Modelling visually-driven control of flying flies

Abstract

Die Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Modellierung des Flugverhaltens von Fruchtfliegen. Im ersten Teil der Arbeit wird der Einfluss visueller Stimuli anhand von Experimenten untersucht. Ein sehr einfaches Model, das den freien Flug der Fliege beschreibt, wird im zweiten Teil der Arbeit hergeleitet.<br />Die Reaktion der Fliege auf visuelle Stimuli wird anhand des von der Fliege erzeugten Drehmoments bewertet. Es wird ein phänomenologisches Modell des Drehmoments vorgeschlagen, das sowohl von der Position als auch von der Geschwindigkeit des Stimulus abhängt. Das Modell wird anhand von Versuchen parametriert. Dabei zeigt sich, dass der geschwindigkeitsabhängige Term von Fliege zu Fliege stark variiert.<br />Anschließend wird getestet, wie sich eine genetische Modifikation der Fliegen auf ihre Reaktion auf den Stimulus auswirkt. Die Reaktion ist prinzipiell gleich, aber deutlich abgeschwächt.<br />Die Fliege im freien Flug wird als einfacher Starkörper unter Berücksichtigung der aerodynamischen Kräfte mit Hilfe des Lagrangeschen Formalismus modelliert. Die Flügelkäfte werden als Eingangsgrößen des Modells betrachtet. Anschließend wird ein Regler entworfen, der die Fliege auf einer in Experimenten gemessenen Trajektorie stabilisiert.<br />Die so ermittelten Flügelkräfte werden mit Literaturwerten verglichen.<br />Sie liegen in der gleichen Größenordnung und zeigen auch die gleichen charakteristischen Merkmale.<br />

The present master thesis focuses on modelling the flight behaviour of the fruit fly. In the first part of the thesis, the influence of visual stimuli on the flight orientation based on experimental data is investigated. A very simple model of the fly in free flight situations is described in the second part of the thesis.<br />The torque exerted by the fly in response to visual stimuli is characterised by a simple phenomenological model. The model depends on both position and velocity of the stimulus. The parameters are identified by means of experimental data. The results show that the velocity dependent term varies strongly from one fly to another. The reaction to the same visual stimulus is also investigated for genetically modified fruit flies. Basically the behaviour for the genetically modified flies remains the same, but the reactions are clearly not as strong as for the normal flies.<br />The second model describes the fruit fly in free flight. The fly is considered to be a rigid body under the influence of the aerodynamic forces and is modelled by means of the Lagrange formalism. The forces produced by the wings of the fly are treated as inputs to the proposed model. Finally, a controller to stabilize the fly along a measured trajectory is developed. The computed wing forces are compared to values found in the literature. The wing forces are in the same range as the measurement data and present the same characteristics.