基于PXIe和LabVIEW的動物運動力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：為了解決動物運動力學(xué)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(shù)及其圖形化開發(fā)環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)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(jī)等，同步采集力學(xué)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。實驗表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)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(diào)運動行為數(shù)據(jù)，為仿生機(jī)器人的研究提供了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：傳感器陣列；PXIe；LabVIEW；運動力學(xué)；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(chǔ)，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(xué)的研究，可以揭示動物的運動特性和規(guī)律，為仿生機(jī)器人的研究提供重要理論基礎(chǔ)。虛擬儀器技術(shù)及其圖形化開發(fā)環(huán)境為動物運動行為和力學(xué)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(yīng)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(jìn)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(xué)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(diào)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(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的PXIe模塊集信號調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、采樣／保持等多個環(huán)節(jié)于一體，解決了動物運動力學(xué)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(xué)規(guī)律提供了重要的方法。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)采集就是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后使用計算機(jī)進(jìn)行處理、顯示及存儲的過程，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在動物運動力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器陣列把動物運動時的力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過PXIe數(shù)據(jù)采集模塊對該信號進(jìn)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(jī)和冷光源用于記錄動物運動過程中的運動學(xué)信息。力學(xué)數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)通過單片機(jī)(AVR Mega16)同步觸發(fā)采集。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。