摘要：為了解決動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的多通道、高采樣率和大量數(shù)據(jù)實時存儲等問題，提出了一種基于虛擬儀器技術及其圖形化開發(fā)環(huán)境的系統(tǒng)設計方案。系統(tǒng)以PXIe和LabVIEW為平臺，采用3×8傳感器陣列、72通道數(shù)據(jù)采集與處理模塊和高速攝像機等，同步采集力學數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。實驗表明，該系統(tǒng)可以準確獲得動物運動過程中各個腳掌的三維接觸反力和協(xié)調運動行為數(shù)據(jù)，為仿生機器人的研究提供了理論基礎。
關鍵詞：傳感器陣列；PXIe；LabVIEW；運動力學；數(shù)據(jù)采集

    運動是動物捕食、逃逸、生殖和繁衍等行為的基礎，許多動物具有在各種表面(地面、墻面和天花板等)迅速、敏捷爬行的能力，如壁虎、蜜蜂和蟑螂等。對動物運動行為和力學的研究，可以揭示動物的運動特性和規(guī)律，為仿生機器人的研究提供重要理論基礎。虛擬儀器技術及其圖形化開發(fā)環(huán)境為動物運動行為和力學的研究提供了很好的方法，NI公司開發(fā)的LabVIEW是目前廣泛應用的虛擬儀器軟件，它是一種基于G語言的圖形化編程語言，其圖形化界面可以方便地進行虛擬儀器的開發(fā)，在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測試測量等領域得到了廣泛的應用。
    壁虎、蜜蜂和蟑螂等動物的接觸反力為毫牛級或微牛級，需要精密的信號采集與處理系統(tǒng)，目前大部分的動物接觸反力測試系統(tǒng)，只能獲得單個腳掌或整個身體的力學信息，無法采集到動物運動過程中各個腳掌的三維接觸反力和協(xié)調運動行為數(shù)據(jù)。本文介紹了一種基于PXIe和LabVIEW的動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的PXIe模塊集信號調理、A／D轉換、采樣／保持等多個環(huán)節(jié)于一體，解決了動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的諸多問題，為探索和發(fā)現(xiàn)動物運動力學規(guī)律提供了重要的方法。

1 系統(tǒng)總體結構
    數(shù)據(jù)采集就是將模擬信號轉換為數(shù)字信號，然后使用計算機進行處理、顯示及存儲的過程，相應的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器陣列把動物運動時的力學信號轉化為電信號，通過PXIe數(shù)據(jù)采集模塊對該信號進行處理和采集，最后在LabVIEW程序中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、顯示和保存；高速攝像機和冷光源用于記錄動物運動過程中的運動學信息。力學數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)通過單片機(AVR Mega16)同步觸發(fā)采集。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 硬件設計
    系統(tǒng)硬件設計要盡量遵循標準化、開放化和模塊化的原則。系統(tǒng)的硬件部分主要包括傳感器陣列、PXIe數(shù)據(jù)采集模塊、高速攝像機和冷光源。
2．1 力學數(shù)據(jù)采集
2．1．1 傳感器陣列
    在此采用南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所自行研制的3維力傳感器。24個傳感器以3×8(行×列)的形式組成傳感器陣列，陣列平臺可以360°旋轉，每個傳感器測量動物運動過程中的3維接觸反力，這需要建立72組數(shù)據(jù)采集通道。傳感器采用惠斯通全橋電路連接，由PXIe系統(tǒng)為傳感器提供5 V的驅動電壓。傳感器結構和實體圖如圖2所示。

2．1．2 信號調理與數(shù)據(jù)采集模塊
    信號調理與數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的部分，其關鍵硬件是數(shù)據(jù)采集卡。NI公司的產品擁有高效的軟件、模塊化I／O硬件和用于集成的軟硬件平臺，充分發(fā)揮了虛擬儀器技術性能高，擴展性強，開發(fā)時間少，以及出色的集成等優(yōu)勢。因此該系統(tǒng)選用NI公司的PXIe數(shù)據(jù)采集模塊。
    該模塊的數(shù)據(jù)采集卡集信號調理與模／數(shù)轉換于一體，包含8個獨立的通道，每個通道配有獨立的模／數(shù)轉換器，采樣率達到25．6 kS／s，分辨率為24 b，精度可達0．02％。其橋接輸入模塊能夠進行1／4，1／2和全橋的自動同步測量，可用于測試高性能應變、載荷、力值與力矩等。8通道橋接輸入模塊可在單個機箱中擴展到136通道，在多機箱同步時可擴展到數(shù)千條通道。
    系統(tǒng)需要以較高的采樣率采集72組通道的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供足夠高的采樣率和獨立的通道，使72組通道的數(shù)據(jù)采集快速、精確，而且互不干擾。傳感器陣列的數(shù)據(jù)通過前置接線端子傳送到數(shù)據(jù)采集卡，前置接線端子可以自動檢測到信號，支持熱拔插，安裝方便。數(shù)據(jù)采集卡封裝在18槽3U的機箱中，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在同步采集時，單片機發(fā)送觸發(fā)信號給PXIe的時鐘卡實現(xiàn)外部觸發(fā)。早期使用的基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用單獨的信號調理模塊和采集模塊，只有一個模／數(shù)轉換器，通過多路復用實現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集。相比之下，PXIe系統(tǒng)集信號調理與數(shù)據(jù)采集于一體，不需要外接電腦，實現(xiàn)了整個實驗裝置一體化，可以方便地進行360°旋轉(模擬動物在空間不同傾斜表面的運動)；每個通道配有獨立的模／數(shù)轉換器，實現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)的同步采集；安裝和調試方便，操作簡單。從實際應用情況看，PXIc系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，可以方便地進行多通道拓展。
2．2 行為數(shù)據(jù)采集
2．2．1 高速攝像蟣
    高速攝像機型號為Olympus i-SPEED 3，其提供了高分辨率、超低光照靈敏度和高達150 000 f／s的錄制速度。在2000 f／s以下，分辨率為1 280×1024，具有多種觸發(fā)方式(如前觸發(fā)、中間觸發(fā)和后觸發(fā)等)，通過CF卡可以無限擴展容量。實驗時，單片機發(fā)送觸發(fā)信號給高速攝像機，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)和力學數(shù)據(jù)的同步采集。根據(jù)圖像資料，可以更加精確地判斷動物腳掌和傳感器的接觸情況，并且能夠掌握動物不同運動姿態(tài)時腳掌的三維接觸力學信息。
2．2．2 冷光源
    冷光源是繼白熾燈、LCD、LFD等光源產品之后出現(xiàn)的新型光源，發(fā)光原理是在電場作用下，產生電子碰撞激發(fā)熒光材料產生發(fā)光現(xiàn)象，具有十分優(yōu)良的光學特性。當高速攝像機采用較高的幀數(shù)進行拍攝時，調節(jié)冷光源的位置和角度，提高光照強度，冷光源的不發(fā)熱特性避免了影響實驗動物和系統(tǒng)。

3 軟件實現(xiàn)方案
    系統(tǒng)軟件在LabVIEW 8．5的環(huán)境下編寫，采用DAQmx取代了傳統(tǒng)DAQ。相比傳統(tǒng)DAQ，在許多應用中，DAQmx都可以提高應用程序的性能，因為DAQmx在驅動體系結構上作出了很多改進，比如多線程操作、更好地控制各種驅動操作和內置的硬件定時單點操作等。圖3是系統(tǒng)的LabVIFW采集程序前面板，采集程序主要有四個步驟：空采集(Space Acquisition)、初始化(Initialization)、果集(Acquisition)和停止(Termination)?？詹杉瘯r，程序將符個通道實際采集到的信號以數(shù)據(jù)圖線的形式在前面板上顯示出來，不做處理和保存，從中可以檢查各個傳感器和測試系統(tǒng)是否正常工作；初始化的作用是采集一定量的傳感器陣列空載時的初始數(shù)據(jù)，然后求出每個通道采集到的數(shù)據(jù)平均值，作為該通道的零點輸出值；進入采集模塊后，實驗人員通過觀察動物的運動情況和視頻的回放決定是否保存數(shù)據(jù)；點擊停止后，數(shù)據(jù)采集過程結束。

    LabVIEW程序使用條件結構(Case Structure)執(zhí)行空采集(0)、初始化(1)、采集(2)和停止(3)程序，同時用While循環(huán)控制每個具體程序的執(zhí)行，為防止發(fā)生意外情況，程序最外層的While循環(huán)可以隨時終止程序。下面以程序的核心部分采集模塊為例，說明程序的流程。采集模塊主要包括硬件配置、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)顯示和保存，如圖4所示。限于篇幅，圖4省略了72通道中的部分通道。

    硬件配置時要注意以下幾點：
    (1)DAQmx物理通道的選擇，橋信息、應變計信息的設置要與傳感器和數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)一致，避免采集的信號產生畸變。
    (2)選擇合理的采樣頻牢。為了能夠較好地再現(xiàn)原始信號，不產生波形失真，采樣頻率必須足夠高，但過高的采樣頻率又會加重機器的負擔，根據(jù)奈奎斯特理論，采樣頻率至少足原信號的2倍，但實際中，一般都需要5～10倍。通過運用Matlab軟件對實驗數(shù)據(jù)進行頻譜分析和長期實驗經驗的積累，設定程序的采樣頻率為500～1 000Hz。
    (3)DAQmx讀取時，每個通道的采樣數(shù)要小于或等于采樣頻率，否則可能會因為數(shù)據(jù)溢出而影響程序的正常執(zhí)行。
    將讀取到的數(shù)據(jù)乘以傳感器的靈敏度系數(shù)矩陣(解耦系數(shù)矩陣的逆矩陣)，通過三維數(shù)組后，在波形圖中顯示出來，每個波形圖顯示一個傳感器采集到的三維接觸反力。點擊前面板中的保存按鈕執(zhí)行數(shù)據(jù)保存功能，可以按照指定的保存路徑和文件名完成數(shù)據(jù)的存儲，保存格式為txt文本文件。由于系統(tǒng)以500～1000 Hz的采樣頻率采集72通道的數(shù)據(jù)，將產生大量的實驗數(shù)據(jù)，所以需要有足夠的存貯容量。

4 應用實例
    使用大壁虎(體重：(65．4±2．4)g；體長：(136．6±12．4)mm；mean±s．d；編號為1～16號)作為實驗對象，通過動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試大壁虎在空間不同傾斜表面上的運動力學信息。實驗時，開啟測試系統(tǒng)并完成設備初始化，一切正常后，將大壁虎平穩(wěn)地放在測試平臺通道的一端，通過人工刺激，大壁虎經過傳感器陣列通道爬向另一端。壁虎運動開始時，單片機發(fā)送觸發(fā)信號給PXIe系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時鐘卡和高速攝像機，同步采集力學數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的圖像信息，采用圖像識別的方法，選擇大壁虎運動過程中方向和速度沒有顯著變化，并且將全腳掌與傳感器接觸的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。

    圖5是大壁虎在105°表面爬行時的圖像和力學信息．L1，L2，R1，R2分別代表大壁虎的左前腿、左后腿、右前腿和右后腿。從大量的實驗結果來看，系統(tǒng)能夠精確獲得動物在運動過程中各個腳掌與運動表面間的接觸力變化趨勢及運動協(xié)調行為，這為深入理解動物保持高靈活性、機動性和穩(wěn)定性的深層力學原因提供了理論依據(jù)。

5 結語
    基于PXIe和LabVIEW的動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決了動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的多通道、高采樣率和大量數(shù)據(jù)實時存儲等問題，能夠精確獲得動物在運動過程中各腿掌的接觸反力變化過程以及身體運動姿態(tài)的調整過程。這為探索和發(fā)現(xiàn)動物運動力學規(guī)律提供了重要的方法，也為仿牛機器人的研究提供了理論基礎。