Méthode de mesure de paramètres de mouvement à plusieurs degrés de liberté basée sur des réseaux de diffraction de couplage croisé de polydiméthylsiloxane

Contexte

Les paramètres de mouvement à plusieurs degrés de liberté peuvent fournir des informations précises sur l'emplacement et l'attitude d'une cible spécifique, qui ont été largement utilisées pour les grandes structures dans des applications telles que le contrôle de la stabilité de l'attitude de l'avion, la stabilité de visée des systèmes de sonde de canon, le bras robotique mouvement, l'alignement de pièces de précision et le positionnement de pièces pour le traitement industriel [1,2,3].

Par conséquent, des méthodes de détection de haute précision ont été utilisées pour détecter des informations à plusieurs degrés de liberté (par exemple, la rectitude, le pas et l'angle de déviation) sur les cibles, et ces méthodes nécessitaient des capteurs haute performance, y compris la caractéristique de détection à grande vitesse , synchronisation, haute précision de mesure, et en temps réel. Ces méthodes ont été largement utilisées dans l'aérospatiale, les véhicules aériens sans pilote, la fabrication de précision et les applications d'alignement optique [4,5,6].

La méthode de mesure précise en temps réel et le découplage des informations dynamiques de mouvement multi-degrés de liberté ont été les éléments clés pour déterminer la stabilité d'attitude du porteur. Hsieh [7] a proposé un réseau de détection tridimensionnel qui utilisait trois groupes de modules pour détecter les différents degrés de liberté, dans lesquels différents modules de détection étaient utilisés pour mesurer les différentes informations de position et un algorithme était utilisé pour calculer les valeurs angulaires et multiples. informations sur les degrés de liberté. Liu [8] a présenté une méthode de mesure des paramètres de mouvement à plusieurs degrés de liberté basée sur le changement de l'angle relatif entre deux réseaux d'assemblage pour effectuer les mesures d'information. Cependant, l'approche ci-dessus était sujette aux erreurs d'assemblage de deux éléments de détection ou plus et à la complexité des calculs de couplage, et sa précision dépend également du système d'instruments de haute précision.

Avec le développement de la technologie de fabrication micro-nano, de la nanotechnologie et des nanomatériaux, les chercheurs ont étudié les méthodes de détection de paramètres de mouvement à plusieurs degrés de liberté basées sur la mise en œuvre d'une puce unique, du point de vue de la miniaturisation et de l'application à faible coût dans le domaines des nanomatériaux, des matériaux optiques et des nanodispositifs. Tana [9] a rapporté un algorithme de détection de paramètres de mouvement à plusieurs degrés de liberté avec un faisceau non diffractant basé sur une structure de prisme miniaturisée portable, qui pourrait minimiser les erreurs de mesure. Notre équipe a présenté une méthode de jauge de contrainte vectorielle basée sur un élément de détection unique qui peut être appliqué aux mesures de contrainte vectorielle de surface à l'aide de capteurs mécaniques multi-axes intégrés et a fourni la base de la recherche dans cet article [8, 10].

Dans ce travail, une méthode de déplacement vectoriel et de mesure d'angle à plusieurs degrés de liberté a été démontrée sur la base d'un seul élément ; cet élément a été fabriqué à l'aide de la technologie de traitement par plasma d'oxygène pour former une structure de réseau optique à gradient orthogonal des deux côtés d'un substrat de polydiméthylsiloxane (PDMS) qui a été pré-cintré en une forme d'ellipse. Ces réseaux optiques croisés peuvent provoquer la diffraction d'un faisceau laser d'entrée en un réseau de points à deux dimensions. Les informations de localisation du point de diffraction peuvent être utilisées pour obtenir l'angle du faisceau incident calculé par l'algorithme de localisation en temps réel. Sur la base de cette méthode et d'un dispositif à couplage de charge (CCD) de 480 × 640 pixels, les résolutions de mesure du déplacement et de l'angle de déviation étaient respectivement de 0,18 μm et 0,0075 rad. De plus, un CCD à pixels plus élevés peut améliorer la résolution de mesure du déplacement et de l'angle de déviation à des niveaux inférieurs au nanomètre et micro-radian, respectivement. Enfin, la position dynamique d'un giravion en vol stationnaire a été suivie en temps réel à l'aide de la méthode proposée; les informations acquises peuvent être utilisées pour corriger la position de l'engin et cela s'avère une nouvelle méthode de stabilisation des aéronefs dans le ciel.

Expérimental

Préparation du polydiméthylsiloxane (PDMS)

Le PDMS (Sylgard 184) a été acheté chez Dow Corning. Des membranes PDMS (10:1) ont été préparées par revêtement par centrifugation sur des plaquettes de silicium et ont été durcies immédiatement après la centrifugation à des températures inférieures à 80 °C pendant 2 h. Des substrats en PDMS d'une épaisseur de 600 μm ont été préparés en contrôlant la vitesse de rotation.

Préparation du double réseau orthogonal

Selon les exigences expérimentales, les films PDMS ont été préparés avec une surface de 3 × 3 cm ² . Les films PDMS ont ensuite été précontraints par rapport à l'original de 1,5 fois dans la direction X à l'aide d'une platine de traduction maison. SiO froissé _x des couches ont ensuite été formées sur le O₂ substrat PDMS précontraint traité au plasma (IoN Wave 10, PVA-TePla, Allemagne) dans des conditions de débit d'oxygène de 30 sccm et de temps d'oxydation de 40 s. Des structures de nano-réseaux uniformes et ordonnées ont été formées à la surface du substrat PDMS après relâchement de la précontrainte. Comme le montre la figure 1a, ce processus a été répété de l'autre côté du substrat PDMS avec une différence angulaire de 90°, pour former les structures de réseau orthogonales des deux côtés du substrat PDMS.

Processus de fabrication et caractérisations morphologiques du double réseau optique PDMS. un Fabrication de doubles réseaux optiques. b Les images optiques du réseau. c Image de microscopie à force atomique du réseau. d L'homogénéité de périodicité des échantillons

Construire une plateforme de test

Le système de capteur d'angle de déplacement à quatre degrés de liberté a été construit et comprend une source de lumière laser, un ensemble de plate-forme d'angle et de déplacement, un porte-échantillon, un écran, une caméra CCD et un ordinateur. Comme le montre la figure 2a, une source de lumière laser He-Ne (longueur d'onde laser 680 nm) a été installée dans l'ensemble de plate-forme d'angle et de déplacement qui se composait d'une plate-forme rotative électrique et d'un cadre de réglage tridimensionnel manuel (Beijing Zolix Instrument Co., Ltd .). La plate-forme a une précision de rotation de 0,1° et une précision de déplacement de 2 μm. Ce réseau optique croisé peut provoquer la diffraction du faisceau laser en un réseau de points à deux dimensions. Une caméra complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) avec 480 × 640 pixels a été utilisée pour acquérir une image du réseau de points bidimensionnel en temps réel à l'aide des algorithmes de traitement d'image MATLAB, qui a été utilisé pour extraire chaque emplacement de point de diffraction, puis calculer le x- et y -les déplacements des axes et les informations d'angle. Une plate-forme d'essai sous la forme d'un avion à quatre rotors (Typhoon Q500, Yuneec Electric Aviation) a été fournie. Et des informations sur les quatre degrés de liberté ont été acquises pour obtenir l'attitude de vol stationnaire à l'intérieur.

Le principe et le système de test du paramètre de mouvement MODF. un Diagramme système. b Installation du système. c Principe de test du déplacement et de l'angle

Analyse et discussion

Caractérisation du réseau PDMS orthogonal

Le processus de fabrication a été montré comme dans la Fig. 1a. La modification de surface hydrophile du PDMS a utilisé la technologie du plasma d'oxygène. Un SiO _x couche et des groupes hydrophiles (par exemple, -OH) ont ainsi été formés sur les substrats de PDMS pré-courbés par le plasma d'oxygène. Lorsque la précontrainte dans le substrat de PDMS dépasse une valeur critique, des structures de réseau se sont formées à la surface du PDMS après relaxation de la précontrainte [11, 12]. La périodicité des réseaux a été obtenue en ajustant les conditions de pré-cintrage et de plasma appliquées et peut être calculée dans nos travaux précédents. Comme le montre la figure 1c, les topographies des micro-/nanogrillages ont été caractérisées par microscopie à force atomique (AFM) (CSPM5500 ; Benyuan Co.). Comme le montrent les figures 1b, d, 10 zones ont été sélectionnées le long de la ligne centrale d'un côté de l'échantillon pour étudier la périodicité et l'uniformité des structures de réseau. La périodicité correspondante des réseaux de 10 zones était uniforme et avait une période de (2 ± 0,05) m sur toute la surface de l'échantillon.

Réseau de diffraction pour la caractérisation des paramètres de mouvement de position et d'angle

Le faisceau laser traverse l'échantillon (avec le réseau) pour se diffracter dans une matrice de points lumineux, selon la théorie de la diffraction de Fraunhofer [13]. La position du point de diffraction était directement liée à la position et à l'angle du faisceau incident, et ainsi les informations de position du faisceau incident peuvent être détectées par les informations de localisation des points de diffraction.

La figure 2 montre la plate-forme mobile et rotative pour suivre le positionnement et les points de diffraction correspondants du faisceau incident. Selon la théorie de la diffraction de Fraunhofer, lorsque le réseau de diffraction et la distance de l'écran sont fixes, la relation entre le faisceau incident, le faisceau diffracté et la longueur d'onde peut être exprimée comme suit :

Ici, λ était la longueur d'onde du faisceau incident, d était la période de la grille, α était l'angle d'incidence, φ était l'angle de diffraction, et m était l'ordre de diffraction du réseau.

Lorsque l'angle d'incidence α n'était pas égal à 0, « + » indique alors que le faisceau de diffraction et le faisceau incident sont répartis du même côté de la normale du réseau, tandis que « - » indique que le faisceau de diffraction et le faisceau incident existent des deux côtés de la normale. À un angle d'incidence spécifique, les distances entre le premier ordre des points de diffraction et l'ordre zéro des points de diffraction n'étaient pas égales sur l'écran. Par conséquent, la distance entre les points peut changer avec l'angle d'incidence. L'angle du faisceau incident peut être calculé quantitativement par le calcul de la position du spot lumineux de diffraction. Simultanément, la localisation mobile du faisceau incident provoque un déplacement du point de diffraction d'ordre zéro. Les informations de position du faisceau incident peuvent être calculées par les informations de localisation de l'ordre zéro du point du faisceau de diffraction.

La figure 2c montre une seule direction du diagramme de diffraction du réseau, où x ₀ était le premier ordre de taches de diffraction, et x ₁ et \( {x}_1^{\hbox{'}} \) indiquent le deuxième ordre des taches de diffraction. D'après la figure 2c, s et s ’ étaient la distance entre le premier et le deuxième ordre des taches de diffraction qui étaient exprimées comme suit :

De l'éq. (1) :

À partir de ce qui précède, le modèle de corrélation entre l'angle d'incidence du faisceau et l'espacement des taches de diffraction peut être obtenu comme suit :

Détection et caractérisation des paramètres de mouvement multi-degrés de liberté basées sur des réseaux de diffraction orthogonale

Le faisceau laser qui traverse un réseau optique unidirectionnel peut former les points de diffraction uniques. L'orientation orthogonale peut être formée lorsque le faisceau laser traverse les réseaux orthogonaux sur les deux côtés du substrat PDMS. Un faisceau de diffraction de réseau unidimensionnel sera formé lorsqu'un faisceau lumineux est transmis le long de la direction du réseau sur un côté de l'écran et que les dimensions ont été définies dans le x -axe. Un faisceau de diffraction à réseau unidimensionnel a ensuite été formé orthogonalement au x -axe lorsqu'un faisceau lumineux passe le long de la direction de la grille de l'autre côté de l'écran et la dimension a ensuite été définie dans le y -axe. Un réseau de points de diffraction bidimensionnel a été formé sur l'écran, comme le montre la figure 3b.

Le paramètre de mouvement MODF dépend du déplacement des points de diffraction. un Des points de diffraction unidimensionnels ont été générés par le réseau unidirectionnel. b Un réseau de points à deux dimensions a été généré par le réseau optique à double croix. c Le déplacement du réseau ponctuel était contrôlé par le déplacement de la source laser. d L'écart se déplaçant entre le réseau de points a été contrôlé comme l'angle d'incidence du faisceau laser

Lorsque la position d'un faisceau laser a été modifiée, l'ordre zéro de la position du spot lumineux de diffraction affichera un mouvement correspondant et la position du bitmap de diffraction changera en conséquence en fonction de la théorie de la diffraction de Fraunhofer. La position du faisceau incident peut être directement calculée en fonction de la direction du mouvement du réseau, puis détectée les informations de position de réalisation du faisceau lumineux le long du x- et y -axe. Comme le montre la figure 3c, le premier ordre de la position du point de diffraction ne peut pas calculer avec précision le déplacement de la lumière en raison des effets de couplage du déplacement et de la déviation. De plus, l'ordre zéro de l'emplacement du point de diffraction n'était lié qu'à l'emplacement de la source. Par conséquent, il serait plus précis d'utiliser l'ordre zéro du déplacement du point de diffraction pour calculer la position de la source lumineuse. Comme le montre la figure 3d, les informations sur l'angle de déviation des faisceaux lumineux incidents le long du x -axis et le y -L'axe peut être calculé par la distance entre le point lumineux sur le x -axis et le y -axe basé sur le modèle lié entre l'angle et le changement de la tache.

Cependant, la limitation à la raison du déplacement des taches de diffraction dépend de l'angle d'incidence et de la distance entre le réseau et l'écran basé sur l'Eq. (1). Dans nos travaux, la grille était fixée avec l'écran, ce qui signifie que la variation de distance entre la grille et l'écran était nulle. Il n'y avait pas de déplacement des points de diffraction lorsque la source laser se déplaçait le long du z -axe. De même, lorsque la source laser tournait le long du z -axe, la variation de l'angle d'incidence était nulle, ce qui entraînerait un non-déplacement des taches de diffraction.

Dans nos expériences, le changement d'angle (Δθ _x ) le long du x -axis peut être calculé en termes d'espacement des colonnes (s _x ,\( {s}_x^{\hbox{'}} \)) des taches de diffraction, et le changement d'angle (∆θ _y ) le long du y -axis peut être calculé en fonction des espacements des colonnes (s _y ,\( {s}_y^{\prime } \)) des taches de diffraction. La plate-forme du portefeuille a été ajustée pour changer l'emplacement de la source lumineuse, puis les images de la caméra ont été acquises par le logiciel MATLAB toutes les 0,02 s pour extraire la position des spots de diffraction à des fins de comparaison avec les valeurs précédentes, qui ont été utilisées pour calculer les déplacements du réseau de spots sur le x -axis et le y -axis et les changements dans l'espacement des colonnes et l'espacement des lignes du tableau.

Sur la base de l'algorithme, le déplacement du réseau de points peut être analysé en manipulant l'image avant et après le mouvement pour calculer le ∆x ,∆y , θ _x , et ∆θ _y . Étant donné que le spot laser comprend plusieurs pixels dans l'image et que son énergie était conforme à la distribution gaussienne, la méthode d'ajustement de la distribution gaussienne a été utilisée pour supprimer le bruit de fond de l'image afin d'extraire avec précision l'emplacement central du spot laser. La fonction gaussienne du spot laser s'exprime comme suit :

Ici, Je (x , y ) était l'intensité du spot et H était l'amplitude, (x ₀ , y ₀ ) était les coordonnées du centre du point lumineux, et σ ₁ , σ ₂ étaient les écarts types sur le x -axis et le y -axis, respectivement.

Un logarithme peut être appliqué aux deux côtés de l'équation ci-dessus pour obtenir l'emplacement du centre du spot, qui peut être exprimé comme suit :

Ici, un , b , c , et d étaient les coefficients polynomiaux obtenus par ajustement gaussien de tous les pixels du spot.

Les changements de distance entre deux taches de diffraction ont été calculés par deux images avant et après le mouvement. Et le point central des points de diffraction a été défini comme le système de centres de coordonnées avant le mouvement :le déplacement absolu et les systèmes de coordonnées de déplacement relatif du point lumineux. Le système de coordonnées de déplacement absolu de la tache lumineuse de diffraction a pris un écran d'immobilité comme référence. Les informations de mouvement (Δx ,Δy ) du réseau dans les deux écrans peut être calculé par l'ordre zéro de la coordonnée du point de diffraction (c'est-à-dire la position centrale). Le système de coordonnées de déplacement relatif pour la tache lumineuse a pris l'ordre zéro de la tache de diffraction comme référence, qui peut être utilisé pour calculer les changements dans l'espacement spot-array (S _x ) et l'espacement des lignes (S _y ).

La figure 4 a montré la caractérisation des quatre degrés de liberté. Lorsque le faisceau laser tondait le long du x -axe, il y avait un mouvement correspondant du réseau de diffraction dans le x -axe, mais le déplacement était d'environ zéro dans le y -axe. La sensibilité du déplacement était d'environ 5,4 pixels/μm. Cette méthode peut être utilisée pour calculer les informations d'emplacement de la source lumineuse le long de l'axe avec une grande précision, comme le montre la figure 4a.

Caractérisation de quatre degrés de liberté. un Le déplacement de la source laser dépend du déplacement des taches de diffraction. b L'angle d'incidence de la source laser dépend de l'écart entre les points de diffraction

Lorsque le laser a tourné d'un petit angle le long du x -axe, il y avait un changement de distance correspondant de l'espacement des rangées du réseau de points de diffraction et l'espacement des colonnes du réseau de points était de zéro. La sensibilité du déplacement était d'environ 2,3 pixels par angle (/°). Pendant ce temps, la plage de mesure de l'angle était d'environ 9,8 ° en théorie calculée par les équations. (1)–(5) comme la distance s = 0. L'attribution au premier ordre des points de diffraction coïncide avec l'ordre zéro des points de diffraction en augmentant l'angle d'incidence, le changement de distance des points de diffraction serait de zéro (s = 0). Cette méthode peut être utilisée pour obtenir les informations d'angle de la source lumineuse le long du x -axe. Les informations sur l'emplacement et l'angle peuvent également être obtenues à l'aide de cette méthode.

La résolution de détection d'un pixel dépend de l'algorithme basé sur le logiciel MATLAB. Comme calculé ci-dessus, la méthode a une sensibilité au déplacement de 5,4 pixels/μm, ce qui signifie que la résolution était de 0,18 μm. Pour la sensibilité au déplacement de 2,3 pixels/° , c'était une résolution de 0,0075 rad. Cela montre que, sur la base de la méthode présentée ici et de la résolution CCD, les résolutions du déplacement et de l'angle étaient respectivement de 0,18 μm et 0,0075 rad. Le CCD de 480 × 640 pixels a été utilisé pour acquérir l'image du réseau de spots bidimensionnels en temps réel. De plus, un CCD de pixels plus élevés et l'optimisation du trajet lumineux pourraient améliorer les résolutions du déplacement et de l'angle de déviation jusqu'à des échelles sub-nanométrique et micro-radian, respectivement.

Caractérisation des informations sur les paramètres de mouvement du rotor d'avion en vol stationnaire

Un giravion était un type de système d'avion civil sans pilote avec une faible précision, qui était largement utilisé dans les domaines de l'aviation, des modèles réduits et de la navigation. Le contrôle de stabilité d'un giravion représente un microcosme d'une plate-forme de combat sans pilote. Pour réaliser un contrôle de vol de haute précision, l'aspect le plus important était le contrôle constant de l'assiette et de la position de l'avion. Et l'aspect central était le décodage de l'attitude de vol stationnaire de haute précision et des informations de position en temps réel, de sorte que les informations précises sur les paramètres de mouvement à quatre degrés de liberté sur le vol stationnaire deviennent un atout essentiel.

Dans notre expérience, basée sur un réseau de diffraction à couplage croisé, une méthode de mesure a été présentée pour obtenir les informations d'attitude à quatre degrés de liberté de vol d'avion en temps réel. Tout d'abord, un avion à quatre rotors a été utilisé pour remplacer la plate-forme, qui était composée de la position et de la posture d'un système d'essai à quatre degrés de liberté, qui était basé sur une double grille pour mettre en place les quatre degrés de liberté -système de test d'attitude de liberté pour les avions à quatre rotors. Dans le système de test, un petit pointeur laser a été fixé au centre d'un avion à quatre rotors comme source lumineuse et il fait briller les faisceaux laser verticalement vers le bas. Un échantillon avec le double réseau, un écran et une caméra tournent le long du centre de l'axe optique. Ce réseau optique croisé peut provoquer la diffraction du faisceau laser en un réseau de points à deux dimensions. Dans les expériences, la caméra a été utilisée pour acquérir l'image de l'écran et transmettre des images à l'ordinateur en temps réel pour calculer les informations de déplacement par le logiciel MATLAB.

Pour obtenir des mesures rapides, précises et en temps réel des signaux de vol, un avion à quatre rotors planait dans les airs et suivait rapidement le signal de posture maintenu pendant 4 s. Informations sur les déplacements axiaux le long du x -axis et le y -axe pour les avions à quatre rotors ont été obtenus en un temps de 4 s, comme le montre la figure 5c. Sur la base de l'établissement d'un système de coordonnées planaires (c'est-à-dire un x -axis et un y -axis), le x et y les valeurs sont converties en ces points de coordonnées. Les résultats de positionnement 200 en 4 s signifient un point acquis en 0,02 s. Cela représente l'utilisation de la méthode de suivi de l'avion toutes les 0,02 s en temps réel pour déterminer son emplacement et sa position. L'avion a un déplacement maximal de 2,1 mm dans le x -axe et déplacement maximum de 2,3 mm dans le y -axe, selon l'algorithme.

Caractérisations de l'attitude des embarcations à quatre rotors. un Diagramme système. b Configuration du système. c Angle de déviation des giravions. d Déplacement du giravion

De plus, les informations d'angle de tangage et d'angle de roulis pour l'avion ont été calculées par l'algorithme et la méthode de traitement de données ci-dessus. Comme le montre l'encadré de la figure 5d, le diagramme de points d'angle de rotation de l'avion à quatre rotors a fourni des informations d'angle précises pour l'avion en suivant en temps réel toutes les 0,02 s. Il a observé que l'avion a une déviation angulaire maximale de 1° dans le x -axe et le y- axe. Cette méthode peut ainsi calculer les informations sur les quatre degrés de liberté pour l'avion, ce qui peut renvoyer les signaux de position et d'angle précis au système de commandes de vol en moins de 0,02 s pour améliorer la stabilité de l'avion.

Conclusions

En résumé, une technologie simple de fabrication a été démontrée pour fabriquer la structure de réseau optique orthogonal avec une périodicité de 2 μm sur les deux côtés du substrat PDMS. Sur la base de la structure de réseau optique orthogonal, une méthode a été étudiée pour identifier la position du faisceau et des informations de paramètre de mouvement angulaire en utilisant les informations de position de spot lumineux de diffraction basées sur l'effet de diffraction Fraunhofer. Un capteur CCD de 480 × 640 pixels a été utilisé pour acquérir des images du réseau de spots bidimensionnels en temps réel. Les résultats montrent que, lors de l'utilisation de cette méthode et du CCD décrit ci-dessus, les résolutions du déplacement et de l'angle de déviation étaient respectivement de 0,18 μm et 0,0075 rad. De plus, avec le CCD à pixels plus élevés, les résolutions du déplacement et de l'angle de déviation peuvent s'améliorer jusqu'à des échelles inférieures au nanomètre et micro-radian, respectivement. Cette méthode peut être utilisée pour détecter des positions de vol stationnaire précises et des informations d'angle pour les avions à rotor en temps réel avec une grande précision toutes les 0,02 s. Les informations peuvent être renvoyées pour contrôler le système de vol des véhicules aériens sans pilote dans les airs. Cette méthode était simple, peu coûteuse et de haute précision et peut réaliser une surveillance en temps réel tout en fournissant une base de recherche pour un vol stable et un contrôle précis des aéronefs pour les plates-formes de combat sans pilote.