CN109324619B - 液态金属电致驱动小车及其运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液态金属电致驱动小车，包括车架、容纳部、第一电源和第二电源，容纳部安装在车架的底部，车架上安装有第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，第一电极、第三电极分别与第一电源的正极、第一电源的负极相连接，第二电极、第四电极分别与第二电源的正极、第二电源的负极相连接。本发明还涉及一种应用于液态金属电致驱动小车的运动控制方法。本发明大大降低了小车的功耗；防止液态金属从小车底部溜出；充分利用基底溶液对小车的浮力以及采用坐标系转换，减小了摩擦阻力、外界扰动对小车运动的影响；实现了小车运动时的避障；实现了小车位置的精准定位；借助PID控制算法实现了液态金属小车在二维平面内的精确自由运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种液态金属电致驱动小车及其运动控制方法。
背景技术
液态金属是指在常温下处于液体状态的金属。液态金属在软机器人、泵、微型管道、3D打印等领域都能发挥重要作用，液态金属在施加电压的外部条件下，会向电源正极运动，利用液态金属的这一运动特性，我们能将其用于运输等方面。目前对液态金属小车的研究还存在局限：(1)在运动方向上，现有的液态金属小车只能实现单方向上简单的一维运动，而没有尝试在X-Y平面内的自由运动，而且已有的小车仅能观察到它的运动和影响运动速度的因素，并没有找到能精确控制运动的方法，同时外置电极的设计使得很大一部分能量损耗在环境溶液中；(2)现有小车结构上的设计存在不足，小车容易与外界接触产生摩擦阻力，同时液态金属容易溜出小车。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种液态金属电致驱动小车及其运动控制方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种液态金属电致驱动小车，包括车架、容纳部、第一电源和第二电源，所述容纳部安装在所述车架的底部，所述车架上安装有第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极、第三电极分别与所述第一电源的正极、所述第一电源的负极相连接，所述第二电极、第四电极分别与所述第二电源的正极、所述第二电源的负极相连接。
本发明一个较佳实施例中，液态金属电致驱动小车进一步包括所述车架包括圆形围板、安装在所述圆形围板内的圆形基板，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极沿周向间隔安装在所述圆形基板上。
本发明一个较佳实施例中，液态金属电致驱动小车进一步包括所述圆形基板上沿周向间隔安装有四个安装座，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极分别穿过四个所述安装座，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极均穿过所述圆形基板。
本发明一个较佳实施例中，液态金属电致驱动小车进一步包括所述圆形围板的底端与所述圆形基板的底端齐平。
本发明一个较佳实施例中，液态金属电致驱动小车进一步包括所述圆形基板上设置有通孔。
本发明一个较佳实施例中，液态金属电致驱动小车进一步包括所述容纳部安装在所述圆形基板的底部，所述容纳部呈中空的圆筒状。
本发明一个较佳实施例中，液态金属电致驱动小车进一步包括所述圆形基板上安装有中空的圆筒体。
一种应用于液态金属电致驱动小车的运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用图像采集设备对小车运动环境进行采集，对采集得到的图像进行二值化处理；
(2)将二值化处理后的图像进行区域划分，检索区域内每个像素点的灰度值，若区域内≥1/2的像素点为黑色，就把该区域视为障碍物；
(3)运行A*算法，规划出小车的运动路径，得到目标位置；
(4)实时采集小车的偏转角度和小车位置；
(5)对小车位置和目标位置进行坐标转换，得到实时转换后的小车位置和实时转换后的目标位置；
(6)计算实时转换后的目标位置和实时转换后的小车位置的差值；
(7)利用增量式PID控制算法得到第一电压和第二电压分别反馈给第一电源和第二电源，控制第一电源输出第一电压，控制第二电源输出第二电压。
本发明一个较佳实施例中，运动控制方法进一步包括所述步骤(1)具体包括设定一个阈值，将整个图像中灰度值低于阈值的像素点变为黑色，其它的像素点变为白色。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具有以下有益效果：
(1)利用内置电极的结构设计，大大降低了小车的功耗，使得功耗在几十到几百毫瓦之间。
(2)防止液态金属从小车底部溜出。
(3)充分利用基底溶液对小车的浮力以及采用坐标系转换，减小了摩擦阻力、外界扰动对小车运动的影响。
(4)利用A*算法对液态金属小车的运动路径进行规划，实现了小车运动时避障的作用，且A*算法简单迅速。
(5)通过图像处理、视觉反馈，实现了小车位置的精准定位。
(6)借助PID控制算法实现了液态金属小车在二维平面内的精确自由运动，PID控制算法简单方便。
(7)小车结构可以加以改善以适应不同的运动环境。
(8)可以将各种器件耦合在小车上实现自驱动。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的结构示意图；
图2是本发明的优选实施例的主视图；
图3是本发明的优选实施例的在小车上设置标记以及小车偏转角度的转换示意图；
图4是本发明的优选实施例的小车运动控制流程图；
图中：10、车架，12、容纳部，14、第一电源，16、第二电源，18、第一电极，20、第二电极，22、第三电极，24、第四电极，26、圆形围板，28、圆形基板，30、安装座，32、通孔，34、圆筒体，36、液态金属。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图2所示，一种液态金属电致驱动小车，包括车架10、容纳部12、第一电源14和第二电源16，容纳部12安装在车架10的底部，车架10上安装有第一电极18、第二电极20、第三电极22和第四电极24，第一电极18、第三电极22分别与第一电源14的正极、第一电源14的负极相连接，第二电极20、第四电极24分别与第二电源16的正极、第二电源16的负极相连接。
本发明优选车架10包括圆形围板26、安装在圆形围板26内的圆形基板28，第一电极18、第二电极20、第三电极22和第四电极24沿周向间隔安装在圆形基板28上。进一步优选第一电极18、第二电极20、第三电极22和第四电极24沿周向均匀间隔安装在圆形基板28上，便于小车的平衡。
本发明优选圆形基板28上沿周向均匀间隔安装有四个安装座30，第一电极18、第二电极20、第三电极22和第四电极24分别穿过四个安装座30，第一电极18、第二电极20、第三电极22和第四电极24均穿过圆形基板28，第一电极18、第二电极20、第三电极22和第四电极24的底端高度低于容纳部12的底端，避免第一电极18、第二电极20、第三电极22和第四电极24与基底接触，避免增加小车运动的摩擦力，便于小车的悬浮和运动，同时第一电极18、第二电极20、第三电极22和第四电极24分别与四个安装座30卡接。
本发明优选圆形围板26的底端与圆形基板28的底端齐平，圆形围板26与圆形基板28一体成型连接。
为了便于排出液态金属氧化层与基底溶液产生的氢气，本发明优选圆形基板28上设置有通孔32，避免液态金属与小车的脱离，使得小车运动顺畅，避免小车的“翻车”。
本发明优选容纳部12安装在圆形基板28的底部，容纳部12呈中空的圆筒状，避免液态金属从容纳部12中溜出。
本发明优选圆形基板28上安装有中空的圆筒体34，便于从圆筒体34内注入液态金属进入容纳部12。进一步优选圆筒体34、通孔32和容纳部12同心设置。
为了充分利用浮力减小摩擦力的影响，通过阿基米德浮力定律：F浮＝ρ液gV排，ρ液为基底溶液的密度，
本发明优选基底溶液为电解质溶液。进一步优选电解质溶液为氢氧化钠溶液，通电后，液态金属36朝向第一电极18和第二电极20运动，实现在X-Y平面内的运动。但并不局限于氢氧化钠溶液，也可以为盐酸溶液，此时第一电极18、第三电极22分别与第一电源14的负极、第一电源14的正极相连接，第二电极20、第四电极24分别与第二电源16的负极、第二电源16的正极相连接。
如图4所示，一种应用于液态金属电致驱动小车的运动控制方法，包括以下步骤：
(1)用图像采集设备对小车运动环境进行采集，对采集得到的图像进行二值化处理。具体步骤是设定一个阈值，将整个图像中灰度值低于阈值的像素点变为0，也就是变为黑色，其它的像素点变为255，也就是为白色，这样一张图像完全变为一张“黑白”照片。优选图像采集设备为摄像头，但并不局限于摄像头，也可以为数码相机。
(2)将二值化处理后的图像进行区域划分，每一张图像可以看成是由每个像素点的灰度值构成的一个矩阵，将这个大矩阵划分成一些小矩阵，每个小矩阵即为一个区域，检索区域内每个像素点的灰度值，若区域内≥1/2的像素点为黑色，就把该区域视为障碍物。优选区域内3/4的像素点为黑色，就把该区域视为障碍物，精确度高。
(3)运行A*算法，规划出小车的运动路径，得到目标位置。具体的，由于之前已经对图像进行二值化处理、区域划分和障碍物分析，得到了障碍物区域位置坐标，并将其放在一个二维数组D中。
A*算法中，需要分别定义一个OPEN集和一个CLOSED集，其中OPEN集表示仍需检查的点的集合，CLOSED集表示已经检查过的点的集合。在本实验中，OPEN集放的是去掉障碍物后仍需检查的点的集合，A*算法的估计代价函数f(n)来描述某一个点到达目标点所需要的代价：
f(n)＝g(n)+h(n)
其中g(n)表示的是从开始节点到当前节点n的实际花费的代价；h(n)表示的是从当前节点n到最终目标节点的最优路径的代价估计，这里采用曼哈顿距离得到：
h(n)＝10[|A.x-goal.x|+|A.y-goal.y|]
同时采用欧几里得距离得到：
其中A.x表示当前点的x坐标，goal.x表示目标点的x坐标，A.y表示当前点的y坐标，goal.y表示目标点的y坐标。以此为原理，运用matlab与LabVIEW混编语言，在matlab脚本框中编写A*算法程序，索引之前得到的障碍物位置坐标数组D，对所有的网格点进行估价，寻找一条最短的到达目标点的路线，并将路线上的点的坐标保存在一个二维数组Q中。
(4)实时采集小车的偏转角度和小车位置。具体的，将小车顶部的圆形围板26涂黑，并在圆形基板28上做一些标记如点、直线，三角形等，如图3所示，先拍摄得到一张图像，提取其中的小车以此作为模板，然后摄像头拍摄图像，通过视觉反馈，对拍摄得到的图像进行模块处理，搜索整个图像寻找与小车模板相同的区域，寻找的过程就是将模板与图像做对比，图像中每个区域对应一个偏转角度，然后给图像中每个区域打一个分数表明与图像的匹配程度，分数最高的就是与小车模板相同的区域，该区域所对应的偏转角度即为小车的偏转角度θ，再对拍摄的图像采用Hough变换进行圆弧检测(由于之前已经涂黑了圆形围板26，图像上的小车有圆弧了)，得到拟合圆弧的圆心坐标(x,y)，(x,y)即为小车位置。
(5)以小车本身的坐标系为基准，对小车位置(x,y)和目标位置(x0,y0)进行坐标转换，根据坐标转换公式：
得到实时转换后的小车位置(x’,y’)和实时转换后的目标位置(x0’,y0’)。
(6)计算实时转换后的目标位置(x0’,y0’)和实时转换后的小车位置(x’,y’)的差值。
(7)利用增量式PID控制算法得到第一电压和第二电压分别反馈给第一电源14和第二电源16，控制第一电源14输出第一电压，控制第二电源16输出第二电压。
具体的，在X方向上：Ux＝Kp*(Xk-Xk1)*1.00+Ki*Xk*1.00+Kd*(Xk-2*Xk1+Xk2)*1.00，其中Kp是比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，Kp、Ki和Kd的值根据实际的要求和工作情况调试确定。在之前程序的运行过程中，可以得到n个时刻的实时转换后的小车位置和目标位置。Xk表示当前时刻目标位置与小车位置在X方向上的差值，Xk1表示上一时刻目标位置与小车位置在X方向上的差值，Xk2表示再上一时刻目标位置与小车位置在X方向上的差值，其中当前时刻与上一时刻之间的间隔以及上一时刻与再上一时刻之间的间隔均为程序运行一次的时间，优选间隔在200-270ms之间。由此得到第一电压Ux，第一电压Ux可以使用USB数据接口，实现电脑主机与第一电源14的通信，不同型号的电源有不同的节点，利用这些节点，编写labview程序，将第一电压Ux传给第一电源14，实现对小车x方向的运动速度的控制。
同理，在Y方向上：Uy＝Kp*(Yk-Yk1)*1.00+Ki*Yk*1.00+Kd*(Yk-2*Yk1+Yk2)*1.00，其中Kp是比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，Kp、Ki和Kd的值根据实际的要求和工作情况调试确定。在之前程序的运行过程中，可以得到n个时刻的小车位置和目标位置。Yk表示当前时刻目标位置与小车位置在Y方向上的差值，Yk1表示上一时刻目标位置与小车位置在Y方向上的差值，Yk2表示再上一时刻目标位置与小车位置在Y方向上的差值，其中当前时刻与上一时刻之间的间隔以及上一时刻与再上一时刻之间的间隔均为程序运行一次的时间，优选间隔在200-270ms之间。由此得到第二电压Uy，第二电压Uy可以使用USB数据接口，实现电脑主机与第二电源16的通信，不同型号的电源有不同的节点，利用这些节点，编写labview程序，将第二电压Uy传给第二电源16，实现对小车y方向的运动速度的控制。
另外，通过改变第一电压Ux和第二电压Uy的正负性，即可改变小车在x方向和y方向上的前进方向。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (5)
1.一种液态金属电致驱动小车，其特征在于，包括车架、容纳部、第一电源和第二电源，所述容纳部安装在所述车架的底部，所述车架上安装有第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极、第三电极分别与所述第一电源的正极、所述第一电源的负极相连接，所述第二电极、第四电极分别与所述第二电源的正极、所述第二电源的负极相连接；
所述车架包括圆形围板、安装在所述圆形围板内的圆形基板，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极沿周向间隔安装在所述圆形基板上；
所述圆形基板上设置有通孔；
所述容纳部安装在所述圆形基板的底部，所述容纳部呈中空的圆筒状；
所述圆形基板上安装有中空的圆筒体；
圆筒体、通孔和容纳部同心设置。
2.根据权利要求1所述的液态金属电致驱动小车，其特征在于，所述圆形基板上沿周向间隔安装有四个安装座，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极分别穿过四个所述安装座，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极均穿过所述圆形基板。
3.根据权利要求2所述的液态金属电致驱动小车，其特征在于，所述圆形围板的底端与所述圆形基板的底端齐平。
4.一种应用于如权利要求1-3中任一项所述的液态金属电致驱动小车的运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）用图像采集设备对小车运动环境进行采集，对采集得到的图像进行二值化处理；
（2）将二值化处理后的图像进行区域划分，检索区域内每个像素点的灰度值，若区域内≥1/2的像素点为黑色，就把该区域视为障碍物；
（3）运行A*算法，规划出小车的运动路径，得到目标位置；
（4）实时采集小车的偏转角度和小车位置；
（5）对小车位置和目标位置进行坐标转换，得到实时转换后的小车位置和实时转换后的目标位置；
（6）计算实时转换后的目标位置和实时转换后的小车位置的差值；
（7）利用增量式PID控制算法得到第一电压和第二电压分别反馈给第一电源和第二电源，控制第一电源输出第一电压，控制第二电源输出第二电压。
5.根据权利要求4所述的运动控制方法，其特征在于，所述步骤（1）包括设定一个阈值，将整个图像中灰度值低于阈值的像素点变为黑色，其它的像素点变为白色。
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