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基于磁场传感线圈的昆虫飞行跟踪测量系统

蔡志坚  
【摘要】: 昆虫运动机理仿生研究有望为微型飞行器(MAV)的设计提供新的思路和理论指导,而自由飞行昆虫的运动参数测量对于这项研究有着至关重要的意义。在昆虫运动参数的测量研究中,昆虫的飞行范围和飞行观测细节之间的矛盾成为该领域进一步发展的瓶颈,对自由飞行的昆虫进行跟踪测量是解决这一矛盾的根本之策。本论文提出一种基于磁场传感线圈的开环混合跟踪测量系统,它不但可以获取高分辨率的飞行细节图像,使高速摄像机跟踪拍摄昆虫的自由飞行成为可能,还能方便快捷地测量出昆虫飞行时的身体轨迹和姿态。 这种混合跟踪测量系统主要由磁场传感线圈测量系统和图像跟踪系统两部分组成。在磁场传感线圈测量系统中,通有电流的铜导线在立方框内产生独特分布的交变磁场,昆虫身体上背负着微型传感线圈在立方框内飞行,传感线圈对交变磁场的感应电压经过弱信号处理电路的处理以及一系列算法的运算,得出昆虫身体的位置及姿态。在图像跟踪系统中,计算机根据昆虫身体位置计算出控制信号的大小,通过伺服控制电路驱动一个二维转镜产生转动,CCD摄像机通过二维转镜跟踪拍摄到昆虫飞行的图像。该系统不需要从图像中提取信息,使摄像机可以自由地进行拍摄。它还具有开环跟踪的特性,目标即使暂时丢失也能够很快找回来。 本论文利用该系统对熊蜂进行了跟踪测量实验,跟踪拍摄了熊蜂飞行时的图像序列,并获取了飞行时身体轨迹及姿态的数据,证明了这种混合跟踪测量系统的有效性。论文还对所获取的数据按照悬停、直飞和拐弯三种运动模式进行了简单的分析。对于一些翅膀比较大的昆虫,本论文提出了利用在翅膀上粘接微型传感线圈来测量扇翅角和扭转角的方法,并且成功地对熊蜂进行了实验,获取了熊蜂的扇翅角和扭转角数据,初步验证了这种方法的可行性。和通过图像处理确定扇翅角和扭转角的方法相比,该方法精度高,处理速度快,而且避免了遮挡和图像位置识别带来的测量误差。


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