Metode Pengukuran Parameter Gerak Multi-Derajat Kebebasan Berdasarkan Kisi Difraksi Cross-Coupling Polydimethylsiloxane

Analisis dan Diskusi

Karakterisasi Kisi PDMS Ortogonal

Proses fabrikasi ditunjukkan seperti pada Gambar 1a. Modifikasi permukaan hidrofilik PDMS menggunakan teknologi plasma oksigen. Sebuah SiO _x lapisan dan kelompok hidrofilik (misalnya, OH) dengan demikian dibentuk pada substrat PDMS yang telah ditekuk oleh plasma oksigen. Ketika pra-regangan dalam substrat PDMS melebihi nilai kritis, struktur kisi terbentuk pada permukaan PDMS setelah relaksasi pra-regangan [11, 12]. Periodisitas kisi-kisi dicapai dengan menyetel kondisi pra-lentur dan plasma yang diterapkan dan dapat dihitung dalam karya kami sebelumnya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c, topografi mikro/nanograting dicirikan oleh mikroskop gaya atom (AFM) (CSPM5500; Benyuan Co.). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, d, 10 area telah dipilih di sepanjang garis tengah di satu sisi sampel untuk mempelajari periodisitas dan keseragaman struktur kisi. Periodisitas kisi yang sesuai dari 10 area adalah seragam dan memiliki periode (2 ± 0,05) m di seluruh permukaan sampel.

Kisi Difraksi untuk Karakterisasi Parameter Gerak Posisi dan Sudut

Sinar laser berjalan melewati sampel (dengan kisi-kisi) untuk berdifraksi menjadi matriks titik cahaya, menurut teori difraksi Fraunhofer [13]. Posisi titik difraksi berhubungan langsung dengan posisi dan sudut sinar datang, sehingga informasi posisi sinar datang dapat dideteksi dengan informasi lokasi titik difraksi.

Gambar 2 menunjukkan platform bergerak dan berputar untuk melacak pemosisian dan titik difraksi yang sesuai dari sinar datang. Menurut teori difraksi Fraunhofer, jika kisi difraksi dan jarak layar ditetapkan, maka hubungan antara berkas datang, berkas difraksi, dan panjang gelombang dapat dinyatakan sebagai berikut:

Di sini, λ adalah panjang gelombang sinar datang, d adalah periode kisi, α adalah sudut datang, φ adalah sudut difraksi, dan m adalah orde difraksi kisi.

Ketika sudut datang α tidak sama dengan 0, “+” maka menunjukkan bahwa berkas difraksi dan sinar datang terdistribusi pada sisi normal kisi yang sama, sedangkan “–” menunjukkan bahwa berkas difraksi dan sinar datang berada pada dua sisi normal. Pada sudut datang tertentu, jarak antara titik difraksi orde pertama dan orde nol titik difraksi tidak sama pada layar. Oleh karena itu, jarak antara titik dapat berubah dengan sudut datang. Sudut sinar datang dapat dihitung secara kuantitatif melalui perhitungan posisi titik cahaya difraksi. Secara bersamaan, lokasi bergerak dari sinar datang menyebabkan pergerakan titik difraksi orde nol. Informasi posisi berkas sinar datang dapat dihitung dengan informasi lokasi orde nol titik berkas difraksi.

Gambar 2c menunjukkan satu arah diagram difraksi kisi, di mana x ₀ adalah titik difraksi urutan pertama, dan x ₁ dan \( {x}_1^{\hbox{'}} \) menunjukkan titik difraksi orde kedua. Dari Gambar. 2c, s dan s ' adalah jarak antara titik difraksi orde pertama dan kedua yang dinyatakan sebagai berikut:

Dari Persamaan. (1):

Dari persamaan di atas, diperoleh model korelasi antara sudut datang berkas dan jarak spekel difraksi sebagai berikut:

Deteksi dan Karakterisasi Parameter Gerak Berbasis Grating Difraksi Ortogonal Multi-Degrees-of-Freedom

Sinar laser yang berjalan melewati kisi optik satu arah dapat membentuk titik difraksi tunggal. Berorientasi ortogonal dapat dibentuk sebagai sinar laser perjalanan melewati kisi-kisi ortogonal pada dua sisi substrat PDMS. Berkas difraksi kisi satu dimensi akan terbentuk ketika berkas cahaya ditransmisikan sepanjang arah kisi di satu sisi pada layar dan dimensi ditetapkan dalam x -sumbu. Berkas difraksi kisi satu dimensi kemudian dibentuk ortogonal terhadap x -sumbu ketika berkas cahaya melewati arah kisi di sisi lain pada layar dan dimensi kemudian ditetapkan dalam y -sumbu. Array titik difraksi dua dimensi terbentuk di layar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b.

Parameter gerak MODF tergantung pada pergerakan titik difraksi. a Bintik difraksi satu dimensi dihasilkan oleh kisi satu arah. b Array titik dua dimensi dihasilkan oleh kisi optik silang ganda. c Pergerakan array spot dikendalikan oleh pergerakan sumber laser. d Celah yang bergerak di antara larik titik dikendalikan sebagai sudut datang sinar laser

Ketika posisi sinar laser diubah, urutan nol posisi titik cahaya difraksi akan menunjukkan gerakan yang sesuai, dan posisi bitmap difraksi akan berubah sesuai dengan teori difraksi Fraunhofer. Posisi sinar datang dapat langsung dihitung berdasarkan arah pergerakan kisi, dan kemudian mendeteksi informasi posisi realisasi berkas cahaya di sepanjang x- dan y -sumbu. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3c, urutan pertama posisi titik difraksi tidak dapat secara akurat menghitung perpindahan cahaya karena efek kopling dari perpindahan dan defleksi. Selain itu, urutan nol lokasi titik difraksi hanya terkait dengan lokasi sumber. Oleh karena itu, akan lebih akurat menggunakan orde nol perpindahan titik difraksi untuk menghitung posisi sumber cahaya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d, informasi sudut defleksi sinar datang sepanjang x -sumbu dan y -sumbu dapat dihitung dengan jarak antara titik cahaya pada x -sumbu dan y -sumbu berdasarkan model terkait antara sudut dan perubahan titik.

Namun, batasan alasan perpindahan titik difraksi tergantung pada sudut datang dan jarak antara kisi dan layar berdasarkan Persamaan. (1). Dalam pekerjaan kami, kisi dipasang dengan layar, yang berarti variasi jarak antara kisi dan layar adalah nol. Tidak ada perpindahan titik difraksi saat sumber laser bergerak di sepanjang z -sumbu. Juga, ketika sumber laser berputar di sepanjang z -sumbu, variasi sudut datang adalah nol, yang akan menghasilkan non-perpindahan titik difraksi.

Dalam percobaan kami, perubahan sudut (Δθ _x ) di sepanjang x -sumbu dapat dihitung dalam jarak kolom (s _x ,\( {s}_x^{\hbox{'}} \)) dari titik difraksi, dan perubahan sudut (∆θ _y ) di sepanjang y -sumbu dapat dihitung berdasarkan jarak kolom (s _y ,\( {s}_y^{\prime } \)) dari titik-titik difraksi. Platform portofolio disesuaikan untuk mengubah lokasi sumber cahaya, dan kemudian gambar kamera diakuisisi oleh perangkat lunak MATLAB setiap 0,02 s untuk mengekstrak posisi titik difraksi untuk dibandingkan dengan nilai sebelumnya, yang digunakan untuk menghitung perpindahan larik titik pada x -sumbu dan y -sumbu dan perubahan spasi kolom dan spasi baris array.

Berdasarkan algoritma tersebut, perpindahan array spot dapat dianalisis dengan menangani citra sebelum dan sesudah pergerakan untuk menghitung x ,∆y , θ _x , dan θ _y . Karena titik laser mencakup beberapa piksel dalam gambar dan energinya sesuai dengan distribusi Gaussian, metode pemasangan distribusi Gaussian digunakan untuk menghilangkan kebisingan latar belakang dari gambar untuk mengekstrak lokasi pusat titik laser secara akurat. Fungsi Gaussian dari titik laser dinyatakan sebagai berikut:

Ini, Aku (x , y ) adalah intensitas titik dan H adalah amplitudo, (x ₀ , y ₀ ) adalah koordinat pusat titik cahaya, dan σ ₁ , σ ₂ adalah standar deviasi pada x -sumbu dan y -sumbu, masing-masing.

Logaritma dapat diterapkan pada kedua ruas persamaan di atas untuk mendapatkan lokasi titik pusat, yang dapat dinyatakan sebagai berikut:

Di sini, a , b , c , dan d adalah koefisien polinomial yang diperoleh dengan pemasangan Gaussian dari semua piksel di tempat.

Perubahan jarak antara dua titik difraksi telah dihitung oleh dua gambar sebelum dan sesudah gerakan. Dan titik pusat titik difraksi telah ditetapkan sebagai sistem pusat koordinat sebelum gerakan:sistem koordinat perpindahan absolut dan perpindahan relatif titik cahaya. Sistem koordinat perpindahan absolut dari titik cahaya difraksi mengambil layar keheningan sebagai referensi. Informasi pergerakan (Δx ,y ) dari kisi di kedua layar dapat dihitung dengan orde nol koordinat titik difraksi (yaitu, posisi tengah). Sistem koordinat perpindahan relatif untuk titik cahaya mengambil urutan nol titik difraksi sebagai referensi, yang dapat digunakan untuk menghitung perubahan dalam jarak larik titik (S _x ) dan spasi baris (S _y ).

Gambar 4 menunjukkan karakterisasi empat derajat kebebasan. Saat sinar laser memotong sepanjang x -sumbu, ada gerakan kisi difraksi yang sesuai di x -sumbu, tapi perpindahannya sekitar nol di y -sumbu. Sensitivitas perpindahan sekitar 5,4 piksel/m. Metode ini dapat digunakan untuk menghitung informasi lokasi sumber cahaya di sepanjang sumbu dengan akurasi tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a.

Karakterisasi empat derajat kebebasan. a Perpindahan sumber laser tergantung pada perpindahan titik difraksi. b Sudut datang sumber laser bergantung pada jarak antara titik difraksi

Saat laser memutar sudut kecil di sepanjang x -sumbu, ada perubahan jarak yang sesuai dari jarak baris larik-titik difraksi dan jarak kolom larik-titik adalah nol. Sensitivitas perpindahan sekitar 2,3 piksel per sudut (/°). Sementara itu, rentang pengukuran sudut sekitar 9,8° secara teori dihitung dengan Persamaan. (1)–(5) sebagai jarak s = 0. Mengatribusikan titik difraksi orde pertama bertepatan dengan titik difraksi orde nol seiring dengan meningkatnya sudut datang, perubahan jarak titik difraksi akan menjadi nol (s = 0). Metode ini dapat digunakan untuk mendapatkan informasi sudut sumber cahaya di sepanjang x -sumbu. Informasi lokasi dan sudut juga dapat diperoleh dengan menggunakan metode ini.

Resolusi deteksi satu piksel tergantung pada algoritma yang didasarkan pada perangkat lunak MATLAB. Seperti yang dihitung di atas, metode ini memiliki sensitivitas perpindahan sebesar 5,4 piksel/μm, yang berarti resolusinya adalah 0,18 μm. Untuk sensitivitas perpindahan 2,3 piksel/° , itu adalah resolusi 0,0075 rad. Ini menunjukkan bahwa, berdasarkan metode yang disajikan di sini dan resolusi CCD, resolusi perpindahan dan sudut masing-masing adalah 0,18 μm dan 0,0075 rad. CCD 480 × 640 piksel digunakan untuk memperoleh gambar larik titik dua dimensi secara real time. Selain itu, CCD piksel yang lebih tinggi dan optimalisasi jalur cahaya dapat meningkatkan resolusi perpindahan dan sudut defleksi masing-masing hingga skala sub-nanometer dan mikro-radian.

Karakterisasi Informasi Parameter Gerakan Rotor Pesawat Melayang

Sebuah rotorcraft adalah jenis sistem pesawat tak berawak sipil dengan presisi rendah, yang banyak digunakan di udara, pesawat model, dan bidang navigasi. Kontrol stabilitas pesawat rotor merupakan mikrokosmos dari platform tempur tak berawak. Untuk mewujudkan kontrol penerbangan presisi tinggi, aspek terpenting adalah kontrol yang mantap terhadap sikap dan posisi pesawat. Dan aspek intinya adalah penguraian kode posisi melayang presisi tinggi dan informasi posisi secara real time, sehingga informasi parameter gerakan empat derajat kebebasan yang akurat tentang melayang menjadi aset penting.

Dalam percobaan kami, berdasarkan kisi difraksi berpasangan silang, metode pengukuran telah disajikan untuk mencapai informasi sikap empat derajat kebebasan penerbangan pesawat secara real time. Pertama, pesawat empat rotor digunakan untuk menggantikan platform, yang terdiri dari posisi dan postur dari sistem uji empat derajat kebebasan, yang didasarkan pada kisi ganda untuk mengatur empat derajat kebebasan. -sistem pengujian sikap kebebasan untuk pesawat empat-rotor. Dalam sistem pengujian, penunjuk laser kecil dipasang di tengah pesawat empat rotor sebagai sumber cahaya dan menyinari sinar laser secara vertikal ke bawah. Sampel dengan kisi ganda, layar, dan kamera berputar di sepanjang pusat sumbu optik. Kisi-kisi optik yang bersilangan ini dapat menyebabkan sinar laser terdifraksi menjadi larik titik dua dimensi. Dalam percobaan, kamera digunakan untuk memperoleh gambar dari layar dan mengirimkan gambar ke komputer secara real time untuk menghitung informasi perpindahan oleh perangkat lunak MATLAB.

Untuk mencapai pengukuran sinyal terbang yang cepat, akurat, dan real-time, pesawat empat rotor melayang di udara dan melacak dengan cepat sinyal postur yang dipertahankan selama 4 detik. Informasi tentang perpindahan aksial sepanjang x -sumbu dan y -sumbu untuk pesawat empat-rotor telah diperoleh dalam waktu 4 s, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c. Atas dasar pembentukan sistem koordinat planar (yaitu, sebuah x -sumbu dan y -sumbu), x dan y nilai diubah menjadi titik koordinat ini. 200 hasil pemosisian dalam 4 dtk berarti satu poin diperoleh dalam 0,02 dtk. Ini menunjukkan penggunaan metode pelacakan untuk pesawat setiap 0,02 s secara real time untuk menentukan lokasi dan posisinya. Pesawat memiliki perpindahan maksimal 2,1 mm di x -sumbu dan perpindahan maksimum 2,3 mm di y -sumbu, sesuai dengan algoritme.

Karakterisasi sikap kerajinan empat rotor. a Diagram sistem. b Pengaturan sistem. c Sudut defleksi pesawat rotor. d Perpindahan pesawat rotor

Selain itu, informasi sudut pitch dan sudut roll untuk pesawat telah dihitung dengan algoritma dan metode pemrosesan data di atas. Seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 5d, diagram titik sudut rotasi pesawat empat rotor memberikan informasi sudut yang akurat untuk pesawat dengan melacak secara real time setiap 0,02 detik. Diamati bahwa pesawat memiliki deviasi sudut maksimum 1° di x -sumbu dan y- sumbu. Dengan demikian, metode ini dapat menghitung informasi empat derajat kebebasan untuk pesawat, yang dapat memberikan umpan balik posisi akurat dan sinyal sudut ke sistem kontrol penerbangan dalam waktu 0,02 s untuk meningkatkan stabilitas pesawat.