Name: gain-compensation methodology for a sinusoidal scan of a galvanometer mirror in proportional-integral-differential control using pre-emphasis techniques
Uploaded: 2017-04-04T12:00:00.000+00:00
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Die Autoren haben keine Bestätigungen.

1. Erwerb von Gain-Daten für einen Galvanometerspiegel <ol><li> Befestigen Sie den Galvanometerspiegel, so dass er stabilisiert wird sie vor Beschädigung zu schützen, während oszilliert. Nicht nur der Galvanometerspiegel, sondern auch der Körper des Galvanometerspiegels, bewegt sich, wenn nicht an Ort und Stelle mit einem Maße Metall jig mit einem kreisförmigen Loch für den Galvanometerspiegel fixiert. Fixieren Sie die Aufspannvorrichtung auf einen optischen Träger und einer optischen Bank. </li><li> Verbinden BNC-Kabel vom AD / DA-Platine durch einen Anschlußblock mit den Eingangs- und Positionsbuchsen in dem Servotreiber des Galvanometerspiegels. </li><li> Programm des Sinusfunktionsgenerator als eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI) unter Verwendung des SDK der AD / DA - Platine mit C ++, die eine beliebigen Frequenz, Amplitude und Dauer einzustellen Lage ist, wie in Abbildung 3 gezeigt. HINWEIS: Dieser maßgeschneiderte Funktionsgenerator trägt 1.5 die zeitlich Kosten für Dauerversuche in Schritt zu schneiden, da der Prozess viele Male durchgeführt wird. </li<html> &gt; <li> Stellen Sie die Frequenz von 100 Hz in 100 Hz-Intervallen bis 500 Hz variieren und die Amplitude eingestellt von 10 mV bis 500 mV in 10 mV-Abständen in der GUI zu variieren. Insgesamt gibt es 250 Kombinationen. Um zu testen, 250 Kombinationen, eine Doppelschleife ist effizient zu implementieren. Die erste Schleife ist für Frequenzen von 100 Hz bis 500 Hz, die 50-mal durchgeführt wird. Die zweite Schleife ist für Amplituden von 10 mV bis 500 mV, die für die 50-mal durchgeführt wird. </li><li> Fügen Sie den Sinuspfadsignal in die AD / DA-Board für 2000 Samplings als Dauer in der GUI. Aufzeichnen gleichzeitig das Positionssignals des Galvanometerspiegels des analogen Wert der AD / DA-Platine zu lesen. In C ++ Codieren eine Bibliothek von AD / DA-Platine verwendet wird, den gleichen Thread zum Schreiben verwendet werden und das Lesen in der Programmierung. Berechnen Sie den aktuellen Winkel des Galvanometerspiegels θ (Schreiben von Informationen) durch diese Gleichung <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq2.jpg" /> wobei t die Zeit,ES / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg“/&gt; amplituden, ƒ Frequenz ist. </li><li> Speichern der Positionssignaldaten als CSV-Datei und umfassen den Wert der Frequenz und Amplitude in den Dateinamen. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 1,4-1,6 für 250 Iterationen. </li></ol> 2. Berechnung Pre-Emphasis-Koeffizienten Get <ol><li> Tragen Sie einen Medianfilter für die CSV-Dateien (aufgezeichnete Signale) Rauscheffekte zu vermeiden. Die räumliche Größe des Medianfilters ist 5. </li><li> Das Skript des Spitze-zu-Spitze - Wert (entsprechend der Amplitude multipliziert mit 2) zu berechnen, unter Verwendung von MATLAB für jede der CSV - Datei, wie in 4 (die Graph stellt die Daten des Sinuswellen - Pfades) gezeigt. </li><li> Zeichnen Sie die peak-to-peak - Daten auf eine graphische Darstellung der Linearität bei jeder Frequenz zu bestimmen und begrenzen den Verwendungsbereich der Eingangsamplitude , wenn die Grundstücke nicht linear sind, wie in Abbildung 5 gezeigt. HINWEIS: Der nichtlineare Teil des Graphen stellt Sättigungdie PID-Regelung; daher ist es ratsam, sie zu vermeiden, dass die Begrenzung der Spezifikation der Steuerung zu sichern. </li><li> Execute lineare Regression für peak-to-peak-Daten in einer Kalkulationstabelle, die linearen Interpolationskoeffizienten jeder Frequenz zu erhalten. Bei diesem Verfahren werden fünf Sätze von Steigungen und Schnittpunkte erhalten. Sie entsprechen die Frequenzen von 100 Hz bis 500 Hz bei jedem 100 Hz. Eine Annäherung der geraden Linie von 300 Hz ist in 5 (A) angezeigt, und die linearen Interpolationskoeffizienten jeder Frequenz sind in Tabelle 1 aufgeführt. </li><li> Verwendung von quadratischen multiple lineare Regression, führen die biquadratische Interpolation quartic Interpolationskoeffizienten (Pre-Emphasis-Koeffizienten) in der Tabelle für die linearen Interpolations-Koeffizienten jeder Frequenz zu erhalten. Die Pre-Emphasis - Koeffizienten sind in Tabelle 2 dargestellt. HINWEIS: In dieser Studie unterscheiden sich die linearen Interpolationskoeffizienten in Form einer quadratic-Kurve; Jedoch können auch andere Arten von Funktionen, wie quadratische und kubische Gleichungen angewendet werden, wenn der Fehler minimal ist. </li></ol> 3. Online-Signalverstärkung Basierend auf der Pre-Emphasis-Technik <ol><li> Führen Sie die Software, die den aktualisierten Eingangsamplitudenwert berechnet, <img alt="Gleichung 5" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" /> von dem idealen Eingangsamplitudenwert <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> und die Frequenz ƒ die Preemphasis-Koeffizienten. <ol><li> Speichern Sie die Pre-Emphasis-Koeffizienten als konstante Werte in der C ++ Software. Wenn das Gerät aktualisiert wird, werden diese konstanten Werte ebenfalls aktualisiert. </li><li> Programm eine Funktion <img alt="Gleichung 7" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq7.jpg" /> in der C ++ Software und erhält die linearen Interpolationskoeffizienten. Substituieren sie für einen i, b i, c i, d i,und e i aus der Gleichung und die Tabelle 2. </li><li> Programm eine Funktion <img alt="Gleichung 13" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq13.jpg" /> in der C ++ Software und erhält einen aktualisierten Eingangsamplitudenwert <img alt="Gleichung 5" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" /> als Ersatz für <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> und die linearen Interpolations-Koeffizienten, die in Schritt 3.1.2 wurden erhalten. </li></ol></li><li> Wiederholen Sie die Schritte 1,4-1,6 für beliebige Zeiten mit <img alt="Gleichung 5" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" /> unter Verwendung der Pre-Emphasis-Technik in der GUI.NOTE: Zur Sättigung des Bereichs der PID-Regelung zu vermeiden, setzt 400 mV bis 200 Hz, 200 mV bis 300 Hz, 100 mV für bis zu 400 Hz und 50 mV für bis zu 500 Hz. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 2.2 und Plot Spitze-Spitze-Daten als Grafik, die die Verbesserung der Verstärkung anzuzeigen. </li></ol> 4. Experiment auf der Bewegungsunschärfe Compensation <ol><li> Bereiten Sie ein Förderband, das bei 30 km / h mit einem Riemen bewegen kann, die haften bleiben können Texturen klebrig. Maßgeschneiderte Förderband ist mit einem Drehzahlregelmotor, ein Eisen Gummigurt zusammengesetzt, und so weiter. Es kann mit vorgefertigter Förderband ersetzt werden, die Geschwindigkeit kontrollieren. </li><li> Druck ein Feinstrukturmuster auf bedruckbare Band und füge ihn auf das Förderband. HINWEIS: Die eingefügte Textur ist in 6 gezeigt. Die Streifen werden mit einer Bibliothek „ofxPDF“ in openframeworks programmiert, und das fotografische Bild ist von einem Foto auf Lager Unternehmen. </li><li> Richten Sie optische Geräte wie beispielsweise eine Kamera, eine Linse, und eine Beleuchtungs, wie in Abbildung 2 dargestellt. Platzieren Sie den Galvanometer-Spiegel vor der Linse, die mit der Kamera verbunden ist, und legt die Beleuchtung, das Förderband zu beleuchten. <ol><li> Stellen Sie die Kamera Frequenz auf 333 Hz, die Belichtungszeit wurde auf 1 ms und die Anzahl der Pixel zu 848 * 960 (* Breite Höhe). </li><html></ol></li><li> Synchronisieren der Drehzeitpunkt des Galvanometerspiegel und der Belichtungszeit der Kamera. In der Software, wenn der Winkel des Galvanometerspiegels die Position kommt, wo Belichtung zu starten, sendet das Programm einen Software-Trigger in die Kamera. Der Zeitpunkt des Software - Trigger ist in Abbildung 7 dargestellt. </li><li> Geben Sie die Geschwindigkeit des Förderbandes V t (30 km / h) und der Abstand von der Kamera zu dem Förderband L (3,0 m) zu der Winkelgeschwindigkeit ω r des Galvanometerspiegels in der wie in Abbildung 8 GUI erforderlich zu berechnen. ω r wird wie folgt berechnet: <img alt="Gleichung 18" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq18.jpg" /></li><li> Eingang die Frequenz ƒ (330,0 Hz) in der GUI , wie in Abbildung 8 ursprünglichen Eingangsamplitude zu berechnen <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> . BerechnenGleichung 3&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg&quot; /&gt; wie folgt: <img alt="Gleichung 19" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq19.jpg" /></li><li> Kopieren und Einfügen <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> in den Quellcode, und drehen Steuerwert θ für das Galvanometer Stelltreiber das Galvanometer mit dem vorverzerrten wie folgt: <img alt="Gleichung 20" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq20.jpg" /> wobei t die Zeit ist . Abbildung 7 zeigt , wie θ von A berechnet. </li><li> Aufzeichnung von Bildern , wenn das Förderband bei V t bewegt (30 km / h). HINWEIS: 9 stellt die Bewegung des Förderbandes. </li></ol>

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Dieser Artikel stellt eine Prozedur Lage ist, den Sinuswellenfrequenzbereich erweitert hochgenaue Trajektorie zu erreichen mit dem PID-Regelung zu verfolgen. Da die Reaktionsfähigkeit eines Galvanometer-Spiegel durch seine Trägheit begrenzt ist, ist es wichtig, einen Galvanometerspiegel zu verwenden, wenn der Steuerpfad steil ist. Doch in dieser Forschung schlagen wir eine Methode, um die Spezifikation der Steuerung zu verbessern und dann die Methode unter Beweis stellen, indem experimentelle Ergebnisse zu erhalten. <...

Verschiedene optische Aktuatoren und Steuerverfahren für verschiedene optische Anwendungen wurden vorgeschlagen und entwickelt , 1, 2. Diese optischen Aktoren sind in der Lage den optischen Weg zu steuern; Galvanometerspiegel bietet vor allem ein gutes Gleichgewicht in Bezug auf Genauigkeit, Geschwindigkeit, Mobilität und Kosten 3, 4, 5. Tatsächlich bot der Vorteil , durch die Geschwindigkeit und die Genauigkeit des Galvanometerspiegel auf die Realisierung einer Vielzahl von optischen Anwendungen geführt hat, wie zum Beispiel der Zielverfolgung und die Zeichnung, Abtaststeuerung und Bewegungsfleckaddierer Kompensations 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12. Doch in unserem vorherigen Bewegungsfleckaddierer Kompensatim System, ein Proportional-Integral-Differentials (PID) Regler vorgesehen, um eine kleine Verstärkung unter Verwendung ein Galvanometer-Spiegel; daher war es schwierig , eine höhere Frequenz und eine schnellere Geschwindigkeit 11 zu erreichen. Auf der anderen Seite, ist die PID - Regelung ein weit verbreitetes Verfahren, wie es die Verfolgungsgenauigkeit 13 ein bestimmtes Niveau erfüllt. Eine Vielzahl von Verfahren vorgeschlagen worden, um die Verstärkung in der PID-Regelung zu korrigieren. Als typische Lösung, wird die Steuerung Parameter PID-Abstimmung manuell durchgeführt. Aber es braucht Zeit und besondere Fähigkeiten zu erhalten. Eine anspruchsvollere Methode, eine Auto-Tuning - Funktion , um automatisch die Parameter zu bestimmen, wurde vorgeschlagen und weithin 14 verwendet wird. Die Tracking-Genauigkeit für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb verbessert wird, unter Verwendung der Auto-Tuning-Funktion, wenn die P proportional erhöht Verstärkungswert. Dies erhöht jedoch auch die Konvergenzzeit und Rauschen im niedrigen Drehzahlbereich. Somit ist die Verfolgungsgenauigkeit nichtt notwendigerweise verbessert. Obwohl ein selbstabgleichenden Regler geeignete Parameter für die PID-Regelung eingestellt werden kann, abgestimmt, stellt die Abstimmspannung eine Verzögerung aufgrund der Notwendigkeit, geeignete Parameter zu erhalten; daher ist es schwierig , dieses Verfahren in Echtzeitanwendungen 15 zu übernehmen. Eine erweiterte PID - Regler 16, 17 und eine erweiterte prädiktive Steuerung 18 wurden vorgeschlagen allgemeine PID - Regelung zu verlängern und die Verfolgungsleistung der Galvanometerspiegel für eine Vielzahl von Spurwegen, wie beispielsweise Dreieckswellen, Sägezahnwellen, und Sinuswellen zu erhöhen. Doch in diesen Systemen wurde das Galvanometer-System als Blackbox betrachtet, während ein Modell des Kontrollsystemes erforderlich war, und das Steuersystem nicht als Blackbox betrachtet. Daher werden diese Verfahren erfordern, dass ihr Modell für jeden Galvanometerspiegel aktualisiert. Darüber hinaus, obwohl Mnerie et al. validiert das Verfahren zu ihrer focusing auf einer detaillierten Ausgangswelle und Phase ihrer Forschung sind nicht die Dämpfung der gesamten Welle. In der Tat, in unserer früheren Forschung 11, wurde die Verstärkung deutlich verringert , wenn die Sinusfrequenz hoch war, wodurch die Notwendigkeit anzeigt , für die Verstärkung der gesamten Welle auszugleichen. In dieser Forschung unsere Verfahren zur Verstärkungskompensation mit PID - Steuerung 12 auf der Grundlage der Pre-Emphasis - Technik 19, 20, 21 -a Verfahren die Qualität oder die Geschwindigkeit der Kommunikation in der Kommunikation zu verbessern Engineering- , die den Aufbau eines experimentellen Systems ermöglicht , unter Verwendung von bestehende Anlagen. Abbildung 1 zeigt die Strömungsstruktur. Die Pre-Emphasis-Technik in der Lage, den gewünschten Ausgabewert von einem Eingangswert im Voraus zu erhalten, wobei die PID-Regelung nicht wirksam ist, auch wenn der Galvanometerspiegelund dessen Steuerung als Black Boxes betrachtet. Dies ermöglicht es ihnen, die Frequenz und Amplitudenbereich zu erweitern, in dem eine Verstärkung von 0 dB können ohne Abstimmung der PID-Regelparameter erhalten werden. Wenn der Verstärkungsfaktor verstärkt wird, unterscheiden sich die Ansprechcharakteristiken des Galvanometerspiegels allgemein bei verschiedenen Frequenzen, und deshalb müssen wir jede Frequenz mit Verstärkungskoeffizienten verstärken. Somit ist eine Sinuswelle, geeignet für die Preemphasis-Technik, da es nur eine Frequenz in jeder Sinuswelle ist. In dieser Studie, da wir Verstärkungskompensation anwenden Bewegungsfleckaddierer Kompensation zu erreichen, wird das Steuersignal an Sinus Abtastung beschränkt, und das Sinuswellensignal bildet eine einzige Frequenz, im Gegensatz zu anderen Wellen, wie beispielsweise dreieckig und Sägezahnwellen. Ferner wird das Eingangssignal in den Galvanometerspiegel unmittelbar aufgrund der offenen Schleife innerhalb des nächsten Zyklus aktualisiert, nachdem die Preemphase-Koeffizienten gesetzt sind. Mit anderen Worten, wir müssen to wissen nur die Eingabe-zu-Ausgabe-Verhältnis der Controller als Blackbox zu betrachten und detaillierte Modellierung ist nicht erforderlich. Diese Einfachheit ermöglicht unser System leicht in Anwendungen eingebettet werden. Das Gesamtziel dieses Verfahrens ist ein experimentelles Verfahren der Bewegungsunschärfe-Kompensation als eine Anwendung von Verstärkungskompensation mit Hilfe der Pre-Emphasis-Technik herzustellen. Mehr Hardware-Vorrichtungen sind in diesen Verfahren, wie beispielsweise einen Galvanometer-Spiegel, eine Kamera, ein Förderband, Beleuchtung und eine Linse verwendet. Zentrale Software-Anwender entwickelten Programme in C ++ geschrieben auch Teil des Systems bilden. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus. Der Galvanometerspiegel dreht sich mit verstärkungskompensierte Winkelgeschwindigkeit, wodurch es möglich wird, die Menge an Unschärfe aus den Bildern zu bewerten.

<table><tbody><tr><td>Galvanometer mirror</td><td>Cambridge Technology</td><td>M3s X axis</td><td></td></tr><tr><td>Custom-made metal jig</td><td>ASKK</td><td>-</td><td>With circular hole for galvanometer mirror</td></tr><tr><td>Optical carrier</td><td>SIGMAKOKI</td><td>CAA-60L</td><td></td></tr><tr><td>Optical bench</td><td>SIGMAKOKI</td><td>OBT-1500LH</td><td></td></tr><tr><td>Oscilloscope</td><td>Tektronix</td><td>MSO 4054</td><td></td></tr><tr><td>AD/DA board</td><td>Interface</td><td>PCI-361216</td><td></td></tr><tr><td>PC</td><td>DELL</td><td>Precision T3600</td><td></td></tr><tr><td>Galvanometer mirror servo controller</td><td>Cambridge Technology</td><td>Minisax</td><td></td></tr><tr><td>Lens</td><td>Nikon</td><td>AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>High-speed camera</td><td>Mikrotron</td><td>Eosens MC4083</td><td>Discontinued, but sold as MC4087. The cable connection is different from MC4083</td></tr><tr><td>Conveyor belt</td><td>ASUKA</td><td>-</td><td>With a speed-control motor(BX5120A-A made by Oriental Motor), iron rubber belt(100-F20-800A-J made by NOK), and so on</td></tr><tr><td>Printable tape</td><td>A-one</td><td>F20A4-6</td><td></td></tr><tr><td>Photographic texture</td><td>Shutterstock, Inc.</td><td>231357754</td><td>Printed computer motherboard with microcircuit, close up</td></tr><tr><td>Terminal block</td><td>Interface</td><td>TNS-6851B</td><td></td></tr><tr><td>CoaXPress board</td><td>AVALDATA</td><td>APX-3664</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>mathworks</td><td>MATLAB R2015a</td><td></td></tr></tbody></table>

gain-compensation methodology for a sinusoidal scan of a galvanometer mirror in proportional-integral-differential control using pre-emphasis techniques

Galvanometerspiegel sind für optische Anwendungen, wie beispielsweise die Zielverfolgung, Zeichnen und Abtaststeuerung wegen ihrer hohen Geschwindigkeit und Genauigkeit verwendet. Jedoch ist die Reaktionsfähigkeit eines Galvanometerspiegels durch seine Trägheit begrenzt; Daher wird die Verstärkung eines Galvanometerspiegels verringert, wenn die Regelstrecke steil ist. In dieser Forschung, schlagen wir ein Verfahren die entsprechende Frequenz unter Verwendung einer Preemphasis-Technik erweitern für die Verstärkungsreduzierung von Galvanometerspiegel in Sinuspfad zu kompensieren Proportional-Integral-Differential (PID) -Steuerung Verfolgung verwendet wird. Die Pre-Emphasis-Technik erhält einen Eingangswert für einen Wert gewünschten Ausgangs im Voraus. Die Anwendung dieser Methode, die Galvanometerspiegel zu steuern, in jeder Frequenz und Amplitude des Ausgangsverstärkung eines Galvanometerspiegels für Pfad sinus Wellennachführung einen PID-Regler verwendet wurde berechnet. Wo PID-Regelung nicht wirksam ist, einen Gewinn von 0 dB Aufrechterhaltung der Bahnverfolgungsgenauigkeit zu verbessern, ist es möglich,erweitern Sie den Geschwindigkeitsbereich, in dem eine Verstärkung von 0 dB kann ohne Abstimmung des PID-Regelparameters erhalten werden. Jedoch, wenn es nur eine Frequenz, Verstärkung ist möglich, mit einem einzigen Preemphase Koeffizienten. Daher ist eine Sinuswelle für diese Technik geeignet ist, anders als dreieckig und Sägezahnwellen. Daher können wir eine Pre-Emphasis-Technik übernehmen die Parameter im Voraus zu konfigurieren, und wir brauchen keine zusätzlichen aktiven Steuerungsmodelle und Hardware herzustellen. Die Parameter werden unmittelbar aufgrund der offenen Schleife innerhalb des nächsten Zyklus aktualisiert, nachdem die Preemphasis-Koeffizienten gesetzt sind. Mit anderen Worten, die Steuerung als Black-Box zu betrachten, brauchen wir nur das Eingangs-Output-Verhältnis und eine detaillierte Modellierung ist nicht erforderlich, wissen. Diese Einfachheit ermöglicht unser System leicht in Anwendungen eingebettet werden. Unsere Methode, um die Pre-Emphasis-Technik für ein Bewegungsunschärfe-Kompensationssystem und das Experiment mit geführt, um die Methode zu bewerten ist, erläutert.

Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden unter Verwendung eines AD / DA-Board und eine Kamera erhalten. Abbildung 1 zeigt die Vorgehensweise der Preemphasis - Technik; Daher ist es der Kern dieses Artikels. Es ist nicht notwendig, die Parameter der PID-Regelung nach der Initialisierung Zustand zu versetzen; damit ist der Online-Prozess deutlich einfacher. Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse , di...

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Gain-compensation Methodology for a Sinusoidal Scan of a Galvanometer Mirror in Proportional-Integral-Differential Control Using Pre-emphasis Techniques

Wir schlagen vor, ein Verfahren mit der entsprechenden Frequenz zu erweitern, indem eine Preemphasis-Technik. Dieses Verfahren kompensiert die Verstärkungsreduzierung eines Galvanometerspiegels in Pfad Sinuswellensteuer Proportional-Integral-Differential unter Verwendung von Tracking.

Gewinn-Kompensationsmethode für eine Sinusförmige Scan eines Galvanometer-Spiegel im Proportional-Integral-Differential Steuerung über Pre-Emphasis-Techniken

Galvanometer mirrors are used for optical applications such as target tracking, drawing, and scanning control because of their high speed and accuracy. ...

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SCIENTISTS IN ACTION

8.6K Aufrufe.  University of Tokyo.  Wir schlagen vor, ein Verfahren mit der entsprechenden Frequenz zu erweitern, indem eine Preemphasis-Technik. Dieses Verfahren kompensiert die Verstärkungsreduzierung eines Galvanometerspiegels in Pfad Sinuswellensteuer Proportional-Integral-Differential unter Verwendung von Tracking. 

Serie: Gain-compensation Methodology for a Sinusoidal Scan of a Galvanometer Mirror in Proportional-Integral-Differential Control Using Pre-emphasis Techniques

An Experimental Platform to Study the Closed-loop Performance of Brain-machine Interfaces

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine interface to assess the robustness of different control-laws applied to a closed-loop image stabilization task. Taking advantage of the well-characterized fly visuomotor pathway we record the electrical activity from an identified, motion-sensitive neuron, H1, to control the yaw rotation of a two-wheeled robot. The robot is equipped with 2 high-speed video cameras providing visual motion input to a fly placed in front of 2 CRT computer monitors. The activity of the H1 neuron indicates the direction and relative speed of the robot's rotation. The neural activity is filtered and fed back into the steering system of the robot by means of proportional and proportional/adaptive control. Our goal is to test and optimize the performance of various control laws under closed-loop conditions for a broader application also in other brain machine interfaces.

We use a closed-loop fly-machine interface to investigate general principles in neuronal control.

Eine experimentelle Plattform für die Closed-Loop-Performance von Brain-Machine Interfaces Study

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine ...

Forschung

Neurowissenschaften

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the electronic quantum structure of small systems - including individual atomic dopants in semiconductors. Here we present a capacitance-based method, known as Subsurface Charge Accumulation (SCA) imaging, which is capable of resolving single-electron charging while achieving sufficient spatial resolution to image individual atomic dopants. The use of a capacitance technique enables observation of subsurface features, such as dopants buried many nanometers beneath the surface of a semiconductor material1,2,3. In principle, this technique can be applied to any system to resolve electron motion below an insulating surface.
As in other electric-field-sensitive scanned-probe techniques4, the lateral spatial resolution of the measurement depends in part on the radius of curvature of the probe tip. Using tips with a small radius of curvature can enable spatial resolution of a few tens of nanometers. This fine spatial resolution allows investigations of small numbers (down to one) of subsurface dopants1,2. The charge resolution depends greatly on the sensitivity of the charge detection circuitry; using high electron mobility transistors (HEMT) in such circuits at cryogenic temperatures enables a sensitivity of approximately 0.01 electrons/Hz&frac12; at 0.3 K 5.

Scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy facilitates the study of single-electron motion in localized subsurface regions. A sensitive charge-detection circuit is incorporated into a cryogenic scanning probe microscope to investigate small systems of dopant atoms beneath the surface of semiconductor samples.

Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Ingenieurwesen

Video-rate Scanning Confocal Microscopy and Microendoscopy

Confocal microscopy has become an invaluable tool in biology and the biomedical sciences, enabling rapid, high-sensitivity, and high-resolution optical sectioning of complex systems. Confocal microscopy is routinely used, for example, to study specific cellular targets1, monitor dynamics in living cells2-4, and visualize the three dimensional evolution of entire organisms5,6. Extensions of confocal imaging systems, such as confocal microendoscopes, allow for high-resolution imaging in vivo7 and are currently being applied to disease imaging and diagnosis in clinical settings8,9.
Confocal microscopy provides three-dimensional resolution by creating so-called "optical sections" using straightforward geometrical optics. In a standard wide-field microscope, fluorescence generated from a sample is collected by an objective lens and relayed directly to a detector. While acceptable for imaging thin samples, thick samples become blurred by fluorescence generated above and below the objective focal plane. In contrast, confocal microscopy enables virtual, optical sectioning of samples, rejecting out-of-focus light to build high resolution three-dimensional representations of samples.
Confocal microscopes achieve this feat by using a confocal aperture in the detection beam path. The fluorescence collected from a sample by the objective is relayed back through the scanning mirrors and through the primary dichroic mirror, a mirror carefully selected to reflect shorter wavelengths such as the laser excitation beam while passing the longer, Stokes-shifted fluorescence emission. This long-wavelength fluorescence signal is then passed to a pair of lenses on either side of a pinhole that is positioned at a plane exactly conjugate with the focal plane of the objective lens. Photons collected from the focal volume of the object are collimated by the objective lens and are focused by the confocal lenses through the pinhole. Fluorescence generated above or below the focal plane will therefore not be collimated properly, and will not pass through the confocal pinhole1, creating an optical section in which only light from the microscope focus is visible. (Fig 1). Thus the pinhole effectively acts as a virtual aperture in the focal plane, confining the detected emission to only one limited spatial location.
Modern commercial confocal microscopes offer users fully automated operation, making formerly complex imaging procedures relatively straightforward and accessible. Despite the flexibility and power of these systems, commercial confocal microscopes are not well suited for all confocal imaging tasks, such as many in vivo imaging applications. Without the ability to create customized imaging systems to meet their needs, important experiments can remain out of reach to many scientists.
In this article, we provide a step-by-step method for the complete construction of a custom, video-rate confocal imaging system from basic components. The upright microscope will be constructed using a resonant galvanometric mirror to provide the fast scanning axis, while a standard speed resonant galvanometric mirror will scan the slow axis. To create a precise scanned beam in the objective lens focus, these mirrors will be positioned at the so-called telecentric planes using four relay lenses. Confocal detection will be accomplished using a standard, off-the-shelf photomultiplier tube (PMT), and the images will be captured and displayed using a Matrox framegrabber card and the included software.

The complete construction of a custom, real-time confocal scanning imaging system is described. This system, which can be readily used for video-rate microscopy and microendoscopy, allows for an array of imaging geometries and applications not accessible using standard commercial confocal systems, at a fraction of the cost.

Video-rate konfokalen Mikroskopie und Mikroendoskopiesysteme

Confocal microscopy has become an invaluable tool in biology and the biomedical sciences, enabling rapid, high-sensitivity, and high-resolution optical ...

Biotechnik

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input bias voltage. However, the tradeoff for the improved switching performance is a relatively long settling time to reach each gap height in response to various applied voltages. Transient applied bias waveforms are employed to facilitate reduced switching times for electrostatic fringing-field MEMS actuators with high mechanical quality factors. Removing the underlying substrate of the fringing-field actuator creates the low mechanical damping environment necessary to effectively test the concept. The removal of the underlying substrate also a has substantial improvement on the reliability performance of the device in regards to failure due to stiction. Although DC-dynamic biasing is useful in improving settling time, the required slew rates for typical MEMS devices may place aggressive requirements on the charge pumps for fully-integrated on-chip designs. Additionally, there may be challenges integrating the substrate removal step into the back-end-of-line commercial CMOS processing steps. Experimental validation of fabricated actuators demonstrates an improvement of 50x in switching time when compared to conventional step biasing results. Compared to theoretical calculations, the experimental results are in good agreement.

The robust device design of fringing-field electrostatic MEMS actuators results in inherently low squeeze-film damping conditions and long settling times when performing switching operations using conventional step biasing. Real-time switching time improvement with DC-dynamic waveforms reduces the settling time of fringing-field MEMS actuators when transitioning between up-to-down and down-to-up states.

Echtzeit-DC-Vorspannung dynamische Verfahren zur Verbesserung Schaltzeit in stark unterdämpft Fransen-Bereich Elektroantriebe MEMS

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently. 
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches. 
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.

Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.

Die Messung der Streunichtlinearitäten von einem Einzel Plasmonische Nanopartikel

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Implementation of a Nonlinear Microscope Based on Stimulated Raman Scattering

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy uses near-infrared excitation light; therefore, it shares many multi-photon microscopic imaging properties. SRS imaging modality can be obtained using commercial laser-scanning microscopes by equipping with a non-descanned forward detector with proper bandpass filters and lock-in amplifier (LIA) detection scheme. A schematic layout of a typical SRS microscope includes the following: two pulsed laser beams, (i.e., the pump and probe directed in a scanning microscope), which must be overlapped in both space and time at the image plane, then focused by a microscope objective into the sample through two scanning mirrors (SMs), which raster the focal spot across an x-y plane. After interaction with the sample, transmitted output pulses are collected by an upper objective and measured by a forward detection system inserted in an inverted microscope. Pump pulses are removed by a stack of optical filters, whereas the probe pulses that are the result of the SRS process occurring in the focal volume of the specimen are measured by a photodiode (PD). The readout of the PD is demodulated by the LIA to extract the modulation depth. A two-dimensional (2D) image is obtained by synchronizing the forward detection unit with the microscope scanning unit. In this paper, the implementation of an SRS microscope is described and successfully demonstrated, as well as the reporting of label-free images of polystyrene beads with diameters of 3 &#181;m. It is worth noting that SRS microscopes are not commercially available, so in order to take advantage of these characteristics, the homemade construction is the only option. Since SRS microscopy is becoming popular in many fields, it is believed that this careful description of the SRS microscope implementation can be very useful for the scientific community.

In this manuscript, the implementation of a stimulated Raman scattering (SRS) microscope, obtained by the integration of an SRS experimental set-up with a laser scanning microscope, is described. The SRS microscope is based on two femtosecond (fs) laser sources, a Ti-Sapphire (Ti:Sa) and synchronized optical parametric oscillator (OPO).

Implementierung eines nichtlinearen Mikroskops auf Basis der stimulierten Raman-Streuung

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy uses near-infrared excitation light; therefore, it shares many multi-photon microscopic imaging properties. ...

Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for moving mechanical parts. This technology is particularly useful for beam steering applications. Here, we focus on OPAs integrated into SiN photonic circuits for a wavelength in the near infrared. A characterization method of such circuits is presented, which allows the output beam of integrated OPAs to be shaped and steered. Furthermore, using a wafer-scale characterization setup, several devices can easily be tested across multiple dies on a wafer. In this way, fabrication variations can be studied, and high-performance devices identified. Typical images of OPA beams are shown, including beams emitted from OPAs with and without a uniform waveguide length, and with varying numbers of channels. In addition, the evolution of output beams during the phase optimization process and beam steering in two dimensions is presented. Finally, a study of the variation in the beam divergence of identical devices is performed with respect to their position on the wafer.

Here, we describe the operation of a SiN integrated photonic circuit containing optical phased arrays. The circuits are used to emit low divergence laser beams in the near infrared and steer them in two dimensions.

Charakterisierung von Integrierten optischen Phasenarrays von SiN auf einer Wafer-Scale-Teststation

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for ...

Time-Domain Interpretation of PD Control

Proportional-Derivative (PD) control is a widely used control method in various engineering systems to enhance stability and performance. In a system with only proportional control, common issues include high maximum overshoot and oscillation, observed in both the error signal and its rate of change. This behavior can be divided into three distinct phases: initial overshoot, subsequent undershoot, and gradual stabilization.
Consider the example of control of motor torque. Initially, a positive error signal generates a rapidly rising positive motor torque. This surge in torque leads to significant output overshoot and oscillations, attributed to the high force and insufficient damping. The system&#39;s output exceeds the desired value, reflecting the proportional control&#39;s excessive initial correction and weak resistance.
In the second phase, a negative error signal produces negative motor torque, which decelerates the output, causing it to undershoot the target. This undershoot indicates the system&#39;s tendency to overcompensate in the opposite direction after the initial overshoot. The torque reduction in this phase slows down the output, but the absence of adequate damping results in oscillatory behavior.
During the final phase, positive motor torque reappears, reducing the undershoot from the previous phase. Each oscillation sees a diminishing error amplitude, progressively stabilizing the system&#39;s output. The high initial correction and weak resistance that caused the overshoot are counterbalanced by increased resistance and reduced corrective force in this phase.
PD control effectively addresses these issues by introducing anticipatory adjustments based on the slope of the error signal. This anticipatory mechanism allows the system to predict and correct its direction, mitigating excessive overshoot and reducing the amplitude of oscillations. By adjusting the system&#39;s response rate, PD control fine-tunes the initial correction force and enhances resistance, leading to smaller overshoots and undershoots. Consequently, the system achieves a more stable and controlled output.

Interpretation der PD-Kontrolle im Zeitbereich

Consider a motor system with only proportional control that exhibits high maximum overshoot and oscillation, reflected in the error signal and its rate of ...

Lehre

Design of Control Systems

KEY TERMS AND CONCEPTS

PI Controller: Design

Proportional Integral (PI) controllers are a fundamental component in modern control systems, widely used to enhance performance and mitigate steady-state errors. They are particularly effective in applications such as automatic brightness adjustment on smartphones, where they excel at mitigating steady-state errors for step-function inputs. Unlike PD controllers, which require time-varying errors to function optimally, PI controllers leverage their integral component to address residual steady-state errors not corrected by the proportional part.
In an operational amplifier (op-amp)-based PI controller, resistors and a capacitor process the error signal, generating a control signal. The proportional feedback is derived from a resistor, while the integral response comes from a capacitor. Two- and three-op-amp circuit designs exhibit unique transfer functions, with PI controller parameters intrinsically linked to their circuit characteristics. The three-op-amp configuration allows for independent adjustment of proportional and integral gains through specific circuit parameters. Notably, in both circuits, the integral gain is inversely proportional to the capacitor value, which may necessitate large capacitors for effective PI control designs.
The PI controller enhances system performance by modifying the forward-path transfer function through the addition of a zero and a pole. This adjustment boosts system performance and reduces the steady-state error by an order of magnitude. In scenarios where the steady-state error to a given input is constant, the PI controller can reduce this error to zero, provided the system remains stable after compensation.
By addressing both proportional and integral aspects, PI controllers provide a robust solution for steady-state error correction in various applications. Their design, involving specific resistor and capacitor configurations in op-amp circuits, ensures precise control and performance enhancement, making them indispensable in modern control systems.

PI Controller: Aufbau

In applications like automatic brightness adjustment on smartphones, Proportional Integral controllers effectively mitigate steady-state errors for ...

Time and frequency -Domain Interpretation of PI Control

Proportional-Integral (PI) controllers are essential in many control systems to improve stability and performance. They are commonly used in everyday devices like thermostats to enhance system damping and reduce steady-state error. When the zero in the controller&#39;s transfer function is optimally placed, the system benefits significantly in terms of stability and accuracy.
Acting as a low-pass filter, the PI controller slows the system&#39;s response and extends settling times. This requires careful design to position the zero near the beginning, away from major poles, and with minimal proportional and integral gains.
The PI controller&#39;s transfer function can typically be depicted in a Bode plot. The visualization helps in understanding the effects of proportional and integral components on system performance. Insufficient proportional gain can lead to steady-state errors, while proper attenuation and stability management involve both proportional and integral aspects.
A critical design consideration is the controller&#39;s negative phase, which can adversely affect system stability. To mitigate this, the corner frequency should be positioned as far left as bandwidth requirements permit, preventing phase lag from reducing the system&#39;s phase margin. For optimal performance, the compensated transfer function should intersect the zero-decibel axis at the new gain crossover frequency, ensuring the desired phase margin.
Additionally, the ratio of integral to proportional gain should be set relative to a significantly lower frequency, balancing the system&#39;s responsiveness and stability.
Designing an effective PI controller involves meticulous selection of integral and proportional gains. This selection process aims to avoid the need for a large capacitor, which is a more significant challenge in PI controllers compared to PD controllers. The large capacitor, if required, can complicate the physical implementation of the controller due to increased size and cost.
Overall, the careful placement of the zero, strategic selection of gains, and consideration of phase margins are essential in designing a PI controller that enhances damping, minimizes steady-state error, and maintains system stability.

Zeit und Frequenz - Interpretation der PI-Regelung im Bereich

Everyday devices like thermostats utilize PI controllers. These can enhance system damping and reduce steady-state error when the controller transfer ...