基于目標(biāo)跟蹤的IPMC測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范敏，于敏，李宏凱，尹國(guó)校

(南京航空航天大學(xué) a. 仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所; b. 航天學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(ionic polymer metal composite, IPMC)是一種離子型電致動(dòng)材料，通過(guò)在Nafion膜上下表面鍍上致密的金屬(如 Pt、Au)電極層制備而成。IPMC在較低的驅(qū)動(dòng)電壓作用下會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲變形，可用作驅(qū)動(dòng)器[1]。作為一種新型的智能驅(qū)動(dòng)器，IPMC具有驅(qū)動(dòng)電壓低、輸出位移大、質(zhì)量輕、無(wú)噪聲、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)[2]，在航空航天、仿生機(jī)器人、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。美國(guó) NASA[3]利用IPMC驅(qū)動(dòng)航天器內(nèi)相機(jī)鏡頭的除塵裝置；FENG 等[4]采用柱狀 IPMC 精確驅(qū)動(dòng)光纖，以用于顯微眼外科手術(shù)；CHEONG等[5]提出一種無(wú)線激活的IPMC，可用在藥物輸送裝置上；YEOM等[6]研制了一種基于彎曲IPMC的仿生水母機(jī)器人。

IPMC的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一般為正弦波或方波，信號(hào)幅值為1V～3V。在性能測(cè)試時(shí)常用末端位移來(lái)衡量IPMC變形量的大小，為避免檢測(cè)時(shí)影響IPMC的運(yùn)動(dòng)，常采用非接觸方式實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)。本文針對(duì)上述IPMC在測(cè)試和應(yīng)用時(shí)的需求，設(shè)計(jì)了一種IPMC測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)IPMC運(yùn)動(dòng)和實(shí)時(shí)顯示IPMC彎曲變形位移的功能。

1 測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)可分為控制系統(tǒng)和位移檢測(cè)系統(tǒng)，分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)IPMC控制信號(hào)發(fā)生及IPMC末端位移實(shí)時(shí)檢測(cè)兩大功能。 從組成上講，測(cè)控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分由IPMC控制電路板、工業(yè)相機(jī)(德國(guó)BASLER acA1300-200uc USB3.0相機(jī))和PC機(jī)組成，軟件部分主要包括上位機(jī)程序。檢測(cè)過(guò)程中，上位機(jī)與控制電路板間通過(guò)串口進(jìn)行通信，利用上位機(jī)程序控制電路板產(chǎn)生指定信號(hào)并施加給IPMC，驅(qū)動(dòng)IPMC運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)IPMC末端進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，實(shí)現(xiàn)IPMC位移的實(shí)時(shí)檢測(cè)。測(cè)控系統(tǒng)整體如圖1所示。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

IPMC的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一般為方波或正弦波，電壓幅值<5V，通常為1V～3V，頻率為0.1Hz～2Hz，電流為10mA～150mA[7]。基于上述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的需求，設(shè)計(jì)了IPMC控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由STM32F103RET6單片機(jī)控制模塊、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、差分放大模塊、按鍵模塊、LED指示燈模塊和串口通信模塊等組成，其原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

為了同時(shí)分別控制多片IPMC運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)可產(chǎn)生4通道獨(dú)立的模擬信號(hào)。系統(tǒng)使用STM32F103RET6單片機(jī)作為主控芯片，利用單片機(jī)內(nèi)部2個(gè)通道的DAC和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 MAX518的2個(gè)輸出通道共產(chǎn)生4通道的模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)由OPA551組成的差分比例運(yùn)算電路將單極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙極性信號(hào)，并將輸出電流放大至200mA，通過(guò)程序改變輸出信號(hào)的波形、頻率和幅值，產(chǎn)生可用于控制IPMC運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

1) D/A模塊

以MAX518的一個(gè)通道為例，對(duì)D/A模塊進(jìn)行介紹。MAX518是雙通道軌至軌輸出的2線串行8位DAC，采用I2C總線與STM32F103RET6進(jìn)行通信，其連接電路如圖3所示。向MAX518發(fā)送一個(gè)0～255的數(shù)據(jù)量，則MAX518的輸出電壓為：

(1)

式中：n為輸入的數(shù)字量；VREF為MAX518的參考電壓，為5V。

圖3 MAX518的連接電路

2) 運(yùn)算放大模塊

為了實(shí)現(xiàn)IPMC雙向擺動(dòng)，需給IPMC施加雙極性信號(hào)，并且IPMC需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，所以使用大電流輸出的運(yùn)放OPA551來(lái)構(gòu)成差分比例運(yùn)算電路。OPA551 是一種高電壓(60V)、大電流(200mA)、低成本的運(yùn)算放大器，非常適合負(fù)載驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部具有過(guò)熱和電流過(guò)載保護(hù)，保證了電路的可靠性。

差分比例運(yùn)算電路的連接示意圖如圖4所示。

圖4 差分比例運(yùn)算電路示意圖

由集成運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”特性可知，集成運(yùn)放的輸出電壓uo與同相輸入端電壓ui2和反相輸入端電壓ui1的關(guān)系為：

(2)

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，取R1=R2=10kΩ和Rf=R3=20kΩ時(shí)，則該差分放大電路的輸出信號(hào)為：

(3)

由式(3)可知，當(dāng)ui2輸入單極性正弦波信號(hào)的電壓范圍為0～3V、ui1輸入電壓為1.5V時(shí)，該差分放大電路輸出的雙極性正弦波信號(hào)的電壓范圍為-3V～3V，實(shí)現(xiàn)了將單極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙極性信號(hào)。

IPMC控制電路板實(shí)物如圖5所示，電路板總體尺寸為96mm×67mm。

圖5 電路板實(shí)物

2.3 軟件設(shè)計(jì)

1) 波形的產(chǎn)生

波形的輸出是利用單片機(jī)向D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端發(fā)送一系列有規(guī)律的數(shù)據(jù)量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的輸出波形。以正弦波為例，正弦信號(hào)的電壓值時(shí)刻都在變化，單片機(jī)須在一定的時(shí)間間隔下不斷地向D/A發(fā)送數(shù)據(jù)量。利用MATLAB編程，將正弦曲線按相同的時(shí)間間隔取點(diǎn)，形成正弦波表，將表內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，按固定的時(shí)間間隔發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)換器，即可輸出相應(yīng)的正弦波信號(hào)。

2) 頻率變化的實(shí)現(xiàn)

改變輸出信號(hào)的頻率可以改變IPMC往復(fù)擺動(dòng)的速度和位移。輸出信號(hào)的頻率由定時(shí)器中斷來(lái)控制，定時(shí)器的輸入時(shí)鐘頻率設(shè)置為fclk=72MHz。通過(guò)計(jì)算可得輸出正弦波的頻率fsin和定時(shí)器自動(dòng)重裝值TIM_Period、定時(shí)器時(shí)鐘分頻TIM_Prescaler以及1個(gè)周期的正弦波點(diǎn)數(shù)point的關(guān)系為：

(4)

3) 幅值變化的實(shí)現(xiàn)

改變輸出信號(hào)的幅值可以改變IPMC擺動(dòng)的位移。通過(guò)改變向D/A發(fā)送的波形數(shù)據(jù)量的值來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器OPA551的輸入電壓ui1和ui2，即可改變控制系統(tǒng)輸出信號(hào)的幅值。IPMC的控制電壓通常為5V以下，控制系統(tǒng)的輸出電壓可以滿足要求。

3 基于目標(biāo)跟蹤的實(shí)時(shí)位移檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 位移檢測(cè)原理

位移實(shí)時(shí)檢測(cè)是利用工業(yè)相機(jī)對(duì)IPMC運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行高速連續(xù)采樣，對(duì)IPMC末端進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，得到其實(shí)時(shí)位移。目標(biāo)跟蹤可采用均值漂移(MeanShift)算法實(shí)現(xiàn)[8]。該算法以目標(biāo)的顏色直方圖為特征，通過(guò)多次迭代均值向量使跟蹤結(jié)果逐漸收斂到目標(biāo)實(shí)際位置，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻流中目標(biāo)的快速跟蹤，并且對(duì)目標(biāo)的變形、旋轉(zhuǎn)及光照變化具有一定魯棒性，能夠很好地實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所需功能。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，位移檢測(cè)軟件系統(tǒng)應(yīng)包括以下模塊：

1) 串口通信模塊。用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制板間的數(shù)據(jù)傳輸。

2) 視覺(jué)采集模塊。用于控制工業(yè)相機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的IPMC進(jìn)行高速連續(xù)采樣并獲取圖像。

3) 目標(biāo)跟蹤模塊。用于實(shí)現(xiàn)對(duì)IPMC末端的跟蹤，獲取IPMC末端實(shí)時(shí)位移變化。

4) 數(shù)據(jù)可視化及保存模塊。用于顯示并保存位移檢測(cè)結(jié)果。

3.2 重要模塊的實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)在LabVIEW環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。針對(duì)本系統(tǒng)需求，系統(tǒng)中各模塊分別編寫為獨(dú)立的虛擬儀器(VI)，各模塊功能可通過(guò)調(diào)用內(nèi)置函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

視覺(jué)采集模塊需調(diào)用工業(yè)相機(jī)對(duì)IPMC進(jìn)行連續(xù)拍攝，該功能通過(guò)IMAQ Vision模塊實(shí)現(xiàn)。為方便測(cè)試結(jié)束后對(duì)IPMC運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行回顧，采集到的圖像可生成視頻文件并保存到本地硬盤，程序框圖如圖6所示。

圖6 視覺(jué)采集模塊程序框圖

目標(biāo)跟蹤模塊同樣通過(guò)調(diào)用IMAQ Vision模塊中相應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，在跟蹤前需對(duì)跟蹤目標(biāo)進(jìn)行框選，目標(biāo)跟蹤過(guò)程中可實(shí)時(shí)獲取并顯示目標(biāo)的位置，程序框圖如圖7所示。

圖7 目標(biāo)跟蹤模塊程序框圖

人機(jī)交互界面如圖8所示。圖8(a)為運(yùn)行過(guò)程界面，用于輸入程序運(yùn)行中必需的參數(shù)、選擇跟蹤目標(biāo)和顯示目標(biāo)的實(shí)時(shí)位移。測(cè)試結(jié)束后按下停止按鈕，程序自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到圖8(b)所示的數(shù)據(jù)顯示界面，用于顯示控制電路板輸出波形、IPMC末端擺動(dòng)軌跡及其在x、y方向位移變化。

圖8 人機(jī)交互界面

4 IPMC性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)所用IPMC大小為25mm×5mm，厚度為0.4mm，由于其厚度很小，直接對(duì)末端進(jìn)行目標(biāo)跟蹤容易丟失目標(biāo)，因此在IPMC末端粘貼2mm×2mm的方形紅色膠帶作為標(biāo)志物，標(biāo)志物的中心對(duì)準(zhǔn)IPMC的末端。

測(cè)試前框選標(biāo)志物作為跟蹤目標(biāo)，在輸出控制窗口中選擇輸出波形為幅值3V、頻率0.1Hz的正弦波，單擊開始按鈕，控制電路板輸出信號(hào)驅(qū)使IPMC運(yùn)動(dòng)，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)標(biāo)志物進(jìn)行跟蹤，以其中心初始位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為x軸正方向，豎直向下為y軸正方向，分別計(jì)算其在x、y方向的位移。測(cè)試結(jié)束后結(jié)果可在數(shù)據(jù)顯示界面進(jìn)行查看，圖9為測(cè)試過(guò)程中1個(gè)周期內(nèi)IPMC的部分實(shí)時(shí)位移截圖，圖中數(shù)字分別為x、y方向的位移。圖10為自動(dòng)保存的測(cè)試結(jié)果圖像。

圖9 IPMC實(shí)時(shí)位移顯示

圖10 測(cè)試結(jié)果圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于智能材料IPMC驅(qū)動(dòng)和測(cè)試的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于目標(biāo)跟蹤的IPMC測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)IPMC運(yùn)動(dòng)的大電流模擬信號(hào)，并且實(shí)時(shí)顯示IPMC末端的位移，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像和視頻可自動(dòng)保存。利用該系統(tǒng)進(jìn)行IPMC性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以很好地驅(qū)動(dòng)IPMC并顯示記錄其位移，驗(yàn)證了其可行性。