Методическая статья

Gain-компенсация Методика синусоидального сканирования гальванометра Зеркало в пропорционально-интегрально-дифференциального контроля с использованием предыскажений методов

DOI:

10.3791/55431

⸱

4 апреля 2017 г.

 ,  ,  , 
1Department of Creative Informatics, University of Tokyo, 2Hitachi Industry & Control Solutions, Ltd.

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Предложен способ продлить соответствующую частоту с использованием метода предыскажений. Этот метод компенсирует снижение усиления гальванометра зеркала в пути синусоидальной отслеживании с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального управления.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Гальванометр зеркало используется для оптических применений, таких как сопровождение цели, чертеж, а также контроль сканирования из-за их высокую скорость и точности. Тем не менее, отзывчивость гальванометра зеркала ограничена его инерции; следовательно, коэффициент усиления гальванометра зеркала уменьшается, когда путь управления крутой. В этом исследовании, мы предлагаем способ продлить соответствующую частоту с использованием метода предыскажений, чтобы компенсировать уменьшение усиления гальванометра зеркал в пути синусоидальной отслеживания с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования (ПИД). Метод предыскажений получает входное значение для требуемого значения выходного заранее. Применяя этот метод, чтобы контролировать гальванометра зеркало, необработанный усиление гальванометра зеркала в каждой частоты и амплитуды для пути синусоидальной отслеживания с использованием ПИД-регулятора был рассчитан. Если ПИД-регулирование не является эффективным, поддерживая коэффициент усиления 0 дБ для повышения точности отслеживания траектории, можнорасширить диапазон скоростей, в котором коэффициент усиления 0 дБ может быть получен без настройки параметров ПИД-регулирования. Однако, если существует только одна частота, возможно усиление с одним коэффициентом предыскажений. Следовательно, синусоидальная волна подходит для этой техники, в отличие от треугольной и пилообразной волны. Таким образом, мы можем принять метод предыскажений для настройки параметров заранее, и нам не нужно подготовить дополнительные активные модели управления и аппаратное обеспечение. Параметры обновляются немедленно в течение следующего цикла из-за открытого цикла после того, как коэффициенты предыскажений установлены. Другими словами, рассматривать контроллер как черный ящик, нам нужно знать только соотношение вход-к-вывода, а также детальное моделирование не требуется. Эта простота позволяет нашей системе быть легко встроена в приложениях. Наш метод с использованием методы предыскажений для системы компенсации движения размытости и эксперимента, проведенный для оценки методы объяснены.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Различные оптические приводы и способы управления , подходящие для различных оптических применений были предложены и разработаны 1, 2. Эти оптические приводы способны контролировать оптический путь; гальванометра зеркало особенно предлагает хороший баланс с точкой зрения точности, скорости, мобильности, и стоимостью 3, 4, 5. На самом деле, преимущество предлагаемых скорости и точности гальванометра зеркал привело к реализации различных оптических применений, таких как сопровождение цели и графики, контроль сканирования и движения-размытости компенсации 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12. Однако, в нашем предыдущем движении размытости compensatiв системе, гальванометр зеркало с использованием пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) контроллер предусмотрен небольшой выигрыш; следовательно, это было трудно достичь более высокой частоты и более высокой скорости 11.

С другой стороны, ПИД - регулирование является широко используемым методом, так как он удовлетворяет определенный уровень точности слежения 13. Разнообразие методов было предложено скорректировать коэффициент усиления в ПИД-регулирования. В качестве типичного решения, настройка параметров ПИД-управление осуществляется вручную. Тем не менее, это требует времени и специальных навыков для поддержания. Более сложный метод, функция автоматической настройки для автоматического определения параметров, был предложен и широко используется 14. Точность отслеживания для высокоскоростных операций улучшена с помощью функции автоматической настройки, когда значение коэффициента усиления пропорционального Р увеличивается. Тем не менее, это также увеличивает время конвергенции и шум в диапазоне низких скоростей. Следовательно, нет, точность слежения нетт обязательно улучшилось. Хотя контроллер самонастройки может быть настроен, чтобы установить подходящие параметры для ПИД-регулирования, настройка вводит задержку из-за необходимости получения подходящих параметров; поэтому трудно принять этот метод в приложениях реального времени 15. Расширенный ПИД - регулятор 16, 17 и расширенный интеллектуальный контроллер 18 были предложены , чтобы расширить общий ПИД - регулирование , и для повышения эффективности отслеживания гальванометра зеркал для различных отслеживания путей, таких как треугольные волны, пилообразные волны и волны синуса. Тем не менее, в тех системах, система гальванометра рассматривается как черный ящик, в то время требовалась модель системы управления, а система управления не рассматривается как черный ящик. Следовательно, эти методы требуют, чтобы их модель для каждого гальванометра зеркала обновляется. Кроме того, хотя Mnerie и соавт. подтверждено их метод Focusing на детальной выходной волны и фазы, их исследование не включали ослабление всей волны. В самом деле, в нашем предыдущем исследовании 11, выигрыш значительно уменьшается , когда частота синусоидального была высока, что указывает на необходимость для компенсации коэффициента усиления всей волны.

В этом исследовании, наша процедура компенсации усиления с ПИД - регулятором 12 основана на технике предыскажений 19, 20, 21 -a метода для повышения качества или скорости передачи в связи инженерно-который позволяет создавать экспериментальную систему с использованием Существующее оборудование. На рисунке 1 показана структура потока. Метод предыскажений могут получить заранее, требуемое значение выходного сигнала от входного значения, где ПИД-регулирование не является эффективным, даже если зеркало гальванометраи его контроллер рассматриваются как черные ящики. Это дает им возможность расширить частоту и амплитуду диапазона, в котором коэффициент усиления 0 дБ может быть получен без настройки параметров ПИД-регулирования.

Когда усиление усиливается, характеристики отклика гальванометра зеркало, как правило отличаются на различных частотах, и, следовательно, нам нужно усилить каждую частоту с коэффициентами усиления. Таким образом, синусоидальная волна подходит для техники предыскажений, поскольку существует только одна частота в каждой синусоидальной волне. В этом исследовании, потому что мы используем компенсацию усиления для достижения компенсации движения размытости, сигнал управления ограничиваются сканированием синусоидальной волны и сигнал синусоидальной волны представляет собой одну частоту, в отличии от других волн, таких как треугольные и пилообразных волны. Кроме того, входной сигнал в гальванометра зеркало немедленно обновляется в течение следующего цикла из-за открытого цикла после того, как предыскажений коэффициенты установлены. Другими словами, нам нужно тO знать только соотношение ввода-вывода к-расценить контроллер как черный ящик, и детальное моделирование не требуется. Эта простота позволяет нашей системе быть легко встроена в приложениях.

Общая цель этого способа заключается в создании экспериментальной процедуры компенсации движения размытости в качестве приложения пути компенсации коэффициента усиления с использованием методы предыскажений. Несколько аппаратные устройства используются в этих процедурах, таких, как зеркало гальванометра, камера, конвейерной ленты, освещение, и линза. Центральное программное обеспечение пользователь разработаны программа, написанная на C ++ также является составной частью системы. На рисунке 2 показана схема экспериментальной установки. Гальванометра зеркало вращается с коэффициентом усиления с компенсацией угловой скоростью, тем самым делая возможным оценить степень размытия от изображений.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Приобретение Gain данные для гальванометра Зеркала

  1. Закрепить зеркало гальванометра таким образом, что она стабилизирована, чтобы защитить его от повреждений при колеблющихся. Не только гальванометр зеркало, но и тело гальванометра зеркала, двигается, если не фиксируется на месте с помощью заказного металла джига с круглым отверстием для гальванометра зеркала. Закрепить приспособление на оптический носитель и оптической скамье.
  2. Подключение кабелей BNC от AD / DA платы через клеммную колодку к входным и положения гнезд в сервопривод гальванометра зеркала.
  3. Программа синусоидальный генератор функций в качестве графического пользовательского интерфейса (GUI) с помощью SDK из AD / DA платы с C ++, который способен установить произвольную частоту, амплитуду и длительность, как показано на рисунке 3.
    Примечание: Эта функция настроен генератор способствует отрезаниям временной стоимости для непрерывных испытаний на стадии 1.5, так как испытание проводится много раз.
    4. >
  4. Установка частоты изменяется от 100 Гц до 500 Гц в 100 Гц-интервалов, а также установить амплитуду, чтобы варьировать от 10 мВ до 500 мВ в 10-мВ интервалами в GUI. В целом, существует 250 комбинаций. Для проверки 250 комбинаций, двойной цикл является эффективным для реализации. Первый контур предназначен для частот от 100 Гц до 500 Гц, которая реализуется в 50 раз. Второй контур для амплитуд от 10 мВ до 500 мВ, который реализуется в течение 50 раз.
  5. Добавьте сигнал пути синусоидального в AD / DA плату за 2000 выборки, как продолжительность в графическом интерфейсе. Одновременно запись положения сигнала гальванометра зеркала читать аналоговое значение AD / DA платы. В C ++ кодирования с использованием библиотеки AD / DA платы, использует один и тот же поток для записи и чтение в программировании. Вычислить текущий угол гальванометра зеркала Q (запись информации) это уравнение
    figure-protocol-1
    где т время,ES / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg»/> амплитуда, ƒ по частоте.
  6. Сохраните данные сигнала положения в виде файла .csv и включают в себя значение частоты и амплитуды в имя файла.
  7. Повторите шаги 1,4 - 1,6 на 250 итераций.

2. Расчет получить предыскажений коэффициентов

  1. Применяют медианный фильтр для файлов CSV (записанные сигналы), чтобы избежать влияния помех. Пространственный размер медианного фильтра составляет 5.
  2. Выполните сценарий для вычисления значения пика до пика (соответствующий с амплитудой , умноженной на 2), с использованием MATLAB для каждого из CSV файлов, как показано на рисунке 4 (график представляет данные пути синусоидальной волны).
  3. Участок данных от пика до пика на графике для определения линейности на каждой частоте, а также ограничить область использования амплитуды входного сигнала , если участки имеют нелинейный характер , как показано на рисунке 5.
    Примечание: Нелинейная часть графика представляет насыщениеПИД-регулятор; следовательно, желательно избегать их использования, чтобы обеспечить ограничение спецификации управления.
  4. Выполнение линейной регрессии для данных пика до пика в электронной таблице для получения линейных коэффициентов интерполяции каждой частоты. В этом процессе, пяти наборов склонов и перехватывает получены. Они соответствуют с частотами от 100 Гц до 500 Гц на каждые 100 Гц. Приближение прямой линии 300 Гц отображается на рисунке 5 (А), а линейные коэффициенты интерполяции каждой частоты приведены в таблице 1.
  5. Используя квадратичную множественную линейную регрессию, выполнить квартик интерполяции для получения квартика коэффициентов интерполяции (коэффициенты предыскажений) в электронной таблице для линейных коэффициентов интерполяции каждой частоты. Коэффициенты предыскажений приведены в таблице 2.
    Примечание: В этом исследовании, линейные коэффициенты интерполяции различаются по форме quadratiс кривой; Однако, другие типы функций, таких как квадратичные и кубические уравнения, применяются, если ошибка минимальна.

3. Интернет Усиление сигнала на основе предыскажений техники

  1. Выполнить программу, которая вычисляет обновленное значение входной амплитуды figure-protocol-2 от идеального входного значения амплитуды figure-protocol-3 и частота ƒ с использованием коэффициентов предыскажений.
    1. Сохранить коэффициенты предыскажений, как постоянные значения в программе C ++. Когда устройство обновлено, также обновляется эти постоянные значения.
    2. Программирование функции
      figure-protocol-4
      в программе C ++ и получить линейные коэффициенты интерполяции. Подставим их для I, B I, C I, д я,и E I из уравнения и таблицы 2.
    3. Программирование функции
      figure-protocol-5
      в C ++ программного обеспечения и получить обновленное значение входной амплитуды figure-protocol-6 заменить figure-protocol-7 и линейные коэффициенты интерполяции, которые были получены на этапе 3.1.2.
  2. Повторите шаги 1.4 - 1.6 для произвольных раз с figure-protocol-8 с использованием метода предыскажений в GUI.NOTE: Для того, чтобы избежать насыщения области ПИД-регулирования, устанавливается на 400 мВ до 200 Гц, 200 мВ до 300 Гц, 100 мВ до 400 Гц и 50 мВ до 500 Гц.
  3. Повторите шаг 2.2 и участок от пика до пика данные в виде графика, чтобы просмотреть улучшение коэффициента усиления.

4. Эксперимент по Motion размытости COMPEnsation

  1. Подготовьте ленточный конвейер, который может двигаться со скоростью 30 км / ч с помощью ремня, который может прилипать к липким текстурам. На заказ конвейерная лента состоит с управления скоростью двигателя, с резиновой лентой железа, и так далее. Он может быть заменен на готовой конвейерной ленте, которая может контролировать скорость.
  2. Печать рисунка тонкой текстуры на печатную ленту и вставить его на конвейер.
    Примечание: наклеены текстуры показана на рисунке 6. Полосы программируются с использованием библиотеки «ofxPDF» в openFrameworks и фотографическое изображение от роялти компании.
  3. Настройка оптических устройств , таких как камера, объектив, и освещенности, как показано на рисунке 2. Поместите гальванометр зеркало в передней части объектива, который соединен с камерой, и поместите подсветку для освещения конвейерной ленты.
    1. Установите частоту камеры до 333 Гц, время экспозиции до 1 мс, а число пикселей на 848 * 960 (ширина * высота).
  4. Синхронизация вращения синхронизации гальванометра зеркала и времени экспозиции камеры. В программном обеспечении, когда угол гальванометра зеркала достигает положения, где начать экспозицию, программа отправляет триггер программного обеспечения в камеру. Выбор времени запуска программного обеспечения показан на рисунке 7.
  5. Входная скорость конвейерной ленты V T (30 км / ч) и расстояние от камеры до конвейерной ленты L (3,0 м) , чтобы рассчитать необходимую угловую скорость р от гальванометра зеркала в графическом интерфейсе пользователя , как на рисунке 8. ω г вычисляется следующим образом :
    figure-protocol-9
  6. Введите частоту ƒ (330,0 Гц) в графическом интерфейсе пользователя , как на рисунке 8 , чтобы вычислить первоначальную амплитуду входного figure-protocol-10 , подсчитыватьУравнение 3" SRC = "/ файлы / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg" /> следующим образом:
    figure-protocol-11
  7. Скопировать и вставить figure-protocol-12 в исходный код, и вращать гальванометр с предыскажений управления значением & thetas для водителя гальванометра сервопривода следующим образом:
    figure-protocol-13
    где т время. На фиг.7 показано , как θ вычисляется из A.
  8. Запись изображения , когда конвейер движется V T (30 км / ч).
    Примечание: На рисунке 9 показано движение конвейерной ленты.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Результаты, представленные здесь, были получены с использованием AD / DA платы и камеры. На рисунке 1 показана процедура метода предыскажений; Таким образом, она является основой этой статьи. Нет необходимости, чтобы установить параметры управления PID после инициализации состояния; следовательно, процесс онлайн значительно прост.

На фиг.10 показаны результаты , полученные с применением техник...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В данной статье представлена ​​процедура, способной расширить диапазон частот синусоидальных для достижения высокой точности траектории слежения с ПИД-регулированием. Так как отзывчивость гальванометра зеркала ограничена его инерция, очень важно использовать зеркало гальванометра, когда путь управления крутой. Однако, в этом исследовании, мы предлагаем метод для улучшения спецификации управления, а затем доказать, метод путем получения экспериментальных результатов.

В нашей процедуре, шаг 2....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не имеют никаких подтверждений.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Гальванометрическое зеркалоCambridge TechnologyM3s X axis
Изготовленный на заказ металлический кондукторASKK-Скруглым отверстием для гальванометрического зеркала
Оптический носительSIGMAKOKICAA-60L
Оптический стендSIGMAKOKIOBT-1500LH
ОсциллографTektronixMSO 4054
AD/DA платаИнтерфейсPCI-361216
ПКDELLPrecision T3600
Гальванометр Сервоконтроллер зеркалаCambridgeTechnology Minisax
LensNikonAF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II 
Высокоскоростная камераMikrotronEosens MC4083Снята с производства, но продается как MC4087. Кабельное соединение отличается от MC4083
Конвейерная лентаASUKA-С мотором управления скоростью (BX5120A-A производства Oriental Motor), железной резиновой лентой (100-F20-800A-J made by NOK) и т.д
Печатная лентаA-oneF20A4-6
Фотографическая текстураShutterstock, Inc.231357754Печатная компьютерная материнская плата с микросхемой, крупным планом
Интерфейсклеммной колодкиTNS-6851B
CoaXPress платаAVALDATAAPX-3664
MATLABmathworksMATLAB R2015a
.

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bass, M. Handbook Of Optics. 3, 2nd ed, (1995).
  2. Marshall, G. F., Stutz, G. E. Handbook of optical and laser scanning. , CRC Press. (2011).
  3. Aylward, R. P. Advanced galvanometer-based optical scanner design. Sensor Rev. 23 (3), 216-222 (2003).
  4. Duma, V., Rolland, J. P., Group, O., Vlaicu, A., Ave, R. Advancements on galvanometer scanners for high-end applications. Proc SPIE. 8936, Cm 1-12 (2014).
  5. Duma, V. -F., Lee, K., Meemon, P., Rolland, J. P. Experimental investigations of the scanning functions of galvanometer-based scanners with applications in OCT. Appl Opt. 50 (29), 5735-5749 (2011).
  6. Wang, C., Shumyatsky, P., Zeng, F., Zevallos, M., Alfano, R. R. Computer-controlled optical scanning tile microscope. Appl opt. 45 (6), 1148-1152 (2006).
  7. Jofre, M., et al. Fast beam steering with full polarization control using a galvanometric optical scanner and polarization controller. Opt Exp. 20 (11), 12247-12260 (2012).
  8. Liu, X., Cobb, M. J., Li, X. Rapid scanning all-reflective optical delay line for real-time optical coherence tomography. Opt lett. 29 (1), 80-82 (2004).
  9. Li, Y. Laser beam scanning by rotary mirrors. II. Conic-section scan patterns. Appl opt. 34 (28), 6417-6430 (1995).
  10. Duma, V. I. L., Tankam, P. A., Huang, J. I., Won, J. U., Rolland, J. A. P. Optimization of galvanometer scanning for optical coherence tomography. Appl opt. 54 (17), 5495-5507 (2015).
  11. Hayakawa, T., Watanabe, T., Ishikawa, M. Real-time high-speed motion blur compensation system based on back-and-forth motion control of galvanometer mirror. Opt Exp. 23 (25), 31648-31661 (2015).
  12. Hayakawa, T., Watanabe, T., Senoo, T., Masatoshi, I. Gain-compensated sinusoidal scanning of a galvanometer mirror in proportional-integral- differential control using the pre-emphasis technique for motion-blur compensation. Appl opt. 55 (21), 5640-5646 (2016).
  13. Visioli, R. Practical PID Control. , Springer-Verlag London. London. (2006).
  14. Vilanova, R., Visioli, A. PID Control in the Third Millennium. , Springer-Verlag London. London. (2012).
  15. Ortega, R., Kelly, R. PID Self-Tuners: Some Theoretical and Practical Aspects. IEEE Transa Ind Electron. 31 (4), 332-338 (1984).
  16. Mnerie, C., Preitl, S., Duma, V. -F. Mathematical model of a galvanometer-based scanner: simulations and experiments. Proc SPIE. 8789, 878915(2013).
  17. Mnerie, C. A., Preitl, S., Duma, V. Performance Enhancement of Galvanometer Scanners Using Extended Control Structures. 8th IEEE International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics. , 127-130 (2014).
  18. Mnerie, C., Preitl, S., Duma, V. -F. Control architectures of galvanometer-based scanners for an increased precision and a faster response. Proc of SPIE. 8925, 892500(2014).
  19. Farjad-rad, R., Member, S., Yang, C. K., Horowitz, M. A., Lee, T. H. A 0.4- m CMOS 10-Gb/s 4-PAM Pre-Emphasis Serial Link Transmitter. IEEE J Solid-State Circuits. 34 (5), 580-585 (1999).
  20. Buckwalter, J. F., Meghelli, M., Friedman, D. J., Hajimiri, A. Phase and amplitude pre-emphasis techniques for low-power serial links. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 41 (6), 1391-1398 (2006).
  21. Le, S., Blow, K., Turitsyn, S. Power pre-emphasis for suppression of FWM in coherent optical OFDM transmission. Opt exp. 22 (6), 7238-7248 (2014).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Pre emphasis TechniquePID ControlSine wave TrackingMotion Blur CompensationOptical EngineeringFrequency ResponseInput output RatioConveyor Belt Tracking

Похожие статьи