Name: プリエンファシス技術を用いた比例積分微分制御におけるガルバノメータミラーの正弦波をスキャンするためのゲイン補償方法論 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-04T12:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 1 s
Description: 学ぶガルバノメータミラーのゲイン補償法。比例積分微分制御を用いて正弦波パス追跡におけるモーションブラーを低減し、光学エンジニアリングのターゲット追跡やスキャン制御に応用可能。追加ハードウェア不要でコスト効率の良い解決策を提供する。

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ガルバノミラーのためのゲインデータの1.取得<ol><li>振動させながらダメージから保護するために安定化されるように、ガルバノミラーを固定してください。ガルバノミラー、だけでなく、ガルバノミラーのボディだけでなく、ガルバノミラーのための円形の穴でカスタムメイドの金属治具を用いて所定の位置に固定されていない場合は、移動します。光搬送波と光ベンチ上に治具を固定します。 </li><li>ガルバノミラーのサーボドライバに入力し、位置ソケットに端子台を介してAD / DAボードからBNCケーブルを接続します。 </li><li> 図3に示すように、任意の周波数、振幅、及び持続時間を設定することができるC ++、とAD / DAボードのSDKを使用して、グラフィカル・ユーザ・インタフェース（GUI）のようなプログラム正弦波関数発生器。 注：このカスタマイズされたファンクション・ジェネレータは、試験は何回も行っているので、ステップ1.5での連続試験のための一時的なコストをカットに貢献しています。 </li<html> &gt; <li> 100ヘルツから100ヘルツの間隔で500ヘルツまで変化する周波数を設定し、GUIで10 mVの間隔で10ミリボルトから500ミリボルトまで変化する振幅を設定します。全体として、250個の組み合わせが存在します。 250個の組み合わせをテストするために、二重ループを実装するために効率的です。最初のループは50回実施された500ヘルツ、100ヘルツからの周波数のためのものです。第二のループは50回実施される500 mVの、10ミリボルトから振幅のためです。 </li><li> GUIにおける期間として2,000サンプリングするAD / DAボードに正弦波経路信号を加えます。同時にAD / DAボードのアナログ値を読み出すためにガルバノミラーの位置信号を記録します。 C ++では書き込みのため同じスレッドを使用し、AD / DAボードのライブラリを使用して、コーディングやプログラミングで読んで。この式で、ガルバノミラーθ（書き込み情報）の現在の角度を計算します <img alt="式（2）" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq2.jpg" /> ここで、tは時間です、ES / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpgは」/&gt;ƒは周波数、振幅です。 </li><li> .csvファイルとして位置信号データを保存し、そのファイル名に周波数及び振幅の値を含みます。 </li><li> 250回の反復のために1.6 - を繰り返して、1.4を繰り返します。 </li></ol> 2.計算はプリエンファシス係数を取得します<ol><li>ノイズの影響を避けるために、CSVファイル（記録信号）のためのメディアンフィルタを適用します。メディアンフィルタの空間的な大きさは5です。 </li><li> （グラフは正弦波経路のデータを示す）、図4に示すように、CSVファイルのそれぞれについて、MATLABを使用して、（2乗じた振幅に対応する）は、ピーク・ツー・ピーク値を計算するためにスクリプトを実行します。 </li><li>各周波数での直線性を決定するために、グラフ上のピーク・ツー・ピークのデータをプロットし、プロットが非線形である場合、図5に示すように、入力振幅の使用領域を制限します。 注：グラフの非線形部分は彩度を表しますPID制御;したがって、制御の仕様の制限を確保するためにそれらを使用して回避することが望ましいです。 </li><li>各周波数の線形補間係数を得るために、スプレッドシート内のピーク・ツー・ピークデータの線形回帰を実行します。このプロセスでは、傾き及び切片の5組が得られます。これらはそれぞれ100Hzで500ヘルツ、100ヘルツの周波数に対応します。 300ヘルツの直線の近似は、図5（A）に表示され、各周波数の線形補間係数を表1に示します。 </li><li>二次多重線形回帰を用いて、各周波数の線形補間係数のためにスプレッドシートの四次補間係数（プリエンファシス係数）を得るために四次補間を実行します。プリエンファシス係数は、 表2に示します。 注：この研究では、線形補間係数はquadratiの形で変化しますCカーブ。誤差が最小である場合は、そのような二次及び立方方程式としての機能の他のタイプは、適用されます。 </li></ol>プリエンファシス技術に基づく3.オンラインシグナル増幅<ol><li>更新された入力振幅値を計算するソフトウェアを実行<img alt="式（5）" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" />理想的な入力振幅値から<img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" />プリエンファシス係数を用いて周波数ƒ。 <ol><li> C ++ソフトウェアの定数値としてプリエンファシス係数を保存します。デバイスが更新されると、これらの定数の値も更新されます。 </li><li>プログラム機能 <img alt="式7" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq7.jpg" /> C ++ソフトウェアで線形補間係数を得ます。 私のためにそれらを置き換え、I B、C I、DのI、そして式および表2から、私を電子 。 </li><li>プログラム機能 <img alt="式13" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq13.jpg" /> C ++ソフトウェアでは、更新された入力振幅値を取得します<img alt="式（5）" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" />代わりにします<img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" />ステップ3.1.2で得られた線形補間係数。 </li></ol></li><li>で、任意の時間のために1.6 - 繰り返し、1.4ステップ<img alt="式（5）" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" />最大400 Hzのために最大300ヘルツ、100 mVのために最大200ヘルツ、200 mVの400 mVの設定、PID制御の領域の飽和を回避するために、50 mVの：GUI.NOTEにプリエンファシス技術を用い最大500 Hzのため。 </li><li>利得の向上を表示するグラフのような手順を繰り返し2.2プロットピーク・ツー・ピークデータ。 </li></ol>モーションブラーコンペ4.実験nsation <ol><li>粘着性のテクスチャーに付着することができるベルトを用いて毎時30キロで移動することができるコンベヤベルトを準備します。カスタムメイドのコンベヤベルトは、ように速度制御モータ、鉄ゴムベルト、およびで構成されています。これは、速度を制御することができます既製のコンベアベルトと交換することができます。 </li><li>印刷可能なテープ上に微細なテクスチャパターンを印刷し、コンベアベルト上に貼り付けます。 注：貼り付けたテクスチャは、図6に示されています。ストライプは、openFrameworksでライブラリ「ofxPDF」を使用してプログラム、及び写真画像は、ストックフォト会社からですされています。 </li><li> 図2に示すように、そのようなカメラ、レンズ、及び照明などの光学デバイスを設定。カメラに接続されているレンズの前にガルバノミラーを配置し、搬送ベルトを照明する照明を置きます。 <ol><li> 333ヘルツ、1ミリ秒の露光時間、および848 * 960（幅*高さ）ピクセルの数にカメラ周波数を設定します。 </li><html></ol></li><li>ガルバノミラーの回転タイミングとカメラの露光時間を同期させます。ガルバノミラーの角度は、露光を開始する位置を到着したときのソフトウェアでは、プログラムは、カメラにソフトウェアトリガを送信します。ソフトウェアトリガのタイミングは、 図7に示されています。 </li><li> 図8のようなGUIのガルバノミラーの必要な角速度ωrを計算するために入力コンベヤベルトのV T（毎時30キロ）の速度と搬送ベルトL（3.0 M）に、カメラからの距離。次のようにωrが計算されます。 <img alt="式（18）" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq18.jpg" /></li><li>元の入力振幅を計算するために、図8のようにGUIで入力周波数ƒ（330.0 Hz）と<img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> 。計算します式3&quot; SRC = &quot;/ファイル/ ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg&quot; /&gt;次のように： <img alt="式19" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq19.jpg" /></li><li>コピーアンドペースト<img alt="式3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" />ソースコードに、以下のようにガルバノメータサーボドライバのプリエンファシス制御値θとガルバノメータを回転させます。 <img alt="式20" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq20.jpg" /> ここで、tは時間です。 図7は、θがAから算出される様子を示します。 </li><li>コンベヤベルトは、V T（毎時30キロ）で移動している記録画像。 注： 図9は、コンベアベルトの動きを示しています。 </li></ol>

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</ol>

著者は、開示することは何もありません。

この記事では、PID制御とトラッキング高精度の軌道を達成するために、正弦波の周波数範囲を拡大することが可能な手順を示します。ガルバノミラーの応答性は、その慣性によって制限されているので、制御パスが急であるとき、ガルバノミラーを使用することが重要です。しかし、この研究では、我々はコントロールの仕様を改善して、実験結果を取得する方法を証明する方法を提案します。 私たちの手順では、ステップ2.5は、最も重要なステップです。我々は、任意の周波数を利用する線形補間係数からプリエンファシス係数を得ます。このステップがなければ、我々は唯一の離散周波数を使用することができます。私たちの手順は、オフラインとオンラインの部分の両方を持っています。オフライン部分は初期段階中にデバイスを使用するために必要です。しかし、それはプリエンファシスを得るには時間がかかります。したがって、自動プロセスに手動でシフトすることが賢明です。ステップ2.4では、私たちはやりました手動データの非線形部分を使用し、それは直線性を認識する能力を有する自動ステップによって置換することができるではありません。私たちは、MATLABで...

様々な光学用途に適した様々な光学アクチュエータ及び制御方法が提案され、2、1に開発されてきました。これらの光学アクチュエータは、光路を制御することができます。ガルバノミラーは、特に正確さ、速さ、移動性の面で良好なバランスを提供し、3の費用がかかり、4、5。実際には、ガルバノミラーの速度と精度によって提供される利点は、このようなターゲット追跡及び図面、走査制御、及び動きぼけ補正6、7、8、9、10、などの光学用途の種々の実現につながっています11、12。しかし、私たちの前のモーションブラーcompensatiでシステム上で、小さな利得を提供し、比例 - 積分 - 微分（PID）コントローラを使用して、ガルバノミラー。したがって、より高い周波数とより速いスピード11を達成することは困難でした。 それは精度13の追跡の特定のレベルを満たす一方、PID制御は、広く用いられている方法です。種々の方法は、PID制御のゲインを修正するために提案されています。典型的な溶液として、PID制御パラメータの調整を手動で行われます。しかし、それは維持するための時間と特別なスキルを要します。より洗練された方法で、自動的にパラメータを決定するオートチューニング機能は、提案されており、広く14を用いています。高速動作のためのトラッキング精度は場合比例ゲイン値Pが増加オートチューニング機能を使用して改善されます。しかし、これはまた、低速域での収束時間とノイズを増大させます。したがって、トラッキングの精度はないですtは必ずしも改善されました。セルフチューニングコントローラは、PID制御に適したパラメータを設定するように調整することができるが、チューニングための適切なパラメータを取得する必要の遅延を導入します。したがって、リアルタイムアプリケーション15に、この方法を採用することは困難です。拡張されたPIDコントローラ16、17と拡張予測コントローラ18は、一般的なPID制御を拡張するために、そのような三角波、のこぎり波、正弦波などの追跡経路の様々なガルバノミラーの追従性能を向上させるために提案されています。しかしながら、これらのシステムでは、検流計システムは、制御システムのモデルが必要であったのに対し、ブラックボックスと見なされた、制御システムは、ブラックボックスと見なされませんでした。したがって、これらの方法は、各ガルバノミラーのための彼らのモデルを更新する必要があります。また、Mnerie らありません。 Fの彼らの方法を検証詳細な出力波形と位相にocusing、彼らの研究は、全体の波の減衰が含まれていませんでした。正弦波の周波数は、それによって全体の波の利得を補償するために必要であることを示し、高い場合、実際には、我々の以前の研究11で、ゲインが著しく減少しました。 この研究では、PID制御12と利得補償のための私達の手順を使用して、実験システムの構築を可能にするエンジニアリング通信における通信の品質または速度を高めるために、プリエンファシス技術19、20、21 -a方法に基づいています既存の機器。 図1は、フロー構造を示します。プリエンファシス技術もガルバノミラーの場合、事前にPID制御が有効でない入力値から所望の出力値を得ることができますそのコントローラは、ブラックボックスと見なされます。これは、0デシベルの利得は、PID制御パラメータを調整することなく得ることができる周波数および振幅範囲を拡大することを可能。 ゲインが増幅される場合、ガルバノミラーの応答特性は、一般に、異なる周波数で異なる、したがって、我々は、増幅係数を有する各周波数を増幅する必要があります。各正弦波の唯一つの周波数があるようにこのように、正弦波は、プリエンファシス技術に適しています。我々は動きぼけ補正を達成するために利得補償を適用するため、この研究では、制御信号は正弦波走査に限定され、正弦波信号は、三角形やのこぎり波などの他の波とは異なり、単一の周波数を構成します。さらに、ガルバノミラーへの入力信号があるため、係数が設定されているプリエンファシス後のオープンループの次のサイクル内で即座に更新されます。言い換えれば、我々はトンを必要としますOブラックボックスのようにコントローラを考える唯一の入力対出力比を知って、その詳細なモデリングが必要とされません。このシンプルさは、我々のシステムは、アプリケーションに容易に埋め込むことを可能にします。 この方法の全体的な目標は、プリエンファシス技術を使用して利得補償によってアプリケーションとして動きぼけ補正の実験手順を確立することです。複数のハードウェアデバイスは、ガルバノミラー、カメラ、コンベヤベルト、照明、及びレンズとして、これらの手順で使用されています。 C ++で書かれた中央ソフトウェアのユーザーが開発したプログラムは、システムの一部を構成します。 図2は、実験装置の概略図を示します。ガルバノミラーは、それによって可能画像からボケの量を評価すること、利得補償角速度で回転します。

<table><tbody><tr><td>検流計ミラー</td><td>ケンブリッジテクノロジー</td><td>M3s X軸</td><td></td></tr><tr><td>カスタムメイドメタル治具</td><td>ASKK</td><td>-</td><td>検流計ミラー用円形穴付き</td></tr><tr><td>光学キャリア</td><td>SIGMAKOKI</td><td>CAA-60L</td><td></td></tr><tr><td>光学ベンチ</td><td>SIGMAKOKI</td><td>OBT-1500LH</td><td></td></tr><tr><td>オシロスコープ</td><td>Tektronix</td><td>MSO 4054</td><td></td></tr><tr><td>AD/DAボード</td><td>インターフェース</td><td>PCI-361216</td><td></td></tr><tr><td>PC</td><td>DELL</td><td>Precision T3600</td><td></td></tr><tr><td>ガルバノメーター ミラーサーボコントローラー</td><td>ケンブリッジテクノロジー</td><td>Minisax</td><td></td></tr><tr><td>レンズ</td><td>ニコン</td><td>AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>ハイスピードカメラ</td><td>Mikrotron</td><td>Eosens MC4083</td><td>販売終了、MC4087として販売。ケーブル接続はMC4083</td></tr><tr><td></td><td>ASUKAと異なります ASUKA-</td><td></td><td>速度制御モーター付き(BX5120A-Aオリエンタルモーター製)、鉄ゴムベルト(100-F20-800A-J NOK製)、</td></tr><tr><td>印刷用テープ</td><td>A-one</td><td>F20A4-6</td><td></td></tr><tr><td>Photographic texture</td><td>Shutterstock, Inc.</td><td>231357754</td><td>マイクロ回路付きプリントコンピュータマザーボード、クローズアップ</td></tr><tr><td>端子台</td><td>インターフェース</td><td>TNS-6851B</td><td></td></tr><tr><td>CoaXPress ボード</td><td>AVALDATA</td><td>APX-3664</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>mathworks</td><td>MATLAB R2015a</td><td></td></tr></tbody></table>

プリエンファシス技術を用いた比例積分微分制御におけるガルバノメータミラーの正弦波をスキャンするためのゲイン補償方法論

Gain-compensation Methodology for a Sinusoidal Scan of a Galvanometer Mirror in Proportional-Integral-Differential Control Using Pre-emphasis Techniques

ガルバノミラーは、それらの高い速度と精度のようなターゲット追跡、図面、及び走査制御等の光学用途に使用されます。しかし、ガルバノミラーの応答性は、その慣性によって制限されています。制御パスが急である場合したがって、ガルバノミラーの利得が低減されます。本研究では、比例積分微分（PID）制御を使用して追跡する正弦波経路でガルバノミラーのゲイン低下を補償するために、プリエンファシス技術を用いて対応する周波数を拡張する方法を提案します。プリエンファシス技術は、予め所望の出力値の入力値を取得します。 PIDコントローラを使用して追跡する正弦波経路用のガルバノミラー、各周波数におけるガルバノミラーの原利得及び振幅を制御するためにこの方法を適用することを計算しました。 PID制御が有効でない場合、0デシベルの利得を維持することがすることが可能であり、軌道追従の精度を向上させるため0デシベルの利得は、PID制御パラメータを調整することなく得ることができる速度範囲を広げます。唯一つの周波数が存在する場合には、増幅は、単一のプリエンファシス係数を有することが可能です。したがって、正弦波、三角形やのこぎり波とは異なり、この技術に適しています。そこで、私たちは事前にパラメータを設定するには、プリエンファシス技術を採用することができ、我々は追加の活性制御モデルとハードウェアを用意する必要はありません。プリエンファシス係数が設定された後にパラメータがあるため、開ループの次のサイクル内で即座に更新されます。換言すれば、ブラックボックスのようにコントローラを考えるためには、我々は、入力 - 出力比を知る必要があり、その詳細なモデリングが必要とされません。このシンプルさは、我々のシステムは、アプリケーションに容易に埋め込むことを可能にします。動きぼけ補正システム及び方法を評価するために行った実験のためのプリエンファシス技術を用いて、我々の方法が説明されています。

ここに示された結果は、AD / DAボードとカメラを使用して得られました。 図1は、プリエンファシス技術の手順を示す図です。したがって、それは、この記事の核心です。初期化状態の後にPID制御のパラメータを設定する必要がありません。したがって、オンラインプロセスはかなり簡単です。 図10は、我々のシステムにプリエンファシス技術を適用することによって得られた結果を示しています。それぞれ図10（A）及び図10（B）に示すように、Y = Xとほぼすべての振幅プロットのほぼ全ての出力のプロットは、ライン上にあることが判明した直線y = 0デシベルです。 ...

我々は、プリエンファシス技術を用いて対応する周波数を拡張する方法を提案します。この方法は、比例積分微分制御を用いたトラッキング正弦波経路でガルバノミラーのゲイン低下を補償します。

Galvanometer mirrors are used for optical applications such as target tracking, drawing, and scanning control because of their high speed and accuracy. ...

本手順の全体的な目的は、正弦波パス追従における検流計ミラーのゲイン低下を補償する手法を実証することです。ここでは、モーションブラー補正に比例・積分・微分（PID）制御を用います。この手法は、光学工学の分野におけるターゲット追跡、スキャン制御、モーションブラー補正などの問題に適用することが可能です。この手法の主な利点は、あらかじめ設定されたパラメータと入力対出力比に基づいているため、追加のアクティブ輪郭モデルやハードウェアを必要としないことです。光学ベンチで実験を行い、ベンチに取り付けるための検流計ミラーを準備してください。振動中にミラーおよびその本体が動くのを防ぐため、ミラーは特製の治具に固定してください。治具とミラーを光学マウントに取り付けます。その後、光学ベンチにマウントを固定して次へ進みます。A/D D/Aボードを搭載したコンピュータでミラーを制御します。ボードからミラーまで、適切に接続されたケーブルを伸ばします。そこで、ケーブルをガルバノメータミラーの入力ソケットおよびポジションソケットに接続します。コンピュータ上で、正弦波関数発生器のグラフィカルユーザインタフェースを使用します。周波数（Frequency）と振幅（Amplitude）を変化させながら、複数回の試行を行うようにインタフェースをプログラムしてください。本実験では、周波数範囲にわたる外側ループを使用します。最小周波数を100 Hertzに設定します。最大周波数を500 Hertzに設定します。周波数を100 Hertz刻みで増加させます。内側のループは電圧振幅に対して行います。最小電圧には 10 millivolts を、最大電圧には 500 millivolts を使用してください。電圧を10 millivoltsずつ増加させます。正弦波パス信号の時間を2000 samplingsに設定してください。コンピュータでミラーを駆動させ、同時にその位置信号を記録して、角度を決定します。周波数ごと、および電圧振幅ごとに、データを個別のファイルに保存してください。すべてのデータの収集が完了したら、各周波数において、入力振幅の関数として出力振幅をプロットします。低周波数のデータは、高周波数のデータよりも、入力振幅に対する出力振幅が大きくなることに注意してください。これは、本手法で補正を行う周波数の関数としてのゲインの減少を示しています。プリエンファシス係数を求めるには、非線形挙動を除外し、プロットのほぼ線形な部分に注目してください。この実験では、鏡に映る動画像が必要です。これを実現するために、時速 30 kilometers per hour で移動可能なコンベアベルトを使用します。本実験の画像となる微細なテクスチャパターンは、テープに印刷してベルトに貼り付けてあります。次に、光学素子のセットアップに進みます。望遠レンズを装着したカメラを配置し、ガルバノメータミラーを使用してコンベアベルトの動きを追跡できるようにします。ガルバノメータミラーがプリエンファシスソフトウェアを搭載した制御コンピュータに接続されていることを確認してください。良好な画像を撮影するために、適切な光源でコンベアベルトを照らします。ベンチにて、コンピュータディスプレイに合わせてレンズの焦点を適切に設定します。次に、カメラのミラーと露光時間を同期させます。その後、想定される画像に合わせてカメラの設定を入力します。この画像は、トリガーソフトウェアで使用されるタイミングを示しています。青色の正弦波曲線は、時間に対するミラー角度を表しています。赤色の三角形関数は、時間に対するスキャンの理想的なミラー角度を表しています。角度が0度で正の角速度で移動している時に露光時間を中心に配置します。ここが2つの曲線の交点となります。ソフトウェアの設定を行い、カメラのトリガーを露光時間の半分だけ早く開始し、露光時間の半分だけ遅く終了するように設定します。プリエンファシス・ソフトウェアを使用して、コンベアベルトの速度をkm/hで入力します。次に、カメラからベルトまでの距離をmで入力してください。ソフトウェアが必要な角速度を算出します。次に、ミラーを駆動させる周波数を入力します。ソフトウェアが入力振幅を算出します。この振幅をプリエンファシス・ソフトウェアで使用してください。すべてのパラメータを入力したら、コンベアベルトに戻ります。ソフトウェアで設定した速度でベルトを動作させ、動画像を撮影します。制御ソフトウェアを起動し、カメラによる画像記録を開始してください。コントローラーは、画像のぼけを改善するためにガルバノメータミラーの慣性を補正します。プリエンファシス技術を適用する前は、入力信号に対する出力信号のプロットがこのようになっていました。技術適用後のプロットがこちらです。出力プロットのほとんどすべてがy=xの直線上にあります。同様に、プリエンファシス技術を適用する前は、入力信号の関数としての利得のプロットがこのようになっていました。本技術を適用した後は、振幅プロットのほぼすべてがy=0 dBの直線上に位置しています。これは、ベルトが静止している時にコンベアベルト上に配置された画像です。青い線は、右側に示されているプロファイルが抽出された箇所を示しています。こちらは、コンベアベルトが時速 30 kilometers per hour で移動しており、モーションブラー補正が有効になっていない時の同じ画像です。ここではモーションブラー補正が行われていますが、プリエンファシスは無効です。この最終バージョンでは、モーションブラー補正とプリエンファシス手法の両方が有効になっています。これは、他の2つのオプションに比べて大幅な改善を示しています。この手法を習得すれば、適切に実施することで1時間で完了させることができます。本手法の開発後、光学工学分野の研究者が高速スキャニングにおけるモーションブラー補正を探求する道が開かれました。

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プリエンファシス技術を用いた比例積分微分制御におけるガルバノメータミラーの正弦波をスキャンするためのゲイン補償方法論

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