Methode voor het meten van bewegingsparameters met meerdere vrijheidsgraden op basis van polydimethylsiloxaan kruiskoppelingsdiffractieroosters

Analyse en discussie

Orthogonale PDMS-raspenkarakterisering

Het fabricageproces werd getoond zoals in figuur 1a. Hydrofiele oppervlaktemodificatie van PDMS maakte gebruik van de zuurstofplasmatechnologie. Een SiO _x laag en hydrofiele groepen (bijv. −OH) werden dus gevormd op de voorgebogen PDMS-substraten door het zuurstofplasma. Wanneer de voorspanning in het PDMS-substraat een kritische waarde overschrijdt, werden roosterstructuren gevormd op het oppervlak van PDMS na het ontspannen van de voorspanning [11, 12]. De periodiciteit van de roosters werd bereikt door afstemming van de toegepaste voorbuiging en plasmacondities en kan worden berekend in onze eerdere werken. Zoals getoond in Fig. 1c, werden de topografieën van de micro- / nanogratings gekarakteriseerd door atomaire krachtmicroscopie (AFM) (CSPM5500; Benyuan Co.). Zoals getoond in Fig. 1b, d, zijn 10 gebieden geselecteerd langs de middellijn aan de ene kant van het monster om de periodiciteit en de uniformiteit van roosterstructuren te bestuderen. De corresponderende periodiciteit van roosters van 10 gebieden was uniform en had een periode van (2 ± 0,05) μm over het gehele monsteroppervlak.

Diffractierooster voor karakterisering van positie- en hoekbewegingsparameters

De laserstraal gaat door het monster (met het rooster) om te buigen in de lichtvlekmatrix, volgens de Fraunhofer-diffractietheorie [13]. De positie van de diffractievlek was direct gerelateerd aan de positie en de hoek van de invallende bundel, en dus kan de positie-informatie van de invallende bundel worden gedetecteerd door de locatie-informatie van diffractievlekken.

Figuur 2 toont het bewegende en roterende platform om de positionering en de bijbehorende diffractiepunten van de invallende bundel te volgen. Volgens de Fraunhofer-diffractietheorie kan, wanneer het diffractierooster en de schermafstand vastliggen, de relatie tussen de invallende straal, de afgebogen straal en de golflengte als volgt worden uitgedrukt:

Hier, λ was de golflengte van de invallende bundel, d was de periode van het rooster, α was de invalshoek, φ was de diffractiehoek, en m was de roosterdiffractievolgorde.

Wanneer de invalshoek α niet gelijk was aan 0, geeft "+" dan aan dat de diffractiebundel en de invallende bundel aan dezelfde kant van de normaal van het rooster zijn verdeeld, terwijl "-" aangeeft dat de diffractiebundel en de invallende bundel aan twee zijden van de normaal bestaan. Bij een specifieke invalshoek waren de afstanden tussen de eerste orde van diffractiepunten en de nulde orde van diffractiepunten niet gelijk op het scherm. Daarom kan de afstand tussen de punten veranderen met de invalshoek. De hoek van de invallende bundel kan kwantitatief worden berekend door berekening van de positie van de diffractielichtvlek. Tegelijkertijd veroorzaakt de mobiele locatie van de invallende bundel beweging van de nulde orde van het diffractiepunt. De positie-informatie van de invallende bundel kan worden berekend door de locatie-informatie van de nulde orde van het diffractiebundelpunt.

Afbeelding 2c toont een enkele richting van het roosterdiffractiediagram, waarbij x ₀ was de eerste orde van diffractievlekken, en x ₁ en \( {x}_1^{\hbox{'}} \) geven de tweede orde van diffractievlekken aan. Uit de afbeelding 2c, s en s ’ waren de afstand tussen de eerste en tweede orde van diffractievlekken die als volgt werden uitgedrukt:

Van de Vgl. (1):

Uit het bovenstaande kan het correlatiemodel tussen de invalshoek van de bundel en de spikkelafstand van de diffractie worden verkregen als:

Orthogonale diffractieroosters op basis van meerdere vrijheidsgraden bewegingsparameterdetectie en karakterisering

Laserstraal die door een optisch rooster met één richting gaat, kan de enkele diffractievlekken vormen. De orthogonaal georiënteerde kan worden gevormd als de laserstraal reist langs de orthogonale roosters aan de twee zijden van het PDMS-substraat. Een eendimensionale roosterdiffractiestraal wordt gevormd wanneer een lichtstraal langs de richting van het rooster aan één kant op het scherm wordt doorgelaten en de afmetingen zijn ingesteld in de x -as. Vervolgens werd een eendimensionale traliediffractiebundel gevormd loodrecht op de x -as wanneer een lichtstraal langs de richting van het rooster aan de andere kant op het scherm gaat en de afmeting vervolgens werd ingesteld in de y -as. Op het scherm werd een tweedimensionale diffractiepuntarray gevormd, zoals weergegeven in figuur 3b.

De MODF-bewegingsparameter hangt af van de verplaatsing van diffractievlekken. een Eendimensionale diffractievlekken werden gegenereerd door het rooster in één richting. b Tweedimensionale spot-array werd gegenereerd door het dubbel kruis optische rooster. c Het verplaatsen van de spotarray werd bestuurd door het verplaatsen van de laserbron. d De opening tussen de spot-array werd geregeld als de invalshoek van de laserstraal

Wanneer de positie van een laserstraal werd gewijzigd, zal de nulde orde van de diffractielichtvlekpositie een overeenkomstige beweging vertonen, en de positie van de diffractiebitmap zal dienovereenkomstig veranderen op basis van de Fraunhofer-diffractietheorie. De positie van de invallende straal kan direct worden berekend op basis van de richting van de roosterbeweging en vervolgens de gerealiseerde positie-informatie van de lichtstraal langs de x- detecteren en y -as. Zoals getoond in figuur 3c, kan de eerste orde van de diffractiepuntpositie de lichtverplaatsing niet nauwkeurig berekenen vanwege de koppelingseffecten van de verplaatsing en de afbuiging. Bovendien was de nulde orde van de locatie van het diffractiepunt alleen gerelateerd aan de bronlocatie. Daarom zou het nauwkeuriger zijn om de nulde orde van diffractiepuntverplaatsing te gebruiken om de positie van de lichtbron te berekenen. Zoals weergegeven in Fig. 3d, is de informatie over de afbuighoek van de invallende lichtbundels langs de x -as en de y -as kan worden berekend door de afstand tussen de lichtvlek op de x -as en de y -as gebaseerd op het gerelateerde model tussen de hoek en de verandering van de plek.

Beperking tot de reden van de verplaatsing van diffractievlekken hangt echter af van de invalshoek en de afstand tussen het rooster en het scherm op basis van de Vgl. (1). In onze fabriek werd het rooster vastgezet met het scherm, wat betekent dat de afstandsvariatie tussen het rooster en het scherm nul was. Er was geen verplaatsing van diffractievlekken wanneer de laserbron langs de z bewoog -as. Ook toen de laserbron langs de z . draaide -as was de variatie van de invalshoek nul, wat zou resulteren in niet-verplaatsing van diffractievlekken.

In onze experimenten is de hoekverandering (Δθ _x ) langs de x -as kan worden berekend in termen van de kolomafstanden (s _x ,\( {s}_x^{\hbox{'}} \)) van de diffractievlekken en de hoekverandering (∆θ _j ) langs de y -as kan worden berekend op basis van de kolomafstanden (s _j ,\( {s}_y^{\prime } \)) van de diffractievlekken. Het portfolioplatform is aangepast om de locatie van de lichtbron te wijzigen, en vervolgens werden de camerabeelden elke 0,02 s door MATLAB-software verkregen om de positie van de diffractievlekken te extraheren voor vergelijking met eerdere waarden, die werden gebruikt om de verplaatsingen van de spotarray op de x -as en de y -as en de wijzigingen in de kolomafstand en rijafstand van de array.

Op basis van het algoritme kan de verplaatsing van de spotarray worden geanalyseerd door het beeld voor en na de beweging te hanteren om de ∆x te berekenen. ,∆j , θ _x , en ∆θ _j . Omdat de laserspot meerdere pixels in het beeld bevat en de energie ervan overeenkwam met de Gauss-verdeling, werd de Gauss-distributie-aanpassingsmethode gebruikt om de achtergrondruis uit het beeld te verwijderen om de locatie van het laserpunt nauwkeurig te extraheren. De Gauss-functie van de laservlek wordt als volgt uitgedrukt:

Hier, ik (x , j ) was de spotintensiteit en H was de amplitude, (x ₀ , j ₀ ) waren de centrumcoördinaten van de lichtvlek, en σ ₁ , σ ₂ waren de standaarddeviaties op de x -as en de y -as, respectievelijk.

Een logaritme kan worden toegepast op beide zijden van de bovenstaande vergelijking om de locatie van het middelpunt van de spot te verkrijgen, die als volgt kan worden uitgedrukt:

Hier, een , b , c , en d waren de polynoomcoëfficiënten die werden verkregen door Gauss-aanpassing van alle pixels op de plek.

De veranderingen van de afstand tussen twee diffractievlekken zijn berekend door twee afbeeldingen voor en na de beweging. En de middelpuntsvlek van diffractievlekken is ingesteld als het stelsel van coördinaatcentra vóór de beweging:de absolute verplaatsing en de relatieve verplaatsingscoördinatenstelsels van de lichtvlek. Het absolute verplaatsingscoördinatensysteem van de diffractielichtvlek nam een ​​stiltescherm als referentie. De bewegingsinformatie (Δx ,Δy ) van het rooster in beide schermen kan worden berekend door de nulde orde van de diffractiepuntcoördinaat (d.w.z. de middenpositie). Het relatieve verplaatsingscoördinatensysteem voor de lichtvlek nam de nulde orde van de diffractievlek als referentie, die kan worden gebruikt om de veranderingen in de spot-array-afstand te berekenen (S _x ) en de rijafstand (S _j ).

Figuur 4 toonde de karakterisering van de vier vrijheidsgraden. Toen de laserstraal langs de x . maaide -as was er een overeenkomstige beweging van het diffractierooster in de x -as, maar de verplaatsing was ongeveer nul in de y -as. De gevoeligheid van verplaatsing was ongeveer 5,4 pixels/μm. Deze methode kan worden gebruikt om de locatie-informatie voor de lichtbron langs de as met de hoge nauwkeurigheid te berekenen, zoals weergegeven in Fig. 4a.

Karakterisering van vier vrijheidsgraden. een Verplaatsing van laserbron hangt af van de verplaatsing van de diffractievlekken. b Invalshoek van laserbron hangt af van de opening tussen diffractievlekken

Toen de laser een kleine hoek draaide langs de x -as was er een overeenkomstige afstandsverandering van de diffractie spot-array rijafstand en de spot-array kolomafstand was nul. De gevoeligheid van verplaatsing was ongeveer 2,3 pixels per hoek (/°). Ondertussen was het meetbereik van de hoek ongeveer 9,8° in theorie berekend door de Eqs. (1)–(5) als de afstand s = 0. Toekennen aan de eerste orde van diffractievlekken valt samen met de nulde orde van diffractievlekken aangezien de invalshoek groter wordt, de afstandsverandering van diffractievlekken nul zou zijn (s = 0). Deze methode kan worden gebruikt om de hoekinformatie van de lichtbron langs de x . te verkrijgen -as. De locatie- en hoekinformatie kan ook worden verkregen met deze methode.

De detectieresolutie van één pixel is afhankelijk van het algoritme op basis van de MATLAB-software. Zoals hierboven berekend, heeft de methode een verplaatsingsgevoeligheid van 5,4 pixels/μm, wat betekent dat de resolutie 0,18 μm was. Voor de verplaatsingsgevoeligheid van 2,3 pixels/° , het was een resolutie van 0,0075 rad. Dit toont aan dat, op basis van de hier gepresenteerde methode en de CCD-resolutie, de resoluties van de verplaatsing en hoek respectievelijk 0,18 μm en 0,0075 rad waren. De CCD van 480 × 640 pixels werd gebruikt om het beeld van de tweedimensionale spotarray in realtime te verkrijgen. Bovendien kunnen hogere pixels CCD en optimalisatie van het lichtpad de resoluties van de verplaatsing en de afbuigingshoek verbeteren tot respectievelijk sub-nanometer- en microradiaalschalen.

Hovering Aircraft Rotor Motion Parameter Information Characterization

Een draagschroefvliegtuig was een soort civiel onbemand vliegtuigsysteem met lage precisie, dat veel werd gebruikt in de lucht-, modelvliegtuig- en navigatiegebieden. Stabiliteitscontrole van een draagschroefvliegtuig vertegenwoordigt een microkosmos van een onbemand gevechtsplatform. Om een ​​zeer nauwkeurige vluchtbesturing te realiseren, was het belangrijkste aspect een constante controle over de houding en positie van het vliegtuig. En het kernaspect was het decoderen van de uiterst nauwkeurige informatie over de houding en positie van het zweven in realtime, zodat de nauwkeurige vier vrijheidsgraden bewegingsparameterinformatie over het zweven een essentiële troef wordt.

In ons experiment, gebaseerd op een kruislings gekoppeld diffractierooster, is een meetmethode gepresenteerd om de vier vrijheidsgraden houdingsinformatie van vliegtuigvluchten in realtime te verkrijgen. Eerst werd een vliegtuig met vier rotoren gebruikt om het platform te vervangen, dat was samengesteld uit de positie en houding van een testsysteem met vier vrijheidsgraden, dat was gebaseerd op een dubbel rooster om de vier graden van vrijheid op te zetten. -freedom attitude testsysteem voor vier-rotor vliegtuigen. In het testsysteem werd een kleine laserpointer in het midden van een vliegtuig met vier rotoren als lichtbron bevestigd en schijnt de laserstralen verticaal naar beneden. Een monster met het dubbele rooster, een scherm en een camera draaien langs het midden van de optische as. Dit gekruiste optische rooster kan ervoor zorgen dat de laserstraal wordt afgebogen tot een tweedimensionale vlekreeks. In de experimenten werd de camera gebruikt om het beeld van het scherm te verkrijgen en beelden in realtime naar de computer te verzenden om de verplaatsingsinformatie door de MATLAB-software te berekenen.

Om snelle, nauwkeurige en realtime metingen van de vliegende signalen te verkrijgen, zweefde een vliegtuig met vier rotoren in de lucht en volgde het houdingssignaal snel gedurende 4 s. Informatie over de axiale verplaatsingen langs de x -as en de y -as voor vliegtuigen met vier rotoren zijn verkregen in een tijd van 4 s, zoals weergegeven in figuur 5c. Op basis van de vaststelling van een vlak coördinatensysteem (d.w.z. een x -as en een y -as), de x en y waarden worden omgezet in deze coördinaatpunten. De 200 positioneringsresultaten in 4 s betekenen één punt behaald in 0,02 s. Dit vertegenwoordigt het gebruik van de volgmethode voor het vliegtuig om de 0,02 s in realtime om de locatie en positie te bepalen. Het vliegtuig heeft een maximale verplaatsing van 2,1 mm in de x -as en maximale verplaatsing van 2,3 mm in de y -as, volgens het algoritme.

Karakteriseringen van de houding van een vaartuig met vier rotoren. een Systeem diagram. b Opstelling van systeem. c Hoek van afbuiging van rotorvaartuigen. d Verplaatsing van rotorvaartuigen

Bovendien zijn de stamphoek- en rolhoekinformatie voor het vliegtuig berekend door het bovenstaande algoritme en de gegevensverwerkingsmethode. Zoals weergegeven in de inzet van figuur 5d, leverde het rotatiehoekpuntdiagram van het vliegtuig met vier rotoren nauwkeurige hoekinformatie voor vliegtuigen door elke 0,02 s in realtime te volgen. Het merkte op dat het vliegtuig een maximale hoekafwijking van 1° heeft in de x -as en de y- as. Deze methode kan dus de informatie over vier vrijheidsgraden voor vliegtuigen berekenen, die de nauwkeurige positie- en hoeksignalen binnen 0,02 s kunnen terugkoppelen naar het vluchtregelsysteem om de stabiliteit van het vliegtuig te verbeteren.