電源是動物機器人獲得有效刺激的關鍵要素，應用光伏電池并監測其參數變化可以指導操作者獲得最佳的刺激策略，從而有效延長動物機器人的控制時間，本文旨在研究一種面向動物機器人刺激器的光伏電池在線監測系統。該系統主要由電池信息采樣電路、多通道神經信號發生器、電源模塊和人機交互界面組成，通過多通道信號發生器適時刺激可以對動物機器人進行遠程導航控制，同時電池信息采樣電路實時采集電池的電壓、電流、溫度、電量信息，顯示在人機交互系統上，并對電池的異常狀態進行報警。通過充放電測試獲得電池相關參數，并對不同光照強度下的系統續航時間和神經信號發生器的刺激效果進行了測試。結果表明電池電壓、電流、電量采樣誤差分別小于15 mV、5 mA、6 mAh。在78 320 lx的光照強度下，相較于無光伏電池的系統，續航時間延長了148%，在一定程度上解決了動物機器人的續航問題。刺激實驗結果表明系統可以控制動物機器人完成左、右轉動作，成功率均在80%以上。本系統所獲得的參數可以為研究人員優化動物控制策略提供依據。
引用本文： 石勇, 于志豪, 顏瑞, 汪慧, 楊俊卿, 槐瑞托. 面向動物機器人刺激器的光伏電池在線監測系統研究與應用. 生物醫學工程學雜志, 2022, 39(5): 974-981, 990. doi: 10.7507/1001-5515.202109020 復制
引言
動物機器人是指人類通過生物控制技術施加干預信號調控動物生物行為從而實現人類操縱的動物[1]。相較于傳統機器人，動物機器人具有更卓越的運動能力、更智慧的認知能力以及更高效的能量利用效率，在執行搜救和偵察等工作時有著難以替代的作用[2-3]。21世紀以來，國內外對于動物機器人展開了積極的研究。2006年美國波士頓大學Atema科研小組將微型芯片植入鯊魚體內，控制鯊魚的運動[4-5]。2009年美國加州大學通過無線刺激器實現了甲蟲的飛行控制[6]。同年，日本廣島大學通過刺激金魚中腦實現了對金魚的有效控制[7]。2017年韓國首爾國立大學將液晶聚合物作為外包材料植入家鴿腦內，實現了家鴿的行為控制[8]。山東科技大學成功控制機器人鼠和機器人鳥完成左轉、右轉等動作[9-11]。浙江大學利用C8051單片機和藍牙模塊成功研制了大鼠機器人遠程導航及行為訓練系統[12]。南京航空航天大學基于CC1000芯片研制了壁虎機器人，能在300 m的開闊區域穩定工作[13]。杭州電子科技大學研制了基于射頻技術的蜜蜂機器人控制系統[14]。燕山大學基于SI4463和SV610芯片研制的鯉魚機器人，成功實現了水下無線控制[15]。
國內外對于各類動物機器人刺激器的研究日趨完善，人類可以根據自身意愿調控動物機器人的運動行為，但現有的無線刺激器尚存在一些不足。首先由于動物承載能力有限，只能裝備小容量鋰電池，在進行無線導航實驗時，往往因為能量耗盡而無法到達預定位置，續航能力不足制約著動物機器人的發展[16]。其次實驗人員往往依據主觀經驗匹配電池電量與動物控制策略，無法量化電池電量和動物控制時間。此外鋰電池在實際使用過程中可能出現過充、過放、過流、過壓等問題，影響電池的使用壽命，甚至會出現安全問題[17-18]。國內外對于電池管理系統的研究主要集中于電動汽車領域，往往體積大、耗能高[19]，并不適用于動物機器人。
針對上述問題，本文研究了一種面向動物機器人刺激器的光伏電池在線監測系統。該系統固定于動物背部，與動物腦部電極連接，可以發出刺激信號，對動物機器人進行遠程導航控制，還可以實時采集電池的電壓、電流、溫度、電量信息并顯示在人機交互系統上，對電池的異常狀態進行報警。系統搭建耗電模型對電池電量和動物控制時間進行量化，為實驗人員優化動物控制策略提供依據。同時采用高性能單晶硅光伏電池將太陽能轉化為電能存儲在聚合物鋰電池里面，延長了系統的使用時間，在一定程度上提高了動物機器人的續航能力。
1 光伏電池在線監測系統研發
光伏電池在線監測系統采用“主從式”拓撲結構，包括采集刺激端和數據處理端兩部分，兩者通過nRF射頻模塊實現無線通信。硬件電路包括電池信息采樣電路、多通道神經信號發生器、電源模塊，系統軟件主要包括人機交互系統，如圖1所示。
圖1
動物機器人光伏電池在線監測系統
Figure1.
Photovoltaic cell online monitoring system for animal robot
1.1 系統硬件搭建
1.1.1 電池信息采樣電路
采樣電路運用模擬數字轉換器（analog to digital converter，ADC）和集成電路總線（inter-integrated circuit，IIC）對電池的電壓、電流、電量、溫度信息進行采集，通過nRF24L01P射頻芯片傳輸給數據處理端，經解碼后顯示在人機交互界面上，實現電池在線監測的目的。其中電壓采樣部分運用兩個100 K（1%）高精度電阻對電池電壓進行分壓處理，通過高精度運算放大器OPA333搭建電壓跟隨器，實現電壓采集。電流采樣選用TI公司高精度雙向電流監控器INA282，可將采樣電阻兩端差分電壓放大50倍，共模抑制比較高，采用20 mΩ的采樣電阻便可完成測量。電量采樣部分采用庫侖計芯片LTC2941-1，該芯片內置高精度采樣電阻，通過測量SENSE+和SENSE-之間的電壓差計算流過電池的電流，并對電流積分轉化為電荷量，最后通過IIC通信將電量數據傳輸給微處理器。溫度信息通過數字式溫度傳感器DS18B20固定于電池表面進行測量。具體電路搭建如圖2所示。
圖2
電池信息采樣電路
Figure2.
Battery information collecting circuit
1.1.2 多通道神經信號發生器
當采集刺激端接收到人機交互界面無線傳輸的刺激指令，通過電壓驅動電路生成 ? 5～+ 5 V的正弦波、方波和模擬鋒電位等刺激波形。電刺激信號通過8通道模擬開關HCF4051和腦機接口刺激不同的腦區，實現對動物的遠程控制，電路搭建如圖3所示。系統選用OPA333放大模擬刺激信號，如圖3所示，U15起移位的作用，U16起放大的作用。輸入與輸出關系表達式為：
圖3
多通道神經信號發生器
Figure3.
Multi-channel neural signal generator
 |
令 
= 3.3 V，
= 5 V；
= 0 V，
= ? 5 V，根據式（1）可推出 
= 
= 
= 50 kΩ，
= 100 kΩ，即可將微處理器輸出的單相信號轉化為理想的雙相模擬電信號。
1.1.3 電源模塊
依據動物負載能力和無線系統的要求，電源部分選用80 mAh的小容量聚合物鋰電池供電，其額定電壓為3.7 V。光伏電池充電過程選用充電管理集成芯片MCP73871進行控制，該芯片采用電壓與電流比例控制（voltage proportional current control，VPCC），根據官方數據手冊，將VPCC電路的參考點設置為最大電源電壓的91%，以保證小功率太陽能電池板可以保持最大功率輸出。同時選用TI公司的REG710-3.3V穩壓芯片為微處理器和采集芯片提供3.3 V電壓，該芯片具有體積小、響應快、電源電壓抑制比高的優點。由于多通道神經信號發生電路的參考電壓為 + 5 V和? 5 V，因此選用升壓芯片REG710-5V和負壓芯片TC7660提供 ±5 V電壓，以確保生成有效的刺激信號。
1.2 系統軟件研究
基于LabVIEW開發了人機交互系統，旨在方便實驗人員與動物機器人光伏電池在線監測系統對話，提高系統使用效率。人機交互界面包括電池狀態信息顯示與報警界面和動物機器人遠程導航控制界面。電池狀態信息顯示與報警界面通過調用VISA寫入、截取字符串、寫入文本文件等函數實現電池電壓、電流、溫度和電量信息的實時顯示，并將電池數據存儲在TXT文檔中。該界面還可以設置充放電閾值，若超過設定閾值，則發出報警信號，并及時采取保護措施。動物機器人遠程導航控制界面可以選擇不同幅值、頻率、占空比的正弦、方波、三角波以及模擬鋒電位等刺激波形對動物進行控制，實現動物的左轉、右轉和前進動作。界面設計如圖4所示。
圖4
人機交互系統
a. 電池狀態信息顯示與報警界面；b. 動物機器人遠程導航控制界面
Figure4. Human-machine interaction systema. battery status information display and alarm interface; b. animal robot remote navigation control interface
2 系統耗電模型搭建
為了更好地滿足動物機器人長期控制需要，客觀評價不同場景下電池的續航時間，基于電池能量積分法[20-21]建立了系統耗電模型，其公式為：
 |
式中，
為 
時刻的電池能量，
為初始電池能量，
和 
分別為電池端子電壓和負荷電流。
系統在實際使用中，根據電池SOC和電壓、電流監測電路計算得出電池當前電荷量Q、電壓 
和電流 
，若光伏電池處于充電狀態則 
> 0，處于放電狀態則 
< 0。首先計算出電池當前能量 
，其公式為：
 |
式中，
為電池平均放電電壓，聚合物鋰電池為3.7 V。
當人機交互界面發出控制信號時，nRF射頻模塊無線傳輸和DA輸出刺激波形都會加快電池的耗電速度，其額外消耗的能量：
 |
此時預計使用時間為：
 |
式中，
為電壓采樣電路采集到的電壓平均值，
為待機時平均電流采樣值。
引入系數δ描述光伏電池板光照強度與輸出電流的關系：
 |
式中，l為光強度，若太陽能電池處于充電狀態且此時充電功率較大，則該過程由光伏電池板供給負載能量，并給電池充電，可推斷出 
> 0，系統預計使用時間增加，即：
 |
綜合系統耗電情況、太陽能充電以及電池真實電量可推出耗電模型
。動物機器人執行任務時可以根據動物個體差異和量化的電池數值，實時修改控制策略，若電池電量較多，可持續發出刺激信號，控制動物機器人的運動行為，若剩余電量較少，可引導動物機器人到陽光下自主充電。實驗人員可根據該模型計算負載消耗功率和系統預計使用時間，避免了依據主觀經驗控制動物的模糊性，解決了動物機器人續航時間與控制策略不匹配的問題。
3 測試結果
3.1 電壓、電流采樣測試結果
系統在實際運行時，采集刺激端將電池信息通過nRF射頻模塊傳輸給數據處理端，經處理后通過串口傳輸到人機交互系統顯示并存儲。在室溫環境下，對聚合物鋰電池進行充放電，監測系統對電流和電壓采樣6次，并與萬用表測量值比較。聚合物鋰電池的系統采樣值和實際測量值如表1所示。
表1
電壓電流采樣值與實測值
Table1.
Sampled values and measured values of voltage and current
由表1結果可得，光伏電池在線監測系統測得的電池電壓值與實際測量值的誤差小于15 mV，基于INA282采得的電流與實測值的誤差小于5 mA。
3.2 電池電量采樣測試結果
在室溫環境下，對電池進行正常充放電測試，并基于LTC2941-1采集電池的電量信息，上傳至人機交互界面顯示。實驗設計如下：系統正常運行耗電，每隔10 min將電池取下靜置一小時，測電池兩端電壓，將該狀態下開路電壓法測量的電量與庫侖計測得電量進行比較，其結果如表2所示。結果表明，最大誤差不超過6 mAh。由于庫侖計存在累計誤差，所以軟件部分根據電池電壓設置空電量和滿電量閾值，每次通電時若初始電壓低于3. 0V判斷電池為空電量，將0000h寫入對應寄存器，若電壓高于4.18 V判斷電池為滿電量，將EB4Bh寫入對應寄存器，以保證誤差在可控范圍以內。
表2
電量采樣值與實測值
Table2.
Sampling values and measured values of electric quantity
3.3 光伏電池板性能測試結果
光伏電池板采用寧波市瑪德太陽能科技有限公司生產的單晶硅太陽能電池板，尺寸為55 mm × 55 mm，最大功率輸出達410 mW。該實驗采用80 mAh聚合物鋰電池，將太陽能電池板放置在實際應用場景的多種光源下，監測電池電壓從3.2～4.2 V所需時間，在此期間用DS18B20記錄電池表面溫度變化，使用廣州瑞測電子科技有限公司生產的希瑪AS803光照計記錄光照強度。實驗結果如圖5和表3所示。
圖5
不同光源下80 mAh鋰電池充電情況
Figure5.
Charging of 80 mAh lithium battery under different light sources
表3
不同光源下聚合物鋰電池充電結果
Table3.
Charging results of polymer lithium battery under different light sources
由圖5和表3可以看出，將光伏電池板放置在室外太陽光和陽面室內太陽光下，表面溫度變化不大且兩個小時之內便可完成充電。本文使用的家鴿機器人主要活動于室外環境，滿足光伏充電的條件，可在強光下給電池充電，延長動物的控制時間。
3.4 多通道信號發生器波形驗證
為驗證多通道神經信號發生器是否可以發出設定的刺激波形，采用示波器對神經信號發生器輸出波形進行測量，將測量結果與上位機LabVIEW設定結果相比較。通過多次對LabVIEW波形參數進行設置，示波器測得的波形均與設定的波形一致，達到系統測試要求。選擇帶間隙的矩形波，設定脈沖參數頻率為50 Hz、幅值為±5 V、相位為0，LabVIEW設定波形與測量波形進行對比，對比結果如圖6所示。
圖6
動物機器人控制界面指令波形與示波器測量波形對比圖
Figure6.
Comparison between command waveform of the animal robot control interface and oscilloscope measuring waveform
3.5 動物機器人刺激實驗
3.5.1 實驗動物
健康成年家鴿5只，重量600～800 g，由山東科技大學機器人中心自行養殖。
3.5.2 動物手術
首先，對5只健康成年家鴿（600～800 g）肌肉注射10%水合氯醛溶液（350 mg/kg）。待全身麻醉后，將家鴿固定于腦立體定位儀（51600，Stoelting Inc，美國），剪除家鴿顱骨上方羽毛及頭皮組織并使用雙氧水消毒，露出顱骨。選擇DIVA[22]左右兩個刺激位點進行定位，用電動顱骨鉆（STORG-90，Seash Inc，韓國）對定位點打孔并植入電極，最后使用牙科水泥固定相關電極。待7～10天傷口愈合后，將刺激裝置通過自制馬甲固定于動物背部，與頭部電極連接進行刺激實驗。
3.5.3 動物控制實驗
為了驗證刺激器對動物刺激的有效性，使用該系統對家鴿左右兩側DIVA位點進行刺激。刺激波形采用±5 V帶間隔的方波，其頻率250 Hz，占空比50%，時長200 ms。分別對5只家鴿進行刺激，每只左右各刺激5次，共計50次，若出現逃避行為并轉向便視為刺激成功。其結果如表4所示。
表4
動物控制實驗結果
Table4.
Animal control experiment results
實驗結果表明，該系統有較好的刺激效果，可以控制動物機器人實現左轉右轉等基本動作，控制成功率達80%以上，滿足實際應用的需要。
3.6 光照強度對系統續航時間的影響實驗
光伏電池板的光電轉換效率與光照角度有很大關系，當太陽能電池板與太陽光線垂直時，充電功率最大，當光伏電池板背對太陽光時，充電功率最小。實際實驗中，電池板與太陽光線夾角是不斷變化的，因此將該系統制成電子背包通過自制馬甲裝設于家鴿背部，并傾斜一定角度與動物的腦機接口相連接（如圖7所示），以保證最大效率地接收太陽能。在兩種不同光照強度的露天環境下，對3只家鴿機器人采用同樣的刺激頻率（平均每分鐘刺激3～4次），通過人機交互界面設置幅值3～5 V和頻率250 Hz的電刺激信號，測試攜帶太陽能電池板與不攜帶太陽能電池板的續航時間，在此期間，以1 Hz的采樣速率記錄電池狀態。測試結果如圖8所示。
圖7
家鴿機器人室外無線控制實驗
Figure7.
Experimental diagram of outdoor wireless control of pigeon robot
圖8
不同光照強度下續航時間測試結果
a. 系統續航時間；b. 系統運行不同時間后剩余電量對比圖
Figure8. Test results of endurance time under different light intensitya. system battery life; b. comparison of remaining power after system running for different times
圖8a表明，沒有裝備光伏電池板的系統約45 min耗完全部電量；而裝備太陽能電池板的系統在23 520 lx的光照強度下62 min消耗完全部電量，續航時間延長了38%；在78 320 lx強度的光照下，系統運行時間延長到112 min，相較于無太陽能電池板系統續航能力提升了148%，且該時間隨著光照強度的增強會進一步增加。由圖8b可知隨著系統運行時間的增長，不同光照強度下系統耗電量差值逐漸增大。10 min時，78 320 lx光照強度下系統剩余電量比無太陽能電池板系統剩余電量多9.79%，而40 min以后，78 320 lx光照強度下系統剩余電量比無太陽能電池板系統剩余電量多43.2%。同時由圖8可知耗電速度與光照強度呈負相關的關系，無太陽能電池板系統耗電速率最快，40 min后電量僅剩19%；23 520 lx光照強度下相較于無電池板系統續航能力略有增加，40 min后電量剩余36.7%；而78 320 lx光照強度下系統續航時間最長，40 min后電量剩余62.3%。結果表明對于家鴿等室外活動的動物，在裝設該系統后運行時間大大延長，可以到更遠的地方執行任務，而不用擔心能量耗盡的問題。
4 討論與結論
動物機器人無線控制原理，是通過刺激器發出一定強度和頻率的模擬電信號實現動物的人工制導[23]。國內外學者基于無線控制原理研制出各類性能優異的刺激器，實現了對家鴿、大鼠、鯉魚、蜜蜂等動物的行為調控。但課題組在進行家鴿機器人的實驗中發現，由于動物負載能力較差，搭載電池容量較小，實驗中可能因為電量耗盡而無法完成預定任務。此外操作人員在動物調控實驗中往往依據自身經驗匹配電池續航時間和動物控制策略，刺激過程中存在明顯的主觀性和隨意性，缺乏控制依據。為此本文研制了一種用于動物機器人刺激器的光伏電池在線監測系統，其中系統硬件包括電池信息采樣電路、多通道神經信號發生器、電源模塊，系統軟件包括電池信息監測界面和動物機器人遠程控制界面。
本文研究的面向動物機器人刺激器的光伏電池在線監測系統，在使用過程中電池信息采樣電路采集電池的電壓、電流、溫度、電量信息，通過無線發送裝置傳輸給無線接收端，經解碼后顯示在人機交互界面上，并與設定的閾值比較，判斷電池的異常狀態，同時將數據信息代入耗電模型，輸出電池消耗功率和預計使用時間。經系統充放電測試，電池電壓采樣誤差小于15 mV，電流采樣誤差小于5 mA，電量采樣誤差小于6 mAh。電壓、電流在實際使用中與設定閾值比較來判定系統是否過壓或過流，對于精度要求不會過高，測試結果滿足系統運行需求。電量采樣誤差主要由LTC2941-1累計誤差造成，隨著測量時間的增長誤差會逐漸增大，本文通過軟件設置閾值進行修正，保證誤差在可控范圍之內。后續研究中為降低系統功耗并提高電量估計精度，可以考慮用軟件算法代替電量傳感器，使用在線辨識算法辨識電池參數，然后用荷電狀態（state of charge，SOC）估計算法計算電池電量。
人機交互系統的動物機器人遠程控制界面，可選擇刺激波形、刺激通道和刺激參數，合成刺激指令，利用無線模塊打包傳輸給刺激器，經解碼后發出相應的模擬電信號，完成對家鴿機器人的控制實驗。結果表明系統可以發出人機交互界面設定的刺激波形并控制動物機器人完成左、右轉動作，左轉成功率88%，右轉成功率84%。分析刺激器發出正確刺激波形但動物沒有做出動作反應的可能原因：一是高頻率、高幅值的刺激使家鴿產生了刺激疲勞；二是不同的家鴿個體對于模擬電信號刺激的反應程度不同；三是周圍環境出現了更強的刺激使其無法做出反應，例如光、聲音等。
本文基于能量積分法研究的耗電模型，實現將系統耗電情況、太陽能充電以及電池真實電量結合，旨在對刺激頻率和系統使用時間進行量化匹配。該模型為實驗人員優化動物控制策略提供了一種依據，對于不同的電量區間采用不同的控制策略，高電量時可持續發出刺激信號，低電量時需引導動物到強光下進行充電。通過對真實環境下的動物機器人進行控制實驗發現，在78 320 lx強度的光照下，續航時間延長了148%，表明光伏電池板的設計使得系統續航時間得到延長，在一定程度上解決了動物機器人的續航問題。太陽能電池板性能測試實驗表明陽光充足時可在兩小時內完成鋰電池充電，但當太陽能電池板應用于系統后只能減緩耗電速度，充電效果則較弱。其原因可能為：首先光伏電池板固定于家鴿背部，接收光能的角度和強度會隨著家鴿的運動發生改變，引起充電效率的波動；其次系統功能較為復雜，耗電量多，后續可采用低耗量的微處理器進行設計，例如無線單片機CC2540，同時使用SOC在線估計算法代替庫侖計，減少系統功耗；最后受制于商用太陽能電池板光電轉換效率發展現狀，小面積的太陽能電池板充電功率有限，下一步可采用光電轉換效率更高的太陽能電池板，解決家鴿機器人的續航問題。
本文研究的動物機器人光伏電池在線監測系統能夠選擇多種刺激信號對動物進行遠程導航控制，并實時采集電池的狀態信息，對電池的異常狀況進行報警。動物機器人控制實驗表明，增加的光伏電池板可以在一定程度上延長動物機器人的續航時間。系統通過建立的耗電模型實時計算電池電量和系統續航時間，及時修正動物機器人控制策略，為實驗人員提供了一種控制動物的依據。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：石勇負責軟硬件平臺搭建以及論文撰寫、修訂。于志豪負責光伏電池實驗設計與指導。顏瑞負責動物實驗手術及數據記錄。汪慧負責動物實驗設計與分析。楊俊卿負責硬件平臺指導與維護。槐瑞托負責研究計劃安排、實驗指導以及論文審閱修訂。
倫理聲明：本研究通過了山東本明生物科技股份有限公司動物倫理委員會的審批（批文編號：000639）。
引言
動物機器人是指人類通過生物控制技術施加干預信號調控動物生物行為從而實現人類操縱的動物[1]。相較于傳統機器人，動物機器人具有更卓越的運動能力、更智慧的認知能力以及更高效的能量利用效率，在執行搜救和偵察等工作時有著難以替代的作用[2-3]。21世紀以來，國內外對于動物機器人展開了積極的研究。2006年美國波士頓大學Atema科研小組將微型芯片植入鯊魚體內，控制鯊魚的運動[4-5]。2009年美國加州大學通過無線刺激器實現了甲蟲的飛行控制[6]。同年，日本廣島大學通過刺激金魚中腦實現了對金魚的有效控制[7]。2017年韓國首爾國立大學將液晶聚合物作為外包材料植入家鴿腦內，實現了家鴿的行為控制[8]。山東科技大學成功控制機器人鼠和機器人鳥完成左轉、右轉等動作[9-11]。浙江大學利用C8051單片機和藍牙模塊成功研制了大鼠機器人遠程導航及行為訓練系統[12]。南京航空航天大學基于CC1000芯片研制了壁虎機器人，能在300 m的開闊區域穩定工作[13]。杭州電子科技大學研制了基于射頻技術的蜜蜂機器人控制系統[14]。燕山大學基于SI4463和SV610芯片研制的鯉魚機器人，成功實現了水下無線控制[15]。
國內外對于各類動物機器人刺激器的研究日趨完善，人類可以根據自身意愿調控動物機器人的運動行為，但現有的無線刺激器尚存在一些不足。首先由于動物承載能力有限，只能裝備小容量鋰電池，在進行無線導航實驗時，往往因為能量耗盡而無法到達預定位置，續航能力不足制約著動物機器人的發展[16]。其次實驗人員往往依據主觀經驗匹配電池電量與動物控制策略，無法量化電池電量和動物控制時間。此外鋰電池在實際使用過程中可能出現過充、過放、過流、過壓等問題，影響電池的使用壽命，甚至會出現安全問題[17-18]。國內外對于電池管理系統的研究主要集中于電動汽車領域，往往體積大、耗能高[19]，并不適用于動物機器人。
針對上述問題，本文研究了一種面向動物機器人刺激器的光伏電池在線監測系統。該系統固定于動物背部，與動物腦部電極連接，可以發出刺激信號，對動物機器人進行遠程導航控制，還可以實時采集電池的電壓、電流、溫度、電量信息并顯示在人機交互系統上，對電池的異常狀態進行報警。系統搭建耗電模型對電池電量和動物控制時間進行量化，為實驗人員優化動物控制策略提供依據。同時采用高性能單晶硅光伏電池將太陽能轉化為電能存儲在聚合物鋰電池里面，延長了系統的使用時間，在一定程度上提高了動物機器人的續航能力。
1 光伏電池在線監測系統研發
光伏電池在線監測系統采用“主從式”拓撲結構，包括采集刺激端和數據處理端兩部分，兩者通過nRF射頻模塊實現無線通信。硬件電路包括電池信息采樣電路、多通道神經信號發生器、電源模塊，系統軟件主要包括人機交互系統，如圖1所示。
圖1
動物機器人光伏電池在線監測系統
Figure1.
Photovoltaic cell online monitoring system for animal robot
1.1 系統硬件搭建
1.1.1 電池信息采樣電路
采樣電路運用模擬數字轉換器（analog to digital converter，ADC）和集成電路總線（inter-integrated circuit，IIC）對電池的電壓、電流、電量、溫度信息進行采集，通過nRF24L01P射頻芯片傳輸給數據處理端，經解碼后顯示在人機交互界面上，實現電池在線監測的目的。其中電壓采樣部分運用兩個100 K（1%）高精度電阻對電池電壓進行分壓處理，通過高精度運算放大器OPA333搭建電壓跟隨器，實現電壓采集。電流采樣選用TI公司高精度雙向電流監控器INA282，可將采樣電阻兩端差分電壓放大50倍，共模抑制比較高，采用20 mΩ的采樣電阻便可完成測量。電量采樣部分采用庫侖計芯片LTC2941-1，該芯片內置高精度采樣電阻，通過測量SENSE+和SENSE-之間的電壓差計算流過電池的電流，并對電流積分轉化為電荷量，最后通過IIC通信將電量數據傳輸給微處理器。溫度信息通過數字式溫度傳感器DS18B20固定于電池表面進行測量。具體電路搭建如圖2所示。
圖2
電池信息采樣電路
Figure2.
Battery information collecting circuit
1.1.2 多通道神經信號發生器
當采集刺激端接收到人機交互界面無線傳輸的刺激指令，通過電壓驅動電路生成 ? 5～+ 5 V的正弦波、方波和模擬鋒電位等刺激波形。電刺激信號通過8通道模擬開關HCF4051和腦機接口刺激不同的腦區，實現對動物的遠程控制，電路搭建如圖3所示。系統選用OPA333放大模擬刺激信號，如圖3所示，U15起移位的作用，U16起放大的作用。輸入與輸出關系表達式為：
圖3
多通道神經信號發生器
Figure3.
Multi-channel neural signal generator
|
令 = 3.3 V， = 5 V； = 0 V， = ? 5 V，根據式（1）可推出 = = = 50 kΩ， = 100 kΩ，即可將微處理器輸出的單相信號轉化為理想的雙相模擬電信號。
1.1.3 電源模塊
依據動物負載能力和無線系統的要求，電源部分選用80 mAh的小容量聚合物鋰電池供電，其額定電壓為3.7 V。光伏電池充電過程選用充電管理集成芯片MCP73871進行控制，該芯片采用電壓與電流比例控制（voltage proportional current control，VPCC），根據官方數據手冊，將VPCC電路的參考點設置為最大電源電壓的91%，以保證小功率太陽能電池板可以保持最大功率輸出。同時選用TI公司的REG710-3.3V穩壓芯片為微處理器和采集芯片提供3.3 V電壓，該芯片具有體積小、響應快、電源電壓抑制比高的優點。由于多通道神經信號發生電路的參考電壓為 + 5 V和? 5 V，因此選用升壓芯片REG710-5V和負壓芯片TC7660提供 ±5 V電壓，以確保生成有效的刺激信號。
1.2 系統軟件研究
基于LabVIEW開發了人機交互系統，旨在方便實驗人員與動物機器人光伏電池在線監測系統對話，提高系統使用效率。人機交互界面包括電池狀態信息顯示與報警界面和動物機器人遠程導航控制界面。電池狀態信息顯示與報警界面通過調用VISA寫入、截取字符串、寫入文本文件等函數實現電池電壓、電流、溫度和電量信息的實時顯示，并將電池數據存儲在TXT文檔中。該界面還可以設置充放電閾值，若超過設定閾值，則發出報警信號，并及時采取保護措施。動物機器人遠程導航控制界面可以選擇不同幅值、頻率、占空比的正弦、方波、三角波以及模擬鋒電位等刺激波形對動物進行控制，實現動物的左轉、右轉和前進動作。界面設計如圖4所示。
圖4
人機交互系統
a. 電池狀態信息顯示與報警界面；b. 動物機器人遠程導航控制界面
Figure4. Human-machine interaction systema. battery status information display and alarm interface; b. animal robot remote navigation control interface
2 系統耗電模型搭建
為了更好地滿足動物機器人長期控制需要，客觀評價不同場景下電池的續航時間，基于電池能量積分法[20-21]建立了系統耗電模型，其公式為：
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式中， 為 時刻的電池能量， 為初始電池能量， 和 分別為電池端子電壓和負荷電流。
系統在實際使用中，根據電池SOC和電壓、電流監測電路計算得出電池當前電荷量Q、電壓 和電流 ，若光伏電池處于充電狀態則 > 0，處于放電狀態則 < 0。首先計算出電池當前能量 ，其公式為：
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式中， 為電池平均放電電壓，聚合物鋰電池為3.7 V。
當人機交互界面發出控制信號時，nRF射頻模塊無線傳輸和DA輸出刺激波形都會加快電池的耗電速度，其額外消耗的能量：
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此時預計使用時間為：
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式中， 為電壓采樣電路采集到的電壓平均值， 為待機時平均電流采樣值。
引入系數δ描述光伏電池板光照強度與輸出電流的關系：
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式中，l為光強度，若太陽能電池處于充電狀態且此時充電功率較大，則該過程由光伏電池板供給負載能量，并給電池充電，可推斷出 > 0，系統預計使用時間增加，即：
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綜合系統耗電情況、太陽能充電以及電池真實電量可推出耗電模型。動物機器人執行任務時可以根據動物個體差異和量化的電池數值，實時修改控制策略，若電池電量較多，可持續發出刺激信號，控制動物機器人的運動行為，若剩余電量較少，可引導動物機器人到陽光下自主充電。實驗人員可根據該模型計算負載消耗功率和系統預計使用時間，避免了依據主觀經驗控制動物的模糊性，解決了動物機器人續航時間與控制策略不匹配的問題。
3 測試結果
3.1 電壓、電流采樣測試結果
系統在實際運行時，采集刺激端將電池信息通過nRF射頻模塊傳輸給數據處理端，經處理后通過串口傳輸到人機交互系統顯示并存儲。在室溫環境下，對聚合物鋰電池進行充放電，監測系統對電流和電壓采樣6次，并與萬用表測量值比較。聚合物鋰電池的系統采樣值和實際測量值如表1所示。
表1
電壓電流采樣值與實測值
Table1.
Sampled values and measured values of voltage and current
由表1結果可得，光伏電池在線監測系統測得的電池電壓值與實際測量值的誤差小于15 mV，基于INA282采得的電流與實測值的誤差小于5 mA。
3.2 電池電量采樣測試結果
在室溫環境下，對電池進行正常充放電測試，并基于LTC2941-1采集電池的電量信息，上傳至人機交互界面顯示。實驗設計如下：系統正常運行耗電，每隔10 min將電池取下靜置一小時，測電池兩端電壓，將該狀態下開路電壓法測量的電量與庫侖計測得電量進行比較，其結果如表2所示。結果表明，最大誤差不超過6 mAh。由于庫侖計存在累計誤差，所以軟件部分根據電池電壓設置空電量和滿電量閾值，每次通電時若初始電壓低于3. 0V判斷電池為空電量，將0000h寫入對應寄存器，若電壓高于4.18 V判斷電池為滿電量，將EB4Bh寫入對應寄存器，以保證誤差在可控范圍以內。
表2
電量采樣值與實測值
Table2.
Sampling values and measured values of electric quantity
3.3 光伏電池板性能測試結果
光伏電池板采用寧波市瑪德太陽能科技有限公司生產的單晶硅太陽能電池板，尺寸為55 mm × 55 mm，最大功率輸出達410 mW。該實驗采用80 mAh聚合物鋰電池，將太陽能電池板放置在實際應用場景的多種光源下，監測電池電壓從3.2～4.2 V所需時間，在此期間用DS18B20記錄電池表面溫度變化，使用廣州瑞測電子科技有限公司生產的希瑪AS803光照計記錄光照強度。實驗結果如圖5和表3所示。
圖5
不同光源下80 mAh鋰電池充電情況
Figure5.
Charging of 80 mAh lithium battery under different light sources
表3
不同光源下聚合物鋰電池充電結果
Table3.
Charging results of polymer lithium battery under different light sources
由圖5和表3可以看出，將光伏電池板放置在室外太陽光和陽面室內太陽光下，表面溫度變化不大且兩個小時之內便可完成充電。本文使用的家鴿機器人主要活動于室外環境，滿足光伏充電的條件，可在強光下給電池充電，延長動物的控制時間。
3.4 多通道信號發生器波形驗證
為驗證多通道神經信號發生器是否可以發出設定的刺激波形，采用示波器對神經信號發生器輸出波形進行測量，將測量結果與上位機LabVIEW設定結果相比較。通過多次對LabVIEW波形參數進行設置，示波器測得的波形均與設定的波形一致，達到系統測試要求。選擇帶間隙的矩形波，設定脈沖參數頻率為50 Hz、幅值為±5 V、相位為0，LabVIEW設定波形與測量波形進行對比，對比結果如圖6所示。
圖6
動物機器人控制界面指令波形與示波器測量波形對比圖
Figure6.
Comparison between command waveform of the animal robot control interface and oscilloscope measuring waveform
3.5 動物機器人刺激實驗
3.5.1 實驗動物
健康成年家鴿5只，重量600～800 g，由山東科技大學機器人中心自行養殖。
3.5.2 動物手術
首先，對5只健康成年家鴿（600～800 g）肌肉注射10%水合氯醛溶液（350 mg/kg）。待全身麻醉后，將家鴿固定于腦立體定位儀（51600，Stoelting Inc，美國），剪除家鴿顱骨上方羽毛及頭皮組織并使用雙氧水消毒，露出顱骨。選擇DIVA[22]左右兩個刺激位點進行定位，用電動顱骨鉆（STORG-90，Seash Inc，韓國）對定位點打孔并植入電極，最后使用牙科水泥固定相關電極。待7～10天傷口愈合后，將刺激裝置通過自制馬甲固定于動物背部，與頭部電極連接進行刺激實驗。
3.5.3 動物控制實驗
為了驗證刺激器對動物刺激的有效性，使用該系統對家鴿左右兩側DIVA位點進行刺激。刺激波形采用±5 V帶間隔的方波，其頻率250 Hz，占空比50%，時長200 ms。分別對5只家鴿進行刺激，每只左右各刺激5次，共計50次，若出現逃避行為并轉向便視為刺激成功。其結果如表4所示。
表4
動物控制實驗結果
Table4.
Animal control experiment results
實驗結果表明，該系統有較好的刺激效果，可以控制動物機器人實現左轉右轉等基本動作，控制成功率達80%以上，滿足實際應用的需要。
3.6 光照強度對系統續航時間的影響實驗
光伏電池板的光電轉換效率與光照角度有很大關系，當太陽能電池板與太陽光線垂直時，充電功率最大，當光伏電池板背對太陽光時，充電功率最小。實際實驗中，電池板與太陽光線夾角是不斷變化的，因此將該系統制成電子背包通過自制馬甲裝設于家鴿背部，并傾斜一定角度與動物的腦機接口相連接（如圖7所示），以保證最大效率地接收太陽能。在兩種不同光照強度的露天環境下，對3只家鴿機器人采用同樣的刺激頻率（平均每分鐘刺激3～4次），通過人機交互界面設置幅值3～5 V和頻率250 Hz的電刺激信號，測試攜帶太陽能電池板與不攜帶太陽能電池板的續航時間，在此期間，以1 Hz的采樣速率記錄電池狀態。測試結果如圖8所示。
圖7
家鴿機器人室外無線控制實驗
Figure7.
Experimental diagram of outdoor wireless control of pigeon robot
圖8
不同光照強度下續航時間測試結果
a. 系統續航時間；b. 系統運行不同時間后剩余電量對比圖
Figure8. Test results of endurance time under different light intensitya. system battery life; b. comparison of remaining power after system running for different times
圖8a表明，沒有裝備光伏電池板的系統約45 min耗完全部電量；而裝備太陽能電池板的系統在23 520 lx的光照強度下62 min消耗完全部電量，續航時間延長了38%；在78 320 lx強度的光照下，系統運行時間延長到112 min，相較于無太陽能電池板系統續航能力提升了148%，且該時間隨著光照強度的增強會進一步增加。由圖8b可知隨著系統運行時間的增長，不同光照強度下系統耗電量差值逐漸增大。10 min時，78 320 lx光照強度下系統剩余電量比無太陽能電池板系統剩余電量多9.79%，而40 min以后，78 320 lx光照強度下系統剩余電量比無太陽能電池板系統剩余電量多43.2%。同時由圖8可知耗電速度與光照強度呈負相關的關系，無太陽能電池板系統耗電速率最快，40 min后電量僅剩19%；23 520 lx光照強度下相較于無電池板系統續航能力略有增加，40 min后電量剩余36.7%；而78 320 lx光照強度下系統續航時間最長，40 min后電量剩余62.3%。結果表明對于家鴿等室外活動的動物，在裝設該系統后運行時間大大延長，可以到更遠的地方執行任務，而不用擔心能量耗盡的問題。
4 討論與結論
動物機器人無線控制原理，是通過刺激器發出一定強度和頻率的模擬電信號實現動物的人工制導[23]。國內外學者基于無線控制原理研制出各類性能優異的刺激器，實現了對家鴿、大鼠、鯉魚、蜜蜂等動物的行為調控。但課題組在進行家鴿機器人的實驗中發現，由于動物負載能力較差，搭載電池容量較小，實驗中可能因為電量耗盡而無法完成預定任務。此外操作人員在動物調控實驗中往往依據自身經驗匹配電池續航時間和動物控制策略，刺激過程中存在明顯的主觀性和隨意性，缺乏控制依據。為此本文研制了一種用于動物機器人刺激器的光伏電池在線監測系統，其中系統硬件包括電池信息采樣電路、多通道神經信號發生器、電源模塊，系統軟件包括電池信息監測界面和動物機器人遠程控制界面。
本文研究的面向動物機器人刺激器的光伏電池在線監測系統，在使用過程中電池信息采樣電路采集電池的電壓、電流、溫度、電量信息，通過無線發送裝置傳輸給無線接收端，經解碼后顯示在人機交互界面上，并與設定的閾值比較，判斷電池的異常狀態，同時將數據信息代入耗電模型，輸出電池消耗功率和預計使用時間。經系統充放電測試，電池電壓采樣誤差小于15 mV，電流采樣誤差小于5 mA，電量采樣誤差小于6 mAh。電壓、電流在實際使用中與設定閾值比較來判定系統是否過壓或過流，對于精度要求不會過高，測試結果滿足系統運行需求。電量采樣誤差主要由LTC2941-1累計誤差造成，隨著測量時間的增長誤差會逐漸增大，本文通過軟件設置閾值進行修正，保證誤差在可控范圍之內。后續研究中為降低系統功耗并提高電量估計精度，可以考慮用軟件算法代替電量傳感器，使用在線辨識算法辨識電池參數，然后用荷電狀態（state of charge，SOC）估計算法計算電池電量。
人機交互系統的動物機器人遠程控制界面，可選擇刺激波形、刺激通道和刺激參數，合成刺激指令，利用無線模塊打包傳輸給刺激器，經解碼后發出相應的模擬電信號，完成對家鴿機器人的控制實驗。結果表明系統可以發出人機交互界面設定的刺激波形并控制動物機器人完成左、右轉動作，左轉成功率88%，右轉成功率84%。分析刺激器發出正確刺激波形但動物沒有做出動作反應的可能原因：一是高頻率、高幅值的刺激使家鴿產生了刺激疲勞；二是不同的家鴿個體對于模擬電信號刺激的反應程度不同；三是周圍環境出現了更強的刺激使其無法做出反應，例如光、聲音等。
本文基于能量積分法研究的耗電模型，實現將系統耗電情況、太陽能充電以及電池真實電量結合，旨在對刺激頻率和系統使用時間進行量化匹配。該模型為實驗人員優化動物控制策略提供了一種依據，對于不同的電量區間采用不同的控制策略，高電量時可持續發出刺激信號，低電量時需引導動物到強光下進行充電。通過對真實環境下的動物機器人進行控制實驗發現，在78 320 lx強度的光照下，續航時間延長了148%，表明光伏電池板的設計使得系統續航時間得到延長，在一定程度上解決了動物機器人的續航問題。太陽能電池板性能測試實驗表明陽光充足時可在兩小時內完成鋰電池充電，但當太陽能電池板應用于系統后只能減緩耗電速度，充電效果則較弱。其原因可能為：首先光伏電池板固定于家鴿背部，接收光能的角度和強度會隨著家鴿的運動發生改變，引起充電效率的波動；其次系統功能較為復雜，耗電量多，后續可采用低耗量的微處理器進行設計，例如無線單片機CC2540，同時使用SOC在線估計算法代替庫侖計，減少系統功耗；最后受制于商用太陽能電池板光電轉換效率發展現狀，小面積的太陽能電池板充電功率有限，下一步可采用光電轉換效率更高的太陽能電池板，解決家鴿機器人的續航問題。
本文研究的動物機器人光伏電池在線監測系統能夠選擇多種刺激信號對動物進行遠程導航控制，并實時采集電池的狀態信息，對電池的異常狀況進行報警。動物機器人控制實驗表明，增加的光伏電池板可以在一定程度上延長動物機器人的續航時間。系統通過建立的耗電模型實時計算電池電量和系統續航時間，及時修正動物機器人控制策略，為實驗人員提供了一種控制動物的依據。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：石勇負責軟硬件平臺搭建以及論文撰寫、修訂。于志豪負責光伏電池實驗設計與指導。顏瑞負責動物實驗手術及數據記錄。汪慧負責動物實驗設計與分析。楊俊卿負責硬件平臺指導與維護。槐瑞托負責研究計劃安排、實驗指導以及論文審閱修訂。
倫理聲明：本研究通過了山東本明生物科技股份有限公司動物倫理委員會的審批（批文編號：000639）。
