一种鸟类视觉认知行为训练系统的制作方法

1.本实用新型涉及生物视觉认知科学技术领域，具体涉及一种鸟类视觉认知行为训练系统。


背景技术：

2.视觉认知功能研究已经成为脑科学和行为学领域重要的研究课题。视觉认知功能研究对揭示脑工作原理具有重要的研究意义，现有的视觉行为训练实验多以鼠和其他灵长类动物为实验对象，但对于视觉认知功能研究来说，鸟类具备良好的视觉认辨能力，比哺乳类动物的视觉感知能力发达，且学习记忆能力强，更适用于视觉认知行为训练的实验对象。
3.现有的行为训练方式多采用“人工诱导”与“奖惩激励机制”相结合的方式，但人为接触训练鸟类的方式，不仅费时费力，并且训练过程具有主观性和不准确性，容易导致动物实验结果出现偏差，甚至错误；提高行为训练的效率和自动化是进行鸟类视觉认知、电生理信号记录的必然要求，因此研发一种客观、准确、一致的鸟类视觉认知行为训练系统已迫在眉睫。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种鸟类视觉认知行为训练系统，以解决现有技术中人为训练鸟类仅费时费力，以及训练过程的主观性和不准确性容易导致动物实验结果出现偏差和错误的问题，并达到提高动物行为训练效率与准确率，减少人为因素的干扰的效果，以及具有自动可控，成本低廉的优点。
5.本实用新型所采用的技术方案为：
6.设计一种鸟类视觉认知行为训练系统，包括：训练箱，所述训练箱具有相对设置的第一端和第二端，所述训练箱的第一端设有用于供受训目标进出训练箱的进出口；检测单元，所述检测单元设置于进出口上，用以检测所述受训目标进入训练箱的进入信号；视觉刺激单元，所述视觉刺激单元设置于训练箱的第二端，所述视觉刺激单元包括待识别目标，所述待识别目标具有训练位置和隐藏位置；其中，所述待识别目标位于训练位置时，所述待识别目标位于训练箱上方，以为所述训练箱外的受训目标提供视觉刺激；奖励单元，所述奖励单元设置于训练箱的第二端，并位于所述训练箱的内部，所述奖励单元具有喂食状态和藏食状态；驱逐单元，所述驱逐单元设置于训练箱的第二端，所述驱逐单元用于将受训目标驱逐出训练箱；计时控制单元，所述计时控制单元与视觉刺激单元电连接，以控制所述待识别目标于预定时间区间内处于训练位置；所述计时控制单元还分别与检测单元、奖励单元和驱逐单元电连接；其中，所述计时控制单元根据在预定时间区间内接收的进入信号控制奖励单元处于喂食状态，并在喂食状态达到预定时长后控制奖励单元处于藏食状态以及控制驱逐单元对受训目标进行驱逐。
7.根据本实用新型的一些具体示例，所述训练系统还包括记录单元，所述记录单元包括：摄像机，所述摄像机设置于训练箱的上方，用于拍摄受训目标于训练箱内外的受训过
程；远程计算机，所述远程计算机与摄像机通过无线网络连接，所述远程计算机用于读取受训目标每次受训过程中的运动轨迹，并计算与所述运动轨迹相对应的运动时间。
8.根据本实用新型的一些具体示例，所述奖励单元包括：遮挡箱，所述遮挡箱上设有一开口；旋转食盘，所述旋转食盘上设有一分隔板，所述分隔板将旋转食盘分割为盛食区和空置区，部分所述旋转食盘穿过开口进入遮挡箱内；第一电机，所述第一电机与旋转食盘传动连接，所述第一电机与计时控制单元电连接，通过计时控制单元控制第一电机来驱动旋转食盘转动，使得所述盛食区和空置区交替进入遮挡箱；其中，所述盛食区位于遮挡箱外侧时，所述奖励单元处于喂食状态；所述空置区位于遮挡箱外侧时，所述奖励单元处于藏食状态。
9.进一步的，所述奖励单元还包括：第一行程开关，所述第一行程开关有两个并分别与计时控制单元电连接，两个所述第一行程开关设置在开口两端下方的遮挡箱上；定位件，所述定位件设置于旋转食盘底部，并位于分隔板正下方，所述定位件与第一行程开关配合以对旋转食盘的转动进行限制。
10.进一步的，所述遮挡箱（42）内设有第三电机（421）、放食槽（422）和遮挡板（423），所述遮挡板（423）的一端与第三电机（421）的动力输出轴传动连接，另一端位于放食槽（422）下方并与所述放食槽（422）底部的出料口抵接，所述第三电机（421）与所述计时控制单元（60）电连接。
11.根据本实用新型的一些具体示例，所述训练箱为不透明的顶部敞口的长方体金属箱，所述训练箱长度方向的两端分别为第一端和第二端，所述训练箱的第一端设有进出口，所述训练箱的顶部设有金属网状物或透明盖。
12.根据本实用新型的一些具体示例，所述视觉刺激单元包括：箱体，所述箱体设置在训练箱的第二端的外侧，所述箱体上设有收纳槽，所述收纳槽的长度方向与训练箱的长度方向垂直；第二电机，所述第二电机设置于箱体内；支撑杆，所述支撑杆的底端与第一电机的动力输出轴固定连接，通过第二电机带动支撑杆在竖直面内转动，使得支撑杆进出收纳槽；待识别目标，所述待识别目标连接于支撑杆的顶端。
13.根据本实用新型的一些具体示例，所述检测单元为红外传感器，所述红外传感器设置在进出口上，所述红外传感器与训练箱的底板的距离为100mm。
14.根据本实用新型的一些具体示例，所述驱逐单元为蜂鸣器，所述蜂鸣器设置在训练箱的第二端的侧壁上。
15.根据本实用新型的一些具体示例，所述计时控制单元包括：第一计时器，所述第一计时器用于对待识别目标每一次的训练位置和隐藏位置进行计时；第二计时器，所述第二计时器用于对奖励单元每一次的喂食状态进行计时；控制器，所述控制器与第一计时器电连接，以接收所述第一计时器的第一计时信息；所述控制器与视觉刺激单元电连接，并根据所述第一计时信息控制所述待识别目标于训练位置和隐藏位置进行切换；所述控制器与检测单元电连接，以接收所述受训目标进入训练箱的进入信号和受训目标离开训练箱的离开信号；所述控制器与奖励单元电连接，当视觉刺激单元处于训练位置时，所述控制器根据进入信号控制奖励单元由藏食状态转换为喂食状态；所述控制器与第二计时器电连接，以接收所述第二计时器的第二计时信息，并根据所述第二计时信息控制奖励单元由喂食状态转换为藏食状态；所述控制器与驱逐单元电连接，并根据第二计时信息控制驱逐单元对受训
目标进行驱逐。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果是：
17.1、本实用新型采用自动化饲养与训练相结合的方式，最大程度的减少了人为因素的干扰，不仅提高了效率，节省了人力，并且排除了人为主观因素的干扰，使训练结果更加准确、客观，且一致性更高。
18.、本实用新型利用奖惩激励机制建立起视觉刺激与鸟类特定行为间的条件反射，自动训练鸟类获得对特定视觉刺激的记忆能力，同时排除了其它非必要因素的干扰，能有效加强鸟类对视觉刺激的记忆能力，为以后行为学研究、视觉认知研究和神经机制研究奠定了基础。
19.、本实用新型使用网络摄像机远程监测和记录鸟类行为训练的状态，并将计算机图像处理技术、人工智能技术相结合，能够判定鸟类是否做出正确行为，以及鸟类做出正确行为的时间和次数，以通过检测鸟类单次行为训练的时间，判定鸟类通过学习训练对视觉刺激的记忆强化程度。
20.、本实用新型可通过第三电机带动遮挡板转动，以使得放食槽内的食物下落到旋转食盘的盛食区，实现旋转食盘的物料再添加功能，便于对受训目标进行多次奖励性喂食，间接的提高训练效果。
21.、本实用新型具有自动化程度高、成本低廉、易于制造和组装，可大规模推广应用的优点。
附图说明
22.图1为本实用新型的结构示意图；
23.图2为本实用新型中的遮挡箱的主视图；
24.图3为本实用新型中的旋转食盘俯视图；
25.图4为本实用新型中的旋转食盘的主视图；
26.图5为本实用新型的遮挡箱的内部结构示意图；
27.图6为本实用新型的训练箱、区域与运动轨迹示意图。
28.为训练箱，11为第一端，12为第二端，13为进出口，14为金属网状物，20为检测单元，30为视觉刺激单元，31为待识别目标，32为箱体，33为收纳槽，34为第二电机，35为支撑杆，40为奖励单元，41为旋转食盘，42为遮挡箱，421为第三电机，422为放食槽，423为遮挡板，43为开口，44为分隔板，45为盛食区，46为空置区，47为第一电机，48为定位件，49为第一行程开关，50为驱逐单元，60为计时控制单元，70为记录单元，71为摄像机，72为远程计算机，80为运动轨迹，90为区域。
具体实施方式
29.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
30.如图1
‑
图6所示，根据本实用新型实施例的一种鸟类视觉认知行为训练系统，包
括：训练箱10、检测单元20、视觉刺激单元30、奖励单元40、驱逐单元50、计时控制单元60和记录单元70；训练箱10具有相对设置的第一端11和第二端12，训练箱10的第一端11设有用于供受训目标进出训练箱10的进出口13。检测单元20设置于进出口13上，用以检测受训目标进入训练箱10的进入信号、以及受训目标离开训练箱10的离开信号。视觉刺激单元30设置于训练箱10的第二端12，视觉刺激单元30包括待识别目标31，待识别目标31具有训练位置和隐藏位置；其中，待识别目标31位于训练位置时，待识别目标31位于训练箱10的第二端12的上方，以为训练箱10外的受训目标提供视觉刺激，通过视觉刺激使训练箱10的第一端11外侧的受训目标由受训箱10上的进出口13而进入受训箱10内部。奖励单元40设置于训练箱10的第二端12，并位于训练箱10的内部，奖励单元40具有喂食状态和藏食状态。驱逐单元50设置于训练箱10的第二端12，驱逐单元50用于将受训目标驱逐出训练箱10。计时控制单元60与视觉刺激单元30电连接，以控制待识别目标31于预定时间区间内处于训练位置；计时控制单元60还分别与检测单元20、奖励单元40和驱逐单元50电连接；其中，计时控制单元60根据在预定时间区间内接收的进入信号控制奖励单元40处于喂食状态，并在喂食状态达到预定时长后控制奖励单元40处于藏食状态以及控制驱逐单元50对受训目标进行驱逐。
31.根据本实用新型的一具体示例，该训练系统还包括记录单元70，记录单元70包括：摄像机71和远程计算机72；摄像机71设置于训练箱10的上方，用于拍摄受训目标于训练箱10内外的受训过程；远程计算机72与摄像机71通过无线网络连接，远程计算机72用于读取受训目标每次受训过程中的运动轨迹80，并计算与运动轨迹80相对应的运动时间。如此设置，可以将受训目标的每次训练过程记录下来，再通过远程计算机72对受训目标每次训练过程中的运动轨迹80和运动时间进行计算，进而对受训目标的训练效果进行评价。
32.可选的，摄像机为云台摄像机，可使用手机进行远程控制，也可以随时观察受训目标视觉认知行为训练的状态。摄像机接入局域网或因特网，可通过opencv库获取视频流。
33.需要说明的是，运动轨迹80是这样定义的：在训练箱10第一端11外侧圈定有一半圆型的区域90（图中虚线与训练箱10第一端11端面所在直线所围成的区域），受训目标进入该区域90的位置为运动轨迹80的起点，在训练箱10内设有一终点线（图中训练箱10内的一虚线），受训目标到达终点线位置为运动轨迹80的终点。
34.根据本实用新型的一具体示例，奖励单元40包括：遮挡箱42、旋转食盘41和第一电机47；遮挡箱42的一侧设有一开口43；旋转食盘41上设有一分隔板44，该分隔板44将旋转食盘41分割为大小相等的盛食区45和空置区46，盛食区45用于放置饲养受训目标的食物，空置区4不放置任何食物，部分旋转食盘41穿过开口43进入遮挡箱42内；第一电机47与旋转食盘41传动连接，且第一电机47与计时控制单元60电连接，通过计时控制单元60控制第一电机47驱动旋转食盘41转动，使得盛食区45和空置区46交替进入遮挡箱42；其中，盛食区45全部位于遮挡箱42外侧时，奖励单元40处于喂食状态；空置区46全部位于遮挡箱42外侧时，奖励单元40处于藏食状态；分隔板44和旋转食盘41与开口43的大小相匹配，以对开口43进行封闭，防止遮挡箱内食物气味溢出。如此设置，不仅可以便捷实现奖励单元40的喂食状态与藏食状态的相互切换，还可以防止遮挡箱42内食物气味溢出，防止受训目标受食物气味引诱而进入训练箱10，保证了训练结果的准确性。
35.可选的，奖励单元40还包括：第一行程开关49和定位件48；第一行程开关49有两个并分别与计时控制单元60电连接，两个第一行程开关49设置在开口43两端下方的遮挡箱42
上；定位件48设置于旋转食盘41底部，并位于分隔板44正下方，定位件48与第一行程开关49配合以对旋转食盘41的转动进行限制；具体为，当定位件48随旋转食盘41转动至与其中一个第一行程开关49接触时，计时控制单元60通过第一电机47控制旋转食盘41停止转动，此时奖励单元40就处于喂食状态或藏食状态两者中的一种状态；奖励单元40需要改变所处状态时，计时控制单元60通过第一电机47控制旋转食盘41反向转动，直至定位件48随旋转食盘41转动至与另一个第一行程开关49接触（定位件48随旋转食盘41转动180
°
），此时计时控制单元60再次通过第一电机47控制旋转食盘41停止转动，此时奖励单元40就处于喂食状态或藏食状态两者中的另一种状态。如此设置，可快速实现奖励单元40的喂食状态或藏食状态的相互切换。
36.可选的，定位件48为铁片。
37.可选的，遮挡箱42内设有第三电机421、放食槽422和遮挡板423，遮挡板423的一端与第三电机421的动力输出轴传动连接，另一端位于放食槽422下方并与放食槽422底部的出料口抵接，第三电机421与计时控制单元60电连接。如此设置，可通过计时控制单元60控制第三电机421带动遮挡板423转动，以使放食槽422内的食物下落到旋转食盘41的盛食区46，实现旋转食盘的物料再添加功能，便于对受训目标进行多次奖励性喂食，有助于提高训练效果。
38.可选的，第二电机47和第三电机421均为步进电机。
39.根据本实用新型的一具体示例，训练箱10为不透明的顶部敞口的长方体金属箱体，该金属箱体的尺寸为长1200mm*宽500mm*高500mm；训练箱10的顶部敞口设有金属网状物14或透明盖，便于摄像头71记录受训目标的运动轨迹80；训练箱10长度方向的两端分别为第一端11和第二端12，训练箱10的第一端11设有进出口13。如此设置，可以增加受训目标与待识别目标31的距离，延长受训目标在训练过程中的运动轨迹80，保证训练效果，使训练结果更加准确、客观、一致性更高。
40.可选的，透明盖的材质为玻璃。
41.根据本实用新型的一些具体示例，视觉刺激单元30包括：箱体32、第二电机34、支撑杆35和待识别目标31；箱体32设置在训练箱10的第二端12的外侧，箱体32上设有收纳槽33，收纳槽33的长度方向与训练箱10的长度方向垂直；第二电机34设置于箱体32内，并位于箱体32的一端；支撑杆35的底端与第一电机34的动力输出轴固定连接，通过第二电机34带动支撑杆35在竖直面内转动，使得支撑杆35进出收纳槽33；待识别目标31连接于支撑杆35的顶端。其中，待识别目标31随支撑杆35横置于收纳槽33内时，待识别目标31位于隐藏位置；待识别目标31随支撑杆35转动至训练箱10的第二端12的上方时，待识别目标31位于训练位置。如此设置，不仅使得待识别目标31周期性的位于训练位置和隐藏位置，还便于扩大待识别目标31对受训目标的刺激范围，使得受训目标的饲养与训练得以同步进行，还间接的提高了训练结果的准确性。
42.可选的，待识别目标31可以是图案或者是物体，比如单一色彩图像或者其他图像等，物体可以是汽车模型等。
43.需要说明的是：收纳槽33为箱体32的内腔，箱体32顶部开口；待识别目标31为图案时，图案所在的照片应采用比较硬的材质，或者将图案粘在硬纸板上，以使图案完整的展开，同时当图案进入收纳槽33后，图案在收纳槽33内竖直隐藏，保证不可见。
44.可选的，第二电机34为步进电机。
45.可选的，视觉刺激单元30还包括两个第二形成开关（图中未示出），第二形成开关用于对支撑杆35的转动进行定位，以使支撑杆35带动待识别目标31准确到达训练位置和隐藏位置。
46.根据本实用新型的一具体示例，检测单元20为红外传感器，红外传感器设置在进出口13上，红外传感器与训练箱10的底板的距离为100mm。如此设置，可以降低成本，且检测准确。
47.根据本实用新型的一些具体示例，驱逐单元50为蜂鸣器，蜂鸣器设置在训练箱10的第二端12的侧壁上。如此设置，不仅可以使受训目标驱逐出训练箱10，还可以降低生产成本。
48.根据本实用新型的一具体示例，计时控制单元包括：第一计时器、第二计时器和控制器；第一计时器用于对待识别目标31每一次的训练位置和隐藏位置进行计时；第二计时器用于对奖励单元40每一次的喂食状态进行计时；控制器与第一计时器电连接，以接收第一计时器的第一计时信息；控制器与视觉刺激单元30电连接，并根据第一计时信息控制待识别目标31于训练位置和隐藏位置进行切换；控制器与检测单元20电连接，以接收受训目标进入训练箱10的进入信号和受训目标离开训练箱10的离开信号；控制器与奖励单元40电连接，当视觉刺激单元30处于训练位置时，控制器根据进入信号控制奖励单元40由藏食状态转换为喂食状态；控制器与第二计时器电连接，以接收第二计时器的第二计时信息，并根据第二计时信息控制奖励单元40由喂食状态转换为藏食状态；控制器与驱逐单元50电连接，并根据第二计时信息控制驱逐单元50对受训目标进行驱逐。
49.可选的，控制器选用欧姆龙plc。
50.本技术使用yolov3算法来识别受训目标，并根据前后帧检测结果绘制鸟类运动轨迹，同时计算与运动轨迹所对应的运动时间，根据受训目标到达旋转食盘41时间与其运动距离可以判定受训目标对视觉线索的记忆加强程度，受训目标对待识别目标31越熟悉，其到达达旋转食盘41时间和距离越短。
51.算法使用darknet
‑
53网络作为主干网络，该网络借鉴resnet网络思想，能有效解决梯度消失和梯度爆炸的问题，yolov3通过融合多个不同层次的特征图做预测，增加了预测的细粒度，提高了预测的准确性和对小目标的检测能力；本技术使用yolov3网络对鸟类进行识别，判断其位置并根据每帧预测结果绘制其运动轨迹，计算其每次训练从红外传感器到旋转食盘41的时间，用来判断通过学习训练对视觉线索记忆强化的程度。
52.本实用新型的工作原理如下：
53.本实用新型通过第一计时器为控制器提供待识别目标31每一次的训练位置和隐藏位置的时长信息，控制器根据时长信息控制待识别目标31周期性的处于训练位置和隐藏位置，为受训目标的饲养与训练的结合提供了基础；本实用新型通过在训练箱10长度方向的两端分别对应设置进出口13和视觉刺激单元30，配合设置在训练箱10内的奖励单元40建立视觉刺激与受训目标特定行为间的条件反射，自动训练受训目标获得对特定视觉刺激的记忆能力；通过设置在训练箱10内的驱逐单元50将不满足受训条件的受训目标驱逐至训练箱10外，可保证受训目标整个训练过程的准确定；通过设置在训练箱10顶部的记录单元70对受训目标训练过程中的运动轨迹进行记录，以判定受训目标通过训练对视觉刺激的记忆
强化程度。
54.具体为：欧姆龙plc驱动第二电机34旋转出待识别目标31，支撑杆35碰到第二行程开关后停止，此时待识别目标31刚好位于训练箱10的第二端12的上方，也就是待识别目标31处于训练位置。受训目标识别出待识别目标31并从进出口13进入训练箱10，红外传感器检测到受训目标进入训练箱10，欧姆龙plc驱动第一电机47旋转，进而带动旋转食盘41转动，以将旋转食盘41的盛食区45旋转至遮挡箱42外侧，旋转食盘41在其下方的铁片触碰到开口43一端的第一行程开关49后停止，此时，旋转食盘41的盛食区45全部位于遮挡箱42外侧，实现受训目标的奖励性喂食。达到预先设定的喂食时间后，欧姆龙plc驱动旋转食盘41反向转动，旋转食盘41在其下方的铁片触碰到开口43另一端的第一行程开关49后停止，此时，旋转食盘41的空置区46全部位于遮挡箱42外侧，以将盛食区45完成隐藏于遮挡箱42内部；欧姆龙plc控制蜂鸣器启动并发出噪声，以将受训目标驱逐，当红外传感器检测受训目标类离开训练箱10时，欧姆龙plc控制蜂鸣器停止。其中，当待识别目标31达到展示固定时间后，欧姆龙plc控制第二电机47反转，支撑杆35在触碰到第二行程开关后停止，此时，待识别目标31随支撑杆35转动至收纳槽33内，也就是待识别目标33处于隐藏位置。待识别目标31周期性进行展示，只有在待识别目标31处于训练位置且受训目标进入训练箱10后，受训目标才能得到奖励性喂食，所以待识别目标31的展示时间与隐藏时间根据鸟类每天的进食量与训练次数而定。
55.根据本实用新型实施例提供一种鸟类视觉认知行为训练方法，所述训练方法包括以下步骤：
56.步骤s1：于预定时间区间内为受训目标提供视觉刺激；具体为：在每天的8:30～9:00、10:30～11:00、14:00～14:30和16:00～16:30时间区间内，在训练箱10的第二端12的上方展示待识别目标31，以为训练箱10的第一端11外侧的受训目标提供视觉刺激；
57.步骤s2: 检测受训目标进入训练箱10的进入信号；具体为：受训目标由训练箱10的进出口13进入训练箱10内部，设置在进出口13的红外传感器检测到受训目标，并向控制器发送一进入信号，进入信号用于指示受训目标进入训练箱10。
58.步骤s3: 判断进入信号是否在预定时间区间内；是，则执行步骤s4；否，则执行步骤s5。
59.步骤s4:对受训目标进行限时喂食；具体为：控制器控制奖励单元40由藏食状态切换为喂食状态，以对受训目标进行奖励性喂食，当喂食时间达到预定时间后，控制器控制奖励单元40由喂食状态切换为藏食状态，以停止受训目标的进食；
60.步骤s5:将受训目标驱逐出训练箱10；具体为：控制器控制蜂鸣器发出声响，通过声响使受训目标到达训练箱10外部。
61.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。