采集設備結合在一起，開展視覺神經信號的解碼研究。

圖8攝像裝置圖

圖9攝像效果圖

3鴿子認知訓練的流程

該十字迷宮的訓練模式分為手動訓練模式和自動訓練模式，通過按鈕盒上的旋轉開關來進行切換。

手動模式共有12個按鈕，分別控制4個通道閘門的開合，4個目標棒的彈起以及4個食盒的轉動。在訓練之前可以通過手動模式檢測設備是否能夠正常運行，也可以通過手動模式控制目標和食盒的出現，讓鴿子提前熟悉實驗場景。在正式自動訓練過程時，如果出現傳感器誤觸發或設備未按流程正常運行等情況，也可以迅速切換到手動模式進行矯正。

在自動模式訓練時，首先把鴿子從中間區域釋放，這時隨機一個通道將會出現目標，每個通道的閘門將會打開，當鴿子識別到此目標，并向目標走去時，將會觸發該通道的紅外傳感裝置，紅外傳感器將信號發送給PLC的輸入端，這時PLC將發出輸出指令，控制該通道的食盒轉出，給識別到目標的鴿子以食物獎勵。在剛開始訓練時，每次投喂時間為30s，隨著每輪訓練次數的增加，當鴿子熟悉該目標后，可以適當減少喂食時間以增加后續的訓練次數。如果當目標出現后，鴿子沒有走進目標出現的通道，那么鴿子所在的通道檢測到鴿子的錯誤認知后，PLC將控制該通道旁邊的蜂鳴器發出噪音報警，當鴿子重新回到中間區域，各個閘門將會關閉，重新開始新的一輪目標識別。并且在頂部架設的高清攝像頭可完整記錄訓練的整個過程，鴿子的自動訓練流程如下圖10所示。

圖10自動訓練流程圖

結語

本文針對鴿子的目標認知行為設計了一套十字迷宮訓練系統，該訓練系統可隨機出現目標供鴿子進行識別，并且可以采用自動喂食的手段進行食物獎勵以強化鴿子的認知行為。該訓練系統的設計對減輕動物學家的工作負擔具有重要意義，同時也提供了定量化的動物行為分析手段，可為后續研究其他動物的認知行為提供新的研究方法和思路。

參考文獻：

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[4]石彥麗.豬場蚊蟲監測、鑒定、藥物防治及其對豬生長的影響研究[D].海南大學，2021.

[5]邵林鐳，陳佩琦，謝澤婷，等.鴿子飛行導航機制的研究進展及應用前景[J].廣東畜牧獸醫科技，2025，50（02）：71-78.

收稿日期：2025-09-09

作者簡介：王奕森（1997—），男，漢族，河南省滎陽市，碩士，助教。研究方向：自動控制技術。