動物實物目標識別學習訓練系統的製作方法

2023-08-05 02:09:56

本發明涉及認知科學領域，尤其是涉及動物實物目標識別學習訓練系統。

背景技術：

認知科學是神經科學與腦科學研究領域的重要分支，開展動物的學習訓練是研究動物學習認知能力的關鍵步驟，主要基於大腦神經系統的可塑性機制，建立特定目標刺激模式與動物特定行為間的對應關係。認知科學領域相關技術的發展在生物、醫藥和軍事等領域都有著重要的應用價值。視覺是動物獲取外界感知信息的重要感官，大多數動物的日常行為都是基於視覺線索引導的。因此，研究動物的視覺目標認知具有代表性和典型性，是當今認知神經科學領域的研究側重點。開發視覺目標識別的學習訓練系統是研究動物視覺認知的前提，同時也是必要的實驗條件。

目前,現有的動物視覺認知學習訓練系統大多是基於液晶顯示屏顯示圖像的方式開展訓練，動物通過觀看液晶屏上播放的圖像執行動作，系統判斷動物執行動作的對錯給與獎勵或懲罰。上述基於液晶顯示屏的視覺認知訓練系統，只能播放圖像目標，受制於圖像的解析度以及拍攝的技術，與真實環境中動物看到的實物存在差異，不能完全的反映真實環境中物品的全部信息。利用真實環境中的物體作為刺激模式的訓練箱較少，僅有一些用於研究動物探索能力的箱體，如Y型迷宮，在兩個分叉路徑的盡頭放置實物目標，根據動物選擇的路徑來判斷動物的識別結果，然而這種訓練箱僅適用於二選一的情況，可擴展性較差。

技術實現要素：

本發明目的在於提供一種動物實物目標識別學習訓練系統。

為實現上述目的，本發明採取下述技術方案：

本發明所述的動物實物目標識別學習訓練系統，包括上位機控制系統、下位機控制系統和訓練箱；

所述上位機控制系統由PC機和攝像頭構成；所述攝像頭的視頻信號輸出端與所述PC機的視頻信號輸入端連接；

所述下位機控制系統由內置有USB接口的單片機、實物目標刺激單元、位置傳感器單元、行為反饋單元、獎勵單元和懲罰單元構成；所述單片機的輸出控制接口分別與所述實物目標刺激單元、獎勵單元和懲罰單元的輸入控制接口連接；單片機的信號輸入接口分別與所述位置傳感器單元和行為反饋單元的信號輸出接口連接；單片機的通信接口與PC機通信連接。

所述上位機控制系統的PC機還包含人機互動軟體，採用VB語言開發，用戶通過所述人機互動軟體控制所述實物刺激單元的啟停與轉速、所述攝像頭監控功能的啟停，同時記錄訓練過程中位置傳感器單元反饋的信息、動物行為反饋的信息。

所述訓練箱包括內層箱體和外層箱體；所述內層箱體為遮光材料製成，用於放置動物，並限制動物的視野和活動範圍，底部為網狀結構的金屬絲，下方放置抽屜式底盒，用於收集動物的排洩物；外層箱體罩在所述內層箱體和實物刺激單元的外周，用於將外層箱體內的各單元與外部環境進行隔離；所述外層箱體上設置有通風換氣裝置。

所述實物目標刺激單元由電機驅動的轉盤主體和沿所述轉盤主體徑向間隔布置的多個不透明立板構成，用於放置多個不同的實物目標；所述轉盤主體沿著設定的方向運轉，將實物目標傳送到或送出動物視野；

所述位置傳感器單元由設置在所述內層訓練箱體前開口側壁下方的位置傳感器和設置在所述轉盤主體下方的感應片構成，用於標記實物目標的類別標籤，同時記錄實物目標進入到動物視野的時間；

所述行為反饋單元由按鍵式壓力傳感器構成，是動物執行特定行為反饋的單元，用於將動物執行行為反饋的時間記錄下來傳送給所述單片機；

所述獎勵單元用於給予動物實施食物獎勵，由所述單片機判斷行為反饋單元返回的信息是否正確，正確的話會驅動所述獎勵單元啟動，給予動物一定量的食物獎勵；

所述懲罰單元用於給予動物實施懲罰，由所述單片機判斷行為反饋單元返回的信息是否正確，錯誤的話會驅動所述懲罰單元啟動，給予動物一定時長的懲罰；

所述攝像頭用於監控整個訓練過程動物的狀態和實物目標刺激單元的運轉情況。

所述實物刺激單元中，實物目標放置在所述兩兩徑向間隔布置的不透明立板之間，且所述兩兩徑向間隔布置的不透明立板外邊緣的間距大於或等於內層訓練箱體兩側壁間的距離，確保相鄰兩立板不會同時出現在動物視野內；

所述位置傳感器單元中位置傳感器的位置與轉盤主體轉動的方向有關，若所述轉盤主體順時針轉動，則所述位置傳感器放置在所述內層訓練箱體右側壁的下方，而所述感應片則放置在實物目標右側位置正下方的轉盤主體上，反之，則分別放置在左側。

所述位置傳感器單元的感應片與轉盤主體上放置的實物目標位數量保持一致，所述感應片從所述位置傳感器中間穿過，向所述單片機傳送信號，通過對單片機編程，可對不同的實物目標進行標記，並將標籤信息傳送給所述PC機，所述PC機的內部程序結合所述行為反饋單元採集的動物行為反饋信息，判斷動物是否在指定目標出現時做出正確的行為反饋，驅動所述獎勵或者懲罰單元給予動物獎勵或者懲罰，從而完成一個試次的學習認知訓練。

本發明優點在於可將不同類型的實物目標自動的呈現在實驗動物的面前, 實驗動物無需結合自身的行走能力即可完成對目標的識別，降低了訓練的難度。且實驗動物無效的觸鍵行為不會獲得獎勵，錯誤的觸鍵會對實驗動物施加懲罰措施，這樣避免了受訓動物無目的頻繁的觸鍵，強化受訓動物行為目的性，減少無效試次，提高訓練的正確率和訓練速度。此外，本發明能夠通過擴展隔段（轉盤主體徑向間隔布置的多個不透明立板）的數量，從而實現對多目標識別的學習訓練。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是本發明的控制系統結構框圖。

圖3是本發明的控制系統主程序流程圖。

圖4是本發明所述的USB接口中斷設置程序流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實例。

如圖1、2所示，本發明所述的動物實物目標識別學習訓練系統，包括上位機控制系統、下位機控制系統和訓練箱；所述上位機控制系統由PC機1和攝像頭2構成；所述攝像頭2的視頻信號輸出端與所述PC機1的視頻信號輸入端連接；所述下位機控制系統由內置有USB接口的單片機3、實物目標刺激單元、位置傳感器單元、行為反饋單元、獎勵單元和懲罰單元構成；所述單片機3的輸出控制接口分別與所述實物目標刺激單元、獎勵單元和懲罰單元的輸入控制接口連接；單片機的信號輸入接口分別與所述位置傳感器單元和行為反饋單元的信號輸出接口連接；單片機3的通信接口與PC機1通信連接。

所述訓練箱分內層箱體14和外層箱體4，內層箱體為由遮光材料製成，用於限制動物的視野和活動範圍，置於實物刺激單元正後方，底部為網狀結構的金屬絲，下方放置抽屜式底盒5，用於收集動物的排洩物，便於清潔，保證內層箱體14內的整潔；外層箱體4為透明材質製成，罩在所述內層箱體14和實物刺激單元的外周，用於將外層箱體4內部各單元與外部環境進行隔離，方便實驗人員觀察實驗情況；所述外層箱體4上設置有通風換氣裝置15。

所述PC機1內還包含人機互動軟體，採用VB語言開發，用戶可通過所述人機互動軟體控制訓練實驗的開始、暫停、終止、實驗數據的保存和監控的啟停等，其中，保存的實驗數據包括正確執行相應行為的次數、錯誤次數以及未在指定時間內執行指定動作的次數，並且將這些數據實時保存於excel文檔中，便於數據分析。

所述實物目標刺激單元由電機驅動的轉盤主體6、和沿所述轉盤主體6徑向間隔布置的六個不透明立板7構成；六個不透明立板7將轉盤主體6的臺面分隔成六個獨立的扇形區域，用於放置實物目標，一個扇形區域內僅放置一個實物目標，立板7選擇不透明材料製成，是為了避免放置在不同扇形區域內的不同實物目標8對實驗動物的幹擾；轉盤主體6設置在所述內層訓練箱14開口的前方，所述電機的電機控制器輸入控制接口與單片機3的輸出控制接口連接，轉盤主體6的啟動、停止、轉速和轉動方向由單片機3進行控制。

所述位置傳感器單元由設置在所述內層訓練箱14開口處側壁下方位置的傳感器9和設置在所述轉盤主體6下方的感應片10構成，感應片10在轉盤主體的位置與實物目標8在轉盤主體6上的位置相對應，且在隨所述轉盤主體6運轉過程中能從所述位置傳感器9的凹槽中間穿過；位置傳感器9的信號輸出接口與單片機3的信號輸入接口連接，在位置傳感器9被感應片10遮擋時，會向單片機3發送一個電信號，表示實物目標8出現在實驗動物視野中；單片機3檢測到此電信號之後向PC機1發送信號，根據相鄰不透明立板7所圍城的扇形區域中實物目標8的不同，單片機3傳遞的信號也有差別；在實驗中，對各個實物目標8進行編號，如01,02,03等，在位置傳感器9受到遮擋時，單片機3發送相應實物目標8的編號。

所述行為反饋單元由側開口的盒體11和置於其頂面上的按鍵式壓力傳感器12構成；行為反饋單元布置在轉盤主體後方內層箱體14的內部；當實驗動物碰觸按鍵時，導致按鍵閉合，單片機3則會檢測到一個電信號，並把此信號發送給PC機1，由PC機1進行判斷。行為反饋單元主要判斷實驗動物對實物目標8的認知能力；當特定實物目標8出現在實驗動物視野中，實驗動物碰觸按鍵則表示實驗動物與特定實物目標8建立了正確的條件反射。

所述獎勵單元由電磁鐵驅動水平往復移動的食盒13構成，獎勵單元設置在所述行為反饋單元的側開口盒體11內；獎勵單元用於對實驗動物執行正確行為反饋後進行投食犒賞，要求每次的投食量小且精確；由於動物視覺學習訓練是一個多次重複、逐步加強的過程，若每次投食量過大的話，就會在較短時間內將實驗動物餵飽，從而無法進行後續實驗，嚴重影響實驗進度；當實驗動物執行正確的行為反饋後，單片機3驅動電磁鐵將食盒13彈出，給予食物獎勵，經過設定的一段時間後縮回，投食時間可調。

所述懲罰單元由掃頻超聲波揚聲器或閃光燈構成，懲罰單元設置在行為反饋單元的盒體11上或內層箱體14的內壁上；當實驗動物做出錯誤行為時，則單片機3發出指令驅動掃頻超聲波揚聲器發聲或驅動閃光燈發光，對實驗動物施加相應的懲罰措施。

所述內層訓箱體14兩側壁的間距小於或等於所述轉盤主體6上相鄰兩立板7的間距，所述位置傳感器9和感應片10放置的位置與轉盤主體6轉動的方向有關，圖1表示對應於逆時針轉動的情況，若所述轉盤主體6順時針轉動，則位置傳感器9需放置在內層箱體14右側壁的下方，而所述感應片10則放置在實物目標8右側的下方；感應片10數量與轉盤主體6上放置的實物目標數量相一致。

本發明的訓練方案簡述如下：

第一階段：觸鍵訓練；

訓練目的：建立觸鍵與獎勵的關聯；

訓練模式：轉盤主體6上放置同一種類型的實物目標8，轉盤主體6勻速轉動；

獎懲條件：實驗動物在實物目標8出現的時間段內觸鍵則給予食物獎勵，期間沒有觸鍵行為則給予懲罰。

第二階段： 識別訓練；

訓練目的：建立特定實物目標8與觸鍵間的反射；

訓練模式：轉盤主體6上放置不同類型的實物目標8；

獎懲條件：實驗動物在特定實物目標8出現的時間段內觸鍵則給予食物獎勵，其它條件下觸鍵行為則給予懲罰。