[发明专利]一种多模态感知大鼠机器人自主导航系统及方法

权利要求书

1.一种多模态感知大鼠机器人自主导航系统，其特征在于，包括生物学大鼠本体、可穿戴式电子控制背包和远端PC上位机，所述生物学大鼠本体的颅骨上植入有4对刺激电极，奖赏刺激的植入位点为大鼠脑神经中枢的内侧前脑束左、右侧，转向刺激的植入位点为腹后内侧核左、右侧；所述的可穿戴式电子控制背包紧固于生物学大鼠本体的背部，并通过电刺激器模块与4对刺激电极的接口连接；

所述的远端PC上位机与可穿戴式电子控制背包之间以无线通信方式连接；所述的可穿戴式电子控制背包用于获取生物学大鼠本体的运动状态信息以及运动过程的环境信息并发送给远端PC上位机；

所述的远端PC上位机中构建有自主导航控制模型，所述的自主导航控制模型接收运动状态信息和环境信息的数据后，生成序列化控制指令并发送给可穿戴式电子控制背包，电刺激器模块将控制指令转化为电刺激指令后，施加电刺激至对应电极，从而引导生物学大鼠本体作出与控制指令相对应的动作。

2.根据权利要求1所述的多模态感知大鼠机器人自主导航系统，其特征在于，所述的可穿戴式电子控制背包包含电刺激器模块、嵌入式微处理器模块、惯性传感器、视频模块、音频模块、红外传感器模块和Wi-Fi通信模块；

其中，惯性传感器用于提取大鼠运动状态信息；视频模块、音频模块、红外传感器模块用于提取大鼠运动过程的环境信息；Wi-Fi通信模块用于实现远端PC上位机与可穿戴式电子控制背包之间的无线通信；嵌入式微处理器用于获取惯性传感器、视频模块、音频模块、红外传感器模块的信息，并通过Wi-Fi通信模块传递至远端PC上位机，同时，接收远端PC上位机的控制指令，通过电刺激模块将控制指令转化为事先设定的电刺激指令，经由导线传递至对应的刺激电极，从而构建起从远端PC上位机与大鼠脑中枢神经系统的双向连接通道。

3.根据权利要求1所述的多模态感知大鼠机器人自主导航系统，其特征在于，所述的自主导航控制模型以环境信息作为控制输入，以运动状态信息作为反馈检测，完成闭环控制；自主导航控制模型处理环境信息和运动状态信息的特征数据后，生成序列化控制指令。

4.根据权利要求1所述的多模态感知大鼠机器人自主导航系统，其特征在于，所述的序列化控制指令包括五种，分别为任务开始指令、前进运动指令、转向控制指令、搜索运动指令和任务结束指令；

所述的任务开始指令由多个奖赏指令组合实现，对应的电刺激具体为：对大鼠机器人施加多个连续的以T_min为刺激指令间隔的奖赏刺激使大鼠快速兴奋，脱离静止状态；

所述的前进运动指令以惯性传感器的数据为依据，通过奖赏指令的组合引导大鼠实现直线运动，对应的电刺激具体为：持续施加奖赏刺激，以大鼠头部惯性传感器监测大鼠运动目标角度，在设定的偏转阈值条件下施加奖赏刺激，确保大鼠在范围内进行前进运动；

所述的转向运动指令以惯性传感器的数据为依据，由奖赏指令和转向指令组成，对应的电刺激具体为：惯性传感器以卡尔曼滤波方式进行航向角的解算，并以实际安装方位与大鼠头部间的偏差，校正大鼠机器人头部实际运动朝向，根据大鼠机器人的头部运动偏向意图，施加单个或多个的转向刺激组合，经检测发现大鼠头部出现设定方向的偏转意愿后，给予奖赏刺激；

所述的搜索运动指令仅由奖赏指令组成，依托大鼠本体在低速运动状态下的四处嗅探特性，实现大鼠机器人场地内自主目标搜索；以支持向量机实现大鼠运动速度的快速、中速和慢速分类，根据不同的速度挡位来调整奖赏指令的时间间隔，对应的电刺激具体为：当大鼠处于低速运动状态时，给予多个时间间隔为T_min的奖赏，当大鼠处于高速运动状态时，减少奖赏刺激的频率，仅给予T_max最长间隔的奖赏刺激，即维持大鼠机器人最低的运动活性；

所述的任务结束指令无刺激指令，仅代表探索流程结束。