帕尔贴温度触觉感知再现装置的滑模控制算法研究
发布时间：2021-06-14 14:00
虚拟现实技术是21世纪最突出的成就之一,其涉及领域多,应用范围广。温度触觉感知再现作为虚拟现实领域的一个重要分支,受到越来越多的研究者的重视。在温度触觉再现领域,帕尔贴芯片因为其结构精巧,安全环保不产生噪声和氟利昂,因此最为常用。由于帕尔贴设备模型存在诸多非线性因素,加上温度这一物理量本身较为敏感,研究具有好的动态特性的帕尔贴温度控制算法具有重要的理论意义和实际应用价值。滑模变结构控制具有良好的动态响应和很强的鲁棒性。本文首先以单层帕尔贴温度触觉再现设备表面温度为研究对象,对其进行精确建模,并设计滑模控制策略。一方面,设计了有限时间扰动观测器以估计外界不确定扰动,采用有限时间前馈补偿和滑模反馈控制的相结合的方式,消除了扰动对系统的影响,解决了单层帕尔贴表面温度跟踪问题;另一方面,针对控制量不连续的问题并提升滑模面的动态性能,基于扰动观测器采用连续滑模和积分滑模相结合的方法,设计了连续线性积分滑模和连续终端积分滑模。通过仿真和实验得出连续积分滑模控制策略拥有了连续的输入信号并成功降低系统的抖振,并且相比于线性滑模面,系统在终端滑模面上具有更快的收敛速度。由于实际需求的提升,单层帕尔贴不能...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
手指接触物体温度触觉示意图
第二章温度触觉与帕尔贴温度触觉感知再现装置13图2.2接触后手指和物体表面温度变化曲线图图2.2表示的是手指和物体表面温度随着时间变化的曲线图。当手指接触物体后，手指表面的温度迅速下降，随后速度逐渐变慢，最终稳定在一定的温度；物体表面的温度迅速上升，随后速度逐渐变慢，最终稳定在另一温度。阶段一称为初期感知阶段(earlytimessensation,ETS)[62]，ETS发生在接触的瞬间，这时候手指和物体表面温度发生突变，阶段二称为后期感知阶段(latertimessensation,LTS)，在LTS手指和物体表面温度变化缓慢并趋向于稳定。在ETS阶段包含着快速降温的过程，温度的骤降给人带来的感觉极其强烈，而不同的物质带来不同程度的温降，因此ETS对于人们识别不同的物质有着很重要的作用。由图2.2还可以发现，手指和物体表面的稳定温度和理想的接触面的温度存在一定的出入，那是因为接触热阻的存在，当忽略了接触热阻，皮肤和物体表面温度将稳定在conT。2.1.3温度触觉感知的影响因素通过上一小节可以发现，温度触觉感知强度和接触物体的材质有关，不同材质的物体会带来不同温度触觉感知的影响，其实影响温度触觉感知的因素还有很多。生活常识告诉我们，温度触觉可能与接触面积、接触面的粗糙度、接触力的大孝皮肤和物体的初始温度有关，这些常识在文献[59]得到了理论的验证。文献[59]通过对温度触觉感知系统数学模型进行分析求解，得出了热传导过程中皮肤和物体的温度公式，忽略了温度分布表达函数的高次谐波，皮肤的温度分布式可以表示为：000(,)22MSSSMMSSSLxLxTxtTTTerfcerfctt(2.2)其中L代表皮肤的厚度，x是其中真皮的厚度，s表示热扩散系数[63]；erfc表示互补误差函数，22()1()xerfcxerfxed，erfc表示误差函
东南大学硕士学位论文14由式(2.2)可以看出，影响温度触觉的因素有皮肤和物体表面初始温度00,SMTT；皮肤和物体的吸热系数,SM；皮肤的热扩散系数S；皮肤的厚度L；真皮的厚度x。文献[59]还以表皮厚度为例，选取了0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm五种不同的表皮厚度，表皮和物体的初始温度分别为36℃和20℃。图2.3是接触后不同表皮厚度下的皮肤温度随时间的响应曲线：图2.3不同表皮厚度下的皮肤温度响应图由图2.3可以发现，表皮厚度越厚，与相对低温的物体接触后，温度下降速率越慢，温度的稳定值越高；相反的，表皮厚度越薄，温度下降速率越快，稳定后温度越低。这表明温度触觉感知的敏感度随着皮肤厚度的增加而减校2.2帕尔贴温度触觉感知再现装置温度触觉感知受诸多因素影响，它是敏感的并且因人而异。如何进行温度触觉感知再现一直以来都是一个炙手可热的话题，温度触觉感知再现就是将不同温度的物体以触觉的方式提供给人们进行感知。帕尔贴半导体制冷器是温度触觉感知再现的主要设备，它以热电效应为基本原理，以它为研究对象设计硬件系统，在通入驱动电流以后能够到达想要再现的指定温度。帕尔贴温度触觉感知再现装置需要具备非常高的稳定性，它不受外界环境的影响，也不与感知的人群有关。在本节一方面介绍该装置的五种热电原理，另一方面全方位介绍该装置的硬件系统。2.2.1帕尔贴温度触觉感知再现装置原理帕尔贴温度触觉再现装置的原理是热电效应，热电效应伴随着热能和电能之间的相互转换，由塞贝克和帕尔贴在实验中发现，经过汤姆逊、楞次等人的不断完善而最终成立。热电效应包含塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效应，前三种效应是可逆的，而后两种效应是不可逆的[64]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实在社会各领域中的应用及思考[J]. 徐嘉簃. 中国校外教育. 2019(06)
[2]基于干扰观测器的永磁同步电动机滑模控制[J]. 颜渐德,王辉,兰永红,罗胜华. 微特电机. 2019(01)
[3]VR技术的发展与应用[J]. 苏靖涵. 中国新通信. 2018(24)
[4]PMSM speed control using adaptive sliding mode control based on an extended state observer[J]. 刘京,Xia Peipei,Deng Yongting,Li Hongwen,Wang Zhiqian. High Technology Letters. 2018(04)
[5]触觉再现技术研究进展[J]. 赵璐,刘越,祃卓荦. 计算机辅助设计与图形学学报. 2018(11)
[6]艾灸对阳陵泉穴区皮肤组织五羟色胺和组胺的影响[J]. 陈虹,徐东升,杨金生,白万柱,闫平慧,王莹莹. 上海针灸杂志. 2018(07)
[7]基于扩张状态观测器的自抗扰滑模导引律[J]. 杨柱,许哲,王雪梅,赵回,王修. 中国测试. 2018(06)
[8]滑模变结构中抖振消除方法研究[J]. 姚娟. 机电工程技术. 2016(09)
[9]滑模变结构制导律的抖振问题研究[J]. 辛腾达,范惠林,闫琳. 航空兵器. 2015(02)
[10]有限时间控制问题综述[J]. 丁世宏,李世华. 控制与决策. 2011(02)
硕士论文
[1]DC-DC变换器系统滑模控制方法研究[D]. 张璐.东南大学 2017
[2]基于OMAP-L138的监测接收机硬件设计与实现[D]. 王友全.电子科技大学 2015
本文编号：3229977
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
手指接触物体温度触觉示意图
第二章温度触觉与帕尔贴温度触觉感知再现装置13图2.2接触后手指和物体表面温度变化曲线图图2.2表示的是手指和物体表面温度随着时间变化的曲线图。当手指接触物体后，手指表面的温度迅速下降，随后速度逐渐变慢，最终稳定在一定的温度；物体表面的温度迅速上升，随后速度逐渐变慢，最终稳定在另一温度。阶段一称为初期感知阶段(earlytimessensation,ETS)[62]，ETS发生在接触的瞬间，这时候手指和物体表面温度发生突变，阶段二称为后期感知阶段(latertimessensation,LTS)，在LTS手指和物体表面温度变化缓慢并趋向于稳定。在ETS阶段包含着快速降温的过程，温度的骤降给人带来的感觉极其强烈，而不同的物质带来不同程度的温降，因此ETS对于人们识别不同的物质有着很重要的作用。由图2.2还可以发现，手指和物体表面的稳定温度和理想的接触面的温度存在一定的出入，那是因为接触热阻的存在，当忽略了接触热阻，皮肤和物体表面温度将稳定在conT。2.1.3温度触觉感知的影响因素通过上一小节可以发现，温度触觉感知强度和接触物体的材质有关，不同材质的物体会带来不同温度触觉感知的影响，其实影响温度触觉感知的因素还有很多。生活常识告诉我们，温度触觉可能与接触面积、接触面的粗糙度、接触力的大孝皮肤和物体的初始温度有关，这些常识在文献[59]得到了理论的验证。文献[59]通过对温度触觉感知系统数学模型进行分析求解，得出了热传导过程中皮肤和物体的温度公式，忽略了温度分布表达函数的高次谐波，皮肤的温度分布式可以表示为：000(,)22MSSSMMSSSLxLxTxtTTTerfcerfctt(2.2)其中L代表皮肤的厚度，x是其中真皮的厚度，s表示热扩散系数[63]；erfc表示互补误差函数，22()1()xerfcxerfxed，erfc表示误差函
东南大学硕士学位论文14由式(2.2)可以看出，影响温度触觉的因素有皮肤和物体表面初始温度00,SMTT；皮肤和物体的吸热系数,SM；皮肤的热扩散系数S；皮肤的厚度L；真皮的厚度x。文献[59]还以表皮厚度为例，选取了0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm五种不同的表皮厚度，表皮和物体的初始温度分别为36℃和20℃。图2.3是接触后不同表皮厚度下的皮肤温度随时间的响应曲线：图2.3不同表皮厚度下的皮肤温度响应图由图2.3可以发现，表皮厚度越厚，与相对低温的物体接触后，温度下降速率越慢，温度的稳定值越高；相反的，表皮厚度越薄，温度下降速率越快，稳定后温度越低。这表明温度触觉感知的敏感度随着皮肤厚度的增加而减校2.2帕尔贴温度触觉感知再现装置温度触觉感知受诸多因素影响，它是敏感的并且因人而异。如何进行温度触觉感知再现一直以来都是一个炙手可热的话题，温度触觉感知再现就是将不同温度的物体以触觉的方式提供给人们进行感知。帕尔贴半导体制冷器是温度触觉感知再现的主要设备，它以热电效应为基本原理，以它为研究对象设计硬件系统，在通入驱动电流以后能够到达想要再现的指定温度。帕尔贴温度触觉感知再现装置需要具备非常高的稳定性，它不受外界环境的影响，也不与感知的人群有关。在本节一方面介绍该装置的五种热电原理，另一方面全方位介绍该装置的硬件系统。2.2.1帕尔贴温度触觉感知再现装置原理帕尔贴温度触觉再现装置的原理是热电效应，热电效应伴随着热能和电能之间的相互转换，由塞贝克和帕尔贴在实验中发现，经过汤姆逊、楞次等人的不断完善而最终成立。热电效应包含塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效应，前三种效应是可逆的，而后两种效应是不可逆的[64]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实在社会各领域中的应用及思考[J]. 徐嘉簃. 中国校外教育. 2019(06)
[2]基于干扰观测器的永磁同步电动机滑模控制[J]. 颜渐德,王辉,兰永红,罗胜华. 微特电机. 2019(01)
[3]VR技术的发展与应用[J]. 苏靖涵. 中国新通信. 2018(24)
[4]PMSM speed control using adaptive sliding mode control based on an extended state observer[J]. 刘京,Xia Peipei,Deng Yongting,Li Hongwen,Wang Zhiqian. High Technology Letters. 2018(04)
[5]触觉再现技术研究进展[J]. 赵璐,刘越,祃卓荦. 计算机辅助设计与图形学学报. 2018(11)
[6]艾灸对阳陵泉穴区皮肤组织五羟色胺和组胺的影响[J]. 陈虹,徐东升,杨金生,白万柱,闫平慧,王莹莹. 上海针灸杂志. 2018(07)
[7]基于扩张状态观测器的自抗扰滑模导引律[J]. 杨柱,许哲,王雪梅,赵回,王修. 中国测试. 2018(06)
[8]滑模变结构中抖振消除方法研究[J]. 姚娟. 机电工程技术. 2016(09)
[9]滑模变结构制导律的抖振问题研究[J]. 辛腾达,范惠林,闫琳. 航空兵器. 2015(02)
[10]有限时间控制问题综述[J]. 丁世宏,李世华. 控制与决策. 2011(02)
硕士论文
[1]DC-DC变换器系统滑模控制方法研究[D]. 张璐.东南大学 2017
[2]基于OMAP-L138的监测接收机硬件设计与实现[D]. 王友全.电子科技大学 2015
本文编号：3229977
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