[發(fā)明專利]一種微納機器人集群的驅(qū)動控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210598783.2
• 申請日: 2022-05-30
• 公開（公告）號: CN114967458B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 樊啟高;秦帆;謝林柏;劉躍躍;黃文濤
• 申請（專利權(quán)）人: 江南大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 無錫華源專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32228
• 代理人: 過顧佳

1.一種微納機器人集群的驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括上位機模組、視覺模組、三軸亥姆霍茲線圈、功率放大器和電源，所述電源通過所述功率放大器給所述三軸亥姆霍茲線圈供電，所述上位機模組連接并控制所述視覺模組和所述功率放大器；所述三軸亥姆霍茲線圈布設(shè)在待驅(qū)動的微納機器人集群的工作空間處，且所述三軸亥姆霍茲線圈產(chǎn)生覆蓋微納機器人集群的工作空間的磁場，所述視覺模組的視場范圍覆蓋微納機器人集群的工作空間；

所述上位機模組通過所述視覺模組獲取微納機器人集群的實時圖像，并從所述實時圖像中識別得到集群實時位置，基于當前采樣時刻t的集群實時位置、磁場方向角α(t)和磁場俯仰角γ(t)通過擴展狀態(tài)觀測器得到系統(tǒng)狀態(tài)向量的估計值，所述系統(tǒng)狀態(tài)向量的估計值包括集群位置估計值、集群速度估計值和擾動估計值；

所述上位機模組根據(jù)集群位置目標值和集群位置估計值利用方向控制器確定磁場方向角的更新值α(t+1)，所述上位機模組根據(jù)集群位置估計值、集群速度估計值、擾動估計值和磁場方向角的更新值α(t+1)確定磁場俯仰角的更新值γ(t+1)；所述上位機模組根據(jù)磁場方向角的更新值α(t+1)和磁場俯仰角的更新值γ(t+1)控制所述功率放大器以調(diào)節(jié)所述三軸亥姆霍茲線圈中通入的電流，微納機器人集群的運動狀態(tài)與所述三軸亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的勻強磁場的場強相關(guān)，所述三軸亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的勻強磁場的場強與通入的電流相關(guān)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于，當前采樣時刻t得到的系統(tǒng)狀態(tài)向量的估計值為且：

其中，為上一個采樣時刻得到的系統(tǒng)狀態(tài)向量的估計值，t＝1時Z(t-1)為初始值，a₀、ε分別為系數(shù)，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅、β₆為觀測器增益，q_mx(t)是x軸的集群實時位置，q_my(t)是y軸的集群實時位置；是x軸的集群位置估計值，是y軸的集群位置估計值，是x軸的集群速度估計值，是y軸的集群速度估計值，是x軸的擾動估計值，是y軸的擾動估計值。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述方向控制器為PID控制器，所述上位機模組將集群位置目標值和集群位置估計值的跟蹤誤差作為PID控制器的輸入，得到磁場方向角的更新值α(t+1)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于，力控制器為MPC控制器，所述力控制器基于F-F_d1-F_d2+Δ＝ma的動力學方程設(shè)計，其中F為等效磁推力且與磁場頻率f、磁場方向角的更新值α(t+1)以及磁場俯仰角相關(guān)；粘性阻力F_d1與集群液體速度差的一次方相關(guān)，壓差阻力F_d2與集群液體速度差的平方相關(guān)，集群液體速度差是集群速度估計值與液體速度估計值的矢量差，液體速度估計值基于集群位置估計值確定；Δ是干擾力且與擾動估計值相關(guān)；m是微納機器人集群的質(zhì)量；a是微納機器人集群的加速度且是集群位置估計值的二次導(dǎo)數(shù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述上位機模組根據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)利用磁場電流模型生成放大器控制參數(shù)，并按照所述放大器控制參數(shù)控制所述功率放大器以調(diào)節(jié)所述三軸亥姆霍茲線圈中通入的電流，所述上位機模組存儲有多個磁場電流模型，根據(jù)同一組調(diào)節(jié)參數(shù)利用不同的磁場電流模型得到的放大器控制參數(shù)不同，所述調(diào)節(jié)參數(shù)包括磁場方向角和磁場俯仰角。