1.1 课题研究背景及意义
微型飞行器在军事侦察与攻击、环境质量检测、定点投送及灾区救援等领域发挥着独特的作用[1]，传统的机电类型飞行器在运动平稳性、环境适应性和飞行动力供应方面与鸟类飞行动物相比，劣势很大。本文课题来源于军口 863 项目，基于鸟类脑内运动相关核团（区）的研究成果[2]，探究把飞行鸟类作为生物控制的对象，实现一种可用于对多个飞行鸟类的运动方向进行远距离无线遥控的可视化控制原型系统。 本文的主要研究成果是一种新的恒流神经刺激信号的实现方式和飞行控制系统的架构设计，该设计思路可以应用到其它一些需要生物控制、恒流刺激、定位监控的场合。
.......
1.2 生物运动控制领域研究现状
与生物运动控制领域相关的脑科学研究是生命科学、物理科学、信息科学、材料科学、工程科学的交叉融合，属于非常重要的基础和应用前沿领域，自 20世纪末开始各国政府相继开展了对动物行为控制的研究。 美国早在 1997 年正式启动“人类脑计划”[3]，十余家著名的院校和研究所参与此计划，其研究侧重于新型脑技术研究。同年日本东京大学 Isao Shimoyama教授带领的团队研制出蟑螂机器人[4]，通过给蟑螂装上“电子背包”，然后施加遥感刺激和行为诱导，就可以控制蟑螂左移、右移和直线行走。2002 年美国Chapin 教授把通过手术把微电极植入老鼠的不同脑部区域，然后通过电极施加人工模拟电信号，最终使大鼠按照规划路线行走[5]。2005 年俄罗斯研究人员用电极将植入海龟体内的芯片连接到大脑[6]，调节不同的振动频率，成功实现了海龟的前进、停止、左右转向。2013 年美国政府启动“BRAIN 创新计划”，目的是为了绘制活体人脑图谱，次年为此计划新增 45 亿美元的研究经费。欧盟于 2013年启动项目周期为 10 年的“人脑计划”[7]，多所欧洲的研究中心和院校参加参加该计划，其研究聚焦于使用超级计算机技术来模拟脑功能。日本于 2014 年启动脑计划“Brain/MINDS (Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies) [8]，由庆应大学、东京大学以及理化研究所大脑科学研究所参加，计划投入经费 70 亿日元，主攻以狨猴为模型研究人类认知功能和脑疾病机理，研究核心任务是制造出转基因狨猴，利用此模型开展相关研究。 中国在 2006 年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020）[9]中，明确将“脑科学与认知科学”作为当前基础研究的科学前沿问题。2007年山东科技大学的苏学成团队通过在鸽脑内植入微电极，准确实现了家鸽左转盘旋起飞，这是国内首个机器人鸟[10]。2010 年重庆大学的王振宇等研究人员以黄鳝为载体，采用表面式刺激电极和植入式刺激电极结合的方式，引入一种全新的肠道生物机器人设备，实现了诊疗装置在肠道内主动前进、后退和定点泊位[11]。2013 浙江大学的陈希等研究人员制作出了基于蓝牙模块恒流低功耗刺激系统，把刺激器做成背包装在老鼠身上，进行大鼠压杆、八臂迷宫、以及大鼠脑部阻抗测量实验[12]。2016 年发布的国家“十三五”规划纲要，把脑科学与类脑研究列入国家重大科技创新和工程项目[13]，位列百大工程项目中的第四位。
..........
2 飞行控制系统方案设计
2.1 系统设计目标与总体方案
系统设计目标是实现一个能对多个飞行动物六个运动方向（左、右、前、后、左前、右前）的远距离可视化遥控控制原型系统。实现初步方案是首先基于动物脑内运动核团的研究成果，选择合适的神经位点并植入微电极，然后设计一种能产生恒流神经刺激信号的控制终端，把控制终端做成背包的样子固定的在飞行动物身上，控制终端的输出连接微电极，再通过客户端界面以无线遥控的方式去控制终端产生刺激信号，最终控制飞行动物按照指定方向运动；同时控制终端的三维位置信息能够在客户端界面进行动态显示，最终实现一种能对动物飞行路线进行实时控制和动态跟踪的飞行控制原型系统。 如果控制系统仅仅由控制终端和客户端构成，则当多个客户端与客户端通信时，客户端必须对应建立多个连接，同时客户端界面同时要进行数据的动态更新显示，这势必带来非常大的资源消耗，为了减轻客户端的压力，把控制系统架构划分为控制终端、服务器、客户端三部分，服务器作为客户端和控制终端通信的媒介，起到协议解析和数据转发的作用，客户端只用建立与服务器的一个连接，提高了系统运行的可靠性。该系统的整体框架如图 2.1 所示，系统由 N 个控制终端、1 个服务器和 1 个客户端构成。
2.2 系统性能指标与实现方案
本系统最主要实现的三个功能，包括有效模拟神经电刺激信号的产生、多个控制终端与服务器的远程无线通信方案选择、以及动物飞行时定位信息的获取，同时这些功能的实现需要满足设计参数，接下来结合实现技术分别进行说明。刺激动物神经位点的刺激器有恒流刺激和恒压刺激两种，恒流刺激器能在生物脑阻抗发生变化时保持刺激强度不变，有研究证明电荷的积累会使动物组织收到损伤[14]，因此有必要设计正负双极性恒流电路使总的电荷积累为零。恒流电路带负载能力要求在负载阻抗不高于 10KΩ时，恒流电路能够实现-1m A~+1 m A 的电流输出，且最大相对误差不超过 10%。同时系统要求能对动物进行六个运动方向（包括左、右、前、后、左前和右前）的控制，因此在设计控制终端时，必须具备 4 路独立的单通道恒流刺激信号输出，能分别进行左、右、前、后的运动方向控制，在此基础上，通过双通道并发输出去实现左前和右前的运动方向控制，即当左通道与前通道同时输出刺激信号时，实现左前运动方向的控制；当右通道与前通道同时输出刺激信号时，实现右前运动方向的控制。
..........
3 控制系统终端软硬件设计 ............ 12
3.1 控制终端硬件设计 ......... 12
3.2 控制终端软件设计 ......... 21
3.2.1 刺激波形产生算法设计 ....... 21
3.2.2 GPS 数据解析方法设计 ....... 24
3.2.3 气压计高度解算算法设计 ..... 26
3.2.4 基于 GPRS 通信方式的主程序设计 ....... 27
3.3 本章小结 ....... 31
4 控制系统服务器和客户端程序设计 .... 32
4.1 系统开发环境和工具 ....... 32
4.2 服务器设计实现 ........... 32
4.3 客户端设计实现 ........... 39
4.4 本章小结 ....... 47
5 系统测试与总结 .......... 48
5.1 系统测试 ....... 48
5.1.1 模拟控制测试 ..... 48
5.1.2 设计参数指标测试 ........... 52
5.1.3 动物运动控制测试 ........... 53
5.2 总结与展望 ..... 55
5 系统测试与总结
5.1 系统测试
系统测试划分为三个步骤，第一步是模拟控制测试，先测试控制终端能否产生满足设计要求的恒流脉冲波形，接着对服务器进行多终端连接测试，测试服务器能同时支持的控制终端连接数；第二步通过数据统计分析得到恒流刺激电路在不同负载阻抗下的恒流输出能力、GPS 和高度计的定位精度；第三步选取鸽子作为运动控制的对象，验证设计的恒流脉冲波形能否有效刺激的鸽子脑内的神经位点，从而控制鸽子运动方向。系统模拟控制测试时，搭建了具有两个控制终端的原型系统，如下图 5.1所示，恒流刺激电路输出引出左通道和前通道的输出，均接 10KΩ金属膜电阻作为模拟负载，再利用示波器测试电阻两端的电压。系统测试运行时先启动服务器，接着启动客户端，最后控制终端上电，控制终端上电之后，先与服务器建立通信，然后通过服务器的转发在客户端界面生成在线动物列表，如下图 5.2主界面中的“在线动物”列表框中，已生成了编号分别为 001、002 的两个动物。最后再进行下面的左通道和左前通道输出波形测试步骤。
.........
总结
经过设计与测试，最后搭建的系统验证了设计指标参数，实现了预期的功能。主要完成的设计工作包括以下三个方面，第一是控制底板的设计，包括控制底板硬件设计和刺激波形产生算法设计。通过控制底板的硬件设计来满足恒流刺激单元的带负载能力要求，通过刺激波形产生算法设计来产生单通道以及双通道脉冲波形的产生，其中双通道恒流输出波形是一种新的恒流神经刺激信号的实现方式，采用状态机编程思想实现，在不改变硬件的情况下，通过波形产生算法增加了恒流输出通道数目。最后先进行模拟控制测试，验证了恒流刺激单元能够产生满足设计要求的恒流脉冲信号，再进行动物运动控制测试，验证了控制底板产生的恒流脉冲信号能有效控制动物的运动方向；第二是设计了包含控制终端、服务器和客户端的系统架构，而且通过服
