三轴磁场发生装置及利用该装置探测鸟类磁导航定向的方法与流程

本发明涉及电子通讯技术领域，具体是一种适用于鸟类的三轴磁场发生装置及利用该装置探测鸟类磁导航定向的方法。

背景技术：

科学家们通过研究发现地磁场是鸟类导航的重要影响因素，但是磁场是如何影响鸟类（尤其是在野外真实飞行条件下）定位及导航的呢？而地球的总磁场是一个矢量场，一般采用观测点直角坐标系来描述磁场的空间分布特点，其中地理北向，地理东向和垂直向下三个方向分别为X，Y，Z轴，另外还有四个主要要素即磁场总强度、水平分量、磁场偏角以及磁倾角磁倾角。模拟出真实的地磁场信息，在鸟类野外真实飞行条件下进行可控的人工磁场刺激并进行飞行轨迹信息实时跟踪保存，是一种可行的实验方案。

申请号为200810239042.5的中国专利提供了一种探测动物导航定向的方法和装置，可产生强度和方向均可调的干扰磁场，记录并保存追踪目标在可调磁刺激模块产生的磁场干扰下的运动轨迹信息。该专利的缺点在于：动物在自由运动时，其磁感受器官相对于地磁场的姿态是不定的，其对地磁场强度和方向的感受是立体的。但该干扰磁场发生器只有单轴，即只可在一个方向进行强度和方向的调节，这必然限制了磁场干扰的效果及适用场景。

模拟出类似于地磁场（30~60μT）的三维磁场矢量进行鸟类飞行的磁场干扰实验研究，需要能产生三维空间磁矢量的磁场发生装置。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种适用于鸟类的三轴磁场发生装置及利用该装置探测鸟类磁导航定向的方法，实现了对追踪目标的定点开启及关闭和磁场三维方向及强度可变化的磁场干扰，便于研究鸟类的磁导航行为及机制。

本发明提供的适用于鸟类的三轴磁场发生装置包括GPS模块、电源模块、主控模块、存储模块、强度及方向调节模块和穿戴于鸟类头部的磁场发生模块。

GPS模块接受卫星定位信号，根据卫星定位信号获取目标的定位信息以及运动状态并将之传达给主控模块。

GPS模块包括接收天线和GPS芯片，接收天线，用于接收所述定位卫星发送的卫星信号；GPS芯片，与接收天线连接，用于将所述接收到的卫星信号转变成符合NMEA-0813协议要求的数据格式，获取所述被追踪目标的地理位置信息以及运动信息，并将之发送给主控模块。

主控模块，包括STM32F103RBT6芯片以及时钟电路，用于将所述的目标位置与接收到的当前位置信息相比较，根据所述被追踪目标的当前位置是否为所示指定磁场发生条件位置进行辨别，若是，则对磁场发生模块输送触发指令，若不是，则继续进行比较。所述的触发指令包括预先设置好的各对线圈的磁场发生强度、磁场方向以及持续时间；

存储模块，将被获取到的被追踪目标的当前位置信息及运动状态进行存储，记录所述目标在真实飞行条件下为受干扰及受到干扰过程的飞行轨迹信息，所述运动轨迹最少包括所述追踪目标的地理位置、飞行速度、海拔以及记录时间。

三轴磁场发生模块，用于根据所述主控模块发送的触发指令产生或中断实验所需的人工磁场，包括：三对亥姆霍兹线圈，亥姆霍兹线圈用来产生一定范围的均匀磁场，所述三轴磁场发生模块，采用三对亥姆霍兹线圈分别置于鸟类耳间轴、垂直鸟类头部以及喙部和后脑连线的垂直平面，一对线圈匝数为200匝，调节线圈内的电流参数，将所述三对线圈产生的磁场矢量，经过叠加后产生具有一定方向及强度的人工磁场在所述被追踪目标飞行过程中指定位置进行磁场刺激；或者，产生大于等于10倍地磁场的人工磁场，屏蔽鸟类对地磁场的感知在被总追踪目标飞行过程中指定位置进行磁场干扰。

强度及方向调节模块，用于根据主控模块发送的触发指令，改变所述三轴磁场发生模块产生的磁场强度及方向。所述强度及方向调节模块调节三轴线圈内的电流大小及方向，当模拟地磁场时电流参数由0至8mA变化，可产生0至70μT的磁场；当产生强磁场屏蔽地磁场感知时电流参数在80mA左右，产生700μT相对10倍地磁场强度的磁场。

强度及方向调节模块包括恒压源、负压发生器、双极性多通道DAC和双电源供电功率运放，其中恒压源向三对亥姆霍兹线圈提供电流；负压发生器产生负压提供给双电源供电功率运放；双极性四通道DAC，用于调控所需的电流强度及方向；双电源供电功率运放，用于满足电流强度要求。

本发明还提供了一种利用适用于鸟类的三轴磁场发生装置探测鸟类磁导航定向的方法包括以下步骤：

1）将适用于鸟类的三轴磁场发生装置穿戴于所述被追踪目标身上，多次在不启动三轴磁场发生模块刺激的情况下进行固定定点归巢放飞实验，通过存储模块记录所述被追踪目标归巢的飞行运动轨迹；

2）将储存模块内的所述被追踪目标的多次放飞后飞行运动轨迹移至PC端进行轨迹分析，得出所述被追踪目标飞行运动的规律轨迹；

3）将得出的所述被追踪飞行运动规律轨迹与当地磁地图进行比对，计算出实验飞行时所需所述人工磁场的磁场强度及方向；

4）刺激实验环节，放飞被追踪目标，主控模块利用GPS模块获取被追踪目标当前的位置信息，启动三轴磁场发生模块；

5）主控模块将获取的所述当前地理位置与所述预先规划的定点干扰位置进行比对，根据对比结果判断所述追踪目标是否位于定点干扰条件下的指定地理位置，如果是，则主控模块对三轴磁场发生装置发送触发指令，三轴磁场发生装置产生一定空间方向的人工磁场对被追踪目标进行人工磁场刺激，或者，主控模块根据定时干扰条件进行判别，当达到干扰条件时，主控模块对三轴磁场发生装置发送触发指令，从而对被追踪目标进行人工磁场刺激；

6）主控模块在被追踪目标飞行过程中将获取的被追踪目标的GPS信息存储至所述存储模块中；

7）放飞结束后，将存储模块内数据导出，对被追踪目标的飞行轨迹与之前的规律轨迹进行比对分析。

其中，步骤3）所述的当地磁地图所含磁场信息包括磁场强度、磁偏角和磁倾角，根据触发刺激目标地理位置的地磁信息，通过所述三轴磁场发生模块产生的具有一定空间方向和强度近似于地磁场前度的人工磁场与当地地磁场矢量叠加得到所需的所属人工刺激磁场。

步骤4）所述的主控模块利用GPS模块获取被追踪目标当前的位置信息过程具体为，GPS模块接收地位卫星发送的定位信号，将所述定位信号转变成符合NMEA-0813协议要求的数据格式传输给主控模块，获取所追踪目标当前的地理位置和运动状态信息。

步骤5）所述的触发指令包括预先设置的各线圈磁场强度参数、方向参数持续时间。

步骤6）所述的运动轨迹信息包括追踪目标的地理位置、速度、高度和记录时间。

本发明三轴磁场发生器可以在鸟类磁感受器官周围的三维空间内产生任一方向的磁场干扰。该干扰磁场与当地地磁场的叠加可使得鸟类感受到的磁场强度和方向发生连续变化，从而为鸟类磁导航研究提供了更完善的技术手段。

本发明提供的技术方案可通过预先查阅的放飞区域磁地图与刺激实验前正常放飞轨迹的比对分析后，确定磁场刺激指定地理位置，并在主控模块预先设置磁场干扰条件，当被追踪目标到达指定区域，三轴磁场发生器产生相应的人工磁场刺激，干扰鸟类感知地磁信息（误导或屏蔽），并对鸟类的飞行轨迹进行实时记录及保存，从而实现了对追踪目标的定点开启及关闭和磁场三维方向及强度可变化的磁场干扰，记录并保存鸟类在人工磁场干扰条件下及未干扰条件下的飞行运动轨迹信息。便于研究鸟类的磁导航行为及机制。

附图说明

图1为本发明实施例的适用于鸟类的三轴磁场发生装置穿戴于鸟类身上时的状态示意图；

图2为三维建模下三对亥姆霍兹线圈与鸟的头部示意图；

图3为本发明实施例的适用于鸟类的三轴磁场发生装置的电气原理图；

图4为本发明实施例的运用适用于鸟类的三轴磁场发生装置方法第一步骤的流程图；

图5为本发明实施例的运用适用于鸟类的三轴磁场发生装置第二步骤其中一种定点触发实验方法的流程图；

图6为本发明实施例的运用适用于鸟类的三轴磁场发生装置第二步骤其中另一种定时触发实验方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，适用于鸟类的三轴磁场发生装置包括：GPS模块1、电源模块、强度及方向调节模块3、主控模块4、存储模块5和三对亥姆霍兹线圈L。其中三对亥姆霍兹线圈由支架或帽子的头套的方式固定在鸟类头部，线圈轴线分别为鸟类耳间轴、垂直鸟类头部以及喙部和后脑的连线，而其他部分装载于鸟类背部靠上部位。三对亥姆霍兹线圈与三轴磁场发生器磁场强度及方向调节模块3连接，强度及方向调节模块3、GPS模块1、存储模块5和电源模块2与主控模块4连接，而电源模块2分别与GPS模块1、三轴磁场发生器磁场强度调节及换向模块3、主控模块4和存储模块5连接，用于给整个装置提供电压源。

其中，电源模块2，包括稳压模块、升压模块以及负压发生器用于给整个装置提供相应的电压。GPS模块1，用于将所述接收到的卫星信号转变成符合NMEA-0813协议要求的数据格式，获取所述被追踪目标的地理位置信息以及运动信息，并将之发送给主控模块4。主控模块4将从GPS模块获取的地理位置信息与预先设定的触发条件进行比对，根据比较当前被追踪目标的当前地理位置信息是否为预先设置的触发位置进行判别，如果是，主控模块4发送触发指令给三轴磁场发生器磁场强度调节及换向模块3，后者向三对亥姆霍兹线圈L输送预先设置好的电流，线圈对鸟类头部产生一定磁场刺激，与此同时主控模块4将从GPS模块1获取的定位信息存储至存储模块5，实时跟踪记录被追踪目标在磁场干扰下的飞行运动轨迹信息，其中，触发指令包括预先设置的各线圈产生的磁场强度参数，包括磁场强度，磁场方向以及持续时，运动轨迹信息包括被追踪目标的纬度、经度、海拔、速度以及记录时间。

图2为三维建模下三对亥姆霍兹线圈与鸟的头部示意图，实际安装佩戴时可采用柔性线圈，根据鸟类头部生理结构调整线圈大小和安装方向。

参考图3，本发明实施例的适用于鸟类的三轴磁场装置，其中GPS模块包括接收天线和GPS芯片，接收天线用于接收所述定位卫星发送的卫星信号，GPS芯片与接收天线连接用于将所述接收到的卫星信号转变成符合NMEA-0813协议要求的数据格式，获取所述被追踪目标的地理位置信息以及运动信息，并将之发送给主控模块。主控模块将从GPS模块获取的被追踪目标当前位置信息与触发条件进行比对，根据比较当前被追踪目标的当前地理位置信息是否为预先设置的触发位置进行判别，如果是，主控模块发送触发指令给三轴磁场发生器磁场强度调节及换向模块，后者向三对亥姆霍兹线圈L输送预先设置好的电流，线圈对鸟类头部产生一定磁场刺激。其中三轴磁场发生器磁场强度调节及换向模块包括多通道双极性DAC以及三个双向负载电流增强电路，其中一个双向负载电流增强电路中包括一个反相放大器以及B类推挽射级跟踪器，一个反相放大器驱动一个B类推挽射级跟踪器。当主控芯片给DAC输入一个值DAC输出电压为正时，Q1、Q3和Q5晶体管导通，负载电压为负。当DAC输出电压为负时，Q2、Q4和Q6晶体管导通，负载电压为正。一对线圈匝数为200匝，因为采用0.1mm的漆包线本身具有一定的电阻，R3、R6以及R9是三对线圈的等效电阻，R1、R4以及R7是双向负载电流增强电路的反馈电阻，R2，R5和R8是电路的输入电阻，反馈电阻的阻值与输入电阻的阻值的比值决定放大电路闭环电压增益。

参考图4，本发明实施例的运用适用于鸟类的三轴磁场发生装置方法，包含两个步骤其中第一个步骤如下：

步骤S301，将本发明的适用于鸟类的三轴磁场发生装置穿戴及背载在被追踪目标上，此时的主控芯片内未设置实验步骤二所需的磁场触发条件及参数，启动装置。

步骤S302，由于GPS模块1启动后需要一定的时间才能接收到卫星定位信号实现定位功能，故打开装置后需要等待一段时间。

步骤S303，根据GPS模块1上指示灯判断是否已成功接收卫星定位信号，若是，执行步骤S304，否则，继续执行步骤S302。

步骤S304，放飞被追踪目标，此时GPS模块1接收卫星定位信号并将之转码传送给主控模块4，再由主控模块4输送数据至存储模块5进行存储。具体为：GPS模块1接收定位卫星发送的定位信号，将定位信号转变成符合NMEA-0183协议要求的数据格式，获取追踪目标当前的地理位置和运动状态信息，并将改信息发送给装置的主控模块4，再由串口将信息存储至存储模块5。

步骤S305，待被追踪目标归巢后，取下装置存储模块5的TF卡，将被跟踪目标归巢全过程的轨迹信息导入PC端。轨迹信息具体包括被追踪目标归巢过程各记录时刻的经度、纬度、海拔、速度以及记录时间。

步骤S306，将同一被追踪目标在同一地点放飞10次并记录归巢轨迹信息。

步骤S307，在PC端上将被追踪目标的10次放飞归巢实验的飞行运动轨迹进行分析，得出规律归巢路径，并与当地磁地图进行比较确定步骤2放飞时的磁场触发条件及参数。

参考图5，本发明实施例的运用适用于鸟类的三轴磁场发生装置第二步骤的其中定点触发实验方法，具体步骤如下：

步骤S401，将第一步骤实验确定的磁场触发条件以及磁场参数下载至主控模块4的主控芯片内，磁场参数包括各个线圈的磁场强度、磁场方向以及持续时间。

步骤S402，将设置好磁场触发条件以及磁场强度的适用于鸟类的三轴磁场发生装置穿戴于被追踪目标身上，其中三轴磁场发生模块的三对亥姆霍兹线圈穿戴于鸟类头部，GPS模块1、三轴磁场发生器磁场强度调节及换向模块3、主控模块4和存储模块5背载于鸟类的背部。启动装置。

步骤S403，由于GPS模块1启动后需要一定的时间才能接收到卫星定位信号实现定位功能，故打开装置后需要等待一段时间。

步骤S404，根据GPS模块1上指示灯判断是否已成功接收卫星定位信号，若是，执行步骤S405，否则，继续执行步骤S403。

步骤S405，放飞被追踪目标，被追踪目标飞行归巢。

步骤S406，此时GPS模块1接收卫星定位信号并将之转码传送给主控模块4。具体为：GPS模块1接收定位卫星发送的定位信号，将定位信号转变成符合NMEA-0183协议要求的数据格式，获取追踪目标当前的地理位置和运动状态信息，并将改信息发送给装置的主控模块4。

步骤S407，主控模块4将地理位置与定点干扰条件进行比较，根据比较结果判断被追踪目标当前所在的地理位置是否位于定点干扰条件指定的地理位置区域。如果是，执行步骤S408，否则，继续执行步骤406。

步骤S408，主控模4向三轴磁场发生模块发送触发指令。

步骤S409，三轴磁场发生器磁场强度调节及换向模块3向三对亥姆霍兹线圈分别输送一定强度及方向的电流使三对线圈分别产生一定强度的磁场，经过叠加得到所需的刺激磁场对被追踪目标进行磁场干扰。

步骤S410，GPS模块1同步获取定位卫星信号，并将定位信号转码传送至主控模块4，获取的被追踪目标运动轨迹信息存储至装置的存储模块5。

步骤S411，待被追踪目标归巢后，取下装置存储模块5的TF卡，将被跟踪目标归巢全过程的轨迹信息导入PC端。轨迹信息具体包括被追踪目标归巢过程各记录时刻的经度、纬度、海拔、速度以及记录时间。将轨迹信息与步骤1处理后的轨迹进行比对分析。

参考图6，本发明实施例的运用适用于鸟类的三轴磁场发生装置第二步骤的其中定时触发实验方法，具体步骤如下：

步骤S501，将第一步骤实验确定的磁场触发时刻以及磁场参数下载至主控模块4的主控芯片内，磁场参数包括各个线圈的磁场强度、磁场方向以及持续时间。

步骤S502，将设置好磁场触发条件以及磁场强度的适用于鸟类的三轴磁场发生装置穿戴于被追踪目标身上，其中三轴磁场发生模块的三对亥姆霍兹线圈穿戴于鸟类头部，GPS模块1、三轴磁场发生器磁场强度调节及换向模块3、主控模块4和存储模块5背载于鸟类背部。启动装置。

步骤S503，由于GPS模块1启动后需要一定的时间才能接收到卫星定位信号实现定位功能，故打开装置后需要等待一段时间。

步骤S504，根据GPS模块1上指示灯判断是否已成功接收卫星定位信号，若是，执行步骤S505，否则，继续执行步骤S503。

步骤S505，放飞被追踪目标，被追踪目标飞行归巢。

步骤S506，此时GPS模块1接收卫星定位信号并将之转码传送给主控模块4并存储至存储模块5。

步骤S507，主控模4向三轴磁场发生模块发送触发指令。

步骤S508，三轴磁场发生器磁场强度调节及换向模块3向三对亥姆霍兹线圈分别输送一定强度及方向的电流使三对线圈分别产生一定强度的磁场，经过叠加得到所需的刺激磁场对被追踪目标进行磁场干扰。

步骤S509，GPS模块1同步获取定位卫星信号，并将定位信号转码传送至主控模块4，获取的被追踪目标在刺激下的运动轨迹信息存储至装置的存储模块5。

步骤S510，待被追踪目标归巢后，取下装置存储模块5的TF卡，将被跟踪目标归巢全过程的轨迹信息导入PC端。轨迹信息具体包括被追踪目标归巢过程各记录时刻的经度、纬度、海拔、速度以及记录时间。将轨迹信息与步骤1处理后的轨迹进行比对分析。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。