Manipulace s objekty na hladině kapaliny pomocí pole ultrazvukových aktuátorů

Abstract

Tato práce zkoumá využití akustického pole za účelem dosažení kontrolovaného dvourozměrného pohybu objektů. Byla postavena experimentální platforma s polem ultrazvukových měničů, jež umožňuje bezdotykově manipulovat s plastovou kuličkou plovoucí na vodní hladině. Pro vyvození síly se okolní pole akustického tlaku tvaruje pomocí řízení fázových posuvů jednotlivých akustických zdrojů. Tato práce obsahuje popis mechanického a elektronického návrhu, vývoje matematického modelu systému pro účely řízení a návrhu zpětnovazebního regulátoru. Uvnitř regulačního bloku se každou řídicí periodu řeší optimalizační úloha, která poskytuje sadu fázových posuvů, jež odpovídají požadované síle. Regulační systém je schopen řídit objekt po zadané trajektorii v rámci manipulačního dosahu platformy. Jak schopnost sledovat trajektorii, tak přesnost polohování byly experimentálně ověřeny a zanalyzovány.

This thesis investigates the use of the acoustic field to achieve a controlled 2D motion of objects. An experimental platform containing an array of ultrasonic transducers was built, allowing for a non-contact manipulation with a plastic sphere floating on a water surface. To induce force on the sphere, the surrounding acoustic pressure field is shaped by controlling the phase shifts of the individual acoustic source elements. This work includes a description of the mechanical and electronic design of the set-up, the development of a control-oriented mathematical model of the system and the design of a feedback controller. Inside the controller block, a real-time optimization problem is solved every control period, providing a set of phase shifts corresponding to the required force. The control system is capable of steering the object of interest along a prescribed trajectory within the manipulation range of the platform. Both the trajectory tracking performance and the positioning accuracy were experimentally tested and analysed.