基于PXIe和LabVIEW的动物运动力学数据采集系统

摘要：为了解决动物运动力学数据采集系统中的多通道、高采样率和大量数据实时存储等问题，提出了一种基于虚拟仪器技术及其图形化开发环境的系统设计方案。系统以PXIe和LabVIEW为平台，采用3×8传感器阵列、72通道数据采集与处理模块和高速摄像机等，同步采集力学数据和图像数据。实验表明，该系统可以准确获得动物运动过程中各个脚掌的三维接触反力和协调运动行为数据，为仿生机器人的研究提供了理论基础。
关键词：传感器阵列；PXIe；LabVIEW；运动力学；数据采集

运动是动物捕食、逃逸、生殖和繁衍等行为的基础，许多动物具有在各种表面(地面、墙面和天花板等)迅速、敏捷爬行的能力，如壁虎、蜜蜂和蟑螂等。对动物运动行为和力学的研究，可以揭示动物的运动特性和规律，为仿生机器人的研究提供重要理论基础。虚拟仪器技术及其图形化开发环境为动物运动行为和力学的研究提供了很好的方法，NI公司开发的LabVIEW是目前广泛应用的虚拟仪器软件，它是一种基于G语言的图形化编程语言，其图形化界面可以方便地进行虚拟仪器的开发，在数据采集、仪器控制、测试测量等领域得到了广泛的应用。
壁虎、蜜蜂和蟑螂等动物的接触反力为毫牛级或微牛级，需要精密的信号采集与处理系统，目前大部分的动物接触反力测试系统，只能获得单个脚掌或整个身体的力学信息，无法采集到动物运动过程中各个脚掌的三维接触反力和协调运动行为数据。本文介绍了一种基于PXIe和LabVIEW的动物运动力学数据采集系统，系统的PXIe模块集信号调理、A／D转换、采样／保持等多个环节于一体，解决了动物运动力学数据采集系统中的诸多问题，为探索和发现动物运动力学规律提供了重要的方法。

1 系统总体结构
数据采集就是将模拟信号转换为数字信号，然后使用计算机进行处理、显示及存储的过程，相应的系统称为数据采集系统。在动物运动力学数据采集系统中，传感器阵列把动物运动时的力学信号转化为电信号，通过PXIe数据采集模块对该信号进行处理和采集，最后在LabVIEW程序中实现数据的处理、显示和保存；高速摄像机和冷光源用于记录动物运动过程中的运动学信息。力学数据和行为数据通过单片机(AVR Mega16)同步触发采集。系统结构如图1所示。