Modelowanie deformacji miękkich płetw trzepoczących przy użyciu planarnego obrazowania fluorescencyjnego indukowanego laserem

Możliwość nieinwazyjnego pomiaru deformacji miękkich płetw robotycznych jest ważna, ponieważ możemy lepiej informować o projektowaniu i sterowaniu statecznikami pojazdów podwodnych oraz weryfikować modele obliczeniowe. Możemy zmienić przeznaczenie istniejącego narzędzia w zakresie dynamiki płynów, zwanego fluorescencją indukowaną laserem planistycznym, i rozszerzyć je na ciała stałe, które następnie można by wykorzystać do jednoczesnych pomiarów ciał stałych i płynów. Metodę tę można uogólnić na miękkie systemy i materiały zrobotyzowane.

Możemy wykorzystać tę technikę nie tylko do walidacji oddziaływań struktury płynu, ale także do badania elastycznych materiałów do czujników i zastosowań medycznych. Zacznij od zaprojektowania i zbudowania niestandardowej, wydrukowanej w 3D błyszczącej formy w kształcie płetwy. Przygotuj konfigurację eksperymentalną, montując pulsacyjny system laserowy na prostokątnym szklanym zbiorniku na wodę, aby wygenerować arkusz świetlny strugarki przecinający zbiornik w jego płaszczyźnie środkowej pod częstotliwością 30 Hz.

Zainstaluj czteromegapikselowe urządzenie sprzężone z ładowaniem lub kamerę CCD z 35-milimetrowym obiektywem i długoprzepustowym filtrem fluorescencyjnym o długości 516 nanometrów. Po instalacji należy przeprowadzić kalibrację konwersji mikrometru na piksele, wykonując pojedynczy obraz z kamery CCD za pomocą linijki umieszczonej w płaszczyźnie arkusza laserowego. Następnie wybierz dwie pozycje w aparacie i podziel odległość w mikrometrach, oddzielając piksele.

Upewnij się, że stosunek mikrometrów do pikseli jest wystarczająco mały lub mieści się w zakresie submilimetrowym dla danego zastosowania. Synchronizuj impulsy laserowe i obrazy z kamery z trzepoczącą płetwą, korzystając z wyjść wyzwalających z oprogramowania płetwy oraz sygnałów z generatora opóźniającego i powiązanego oprogramowania. Upewnij się, że wszystkie zabezpieczenia laserowe są zgodne z wytycznymi instytucjonalnymi.

Aby ustawić system laserowy, włącz system laserowy za pomocą przycisku zasilania, który uruchamia agregat chłodniczy w celu schłodzenia głowic laserowych. Kontrolki usterek, dopóki system nie będzie gotowy do zasilania laserów. Ustaw źródło wyzwalania na lampę zewnętrzną, zewnętrzny przełącznik Q.

W przypadku obu głowic laserowych ustaw energię lasera na 60 do 80% pełnej mocy i naciśnij każdy przycisk przełącznika Q. Następnie włącz lasery, naciskając przycisk zasilania. Następnie podłącz zasilające do aparatu i upewnij się, że połączenia z komputerem są prawidłowo podłączone przed otwarciem oprogramowania do ustawiania aparatu i wybraniem odpowiedniego portu.

Po włączeniu generatora opóźnienia podłącz zewnętrzny kanał bramki do wyzwalacza żeberkowego, kanał E do kamery, a kanały A do D do lasera. Następnie otwórz oprogramowanie generatora opóźnienia, aby wybrać tryb impulsu do serii i rozdzielczość systemu do czterech nanosekund. Ustaw okres w sekundach.

Dostosuj tryb zewnętrznego spustu/bramy do wyzwolonego, próg na 0.20 V i krawędź spustu jako rosnącą. Ustaw również kanały zgodnie z opisem w skrypcie. Wyrównaj płetwę tak, aby arkusz laserowy przechodził przez jedną sekcję płetwy w pozycji względem rozpiętości, a następnie zabezpiecz platformę płetwy za pomocą elementów montażowych.

Podłącz zasilanie do osprzętu sterującego płetwami i silników płetwowych, aby rozpocząć trzepotanie płetw z wybraną kinematyką i wyłącz wszystkie światła otoczenia. W oprogramowaniu generatora opóźnień naciśnij uruchom, aby rozpocząć zsynchronizowane eksperymenty i uzyskać obrazy przecięcia arkusza laserowego z płetwą przez cały cykl skoku. Obserwuj trzepotanie płetw w zbiorniku przy włączonym arkuszu laserowym i wyłączonych światłach otoczenia.

Po zakończeniu naciśnij stop przed odłączeniem płetwy od źródła zasilania. Przesuń platformę żeber, tak aby arkusz lasera przecinał się w nowej pozycji przęsła. Zastąp płetwę dodatkowymi żądanymi membranami żeber i przeprowadź eksperymenty, jak pokazano wcześniej, aby uzyskać obrazy dla żądanej liczby pomiarów.

Przeanalizuj obraz, wyodrębniając wszystkie białe obiekty reprezentujące przekroje poprzeczne żeber z obszaru czarno-białego, obraz binarny filt dot M i wyświetlając obraz z kropką M. Następnie utwórz ślad granicy binarnego obrazu dla każdego obrazu, aby uzyskać kształt 2D, zaznaczając wszystkie piksele żeber, które stykają się z czarnymi pikselami tła. Porównaj wynikowe kształty żeber z interakcją 3D struktury płynów lub modelami FSI wygenerowanymi na podstawie linii środkowych, aby pokazać, w jaki sposób proces może być wykorzystany jako walidacja o wysokiej wierności. Zaprogramowana kinematyka żeber dała amplitudę skoku 43 stopnie i amplitudę skoku 17 stopni.

Ilustracja ilustruje porównania w dwóch pozycjach skoku. Jeden w środku suwu w górę i jeden w środku suwu w dół. Ponadto porównano deformacje kształtu PDMS 10 do jednego i PDMS 20 do jednej płetwy.

Kształty płetw 3D zostały zrekonstruowane na podstawie fluorescencji indukowanej laserem strugarki, FSI i sztywnych kopert w połowie skoku w górę, demonstrując zdolność obecnej techniki do zapewnienia wysokiej dokładności walidacji symulacji FSI. W eksperymencie przekrój poprzeczny żeber nie był widoczny na każdym kroku ze względu na nieprzezroczysty sztywny dźwigar. Obraz przedstawia wynik, w którym płetwa nie była widoczna.

Najważniejszą rzeczą do zapamiętania jest przetestowanie synchronizacji komponentów przed przeprowadzeniem pełnych eksperymentów. Po ustawieniu czasu najpierw wykonaj uruchomienie testowe.