范敏，于敏，李宏凱，尹國校

(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

離子聚合物金屬復(fù)合材料(ionic polymer metal composite, IPMC)是一種離子型電致動材料，通過在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)動電壓作用下會產(chǎn)生較大的彎曲變形，可用作驅(qū)動器[1]。作為一種新型的智能驅(qū)動器，IPMC具有驅(qū)動電壓低、輸出位移大、質(zhì)量輕、無噪聲、柔韌性好等優(yōu)點[2]，在航空航天、仿生機(jī)器人、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。美國 NASA[3]利用IPMC驅(qū)動航天器內(nèi)相機(jī)鏡頭的除塵裝置；FENG 等[4]采用柱狀 IPMC 精確驅(qū)動光纖，以用于顯微眼外科手術(shù)；CHEONG等[5]提出一種無線激活的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)動信號一般為正弦波或方波，信號幅值為1V～3V。在性能測試時常用末端位移來衡量IPMC變形量的大小，為避免檢測時影響IPMC的運動，常采用非接觸方式實現(xiàn)位移檢測。本文針對上述IPMC在測試和應(yīng)用時的需求，設(shè)計了一種IPMC測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)驅(qū)動IPMC運動和實時顯示IPMC彎曲變形位移的功能。

1 測控系統(tǒng)總體設(shè)計

測控系統(tǒng)可分為控制系統(tǒng)和位移檢測系統(tǒng)，分別用來實現(xiàn)IPMC控制信號發(fā)生及IPMC末端位移實時檢測兩大功能。 從組成上講，測控系統(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。檢測過程中，上位機(jī)與控制電路板間通過串口進(jìn)行通信，利用上位機(jī)程序控制電路板產(chǎn)生指定信號并施加給IPMC，驅(qū)動IPMC運動，同時對IPMC末端進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，實現(xiàn)IPMC位移的實時檢測。測控系統(tǒng)整體如圖1所示。

圖1 測控系統(tǒng)示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體方案

IPMC的驅(qū)動信號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)動信號的需求，設(shè)計了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

為了同時分別控制多片IPMC運動，控制系統(tǒng)可產(chǎn)生4通道獨立的模擬信號。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個通道的DAC和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 MAX518的2個輸出通道共產(chǎn)生4通道的模擬信號，再經(jīng)過由OPA551組成的差分比例運算電路將單極性信號轉(zhuǎn)換為雙極性信號，并將輸出電流放大至200mA，通過程序改變輸出信號的波形、頻率和幅值，產(chǎn)生可用于控制IPMC運動的信號。

2.2 硬件設(shè)計

1) D/A模塊

以MAX518的一個通道為例，對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) 運算放大模塊

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

差分比例運算電路的連接示意圖如圖4所示。

圖4 差分比例運算電路示意圖

由集成運放的“虛短”和“虛斷”特性可知，集成運放的輸出電壓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)

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

(3)

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

IPMC控制電路板實物如圖5所示，電路板總體尺寸為96mm×67mm。

圖5 電路板實物

2.3 軟件設(shè)計

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，正弦信號的電壓值時刻都在變化，單片機(jī)須在一定的時間間隔下不斷地向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間間隔取點，形成正弦波表，將表內(nèi)數(shù)據(jù)存儲后，按固定的時間間隔發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)換器，即可輸出相應(yīng)的正弦波信號。

2) 頻率變化的實現(xiàn)

改變輸出信號的頻率可以改變IPMC往復(fù)擺動的速度和位移。輸出信號的頻率由定時器中斷來控制，定時器的輸入時鐘頻率設(shè)置為fclk=72MHz。通過計算可得輸出正弦波的頻率fsin和定時器自動重裝值TIM_Period、定時器時鐘分頻TIM_Prescaler以及1個周期的正弦波點數(shù)point的關(guān)系為：

(4)

3) 幅值變化的實現(xiàn)

改變輸出信號的幅值可以改變IPMC擺動的位移。通過改變向D/A發(fā)送的波形數(shù)據(jù)量的值來調(diào)節(jié)運算放大器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)跟蹤的實時位移檢測系統(tǒng)

3.1 位移檢測原理

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

通過對系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，位移檢測軟件系統(tǒng)應(yīng)包括以下模塊：

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

2) 視覺采集模塊。用于控制工業(yè)相機(jī)對運動中的IPMC進(jìn)行高速連續(xù)采樣并獲取圖像。

3) 目標(biāo)跟蹤模塊。用于實現(xiàn)對IPMC末端的跟蹤，獲取IPMC末端實時位移變化。

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

3.2 重要模塊的實現(xiàn)

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

視覺采集模塊需調(diào)用工業(yè)相機(jī)對IPMC進(jìn)行連續(xù)拍攝，該功能通過IMAQ Vision模塊實現(xiàn)。為方便測試結(jié)束后對IPMC運動過程進(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 視覺采集模塊程序框圖

目標(biāo)跟蹤模塊同樣通過調(diào)用IMAQ Vision模塊中相應(yīng)函數(shù)實現(xiàn)，在跟蹤前需對跟蹤目標(biāo)進(jìn)行框選，目標(biāo)跟蹤過程中可實時獲取并顯示目標(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)為運行過程界面，用于輸入程序運行中必需的參數(shù)、選擇跟蹤目標(biāo)和顯示目標(biāo)的實時位移。測試結(jié)束后按下停止按鈕，程序自動跳轉(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性能測試

實驗所用IPMC大小為25mm×5mm，厚度為0.4mm，由于其厚度很小，直接對末端進(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)志物的中心對準(zhǔn)IPMC的末端。

測試前框選標(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驅(qū)使IPMC運動，同時系統(tǒng)對標(biāo)志物進(jìn)行跟蹤，以其中心初始位置作為坐標(biāo)原點，水平向右為x軸正方向，豎直向下為y軸正方向，分別計算其在x、y方向的位移。測試結(jié)束后結(jié)果可在數(shù)據(jù)顯示界面進(jìn)行查看，圖9為測試過程中1個周期內(nèi)IPMC的部分實時位移截圖，圖中數(shù)字分別為x、y方向的位移。圖10為自動保存的測試結(jié)果圖像。

圖9 IPMC實時位移顯示

圖10 測試結(jié)果圖

5 結(jié)語

基于智能材料IPMC驅(qū)動和測試的需求，本文設(shè)計了一種基于目標(biāo)跟蹤的IPMC測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可產(chǎn)生驅(qū)動IPMC運動的大電流模擬信號，并且實時顯示IPMC末端的位移，實驗數(shù)據(jù)、圖像和視頻可自動保存。利用該系統(tǒng)進(jìn)行IPMC性能測試實驗，實驗表明，該系統(tǒng)可以很好地驅(qū)動IPMC并顯示記錄其位移，驗證了其可行性。