Distribuovaná manipulace pomocí řízení fyzikálních polí tvořených maticemi aktuátorů

Abstract

Tato práce se zaměřuje na řízení distribuované manipulace prostřednictvím fyzikálních polí vytvářených maticí akčních členů. Práce se zabývá především manipulací s objekty pomocí nehomogenního elektrického a magnetického pole - dielektroforézou a magnetoforézou. Pro oba principy jsou odvozeny matematické modely vhodné pro začlenění do zpětnovazební řídicí smyčky. Modely mají v obou doménách podobnou strukturu, která dovoluje vývoj jednotného řídicího systému. Nelineární model dynamiky systému je v každé vzorkovací periodě invertován pomocí numerického řešení optimalizačního problému. Výhodou navržené strategie řízení je, že dovoluje paralelní manipulaci - nezávislou manipulaci s několika objekty najednou. Práce vedle teoretických konceptů popisuje také technické detaily experimentálních platforem spolu s výsledky mnoha experimentů. Pro dielektroforézu je navrženo nové uspořádání elektrod, které umožňuje manipulaci s více objekty v rovině a zároveň vyžaduje pouze jednovrstvou výrobní technologii. Na algoritmické straně práce představuje nové použití fázové modulace napětí pro řízení dielektroforézy. Dále také popisuje součásti vyvinuté instrumentace, jako jsou vícekanálové generátory pro řízení dielektroforézy prostřednictvím amplitudové a fázové modulace a optické měření polohy v reálném čase pomocí senzoru bez objektivu. Pro magnetoforézu je detailně popsána modulární experimentální platforma sestávající se z pole cívek se železnými jádry. Díky modularitě může být platforma použita k ověření nejen centralizovaných, ale také distribuovaných řídicích systémů.

This work focuses on the control of distributed manipulation through physical fields created by arrays of actuators. In particular, the thesis addresses manipulation of objects using non-uniform electric and magnetic fields---dielectrophoresis and magnetophoresis, respectively. In both domains, mathematical models suitable for incorporation into a feedback control loop are derived. The models in the two domains exhibit a similar structure, which encourages the development of a unified approach to control. The nonlinear model of the system dynamics is inverted by solving a numerical optimization problem in every sampling period. A powerful attribute of the proposed control strategy is that a parallel manipulation---the simultaneous and independent manipulation of several objects---can be demonstrated. Besides the theoretical concepts, the thesis also describes technical details of experimental platforms for both physical domains, together with outcomes from numerous experiments. For dielectrophoresis, a new layout of electrodes is documented that allows full planar manipulation while requiring only a one-layer fabrication technology. On the algorithmic side, work presents a novel use of phase modulation of the voltages to control dielectrophoresis. Dedicated instrumentation is also discussed in the thesis such as multichannel generators for control of dielectrophoresis through amplitude and phase modulation and optical real-time position measurements using common optics and a lensless sensor. For magnetophoresis, a modular test bed composed of a planar array of coils with iron cores is described in detail. Thanks to the modularity, the platform can be used for verification of not only the centralized but also distributed control strategies.