本發(fā)明涉及電子通訊技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置及利用該裝置探測鳥類磁導航定向的方法。

背景技術(shù)：

科學家們通過研究發(fā)現(xiàn)地磁場是鳥類導航的重要影響因素，但是磁場是如何影響鳥類（尤其是在野外真實飛行條件下）定位及導航的呢？而地球的總磁場是一個矢量場，一般采用觀測點直角坐標系來描述磁場的空間分布特點，其中地理北向，地理東向和垂直向下三個方向分別為X，Y，Z軸，另外還有四個主要要素即磁場總強度、水平分量、磁場偏角以及磁傾角磁傾角。模擬出真實的地磁場信息，在鳥類野外真實飛行條件下進行可控的人工磁場刺激并進行飛行軌跡信息實時跟蹤保存，是一種可行的實驗方案。

申請?zhí)枮?00810239042.5的中國專利提供了一種探測動物導航定向的方法和裝置，可產(chǎn)生強度和方向均可調(diào)的干擾磁場，記錄并保存追蹤目標在可調(diào)磁刺激模塊產(chǎn)生的磁場干擾下的運動軌跡信息。該專利的缺點在于：動物在自由運動時，其磁感受器官相對于地磁場的姿態(tài)是不定的，其對地磁場強度和方向的感受是立體的。但該干擾磁場發(fā)生器只有單軸，即只可在一個方向進行強度和方向的調(diào)節(jié)，這必然限制了磁場干擾的效果及適用場景。

模擬出類似于地磁場（30~60μT）的三維磁場矢量進行鳥類飛行的磁場干擾實驗研究，需要能產(chǎn)生三維空間磁矢量的磁場發(fā)生裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置及利用該裝置探測鳥類磁導航定向的方法，實現(xiàn)了對追蹤目標的定點開啟及關(guān)閉和磁場三維方向及強度可變化的磁場干擾，便于研究鳥類的磁導航行為及機制。

本發(fā)明提供的適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置包括GPS模塊、電源模塊、主控模塊、存儲模塊、強度及方向調(diào)節(jié)模塊和穿戴于鳥類頭部的磁場發(fā)生模塊。

GPS模塊接受衛(wèi)星定位信號，根據(jù)衛(wèi)星定位信號獲取目標的定位信息以及運動狀態(tài)并將之傳達給主控模塊。

GPS模塊包括接收天線和GPS芯片，接收天線，用于接收所述定位衛(wèi)星發(fā)送的衛(wèi)星信號；GPS芯片，與接收天線連接，用于將所述接收到的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)變成符合NMEA-0813協(xié)議要求的數(shù)據(jù)格式，獲取所述被追蹤目標的地理位置信息以及運動信息，并將之發(fā)送給主控模塊。

主控模塊，包括STM32F103RBT6芯片以及時鐘電路，用于將所述的目標位置與接收到的當前位置信息相比較，根據(jù)所述被追蹤目標的當前位置是否為所示指定磁場發(fā)生條件位置進行辨別，若是，則對磁場發(fā)生模塊輸送觸發(fā)指令，若不是，則繼續(xù)進行比較。所述的觸發(fā)指令包括預先設(shè)置好的各對線圈的磁場發(fā)生強度、磁場方向以及持續(xù)時間；

存儲模塊，將被獲取到的被追蹤目標的當前位置信息及運動狀態(tài)進行存儲，記錄所述目標在真實飛行條件下為受干擾及受到干擾過程的飛行軌跡信息，所述運動軌跡最少包括所述追蹤目標的地理位置、飛行速度、海拔以及記錄時間。

三軸磁場發(fā)生模塊，用于根據(jù)所述主控模塊發(fā)送的觸發(fā)指令產(chǎn)生或中斷實驗所需的人工磁場，包括：三對亥姆霍茲線圈，亥姆霍茲線圈用來產(chǎn)生一定范圍的均勻磁場，所述三軸磁場發(fā)生模塊，采用三對亥姆霍茲線圈分別置于鳥類耳間軸、垂直鳥類頭部以及喙部和后腦連線的垂直平面，一對線圈匝數(shù)為200匝，調(diào)節(jié)線圈內(nèi)的電流參數(shù)，將所述三對線圈產(chǎn)生的磁場矢量，經(jīng)過疊加后產(chǎn)生具有一定方向及強度的人工磁場在所述被追蹤目標飛行過程中指定位置進行磁場刺激；或者，產(chǎn)生大于等于10倍地磁場的人工磁場，屏蔽鳥類對地磁場的感知在被總追蹤目標飛行過程中指定位置進行磁場干擾。

強度及方向調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)主控模塊發(fā)送的觸發(fā)指令，改變所述三軸磁場發(fā)生模塊產(chǎn)生的磁場強度及方向。所述強度及方向調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)三軸線圈內(nèi)的電流大小及方向，當模擬地磁場時電流參數(shù)由0至8mA變化，可產(chǎn)生0至70μT的磁場；當產(chǎn)生強磁場屏蔽地磁場感知時電流參數(shù)在80mA左右，產(chǎn)生700μT相對10倍地磁場強度的磁場。

強度及方向調(diào)節(jié)模塊包括恒壓源、負壓發(fā)生器、雙極性多通道DAC和雙電源供電功率運放，其中恒壓源向三對亥姆霍茲線圈提供電流；負壓發(fā)生器產(chǎn)生負壓提供給雙電源供電功率運放；雙極性四通道DAC，用于調(diào)控所需的電流強度及方向；雙電源供電功率運放，用于滿足電流強度要求。

本發(fā)明還提供了一種利用適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置探測鳥類磁導航定向的方法包括以下步驟：

1）將適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置穿戴于所述被追蹤目標身上，多次在不啟動三軸磁場發(fā)生模塊刺激的情況下進行固定定點歸巢放飛實驗，通過存儲模塊記錄所述被追蹤目標歸巢的飛行運動軌跡；

2）將儲存模塊內(nèi)的所述被追蹤目標的多次放飛后飛行運動軌跡移至PC端進行軌跡分析，得出所述被追蹤目標飛行運動的規(guī)律軌跡；

3）將得出的所述被追蹤飛行運動規(guī)律軌跡與當?shù)卮诺貓D進行比對，計算出實驗飛行時所需所述人工磁場的磁場強度及方向；

4）刺激實驗環(huán)節(jié)，放飛被追蹤目標，主控模塊利用GPS模塊獲取被追蹤目標當前的位置信息，啟動三軸磁場發(fā)生模塊；

5）主控模塊將獲取的所述當前地理位置與所述預先規(guī)劃的定點干擾位置進行比對，根據(jù)對比結(jié)果判斷所述追蹤目標是否位于定點干擾條件下的指定地理位置，如果是，則主控模塊對三軸磁場發(fā)生裝置發(fā)送觸發(fā)指令，三軸磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生一定空間方向的人工磁場對被追蹤目標進行人工磁場刺激，或者，主控模塊根據(jù)定時干擾條件進行判別，當達到干擾條件時，主控模塊對三軸磁場發(fā)生裝置發(fā)送觸發(fā)指令，從而對被追蹤目標進行人工磁場刺激；

6）主控模塊在被追蹤目標飛行過程中將獲取的被追蹤目標的GPS信息存儲至所述存儲模塊中；

7）放飛結(jié)束后，將存儲模塊內(nèi)數(shù)據(jù)導出，對被追蹤目標的飛行軌跡與之前的規(guī)律軌跡進行比對分析。

其中，步驟3）所述的當?shù)卮诺貓D所含磁場信息包括磁場強度、磁偏角和磁傾角，根據(jù)觸發(fā)刺激目標地理位置的地磁信息，通過所述三軸磁場發(fā)生模塊產(chǎn)生的具有一定空間方向和強度近似于地磁場前度的人工磁場與當?shù)氐卮艌鍪噶刊B加得到所需的所屬人工刺激磁場。

步驟4）所述的主控模塊利用GPS模塊獲取被追蹤目標當前的位置信息過程具體為，GPS模塊接收地位衛(wèi)星發(fā)送的定位信號，將所述定位信號轉(zhuǎn)變成符合NMEA-0813協(xié)議要求的數(shù)據(jù)格式傳輸給主控模塊，獲取所追蹤目標當前的地理位置和運動狀態(tài)信息。

步驟5）所述的觸發(fā)指令包括預先設(shè)置的各線圈磁場強度參數(shù)、方向參數(shù)持續(xù)時間。

步驟6）所述的運動軌跡信息包括追蹤目標的地理位置、速度、高度和記錄時間。

本發(fā)明三軸磁場發(fā)生器可以在鳥類磁感受器官周圍的三維空間內(nèi)產(chǎn)生任一方向的磁場干擾。該干擾磁場與當?shù)氐卮艌龅寞B加可使得鳥類感受到的磁場強度和方向發(fā)生連續(xù)變化，從而為鳥類磁導航研究提供了更完善的技術(shù)手段。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案可通過預先查閱的放飛區(qū)域磁地圖與刺激實驗前正常放飛軌跡的比對分析后，確定磁場刺激指定地理位置，并在主控模塊預先設(shè)置磁場干擾條件，當被追蹤目標到達指定區(qū)域，三軸磁場發(fā)生器產(chǎn)生相應的人工磁場刺激，干擾鳥類感知地磁信息（誤導或屏蔽），并對鳥類的飛行軌跡進行實時記錄及保存，從而實現(xiàn)了對追蹤目標的定點開啟及關(guān)閉和磁場三維方向及強度可變化的磁場干擾，記錄并保存鳥類在人工磁場干擾條件下及未干擾條件下的飛行運動軌跡信息。便于研究鳥類的磁導航行為及機制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置穿戴于鳥類身上時的狀態(tài)示意圖；

圖2為三維建模下三對亥姆霍茲線圈與鳥的頭部示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置的電氣原理圖；

圖4為本發(fā)明實施例的運用適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置方法第一步驟的流程圖；

圖5為本發(fā)明實施例的運用適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置第二步驟其中一種定點觸發(fā)實驗方法的流程圖；

圖6為本發(fā)明實施例的運用適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置第二步驟其中另一種定時觸發(fā)實驗方法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置包括：GPS模塊1、電源模塊、強度及方向調(diào)節(jié)模塊3、主控模塊4、存儲模塊5和三對亥姆霍茲線圈L。其中三對亥姆霍茲線圈由支架或帽子的頭套的方式固定在鳥類頭部，線圈軸線分別為鳥類耳間軸、垂直鳥類頭部以及喙部和后腦的連線，而其他部分裝載于鳥類背部靠上部位。三對亥姆霍茲線圈與三軸磁場發(fā)生器磁場強度及方向調(diào)節(jié)模塊3連接，強度及方向調(diào)節(jié)模塊3、GPS模塊1、存儲模塊5和電源模塊2與主控模塊4連接，而電源模塊2分別與GPS模塊1、三軸磁場發(fā)生器磁場強度調(diào)節(jié)及換向模塊3、主控模塊4和存儲模塊5連接，用于給整個裝置提供電壓源。

其中，電源模塊2，包括穩(wěn)壓模塊、升壓模塊以及負壓發(fā)生器用于給整個裝置提供相應的電壓。GPS模塊1，用于將所述接收到的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)變成符合NMEA-0813協(xié)議要求的數(shù)據(jù)格式，獲取所述被追蹤目標的地理位置信息以及運動信息，并將之發(fā)送給主控模塊4。主控模塊4將從GPS模塊獲取的地理位置信息與預先設(shè)定的觸發(fā)條件進行比對，根據(jù)比較當前被追蹤目標的當前地理位置信息是否為預先設(shè)置的觸發(fā)位置進行判別，如果是，主控模塊4發(fā)送觸發(fā)指令給三軸磁場發(fā)生器磁場強度調(diào)節(jié)及換向模塊3，后者向三對亥姆霍茲線圈L輸送預先設(shè)置好的電流，線圈對鳥類頭部產(chǎn)生一定磁場刺激，與此同時主控模塊4將從GPS模塊1獲取的定位信息存儲至存儲模塊5，實時跟蹤記錄被追蹤目標在磁場干擾下的飛行運動軌跡信息，其中，觸發(fā)指令包括預先設(shè)置的各線圈產(chǎn)生的磁場強度參數(shù)，包括磁場強度，磁場方向以及持續(xù)時，運動軌跡信息包括被追蹤目標的緯度、經(jīng)度、海拔、速度以及記錄時間。

圖2為三維建模下三對亥姆霍茲線圈與鳥的頭部示意圖，實際安裝佩戴時可采用柔性線圈，根據(jù)鳥類頭部生理結(jié)構(gòu)調(diào)整線圈大小和安裝方向。

參考圖3，本發(fā)明實施例的適用于鳥類的三軸磁場裝置，其中GPS模塊包括接收天線和GPS芯片，接收天線用于接收所述定位衛(wèi)星發(fā)送的衛(wèi)星信號，GPS芯片與接收天線連接用于將所述接收到的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)變成符合NMEA-0813協(xié)議要求的數(shù)據(jù)格式，獲取所述被追蹤目標的地理位置信息以及運動信息，并將之發(fā)送給主控模塊。主控模塊將從GPS模塊獲取的被追蹤目標當前位置信息與觸發(fā)條件進行比對，根據(jù)比較當前被追蹤目標的當前地理位置信息是否為預先設(shè)置的觸發(fā)位置進行判別，如果是，主控模塊發(fā)送觸發(fā)指令給三軸磁場發(fā)生器磁場強度調(diào)節(jié)及換向模塊，后者向三對亥姆霍茲線圈L輸送預先設(shè)置好的電流，線圈對鳥類頭部產(chǎn)生一定磁場刺激。其中三軸磁場發(fā)生器磁場強度調(diào)節(jié)及換向模塊包括多通道雙極性DAC以及三個雙向負載電流增強電路，其中一個雙向負載電流增強電路中包括一個反相放大器以及B類推挽射級跟蹤器，一個反相放大器驅(qū)動一個B類推挽射級跟蹤器。當主控芯片給DAC輸入一個值DAC輸出電壓為正時，Q1、Q3和Q5晶體管導通，負載電壓為負。當DAC輸出電壓為負時，Q2、Q4和Q6晶體管導通，負載電壓為正。一對線圈匝數(shù)為200匝，因為采用0.1mm的漆包線本身具有一定的電阻，R3、R6以及R9是三對線圈的等效電阻，R1、R4以及R7是雙向負載電流增強電路的反饋電阻，R2，R5和R8是電路的輸入電阻，反饋電阻的阻值與輸入電阻的阻值的比值決定放大電路閉環(huán)電壓增益。

參考圖4，本發(fā)明實施例的運用適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置方法，包含兩個步驟其中第一個步驟如下：

步驟S301，將本發(fā)明的適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置穿戴及背載在被追蹤目標上，此時的主控芯片內(nèi)未設(shè)置實驗步驟二所需的磁場觸發(fā)條件及參數(shù)，啟動裝置。

步驟S302，由于GPS模塊1啟動后需要一定的時間才能接收到衛(wèi)星定位信號實現(xiàn)定位功能，故打開裝置后需要等待一段時間。

步驟S303，根據(jù)GPS模塊1上指示燈判斷是否已成功接收衛(wèi)星定位信號，若是，執(zhí)行步驟S304，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟S302。

步驟S304，放飛被追蹤目標，此時GPS模塊1接收衛(wèi)星定位信號并將之轉(zhuǎn)碼傳送給主控模塊4，再由主控模塊4輸送數(shù)據(jù)至存儲模塊5進行存儲。具體為：GPS模塊1接收定位衛(wèi)星發(fā)送的定位信號，將定位信號轉(zhuǎn)變成符合NMEA-0183協(xié)議要求的數(shù)據(jù)格式，獲取追蹤目標當前的地理位置和運動狀態(tài)信息，并將改信息發(fā)送給裝置的主控模塊4，再由串口將信息存儲至存儲模塊5。

步驟S305，待被追蹤目標歸巢后，取下裝置存儲模塊5的TF卡，將被跟蹤目標歸巢全過程的軌跡信息導入PC端。軌跡信息具體包括被追蹤目標歸巢過程各記錄時刻的經(jīng)度、緯度、海拔、速度以及記錄時間。

步驟S306，將同一被追蹤目標在同一地點放飛10次并記錄歸巢軌跡信息。

步驟S307，在PC端上將被追蹤目標的10次放飛歸巢實驗的飛行運動軌跡進行分析，得出規(guī)律歸巢路徑，并與當?shù)卮诺貓D進行比較確定步驟2放飛時的磁場觸發(fā)條件及參數(shù)。

參考圖5，本發(fā)明實施例的運用適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置第二步驟的其中定點觸發(fā)實驗方法，具體步驟如下：

步驟S401，將第一步驟實驗確定的磁場觸發(fā)條件以及磁場參數(shù)下載至主控模塊4的主控芯片內(nèi)，磁場參數(shù)包括各個線圈的磁場強度、磁場方向以及持續(xù)時間。

步驟S402，將設(shè)置好磁場觸發(fā)條件以及磁場強度的適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置穿戴于被追蹤目標身上，其中三軸磁場發(fā)生模塊的三對亥姆霍茲線圈穿戴于鳥類頭部，GPS模塊1、三軸磁場發(fā)生器磁場強度調(diào)節(jié)及換向模塊3、主控模塊4和存儲模塊5背載于鳥類的背部。啟動裝置。

步驟S403，由于GPS模塊1啟動后需要一定的時間才能接收到衛(wèi)星定位信號實現(xiàn)定位功能，故打開裝置后需要等待一段時間。

步驟S404，根據(jù)GPS模塊1上指示燈判斷是否已成功接收衛(wèi)星定位信號，若是，執(zhí)行步驟S405，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟S403。

步驟S405，放飛被追蹤目標，被追蹤目標飛行歸巢。

步驟S406，此時GPS模塊1接收衛(wèi)星定位信號并將之轉(zhuǎn)碼傳送給主控模塊4。具體為：GPS模塊1接收定位衛(wèi)星發(fā)送的定位信號，將定位信號轉(zhuǎn)變成符合NMEA-0183協(xié)議要求的數(shù)據(jù)格式，獲取追蹤目標當前的地理位置和運動狀態(tài)信息，并將改信息發(fā)送給裝置的主控模塊4。

步驟S407，主控模塊4將地理位置與定點干擾條件進行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷被追蹤目標當前所在的地理位置是否位于定點干擾條件指定的地理位置區(qū)域。如果是，執(zhí)行步驟S408，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟406。

步驟S408，主控模4向三軸磁場發(fā)生模塊發(fā)送觸發(fā)指令。

步驟S409，三軸磁場發(fā)生器磁場強度調(diào)節(jié)及換向模塊3向三對亥姆霍茲線圈分別輸送一定強度及方向的電流使三對線圈分別產(chǎn)生一定強度的磁場，經(jīng)過疊加得到所需的刺激磁場對被追蹤目標進行磁場干擾。

步驟S410，GPS模塊1同步獲取定位衛(wèi)星信號，并將定位信號轉(zhuǎn)碼傳送至主控模塊4，獲取的被追蹤目標運動軌跡信息存儲至裝置的存儲模塊5。

步驟S411，待被追蹤目標歸巢后，取下裝置存儲模塊5的TF卡，將被跟蹤目標歸巢全過程的軌跡信息導入PC端。軌跡信息具體包括被追蹤目標歸巢過程各記錄時刻的經(jīng)度、緯度、海拔、速度以及記錄時間。將軌跡信息與步驟1處理后的軌跡進行比對分析。

參考圖6，本發(fā)明實施例的運用適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置第二步驟的其中定時觸發(fā)實驗方法，具體步驟如下：

步驟S501，將第一步驟實驗確定的磁場觸發(fā)時刻以及磁場參數(shù)下載至主控模塊4的主控芯片內(nèi)，磁場參數(shù)包括各個線圈的磁場強度、磁場方向以及持續(xù)時間。

步驟S502，將設(shè)置好磁場觸發(fā)條件以及磁場強度的適用于鳥類的三軸磁場發(fā)生裝置穿戴于被追蹤目標身上，其中三軸磁場發(fā)生模塊的三對亥姆霍茲線圈穿戴于鳥類頭部，GPS模塊1、三軸磁場發(fā)生器磁場強度調(diào)節(jié)及換向模塊3、主控模塊4和存儲模塊5背載于鳥類背部。啟動裝置。

步驟S503，由于GPS模塊1啟動后需要一定的時間才能接收到衛(wèi)星定位信號實現(xiàn)定位功能，故打開裝置后需要等待一段時間。

步驟S504，根據(jù)GPS模塊1上指示燈判斷是否已成功接收衛(wèi)星定位信號，若是，執(zhí)行步驟S505，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟S503。

步驟S505，放飛被追蹤目標，被追蹤目標飛行歸巢。

步驟S506，此時GPS模塊1接收衛(wèi)星定位信號并將之轉(zhuǎn)碼傳送給主控模塊4并存儲至存儲模塊5。

步驟S507，主控模4向三軸磁場發(fā)生模塊發(fā)送觸發(fā)指令。

步驟S508，三軸磁場發(fā)生器磁場強度調(diào)節(jié)及換向模塊3向三對亥姆霍茲線圈分別輸送一定強度及方向的電流使三對線圈分別產(chǎn)生一定強度的磁場，經(jīng)過疊加得到所需的刺激磁場對被追蹤目標進行磁場干擾。

步驟S509，GPS模塊1同步獲取定位衛(wèi)星信號，并將定位信號轉(zhuǎn)碼傳送至主控模塊4，獲取的被追蹤目標在刺激下的運動軌跡信息存儲至裝置的存儲模塊5。

步驟S510，待被追蹤目標歸巢后，取下裝置存儲模塊5的TF卡，將被跟蹤目標歸巢全過程的軌跡信息導入PC端。軌跡信息具體包括被追蹤目標歸巢過程各記錄時刻的經(jīng)度、緯度、海拔、速度以及記錄時間。將軌跡信息與步驟1處理后的軌跡進行比對分析。

本發(fā)明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。