基于PXIe和LabVIEW的動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)數據采集系統

摘要：為了解決動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)數據采集系統中的多通道、高采樣率和大量數據實(shí)時(shí)存儲等問(wèn)題，提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)及其圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境的系統設計方案。系統以PXIe和LabVIEW為平臺，采用3×8傳感器陣列、72通道數據采集與處理模塊和高速攝像機等，同步采集力學(xué)數據和圖像數據。實(shí)驗表明，該系統可以準確獲得動(dòng)物運動(dòng)過(guò)程中各個(gè)腳掌的三維接觸反力和協(xié)調運動(dòng)行為數據，為仿生機器人的研究提供了理論基礎。
關(guān)鍵詞：傳感器陣列；PXIe；LabVIEW；運動(dòng)力學(xué)；數據采集

運動(dòng)是動(dòng)物捕食、逃逸、生殖和繁衍等行為的基礎，許多動(dòng)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(dòng)物運動(dòng)行為和力學(xué)的研究，可以揭示動(dòng)物的運動(dòng)特性和規律，為仿生機器人的研究提供重要理論基礎。虛擬儀器技術(shù)及其圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境為動(dòng)物運動(dòng)行為和力學(xué)的研究提供了很好的方法，NI公司開(kāi)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(yǔ)言的圖形化編程語(yǔ)言，其圖形化界面可以方便地進(jìn)行虛擬儀器的開(kāi)發(fā)，在數據采集、儀器控制、測試測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。
壁虎、蜜蜂和蟑螂等動(dòng)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，目前大部分的動(dòng)物接觸反力測試系統，只能獲得單個(gè)腳掌或整個(gè)身體的力學(xué)信息，無(wú)法采集到動(dòng)物運動(dòng)過(guò)程中各個(gè)腳掌的三維接觸反力和協(xié)調運動(dòng)行為數據。本文介紹了一種基于PXIe和LabVIEW的動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)數據采集系統，系統的PXIe模塊集信號調理、A／D轉換、采樣／保持等多個(gè)環(huán)節于一體，解決了動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)數據采集系統中的諸多問(wèn)題，為探索和發(fā)現動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)規律提供了重要的方法。

1 系統總體結構
數據采集就是將模擬信號轉換為數字信號，然后使用計算機進(jìn)行處理、顯示及存儲的過(guò)程，相應的系統稱(chēng)為數據采集系統。在動(dòng)物運動(dòng)力學(xué)數據采集系統中，傳感器陣列把動(dòng)物運動(dòng)時(shí)的力學(xué)信號轉化為電信號，通過(guò)PXIe數據采集模塊對該信號進(jìn)行處理和采集，最后在LabVIEW程序中實(shí)現數據的處理、顯示和保存；高速攝像機和冷光源用于記錄動(dòng)物運動(dòng)過(guò)程中的運動(dòng)學(xué)信息。力學(xué)數據和行為數據通過(guò)單片機(AVR Mega16)同步觸發(fā)采集。系統結構如圖1所示。