Μελέτη συστήματος μέτρησης και ελέγχου κίνησης μικρομηχανικών στοιχείων από σύνθετα πολυμερή υλικά (IPMC)

Abstract

The doctoral thesis presents the development of novel techniques for the measurement of the characteristics and the capabilities of “smart materials” based on Ionic Polymer Metal Composites (IPMCs) when operating as actuator (that is when such a material moves (bends) due to a voltage applied to its sides. It includes the design of a camera based system for measuring micro-movements of the material, the analysis of the images by improved, fast algorithms for the calculations of the parameters of the movement, and the study of a real-time closed loop control system for the efficient control of the movements of the material. Two different control schemes have been studied in this research work, and the one that is based on a Model Reference Adaptive Control (MRAC) scheme is offering the better overall performance. The control scheme has been designed and tested for IPMC actuators (strips, 2-3cm long) operating in underwater conditions where this particular type of materials has a greater interest due to potential applications. The implementation of a closed loop system aiming to control the movement of the IPMC strip requires the accurate measurement of the instantaneous location (position) of the strip. Towards achieving this requirement, a camera based system for visual measurement of the instantaneous position was design and implemented. Key parameters of the system are measurement resolution and speed (frame rate & processing time). The experimental value of the spatial resolution of this measurement system is about 0.1mm for an image of 400X200pixels. Identification of the position of the IPMC strip edge from the camera images is achieved by developing prototype improved algorithms for locating the exact position of the moving micromechanical element. Improvement of the processing time is achieved by parallel processing and by the use of the CUDA technology. The technique for locating the position of the moving material, which includes the processing of each image, identification of the field of interest, other characteristics of capturing each frame (size, frame-rate, etc) has to be implemented fast and accurately (at the shortest possible time duration and with the highest possible accuracy). A novel (prototype) method and been implemented for the localization of the position of the material based on the use of the “small areas” approach which presents an improvement in the processing time from 1.8ms to 0.1ms, while a second method also developed within this work (based on the use of the “grid” approach) offers an improvement in the processing time from 2.2ms to 0.15ms for images with analysis of 400X200pixels. The localization accuracy is estimated to have an error of about 87μm with a very high rate of successful identifications of locations (98%). Such characteristics of the overall performance are significantly improved in comparison to the international literature in the field, and certainly satisfy the required specifications for real-time underwater applications which is the expected field of applications for this type of materials.

Η διδακτορική διατριβή αφορά στην ανάπτυξη τεχνικών μέτρησης των χαρακτηριστικών και των δυνατοτήτων του ‘έξυπνου υλικού’ IPMC (Ionic Polymer Metal Composite) όταν λειτουργεί ως ενεργοποιητής (actuator) δηλαδή όταν κινείται (κάμπτεται) κάτω από την επίδραση διαφοράς δυναμικού στα άκρα του. Περιλαμβάνει το σχεδιασμό του συστήματος μέτρησης μικρομετακινήσεων του IPMC με κάμερα, την ανάλυση των εικόνων μέσω βελτιωμένων και γρήγορων αλγόριθμων υπολογισμού των παραμέτρων κίνησης του, και τη βασική μελέτη συστήματος ελέγχου κλειστού βρόγχου πραγματικού χρόνου για αποδοτικό έλεγχο της κίνησης του. Στην διατριβή υλοποιήθηκαν δύο συστήματα ελέγχου, εκ των οποίων εκείνο που χρησιμοποιεί Προσαρμοστικό Έλεγχο με Μοντέλο Αναφοράς (MRAC – Model Reference Adaptive Control) παρουσιάζει καλύτερη απόδοση. Ο έλεγχος σχεδιάστηκε για μικρού μήκους ενεργοποιητές IPMC (της τάξης των 2-3cm) που λειτουργούν μέσα στο νερό, όπου το υλικό παρουσιάζει μεγαλύτερο ενδιαφέρον πιθανών εφαρμογών. Η υλοποίηση ενός συστήματος ελέγχου κλειστού βρόγχου της κίνησης του υλικού απαιτεί τον ακριβή εντοπισμό της θέσης του. Για αυτό το λόγο σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε σύστημα μέτρησης της στιγμιαίας θέσης με κάμερα ικανοποιητικής ανάλυσης και ικανοποιητικού ρυθμού λήψης εικόνων. Για διαστάσεις εικόνας 400x200 pixels η διακριτική ικανότητα του συστήματος βρέθηκε πειραματικά ίση με 0.1mm. Ο εντοπισμός της θέσης του IPMC με ικανοποιητική ακρίβεια από τις εικόνες της κάμερας, οδήγησε στην ανάπτυξη πρωτότυπων και βελτιωμένων αλγορίθμων για την εύρεση της θέσης του κινούμενου μικρομηχανικού στοιχείου. Η βελτίωση του χρόνου εκτέλεσης πραγματοποιήθηκε με χρήση παράλληλης επεξεργασίας και χρήση της τεχνολογίας CUDA. Η τεχνική εύρεσης της θέσης του υλικού, η οποία περιέχει την επεξεργασία κάθε εικόνας, προσδιορισμό οπτικού πεδίου, χαρακτηριστικά της λήψης κάθε εικονοσειράς (μέγεθος, ρυθμό λήψης, κ.α.), πρέπει να υλοποιηθεί και ολοκληρωθεί στον μικρότερο χρόνο και με υψηλή ακρίβεια. Υλοποιήθηκε μια πρωτότυπη μέθοδος εντοπισμού της θέσης με χρήση μικρών περιοχών η οποία παρουσιάζει βελτίωση χρόνου επεξεργασίας από 1.8ms σε 0.1ms, ενώ μια δεύτερη μέθοδος που αναπτύχθηκε με χρήση πλέγματος παρουσιάζει βελτίωση χρόνου από 2.2ms σε 0.15ms για εικόνες με ανάλυση 400x200 pixels. Η ακρίβεια εντοπισμού βρέθηκε πειραματικά με σφάλμα θέσης περίπου 87μm και υψηλό ποσοστό επιτυχημένων ευρέσεων (98%). Οι επιδόσεις αυτές είναι πολύ βελτιωμένες σε σχέση με τη διεθνή βιβλιογραφία, και απολύτως ικανοποιητικές για εφαρμογές πραγματικού χρόνου σε υποβρύχιο περιβάλλον (κάτω από το νερό) όπου είναι και το αναμενόμενο πεδίο εφαρμογής των υλικών αυτών.