專利名稱：一種研究鳥類飛行動力學的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及仿生研究領(lǐng)域，尤其涉及仿生研究中一種研究鳥類飛行動力學的 裝直。
背景技術(shù)：
鳥類能輕松穿越復雜的叢林，能在快速飛行的過程中避開障礙物，并具有優(yōu)秀的安全起飛和安全著陸能力。這種能力，不僅是研究人員不斷探索的科學研究內(nèi)容，也是工程界，特別是飛行器研究者的仿生學習對象。為了揭示鳥類飛行過程中飛行動力學特征及其變化規(guī)律，如鳥類在起飛和降落時速度變化，位姿變化，飛行過程中軌跡變化以及變化頻率，特別是在自然開放的環(huán)境中研究鳥類的飛行動力學，需要發(fā)展新研究方法，并設(shè)計相應的有效的裝置和系統(tǒng)。鳥類能夠準確、快速、安全飛行并避障，需要準確感知外部環(huán)境信息。鳥類的主要感覺器官集中與頭部，如視覺、聽覺、體感與平衡，甚至地磁信號的感受器官。因而，研究飛行過程中鳥類頭部相對于軀干的運動特性尤其受到關(guān)注，包括頭部擺動幅度和角度等，對深入探索鳥類的飛行動力學，進而揭示鳥類飛行機制具有重要意義。這種研究，對研制無人機及更智能的自動飛行系統(tǒng)有重要的啟發(fā)意義與工程仿生價值。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種研究鳥類飛行動力學的裝置，用于研究鳥類起飛、滑翔、降落的飛行動力學特性。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種研究鳥類飛行動力學的方法所使用到的裝置，該裝置包括三軸加速度傳感器，用于采樣鳥類不同部位在Χ、Υ、Ζ三個方向的加速度數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲模塊，由串行NOR Flash存儲器為主構(gòu)成，用于存取采樣到的加速度數(shù)據(jù)；主控模塊，所述裝置核心控制單元，由低功耗小封裝單片機為主構(gòu)成；通訊模塊，RS232接口電平和USB接口電平轉(zhuǎn)換電路，分別和主控模塊和USB接口連接； 控制開關(guān)，連接到主控模塊，用于確定所述裝置是否處于工作狀態(tài)，是否可以對鋰電池充電，以及裝置是處于數(shù)據(jù)采樣階段還是處于數(shù)據(jù)傳輸階段；電源模塊，給所述裝置提供電源，含鋰電池、充電回路和電壓調(diào)整電路，充電回路連接到USB接口 ；USB接口，USB MINI B型5Pin接口，給所述裝置提供數(shù)據(jù)交換和充電電源的物理接口 ；其中，所述的主控模塊與三軸加速度傳感器、控制開關(guān)、數(shù)據(jù)存儲模塊、通訊模塊相連接，所述的通訊模塊與USB接口相連接，所述的USB接口與電源模塊相連接。[0015]本實用新型所述三軸加速度傳感器包括兩種三軸加速度傳感器，所用型號為 MMA7361L和MMA7660FC，采用容性MEMs單封裝結(jié)構(gòu)，其中所述MMA7361L三軸加速度傳感器 和主控模塊相連，MMA7660FC三軸加速度傳感器與主控模塊相連。[0016]本實用新型MX25L6436E的Nor Flash存儲芯片，采用8-pin SOP封裝，其中所述 MX25L6436E存儲芯片與主控模塊相連接。[0017]本實用新型主控模塊為Philips小封裝低功耗單片機，所用型號為P89LPC916，采 用TSS0P16封裝，其中所述P89LPC916單片機與三軸加速度傳感器、控制開關(guān)、通訊模塊、數(shù) 據(jù)存儲模塊相連接。[0018]本實用新型充電電路與USB接口相連接，鋰電池與充電電路相連接，電壓調(diào)整電 路與鋰電池相連接，所述電壓調(diào)整電路輸出+3. 3V電壓。[0019]本實用新型研究鳥類飛行動力學的方法是在鳥類頭部、翅膀和/或者軀干部位 設(shè)置一個或多個三軸加速度傳感器采集鳥類飛行時頭部、翅膀和/或者軀干部位的加速度 數(shù)據(jù)，存儲在監(jiān)測裝置中；計算機通過所述裝置中的USB接口獲得相應的加速度數(shù)據(jù)；計算 機對加速度數(shù)據(jù)進行處理，將各采樣點加速度數(shù)據(jù)映射為相應的擺動方位角和擺幅；通過 智能控制算法，將被測鳥類頭部、翅膀和/或軀干的擺動映射為鳥類的扭頭、振翅、拐彎和/ 或滑翔的具體行為。[0020]其具體步驟包括[0021]第一步將監(jiān)測裝置安裝于被監(jiān)測對象的身上，放飛被監(jiān)測對象，同時啟動監(jiān)測裝 置；[0022]第二步所述裝置初始化主控模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，初始化三軸加速度傳感器，定時 器并開啟中斷程序；[0023]第三步所述裝置設(shè)置并啟動數(shù)據(jù)存儲模塊；[0024]第四步采用三軸加速度傳感器采集到的鳥類飛行時頭部、翅膀和/或者軀干等 部位的加速度數(shù)據(jù)，存儲在存儲芯片中；[0025]第五步計算機通過所述裝置中的USB接口獲得相應的加速度數(shù)據(jù)；[0026]第六步計算機對加速度數(shù)據(jù)進行處理，將各采樣點加速度數(shù)據(jù)映射為相應的擺 動方位角和擺幅；[0027]第七步通過智能控制算法，將被測鳥類頭部、翅膀和/或軀干的擺動映射為鳥類 的扭頭、振翅、拐彎、滑翔等具體行為，以便進一步的分析。[0028]所述的第二步中裝置每隔l/16s或者l/32s執(zhí)行一次中斷程序；所述的第四步中 采用MMA7361L三軸加速度傳感器采集頭部擺動信息，采用MMA7660FC三軸加速度傳感器采 集翅膀和/或軀干的擺動信息，同時將數(shù)據(jù)傳送到MX25L6436E存儲芯片中存儲。[0029]所述第五步中，計算機通過所述裝置的USB接口獲得相應的加速度數(shù)據(jù)是在被檢 測對象歸巢時，從所述裝置上取下所述數(shù)據(jù)存儲模塊，將所述數(shù)據(jù)存儲模塊通過USB接口 連接到電腦上從而獲得數(shù)據(jù)，然后對獲取的數(shù)據(jù)進行分析，得出實驗結(jié)果；所述第七步中， 所述的智能控制算法包括模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、量子遺傳算法、小波分析、支持向量機、 D-S證據(jù)理論中的一種或多種，來獲取鴿子在飛行時頭部擺動的幅度和頻率、身體的傾斜程 度、翅膀扇動的幅度和頻率等信息。[0030]本實用新型的有益效果是，解決了背景技術(shù)中存在的缺陷，能夠追蹤鳥類的活動路徑及飛行特點；在使用時，通過主控模塊控制，該裝置將鳥類飛行時頭部和/或翅膀等部位的加速度信號能夠連續(xù)采集并存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊，待被追蹤鳥類歸巢后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上完成記錄鳥類行為和相關(guān)研究；不僅可以觀測個體行為還可以觀測群體行為；對研究而言，最重要的是獲取實驗數(shù)據(jù)，此裝置具有大容量的數(shù)據(jù)存儲芯片，可以保存鳥類長時間的飛行數(shù)據(jù)；且本實用新型的裝置具有體積小，重量輕，功耗低，操作簡單，使用方便的特點。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1為本實用新型一種研究鳥類飛行動力學的裝置在鳥類身上的安裝示意圖；圖2為本實用新型一種研究鳥類飛行動力學的裝置的方框圖；圖3為本實用新型一種研究鳥類飛行動力學的裝置的實施圖；圖4 Ca)和(b)為兩種三軸加速度傳感器的電路原理圖；圖5為主控模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊連接電路原理圖。
具體實施方式
現(xiàn)在結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本實用新型作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本實用新型的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本實用新型有關(guān)的構(gòu)成。參考圖2，本實用新型實施例的一種研究鳥類飛行動力學的裝置包括安裝于被監(jiān)測對象背部的三軸加速度傳感器7和8、主控模塊2、數(shù)據(jù)存儲模塊4、控制開關(guān)1、電源模塊6、USB接口 5。參考圖1，具體是在裝置的背帶端用甲基丙烯酸(哥兩好)粘在尼龍粘扣帶上，然后將尼龍粘扣帶與實驗鳥類背部的尼龍粘扣帶9扣緊。主控模塊2別與三軸加速度傳感器7和8、控制開關(guān)1、數(shù)據(jù)存儲模塊4、通訊模塊3連接，通訊模塊3別與USB接口 5和主控模塊2相連接，電源模塊6分別與三軸加速度傳感器7和8、主控模塊2、數(shù)據(jù)存儲模塊
4、通訊模塊3相連接，用來為這些模塊提供直流電。其中，三軸加速度傳感器7用于采集類頭部在X、Y、Z三個方向的加速度數(shù)據(jù)。另一個三軸加速度傳感器8用于采集翅膀和/或軀干在X、Y、Z三個方向的加速度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲模塊4，由串行NOR Flash存儲器為主構(gòu)成，用于存取采樣到的加速度數(shù)據(jù)。通訊模塊3，RS232接口電平和USB接口電平轉(zhuǎn)換電路，分別和主控模塊和USB接口連接，用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上?？刂崎_關(guān)I，連接到主控模塊，用于確定所述裝置是否處于工作狀態(tài)，是否可以對鋰電池充電，以及裝置是處于數(shù)據(jù)采樣階段還是處于數(shù)據(jù)傳輸階段。電源模塊6，給所述裝置提供電源，含鋰電池、充電回路和電壓調(diào)整電路，充電回路連接到USB接口。USB接口 5，USB MINI B型5Pin接口，給所述裝置提供數(shù)據(jù)交換和充電電源的物理接口。主控模塊2，所述裝置核心控制單元，由低功耗小封裝單片機為主構(gòu)成。參考圖4，兩種三軸加速度傳感器包括MMA7361L和MMA7660FC兩種型號，其中MMA7361L三軸加速度傳感器放在鳥類的頭部，采集頭部擺動信息，MMA7660FC三軸加速度傳感器放在背部采集背部擺動信息。參考圖4和圖5，在圖4中，C6、C7為O.1uF的電容，C3、C4、C5為3. 3nF的電容，U3為MMA7361L三軸加速度傳感器，U4為MMA7660FC加速度傳感器。U3的管腳1、管腳14、管腳8、管腳9、管腳11、管腳12懸空；管腳2通過C3與地相連接，管 腳3通過C4與地相連接，管腳4通過C5與地相連接；管腳6、管腳7均通過C6與+3. 3V直 流電源相連接，C6連接在地與+3. 3V直流電源之間，作為去耦電容；管腳10、管腳13均與地 直接相連接。U4的管腳2、管腳5、管腳10均懸空；U4的管腳3、管腳9直接與+3. 3V直流 電源相連接；管腳1、管腳4、管腳8直接與地相連接；管腳3與+3. 3V電源相連接，C7連接 在地與+3. 3V直流電源之間，做為電源的去耦電容。U3的管腳2、管腳3、管腳4分別是X、 Y、Z方向上得加速度值輸出端口，分別與圖5中Ul的管腳16、管腳15、管腳14相連接；U4 的管腳6、管腳7為IIC端口，分別與圖5中Ul的管腳7、管腳8相連接。[0041]參考圖5，主控模塊2包括單片機芯片Ul及一些外圍電路，單片機芯片Ul采用 P89LPC916小封裝低功耗單片機，R2、R3分別為Ul管腳7、管腳8的阻值都為5K的上拉電 阻，電阻R2、R3分別連在+3. 3V直流電源與Ul管腳7、+3. 3V直流電源與Ul管腳8之間。 參考圖4，圖5中的Ul的管腳7、管腳8分別與圖4中U4的管腳7、管腳8相連接。Ul的管 腳I在實際實用中使用一個短路帽通過阻值為4. 7K的電阻R5連接到+3. 3V直流電源，管 腳3通過阻值為5K的電阻Rl連接到+3. 3V直流電源，管腳9、管腳10分別與通訊模塊的數(shù) 據(jù)輸入輸出口相連接，管腳12與+3. 3V直流電源相連接，管腳16、管腳15、管腳14分別與 圖4中U3的管腳2、管腳3、管腳4相連接。[0042]主控模塊2還包括程序下載端口 P7。程序下載端口 P7的管腳I接+3. 3V直流電 源，管腳2接地，管腳3與Ul的管腳3相連接，管腳4與Ul的管腳13相連接，管腳5與Ul 的管腳14相連接。[0043]數(shù)據(jù)存儲模塊4包括存儲芯片U2。存儲芯片U2采用信號為MX25L6436E的Nor Flash芯片。U2的管腳3通過阻值為IOK的R4連接到+3. 3V直流電源，管腳4連接到地， 管腳7懸空，管腳8與+3. 3V直流電源連接，在管腳8與地之間連接一個O.1uF的電容C2。 U2的管腳1、管腳2、管腳5、管腳6分別與Ul的管腳2、管腳5、管腳6、管腳11相連接。[0044]參考圖1，圖2，本實用新型一種研究鳥類飛行動力學的方法，具體包括以下步驟[0045]第一步將裝置安裝于被監(jiān)測對象的身上，放飛被監(jiān)測對象，同時啟動監(jiān)測裝置；[0046]第二步所述裝置初始化主控模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，初始化三軸加速度傳感器，定時 器并開啟中斷程序；[0047]第三步所述裝置設(shè)置并啟動數(shù)據(jù)存儲模塊；[0048]第四步所述裝置每隔l/16s或者l/32s執(zhí)行一次中斷程序，將MMA7361L和 MMA7660FC三軸加速度傳感器采集到的鳥類飛行時頭部、翅膀和/或者軀干等部位的加速 度數(shù)據(jù)，存儲在MX25L6436E存儲芯片中；[0049]第五步計算機通過所述裝置中的USB接口獲得相應的加速度數(shù)據(jù)；[0050]第六步計算機對加速度數(shù)據(jù)進行處理，將各采樣點加速度數(shù)據(jù)映射為相應的擺 動方位角和擺幅；[0051]第七步通過智能控制算法，將被測鳥類頭部、翅膀和/或軀干的擺動映射為鳥類 的扭頭、振翅、拐彎、滑翔等具體行為，以便進一步的分析。[0052]中斷程序生成鳥類飛行時頭部、翅膀和/或者軀干等部位的加速度數(shù)據(jù)的步驟 是，MMA7361L三軸加速度傳感器采集頭部擺動信息，MMA7660FC三軸加速度傳感器采集翅 膀和/或軀干的擺動信息，同時將數(shù)據(jù)傳送到MX25L6436E存儲芯片中存儲。[0053]計算機通過所述裝置的USB接口獲得相應的加速度數(shù)據(jù)是在被檢測對象歸巢時， 從所述裝置上取下所述數(shù)據(jù)存儲模塊，將所述數(shù)據(jù)存儲模塊通過USB接口連接到電腦上從 而獲得數(shù)據(jù)，然后對獲取的數(shù)據(jù)進行分析，得出實驗結(jié)果。[0054]智能控制算法包括模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、量子遺傳算法、小波分析、支持向量機、 D-S證據(jù)理論等中的一種或多種，來獲取鴿子在飛行時頭部擺動的幅度和頻率、身體的傾斜 程度、翅膀扇動的幅度和頻率等信息。[0055]以上說明書中描述的只是本實用新型的具體實施方式
，各種舉例說明不對本實用 新型的實質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀了說明書后可以對以前所 述的具體實施方式
做修改或變形，而不背離實用新型的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求1.一種研究鳥類飛行動力學的裝置，其特征在于該裝置包括 三軸加速度傳感器，用于采樣鳥類不同部位在X、Y、Z三個方向的加速度數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)存儲模塊，由串行NOR Flash存儲器為主構(gòu)成，用于存取采樣到的加速度數(shù)據(jù)； 主控模塊，所述裝置核心控制單元，由低功耗小封裝單片機為主構(gòu)成； 通訊模塊，RS232接口電平和USB接口電平轉(zhuǎn)換電路，分別和主控模塊和USB接口連接; 控制開關(guān)，連接到主控模塊，用于確定所述裝置是否處于工作狀態(tài)，是否可以對鋰電池充電，以及裝置是處于數(shù)據(jù)采樣階段還是處于數(shù)據(jù)傳輸階段； 電源模塊，給所述裝置提供電源，含鋰電池、充電回路和電壓調(diào)整電路，充電回路連接到USB接口； USB接口，USB MINI B型5Pin接口，給所述裝置提供數(shù)據(jù)交換和充電電源的物理接口 ； 其中，所述的主控模塊與三軸加速度傳感器、控制開關(guān)、數(shù)據(jù)存儲模塊、通訊模塊相連接，所述的通訊模塊與USB接口相連接，所述的USB接口與電源模塊相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種研究鳥類飛行動力學的裝置，其特征在于所述三軸加速度傳感器包括兩種三軸加速度傳感器，所用型號為MMA7361L和MMA7660FC，采用容性MEMs單封裝結(jié)構(gòu)，其中所述MMA7361L三軸加速度傳感器和主控模塊相連，MMA7660FC三軸加速度傳感器與主控模塊相連。
3.如權(quán)利要求1所述的一種研究鳥類飛行動力學的裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲模塊所用型號為MX25L6436E的Nor Flash存儲芯片，采用8-pin SOP封裝，其中所述MX25L6436E存儲芯片與主控模塊相連接。
4.如權(quán)利要求1所述的一種研究鳥類飛行動力學的裝置，其特征在于所述主控模塊為Philips小封裝低功耗單片機，所用型號為P89LPC916，采用TSS0P16封裝，其中所述P89LPC916單片機與三軸加速度傳感器、控制開關(guān)、通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊相連接。
5.如權(quán)利要求1所述的一種研究鳥類飛行動力學的裝置，其特征在于所述充電電路與USB接口相連接，鋰電池與充電電路相連接，電壓調(diào)整電路與鋰電池相連接，所述電壓調(diào)整電路輸出+3. 3V電壓。
專利摘要本實用新型涉及一種研究鳥類飛行動力學的裝置，屬于仿生研究領(lǐng)域；該裝置具有三軸加速度傳感器、數(shù)據(jù)存儲模塊、主控模塊、通訊模塊、電源模塊、控制開關(guān)和USB接口；使用時，通過主控模塊控制，該裝置將鳥類飛行時頭部和/或翅膀等部位的加速度信號采集并存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊；然后，數(shù)據(jù)存儲模塊中的加速度信號通過通訊模塊和USB接口，傳輸?shù)接嬎銠C；傳輸?shù)接嬎銠C的加速度信號通過智能控制算法，得到鳥類飛行過程中頭部擺動的幅度和角度，或者翅膀扇動的幅度和頻率，以便進一步研究鳥類的起飛、避障、降落動力學。本實用新型具有體積小，重量輕，功耗低，操作簡單，使用方便的特點。
文檔編號G01P15/18GK202837325SQ201220512408
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月30日
發(fā)明者劉小峰, 齊本勝, 徐曉平, 劉玉宏, 苗紅霞 申請人:河海大學常州校區(qū)