Роботизированное зондирование и стимулы Положение для управляемого роста завода

1. Процедура отбора видов растений ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол фокусируется на поведении растений, связанных с альпинизмом, направленной реакцией на свет, а также на здоровье и выживание растений в определенный сезон, местоположение и экспериментальные условия. Выберите вид растений, известный, чтобы показать сильный положительный фототропизм15,16 к УФ-А и синий свет (340-500 нм) в растущих советов. Выберите вид, который является ветровкой, в которой поведение околодымят17 произносится и растущий кончик имеет свисовые траектории с достаточно большой амплитудой, чтобы ветром вокруг механических опор, используемых в конкретных экспериментальных условиях. Поведение скручивания18, выставленное выбранной обмотки, должно переносить окружающую среду и условия питательных веществ, присутствующие в эксперименте, и должно переносить механические опоры с углом наклона до 45 градусов. Выберите вид, который будет расти надежно и быстро в экспериментальных условиях, со средней скоростью роста не менее 5 см в день, и желательно быстрее, если это возможно. Выберите вид, который будет отображать требуемое поведение в настоящее время и географическое положение. Убедитесь, что вид переносит диапазон параметров окружающей среды, которые будут присутствовать в экспериментальной установке. Растение должно переносить отсутствие зеленого света и отсутствие света вне видимого спектра (400-700 нм). Растение должно также мириться с любыми нынешними колебаниями температуры, сохраняющимися на уровне примерно 27 градусов по Цельсию, а также любыми нынешними колебаниями влажности и полива. 2. Условия робота и конструкция Организуйте возможности робота в децентрализованные узлы с однобортными компьютерами (см. Рисунок 1 и Рисунок2), интегрированные в модульные механические опоры. Убедитесь, что каждый идентичный узлы робота способен контролировать и выполнять свое поведение. Для роботизированного обеспечения стимулов растениями, обеспечить синий свет (400-500 нм) для растений с контролируемыми интервалами, с интенсивностью, которая вызовет их фототропный ответ, от направления и ориентации, необходимых для соответствующей части эксперимента . Выберите красно-зелено-синий (RGB) светоизлучающий диод (LED) или изолированный синий светодиод. В любом случае, включите светодиод с синим диодом с пиковым излучениеми макс- 465 нм. Выберите светодиод, который при сходе в группы и установлении в точных условиях использованного робота может поддерживать необходимый уровень интенсивности света в каждом направлении, испытанной в установке эксперимента. Для каждого направления тестируется, убедитесь, что синие диоды в светодиодах в одном роботе коллективно способны поддерживать уровень интенсивности света около 30 люменов без перегрева, при расположении в использованном корпусе робота и любой использованный стратегии рассеивания тепла. Выбранный светодиод должен иметь угол обзора около 120 “.ПРИМЕЧАНИЕ: Например, в роботе, используя три светодиода в направлении, с микроконтроллером с поддержкой регулирования интенсивности, если синие диоды излучают с максимальной интенсивностью света – 15 люменов, то без перегрева они должны быть в состоянии поддерживать 65% от максимума.) Интерфейс светодиодов для робота однобортный компьютер, через светодиодные драйверы, которые регулируют блок питания в соответствии с требуемой яркостью. Включите индивидуальный контроль, либо из каждого светодиода или светодиодных групп, обслуживающих каждое направление, тестируемое в настройке. Для процедуры зондирования для близости растений советы (см. Рисунок 3B), использование обработанных показаний от инфракрасной близости (ИК-близость) датчики надежно и автономно обнаружить наличие растений, приближающихся с каждого направления испытания в установке. Выберите датчик ИК-близости, который регулярно обнаруживает растущую кончик выбранного вида растений, когда расположен ы перпендикулярно центральной оси направления, с которого растение приближается, как это тестируется в беспрепятственной среде. Обеспечить успешное обнаружение происходит, начиная с расстояния 5 см, как видно на рисунке 3A, начиная с метки времени с пометкой с надписью ‘07.04.16’ на горизонтальной оси. Интерфейс каждого датчика ИК-близости к однобортному компьютеру робота, и реализовать взвешенный арифметический средний подход для обработки показаний датчика в определение того, присутствует ли растение в пределах 5 см. Используйте показания датчика из последних пять с, чтобы дать 20% от конечного среднего веса, используемого в обнаружении. Убедитесь, что выбранный датчик ИК-близости не излучает критические длины волн, которые могут помешать поведению выбранных видов, управляемой светом. Убедитесь, что длины волн, испускаемые датчиком ниже 800 нм, не присутствуют на расстояниях более 5 мм от ИК-источника датчика, измеряемых спектрометром. Распределите функции эксперимента по набору роботов, чтобы каждый робот мог автономно управлять частями, которые проходят в своей собственной местности. Организуйте предоставление роботами световых стимулов и возможностей зондирования в соответствии с соответствующими направлениями роста растений, которые тестируются. Составьте каждого робота вокруг однобортного компьютера, который беспроводной локальной сети (WLAN) включен. Интерфейс компьютера к датчикам и приводам с помощью пользовательской печатной платы (PCB). Мощность каждого робота индивидуально, с собственной резервной батареей. Включите один датчик ИК-близости в направлении, проверяемом для приближающихся растений, в соответствии с вышеуказанными требованиями. Включите достаточно светодиодов, чтобы доставить выше требования синего света, в направлении, проверяемых для приближающихся растений. При использовании светодиодов RGB, а не синих светодиодов, опционально включить испуг из красного диода, когда синий диод не используется, чтобы увеличить красный свет доставки описано ниже (для здоровья растений через поддержку фотосинтеза). Если красный свет излучается от роботов через определенные промежутки времени, то используйте красные диоды с пиковым излучением примерно на 625-650 нм, без критических длин волн, перекрывающих зеленую полосу (т.е. ниже 550 нм) или дальнюю красную полосу (т.е. выше 700 нм). Не позволяйте красным диодам производить уровень тепла выше, чем у синих диодов. Включите аппаратное обеспечение, которое позволяет локальные сигналы между роботами. Включите фоторезистор (т.е. светозависимый резистор или ЛДР) для каждого направления соседнего робота для мониторинга состояния легких излмиссий. Кроме того, сообщите о состоянии местных соседей через WLAN. Включите оборудование для рассеиваемего тепла, как того требуют условия выбранных синих диодов и использованного корпуса робота. Выполняйте сочетание алюминиевых теплоотводов, вентиляционных отверстий в корпусе корпуса для корпуса робота и вентиляторов. Активируйте вентиляторы с помощью цифрового датчика температуры на однобортном компьютере или дополнительном ПХБ. Организуйте компоненты робота таким образом, чтобы соответствующие направления равномерно обслуживались. Расположите синие диоды, чтобы распределить эквивалентную интенсивность света по каждому из направлений, с которых могут приближаться растения (т.е. от механических опор, прикрепленных к нижней половине робота, см. шаг 2.5). Ориентируйтесь на каждый диод в корпусе робота так, что центральная ось его угла объектива находится в пределах 60 градусов от каждой оси механической поддержки, которую он обслуживает, и расположите его, чтобы не быть заблокированным корпусом робота. Позиция ИК-датчиков близости эквивалентно для их соответствующих приближающихся направлений роста (т.е. от механических опор, прикрепленных к нижней половине робота, см. шаг 2.5). Расположите каждый датчик ИК-близости в пределах 1 см от точки крепления между роботом и механической поддержкой, и ориентируйте его таким образом, чтобы его угол обзора был параллельным оси поддержки. Убедитесь, что его излучатель и приемник не заблокированы корпусом робота. Позиция любых фоторезисторов для локальной связи эквивалентно для каждого направления, обращенного к соседнему роботу в установке (т.е. от всех механических опор, прикрепленных к роботу, см. 2.5). Ориентируйтесь на каждый фоторезистор так, что центральная ось его угла обзора находится в пределах 45 “от оси поддержки, которую он обслуживает, и положение, чтобы не быть заблокированным корпусом робота. Соберите все компоненты с однобортным компьютером (обратитесь к диаграмме блока на рисунке 2). Убедитесь, что компьютер может быть легко доступен для обслуживания после сборки. Интерфейс светодиодов для компьютера через светодиодные драйверы с помощью модуляции ширины импульса. Используйте фиксированное механическое соединение между светодиодами и либо корпусом, либо теплоотводом, а также используйте механически неограниченное соединение между светодиодами и компьютером. Вентиляторы интерфейса к компьютеру с помощью линейного регулятора (т.е. переключателя) с помощью ввода общего назначения/вывода заголовка pin.s. Вентиляторы Affix, где доступен адекватный воздушный поток, при этом не обеспечивает механического напряжения на них. Интерфейс ИК-датчиков близости и фоторезисторов с помощью аналогового цифрового конвертера, используя серийный периферийный интерфейс. Используйте фиксированное механическое соединение от датчиков к корпусу и механически неограниченное соединение с компьютером. Изготовление робота случае из термостойкого пластика с использованием либо селективного лазерного спекания, стереолитографии, сросшиеся осаждения моделирования, или инъекционных литья. Интегрируйте роботов в набор модульных механических опор, которые вдвойне удерживают роботов в положении и служат альпинистскими эшафотами для растений, ограничивая вероятные средние траектории роста растений. Дизайн роботов, чтобы служить в качестве дополнительных механических соединений между опорами, расположены таким образом, что они пересекаются траектории роста растений. Свести к минимуму размер робота, и убедитесь, что он может быть надежно превзошел неподдерживаемый растущий кончик выбранного вида растений. Уменьшить размер робота в максимально возможной степени, чтобы увеличить скорость эксперимента. Форма внешних стен тела робота, чтобы быть ненавязчивым для роста растений, как это возможно, когда растущий кончик постепенно перемещается вокруг робота. Круглый или грань тела робота, чтобы не блокировать траекторию сугробов в twining видов растений. Исключите острые выступы и острые отступы. Выберите материал и профиль (т.е. форму поперечного сечения) для механических опор, чтобы выбранные виды растений могли эффективно подниматься на него, например, деревянный стержень с круглым профилем диаметром около 8 мм или меньше. Убедитесь, что механические опоры достаточно жесткой, чтобы поддержать растения и роботов в рамках установки, дополнены прозрачным акриловым листом за установкой. На каждом роботе включаются точки крепления для крепления указанных механических опор. Включите один для каждого направления, по которому растение может приблизиться или отойти от робота. Для каждой точки крепления, включите розетку в корпусе робота, с размерами, соответствующими поперечному сечению вспомогательного материала. Установите розетку с глубиной не менее 1 см. Держите розетку достаточно мелкой, чтобы поддержка не сталкиваться с компонентами внутри робота. Упорядочить механические опоры в регулярно сетки картины, равномерно диагональ юга с углом наклона на 45 “или круче. Сделайте длину опор равномерной. Минимальная длина опоры составляет 30 см, что позволяет достаточно места для альпинистских растений прикрепить после изучения области в их неподдерживаемом состоянии. Предпочтительная длина подвергается 40 см или более, чтобы позволить некоторый буфер для статистически крайних случаях крепления растений. Соберите механические элементы с роботами. Следующий протокол предполагает обнажённый радиус поддержки 40 см и установку восьми роботов в четыре ряда (см. рисунок6). Для других размеров масштабируйте соответственно. На поверхности пола постройте стойку шириной 125 см, способную удерживать установку в вертикальном положении. Прикрепите к подставке лист 125 см х 180 см (толщиной 8 мм и более) прозрачного акрила, который стоит вертикально. Позиция горшки с соответствующей почвой на стенде, против акрилового листа. Прикрепите два механических y-соединения к акриловому листу, на 10 см выше горшков. Расположите суставы на 45 см и 165 см вправо, соответственно, от левого края стенда. Прикрепите две опоры слева от сустава, опираясь на 45 “влево и вправо, и прикрепите одну опору вправо у-соединения, опираясь 45” влево. Прикрепите двух роботов к акриловому листу и вставьте концы ранее размещенных опор в розетки в корпусах роботов. Расположите роботов на 35 см выше y-соединений и 10 см и 80 см вправо, соответственно, левого края стенда. Повторите шаблон, чтобы прикрепить оставшихся роботов и поддержку в по диагонали сетки шаблон (см. Рисунок 6), так что каждый ряд роботов на 35 см выше предыдущей строки, и каждый робот горизонтально расположен непосредственно над роботом или у-совместный, что есть два ряда под ним. 3. Робот программное обеспечение Установите операционную систему (например, Raspbian) на однобортные компьютеры роботов. Во время каждого эксперимента параллельно запускайте программный протокол на каждом роботе, что позволяет им распространять автономное поведение (см. Wahby et al.14,для псевдокода и более подробной информации). Установить два возможных состояния для робота: одно является стимулом состояние, в течение которого робот излучает синий свет при интенсивности, описанной выше; другой является спящим состоянием, в течение которого робот либо излучает свет, либо излучает красный свет, как описано выше. В состоянии стимула, отправить импульс ширины модуляции (PWM) сигнал через однобортный компьютер с частотой, соответствующей требуемой яркости синих драйверов светодиодов. В спящем состоянии, вызвать не светодиоды, или при необходимости отправить сигнал PWM только красные драйверы светодиодов. В контрольных экспериментах назначайте всем роботам спящее состояние. В экспериментах с одним решением назначаем одному роботу спящее состояние и одного робота состояние стимула. В экспериментах с несколькими решениями начните процесс инициализации следующим образом. Поставка каждому роботу полной конфигурации карты роста растений, которые будут протестированы в текущем эксперименте. Установите местоположение робота в шаблоне, либо автоматически используя датчики локализации, либо вручную. Сравните местоположение робота с предоставленной картой. Если местоположение робота является первым местом на карте, установите робота для стимулирования; в противном случае, установить робота в спящемрежиме . Процесс инициализации заканчивается. В экспериментах с несколькими решениями начните процесс Управления следующим образом. Выполнить итеративно. Проверьте показания датчика ИК-близости робота, чтобы увидеть, если растение было обнаружено. Если растение обнаружено и робот настроен на спящийрежим, а затем поддерживать. Если растение обнаружено и робот настроен на стимул, то: Сообщите соседним соседним роботам, что растение было обнаружено, и включите местоположение робота в сообщение. Установите робота в спящийрежим. Сравните местоположение робота с картой. Если робот находится в последнем месте на карте, то отправьте сигнал через WLAN, что эксперимент завершен. Проверьте входящие сообщения робота от соседних роботов, чтобы увидеть, если один из них, который был установлен на стимул обнаружил завод. Если сосед-стимул обнаружил растение, сравните местоположение этого соседа с местоположением робота, а также сравните с картой. Если робот находится в последующем месте на карте, установите робота для стимулирования. Прекратите итеративный цикл процесса Управления после получения сигнала о завершении эксперимента. 4. Процедура мониторинга и технического обслуживания работы растений Найдите установку эксперимента в контролируемых условиях окружающей среды, в частности, в помещении без дневного света без происшествий или другого света, прикрытого для условий, описанных ниже, с контролируемой температурой воздуха и влажностью, а также с контролируемым поливом почвы. Мониторинг условий с помощью датчиков, подключенных к микроконтроллеру или однобортному компьютеру, который включен WLAN. Поддерживайте фотосинтез растений с помощью светодиодных ламп роста, внешних для роботов и стоящих перед экспериментом установки. Используйте лампы роста, чтобы доставить монохромный красный свет на установку, с красными диодами, имеющими пиковое излучение примерно на 625-650 нм, без критических длин волн за пределами диапазона 550-700 нм, за исключением низкой частоты окружающего синего света, если для здоровья выбранных видов. Если низкая частота эмбиента синего света включена, ограничьте уровни на очень незначительной части излучаемых одним роботом. Обеспечить уровни красного света, необходимые для здоровья выбранных видов, как правило, примерно 2000 люменов или более в общей сложности. Ориентируйте лампы роста для того чтобы смотреть на установку эксперимента, так но что их излучение распределено грубо ровно над зоной роста. Мониторинг условий окружающего освещения с помощью датчика цвета RGB. После прорастения, обеспечить каждому растению свой собственный горшок в основании эксперимента установки. Обеспечить подходящий объем почвы и тип для выбранных видов. Убедитесь, что почва и семена были дезинфицированы до прорастания. Используйте подходящие методы борьбы с вредителями для предотвращения или управления насекомыми, если присутствует. Регулируйте температуру воздуха и влажность, соответственно для выбранных видов, используя обогреватели, кондиционеры, увлажнители и обезвоживания. Мониторинг уровней с помощью датчика температурного давления и влажности. Мониторинг почвы с помощью датчика влажности почвы. Поддержание соответствующей скорости полива для выбранных видов. Выполняйте с помощью автоматизированной системы полива, где вода доставляется в почву через сопла, как это вызвано показаниями датчика влажности почвы, или воды почвы вручную, как регулируется показаниями датчика. 5. Экспериментальная конструкция Поместите роботов и механические опоры в сетку достаточно большой, чтобы покрыть область роста и шаблон, тестируемый в эксперименте, не меньше одного ряда и двух колонн роботов. Ниже нижнего ряда роботов поместите ряд стандартных диагональных механических опор, соответствующих тем, которые вся установка. Там, где нижние концы этих опор пересекаются, присоединяйтесь к ним механически с ‘y-соединением’. Для каждого ‘y-совместного’ в основании установки, посадить равномерное количество растений в зависимости от размера диагональной ячейки сетки (примерно одно растение на 10 см открытой механической длины поддержки), с условиями поддержания здоровья растений описано выше. Выберите тип эксперимента для запуска, и где соответствующие выбрать количество и распределение роботов. Тип эксперимента 1: КонтрольПРИМЕЧАНИЕ: Этот тип эксперимента тестирует рост альпинистских растений в условиях отсутствия легких стимулов, чтобы вызвать фототропизм. Он может работать на любом размере и форме установки. Назначайте всем роботам спящее состояние (см. шаг 3.4) и непрерывно запускайте до тех пор, пока результаты не будут оценены вручную, чтобы быть полными. Обратите внимание, прикрепляются ли растения к механическим опорам. В успешном эксперименте ни одно из растений не найдет и не прикрепится к механическим опорам. Тип эксперимента 2: Одноместное решениеПРИМЕЧАНИЕ: Этот тип эксперимента тестирует траектории роста растений, когда представлены с бинарными опционами – одна поддержка, ведущая к спящему роботу и одна поддержка, ведущая к роботу-стимулу. Он работает только на минимальной установке (т.е. один ряд, две колонки). Назначайте одному роботу спящее состояние (см. 3.5) и одного робота состояние стимула. Выполнить непрерывно, пока один из двух роботов обнаруживает завод с датчиком ИК-близости. Наблюдайте привязанность завода к механической поддержке, рост вдоль поддержки, и показания датчика робота стимула. В успешном эксперименте, робот с состоянием стимула обнаружит завод после того как он вырос вдоль соответственно поддержки. Тип эксперимента 3: Многократное решениеПРИМЕЧАНИЕ: Этот тип эксперимента проверяет рост растений, когда представлены с несколькими последующими условиями стимулов, которые вызывают ряд решений в соответствии с заранее определенной глобальной карте. Он может работать на любом размере и форме установки, которая имеет больше, чем минимальное количество строк (т.е. два или более). Предоставьте роботам глобальную карту шаблона, который необходимо вырастить (см. шаги 3.6-3.7)… Наблюдайте за событиями крепления растения и характером роста вдоль механических опор. В успешном эксперименте, по крайней мере одно растение будет выросло на каждой поддержке, присутствуют на глобальной карте. Кроме того, в успешном эксперименте ни один завод не выберет неправильное направление, когда его растущая кончик находится в настоящее время активной точке принятия решений. Не учитывайте посторонние советы по выращиванию здесь, если, например, событие ветвления помещает новый растущий совет в устаревшем месте на карте. 6. Процедура регистрации Хранение данных с датчиков и камер первоначально на однобортном компьютере, где данные были созданы на борту. Выполнить бортовые серверы ответов, которые отвечают на необходимые запросы, такие как последнее чтение сохраненных датчиков. Регулярно загружайте данные и файлы журнала через WLAN на локальное устройство хранения данных (NAS). Захват замедленного видео экспериментов непрерывно с помощью камер, расположенных в двух или более точек зрения, по крайней мере один вид камеры, охватывающих полную установку эксперимента. Убедитесь, что захваченные изображения имеют достаточно высокое разрешение, чтобы адекватно захватить движения растений, растущих кончиков, как правило, только несколько миллиметров в ширину. Автоматизировать процесс захвата изображения, чтобы обеспечить согласованные временные интервалы между захватами, используя бортовую камеру на однобортном компьютере или автономную цифровую камеру, которая автоматизируется с помощью интервалометра. Установите лампы, чтобы выступать в качестве вспышек, автоматизированных аналогично камерам. Убедитесь, что вспышки достаточно яркие, чтобы конкурировать с красным светом ламп роста без резкого пост-обработки изображений для коррекции цвета. Найдите вспышки так, что установка эксперимента может быть полностью освещена и, следовательно, хорошо видна на изображениях. Синхронизируйте камеры и вспышки так, что все камеры захватывают изображения одновременно, в течение 2 с флэш-периода. Захват изображения каждые 2 минуты, в течение каждого эксперимента. Зарегистрируй данные датчика окружающей среды, в частности показания датчика влажности температуры давления, датчика цвета RGB и датчика влажности почвы. Зарегистрируй данные всех роботов в установке, в частности, датчик АК-близости и показания фоторезистора, а также внутреннее состояние робота, который определяет его состояние светодиодных излучений. Сделать все записанные данные доступными для дистанционного мониторинга экспериментов, с помощью регулярных отчетов в режиме реального времени, чтобы обеспечить правильные условия сохраняются в течение всего эксперимента продолжительностью до нескольких месяцев.