CN110888360A - 一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制*** - Google Patents

一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，包括支座平台，视觉传感测量装置，安装在支座平台上端的磁流体液滴运动控制平台，所述视觉传感测量装置包括高分辨率摄像头和PC机，所述高分辨率摄像头安装在磁流体液滴运动控制平台的上方，所述磁流体液滴运动控制平台包括超疏水玻璃片，设置在所述超疏水玻璃片下方、支座平台内部的磁铁阵列平台，所述磁铁阵列平台通过数据线与PC机连接，所述磁铁阵列平台包括由圆盘电磁铁构成的磁铁阵列、磁铁阵列驱动电路以及控制电路。本发明能够控制多个磁流体液滴同时运动，可在平面上实现磁流体液滴融合和分离运动控制。

Description

一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***
技术领域
本发明涉及磁流体控制技术领域，特别是涉及一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***。
背景技术
磁流体是把纳米数量级(10纳米左右)的磁性粒子包裹一层长链的表面活性剂，均匀的分散在基液中形成的一种均匀稳定的胶体溶液。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性。磁流体作为一种新型纳米功能材料，已经在磁靶向给药，磁性液体细胞内热疗，基因治疗等生物医学领域有了广泛应用。针对于磁流体液滴精准运动位置控制，现阶段需要具有功能齐全，可视化程度高的实验***。根据相关资料，国内外现有对磁流体液滴运动控制有很大的发展，但仍存在以下不足：
(1)现有对单个或多个磁流体液滴独立控制的研究较少。
(2)现有的实验设备较为简单，运动精度较差，难以实现精确运动控制。
(3)现有操纵磁流体液滴的操纵方法方式比较不够灵活，且控制范围较小。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，以克服现有技术中对磁流体运动控制设备中运动精度较差，操纵方式不够灵活，以及控制范围较小的缺陷。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，包括：
支座平台，视觉传感测量装置，安装在支座平台上端的磁流体液滴运动控制平台，所述视觉传感测量装置包括高分辨率摄像头和PC机，所述高分辨率摄像头安装在磁流体液滴运动控制平台的上方，所述磁流体液滴运动控制平台包括超疏水玻璃片，设置在所述超疏水玻璃片下方、支座平台内部的磁铁阵列平台，所述磁铁阵列平台通过数据线与PC机连接，所述磁铁阵列平台包括由圆盘电磁铁构成的磁铁阵列、磁铁阵列驱动电路以及控制电路；所述磁铁阵列驱动电路以及控制电路通过磁铁阵列的行和列的电源通断进而控制每一个电磁铁的工作状态；所述PC机装有上位机软件，所述上位机软件处理摄像头传回的图像并且通过模板匹配获得液滴位置信息，接收处理指令信息并发送到磁铁阵列驱动电路以及控制电路；磁流体液滴单次运动的距离为两个圆盘电磁铁之间的圆心距，磁流体液滴投影面积为一个圆盘电磁铁横截面积大小。
优选的，所述支座平台的下部设置调平机构，以调平所述磁流体液滴运动控制平台。
优选的，所述超疏水玻璃片面积为144*144，厚度范围在0.1-1mm之间，其表面经过疏水处理，磁流体液滴接触角在其表面达到超疏水临界状态。
优选的，所述磁铁阵列由数量为256，直径为8mm的圆盘电磁铁按16*16的行列排布而组成。
优选的，所述圆盘电磁铁额定电压为24V。
优选的，所述高分辨率摄像头所采集区域为整个玻璃板平面面积144*144mm，取像素点数目为256，最小像素点大小为8*8mm。
进一步的，还包括手柄，采用无线通信与PC机连接，具有十字方向按钮和ABXY键，十字方向按钮控制磁流体液滴运动方向，ABXY按键分别用于控制液滴特定的工作模式。
优选的，所述磁铁阵列驱动电路中磁铁驱动器为固态继电器，所述控制电路中的控制器为Cotex-M3内核的单片机。
进一步的，为模块化设计，可通过各个模块间的互相连接以及通讯，实现磁铁阵列数量的增加扩展，并通过软件实现扩展的阵列间的协同控制。
本发明能使得磁流体液滴在超疏水的状态下，在外部磁场的作用下进行运动，在视觉伺服***下能够实时反馈磁流体液滴运动位置，并根据位置做出相应的运动方向控制，实现精准控制磁流体液滴的运动的效果。
另外，本发明可以通过使用游戏手柄向磁铁阵列控制平台发出运动方向控制指令，磁铁阵列控制平台控制磁流体液滴的运动，同时视觉传感测量装置定位出磁流体液滴的位置，视觉传感测量装置检测到磁流体液滴位置发生变化，实时更新读取手柄控制指令，使磁流体运动达到连续流动性控制效果，并能准确控制液滴到达指定位置
附图说明
图1是基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制系的统整体结构的轴测图；
图2是基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***的整体结构的左视图；
图3是基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***的整体结构的俯视图；
图4是基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***的磁流体液滴运动控制平台的示意图；
图5是基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***的磁铁阵列驱动电路及控制电路板的示意图；
图6本发明的观测面像素分布示意图；
图中：1—视觉传感测量装置；2—磁流体液滴运动控制平台；3—支座平台。
101—高分辨率摄像头；102—调节旋钮；103—支撑杆；104—紧固螺丝；105—超疏水玻璃片；106—调平结构；
201—支撑台；202—磁铁阵列；203—磁铁阵列驱动电路；204—磁铁阵列控制电路；
301—固态继电器；302—控制器；303—电源接口；304—USB通信接口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，包括：
支座平台3，视觉传感测量装置1，安装在支座平台上端的磁流体液滴运动控制平台2，所述视觉传感测量装置包括高分辨率摄像头101和PC机(未示出)，所述高分辨率摄像头安装在磁流体液滴运动控制平台2的上方，所述磁流体液滴运动控制平台2包括支撑台210，超疏水玻璃片105，设置在所述超疏水玻璃片105下方、支座平台3内部的磁铁阵列平台，磁铁阵列平台安装在支撑台201上，所述磁铁阵列平台通过数据线(未示出)与PC机(未示出)连接，所述磁铁阵列平台包括由圆盘电磁铁构成的磁铁阵列202、磁铁阵列驱动电路203，以及磁铁阵列控制电路204；所述磁铁阵列驱动电路以及磁铁阵列控制电路通过磁铁阵列的行和列的电源通断进而控制每一个电磁铁的工作状态；所述PC机装有上位机软件，所述上位机软件处理摄像头传回的图像并且通过模板匹配获得液滴位置信息，接收处理指令信息并发送到磁铁阵列驱动电路以及控制电路；磁流体液滴单次运动的距离为两个圆盘电磁铁之间的圆心距，磁流体液滴投影面积为一个圆盘电磁铁横截面积大小。
使用时，高分辨率摄像头首先对所要检测的平面进行拍摄获取图像，截取静止状态下的磁流体液滴的图像作为模板。模板选择完成后开始图像检测，通过模板匹配的图像处理方法与所拍摄图像区域中的磁流体液滴位置进行匹配，当匹配程度超过80％时，则认为查找到当前视野平面上的磁流体液滴，然后在图像中定位出当前磁流体液滴所在位置，获取当前磁流体液滴所在位置。
具体的，所述的高分辨率摄像头101安装在支撑杆103上，支撑杆103通过紧固螺丝104固定在支撑平台一侧面所固定的安装套管上，高分辨率摄像头101固定在支撑杆103上，通过调节旋钮102能调节高低位置。
优选的，所述支座平台的下部设置调平机构106，以调平所述磁流体液滴运动控制平台，调平机构可以是调平螺栓等机构，具体不限。
优选的，所述的超疏水玻璃片105面积为144*144，厚度范围在0.1-1mm之间，其表面经过疏水处理，磁流体液滴接触角在其表面达到超疏水临界状态。
优选的，所述的磁铁阵列202由数量为256，直径为8mm的圆盘电磁铁按16*16的行列排布而组成，并且优选的，所述圆盘电磁铁额定电压为24V。
优选的，所述的高分辨率摄像头101所采集区域为整个玻璃板平面面积144*144mm，取像素点数目为256，最小像素点大小为8*8mm。
进一步的，还包括手柄(未示出)，采用无线通信与PC机连接，具有十字方向按钮和ABXY键，十字方向按钮控制磁流体液滴运动方向，ABXY按键分别用于控制液滴特定的工作模式。手柄与PC机通过无线设备进行连接，高分辨率摄像头与PC机通过数据线连接，PC机与磁铁阵列平台通过数据线进行连接。
优选的，所述的磁铁阵列驱动电路中磁铁驱动器为固态继电器301，所述磁铁阵列控制电路中的控制器302为Cotex-M3内核的单片机，使用串口通信方式与PC机进行通信，接收PC机发送的控制指令，进而控制单片机端口高低电平的输出，控制驱动电路的继电器的工作。
本发明中，设置有电源接口303，电源接口采用24V直流电源供电。设置有通信接口304，通信接口通过数据线与PC机进行通信。
需要说明的是，本发明为模块化设计，可通过各个模块间的互相连接以及通讯，实现磁铁阵列数量的增加扩展，并通过软件实现扩展的阵列间的协同控制。具体的是指所述支座平台3内部的磁铁阵列平台为模块化结构，能实现扩展连接，扩展连接后能实现各个模块间的互相连接与通讯，并通过软件实现扩展的阵列间的协同控制，以满足各种不同工况的需要。
使用时，首先，将磁铁阵列平台通过底座的调平结构进行调平，保持超疏水玻璃片所在平面水平。在超疏水玻璃片平面上添加磁流体液滴。调节高分辨率摄像头支撑结构至摄像头完全摄入玻璃片平面。
其次，***初始化，高分辨率摄像头开始采集图像信息发送至PC机，PC机读取图像信息并截取磁流体液滴图像作为图像匹配模板，选取模板后进入模板匹配工作模式，此时开始通过模板匹配在平面中找出磁流体液滴的位置。
然后，PC机读取手柄是否发送运动控制指令。手柄发送运动控制指令后，PC机处理手柄发送的信息后发送至磁铁阵列控制平台，磁铁阵列平台控制磁流体液滴所在平面像素点位置附近的电磁铁工作，如果控制磁流体液滴向右运动，则控制磁流体液滴右边的电磁铁打开，则建立新的磁场，磁流体液滴在磁场的作用向右移动。摄像头读取磁流体液滴位置，若磁流体液滴所在位置发生一个像素点位置的变化，则PC机再次读取手柄的运控控制指令，PC机处理手柄发送的信息后发送至磁铁阵列控制平台，磁铁阵列控制平台控制磁流体液滴运动，如此循环执行。
最后，当手柄不再发送控制信息时，磁流体停止运动。
本发明***可以使用手柄控制液滴运动，利用摄像头进行图像采集并实现对液滴位置信息的反馈，当液滴实际位置发生变化时，自动读取手柄控制指令信息，调整液滴运动方向，直至手柄操纵液滴准确到达指定位置。
由于液滴运动本身需要时间，而指令发出的时间可以很快，因此仅靠手柄控制液滴，使液滴到达指定位置是困难的。通过图像检测反馈位置信息，当液滴的位置信息发生变化后再次读取控制指令就能够及时有效地更新微流体液滴的运行方向状态，从而调整液滴运动方向。
本发明***能够控制液滴各向运动，并且设置有特定运动路径的工作模式，可自动控制液滴在特定路径下运动。
本发明***能够控制多个磁流体液滴的同时运动，可以在平面上实现磁流体液滴的融合和分离运动控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，其特征在于，包括:
支座平台，视觉传感测量装置，安装在支座平台上端的磁流体液滴运动控制平台，所述视觉传感测量装置包括高分辨率摄像头和PC机，所述高分辨率摄像头安装在磁流体液滴运动控制平台的上方，所述磁流体液滴运动控制平台包括超疏水玻璃片，设置在所述超疏水玻璃片下方、支座平台内部的磁铁阵列平台，所述磁铁阵列平台通过数据线与PC机连接，所述磁铁阵列平台包括由圆盘电磁铁构成的磁铁阵列、磁铁阵列驱动电路以及控制电路；所述磁铁阵列驱动电路以及控制电路通过磁铁阵列的行和列的电源通断进而控制每一个电磁铁的工作状态；所述PC机装有上位机软件，所述上位机软件处理摄像头传回的图像并且通过模板匹配获得液滴位置信息，接收处理指令信息并发送到磁铁阵列驱动电路以及控制电路；磁流体液滴单次运动的距离为两个圆盘电磁铁之间的圆心距，磁流体液滴投影面积为一个圆盘电磁铁横截面积大小。
2.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，其特征在于，所述支座平台的下部设置调平机构，以调平所述磁流体液滴运动控制平台。
3.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，其特征在于，所述超疏水玻璃片面积为144*144，厚度范围在0.1-1mm之间，其表面经过疏水处理，磁流体液滴接触角在其表面达到超疏水临界状态。
4.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，其特征在于，所述磁铁阵列由数量为256，直径为8mm的圆盘电磁铁按16*16的行列排布而组成。
5.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，其特征在于，所述圆盘电磁铁额定电压为24V。
6.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，其特征在于，所述高分辨率摄像头所采集区域为整个玻璃板平面面积144*144mm，取像素点数目为256，最小像素点大小为8*8mm。
7.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，其特征在于，还包括手柄，采用无线通信与PC机连接，具有十字方向按钮和ABXY键，十字方向按钮控制磁流体液滴运动方向，ABXY按键分别用于控制液滴特定的工作模式。
8.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，其特征在于，所述磁铁阵列驱动电路中磁铁驱动器为固态继电器，所述控制电路中的控制器为Cotex-M3内核的单片机。
9.根据权利要求1所述基于视觉伺服的磁流体液滴运动控制***，其特征在于，为模块化设计，可通过各个模块间的互相连接以及通讯，实现磁铁阵列数量的增加扩展，并通过软件实现扩展的阵列间的协同控制。
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