多轴式超声波悬浮装置及控制方法与流程

本发明涉及声悬浮技术领域，特别是涉及一种多轴式超声波悬浮装置及控制方法。

背景技术：

声悬浮技术是在地面和空间条件下施行材料无容器处理的关键技术之一，和如今的磁悬浮技术相比较，声悬浮技术不受材料导电性能的限制，并且悬浮和其他操作分开控制。利用声悬浮可以实现各种金属材料、无机非金属材料和有机材料的无容器处理。

目前常见的超声波悬浮装置为单轴式超声波悬浮装置，其仅能实现悬浮对象在单方向上移动。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种多轴式超声波悬浮装置，能够实现悬浮对象的多方向运动。

一种多轴式超声波悬浮装置，包括多个超声波发射器，用于安装设置各超声波发射器的支架；还包括控制设备；

各超声波发射器，用于产生驻波使悬浮对象悬浮；各超声波发射器的负极引脚均接地；

控制设备设有多个输出端，每个输出端分别电连接一个超声波发射器的正极引脚；

其中，控制设备用于根据超声波发射器参数及三维声场模型，分别对各超声波发射器的输出波形进行控制，以改变悬浮对象的位置。

在其中一个实施例中，控制设备包括：控制器及驱动器；

控制器的各输出端分别电连接各超声波发射器的正极引脚，输入端用于电连接电源；

驱动器连接在控制器与各超声波发射器的正极引脚之间。

在其中一个实施例中，控制器为arduinomega芯片。

在其中一个实施例中，驱动器为tc4427驱动芯片。

在其中一个实施例中，超声波发射器为mso-p1040h07t型，直径为10毫米的40000赫兹的超声波发射器。

在其中一个实施例中，超声波发射器的数量为64个；

控制设备还包括用于电连接arduinomega芯片与各超声波发射器的杜邦线；

arduinomega芯片通过杜邦线扩展输出端数量至64个。

在其中一个实施例中，各超声波发射器呈阵列排布。

一种多轴超声波悬浮控制方法，应用于多轴式超声波悬浮装置；方法包括：

根据超声波发射器参数及三维声场模型，分别对各超声波发射器的输出波形进行控制，以改变悬浮对象的位置。

在其中一个实施例中，根据超声波发射器参数及三维声场模型，分别对各超声波发射器的输出波形进行控制的步骤包括:

获取超声波发射器参数；超声波发射器参数包括超声波发射器的数量、各超声波发射器的排布形状及各超声波发射器输出波形的初始振幅和初始相位；

根据超声波发射器参数建立三维声场模型,并获取悬浮对象的初始位置和目标位置；

采用三维声场模型对初始位置与目标位置进行模拟处理，得到悬浮对象的移动轨迹，并确定各超声波发射器待输出波形的振幅及相位；

根据待输出波形的振幅及相位，控制控制设备分别输出驱动信号；驱动信号用于指示超声波发射器产生对应的输出波形，以使悬浮对象沿移动轨迹移动。

在其中一个实施例中，多轴超声波悬浮的控制方法还包括：

获取超声波发射器的频率；

将控制设备生成的同步信号的频率调控至等于超声波发射器的频率；同步信号用于实现控制设备输出驱动信号的同步循环迭代。

上述多轴式超声波悬浮装置及控制方法，利用多个超声波发射器产生驻波构成声场使悬浮对象悬浮，并通过控制设备分别对多个超声波发射器的输出波形进行控制，改变悬浮对象的悬浮位置，实现多方向的移动。

附图说明

图1为一个实施例中，多轴式超声波悬浮装置的部分结构示意图；

图2为一个实施例中，多轴式超声波悬浮装置的硬件结构示意图；

图3为另一个实施例中，多轴式超声波悬浮装置的硬件结构示意图；

图4为一个实施例中，多轴超声波悬浮控制方法的应用环境图；

图5为一个实施例中，多轴超声波悬浮控制方法的流程示意图；

图6为一个实施例中，多轴超声波悬浮控制方法的流程示意图；

图7为一个实施例中，多轴超声波悬浮控制装置的结构框图；

图8为另一个实施例中，多轴超声波悬浮控制装置的结构框图；

图9为一个实施例中，计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

一种多轴式超声波悬浮装置，包括多个超声波发射器100，用于安装设置各超声波发射器的支架200；还包括控制设备300；

各超声波发射器100，用于产生驻波使悬浮对象悬浮；各超声波发射器100的负极引脚均接地；

控制设备300设有多个输出端，每个输出端分别电连接一个超声波发射器100的正极引脚；

其中，控制设备300用于根据超声波发射器参数及三维声场模型，分别对各超声波发射器100的输出波形进行控制，以改变悬浮对象的位置。

设置两个以上超声波发射器100，通过控制设备300对各个超声波发射器100的输出波形进行控制，即每个超声波发射器100的输出波形可以相同，也可以不同，若需要改变悬浮对象的位置，可以通过改变各个超声波发射器100的输出波形，达到通过声波变化使悬浮对象移动的目的，通过多个超声波发射器100的配合，能够实现悬浮对象在多个方向上的移动。

在一个实施例中，超声波发射器参数包括超声波发射器的数量、各个超声波发射器的排布形状及各个超声波发射器输出波形的初始振幅和初始相位，根据悬浮对象的初始位置和目标位置，利用三维声场模型能够确定各个超声波发射器的目标振幅及目标相位，控制设备改变其输出的激励信号，控制各超声波发射器的将输出波形的振幅及相位调整至目标振幅及目标相位，即可实现改变各个超声波发射器100的输出波形，即改变驻波使悬浮对象移动。

在其中一个实施例中，控制设备包括：控制器310及驱动器320；

控制器310的各输出端分别电连接各超声波发射器100的正极引脚，输入端用于电连接电源；

驱动器320连接在控制器310与各超声波发射器100的正极引脚之间。

控制器310各个输出端向对应电连接的超声波发射器输出激励信号，激励各超声波发射器；根据本领域技术人员对于控制器410具体型号的选择，控制器所产生的逻辑信号电压不一定能够满足超声波发射器工作电压的需要，需要使用驱动器320将控制器产生的逻辑信号电压进行放大后，再输入到各超声波发射器，使其能够正常工作。

在一个实施例中，控制器310输出半方波信号作为激励信号，由于半方波的谐振特性，受到激励的超声波发射器输出的波形可以被判定为正弦信号，方波相比正弦信号更容易产生数字信号，采用半方波，能够简化装置所需的电子元件，在超声波发射器产生振幅和相位可控的正弦声波激励信号的同时，还能减少每个通道里所需的数字线路。在一个实施例中，控制器410也可以输出正弦信号作为激励信号。

在其中一个实施例中，控制器310为arduinomega芯片。

本领域技术人员可以根据需要选择其他能够对不同超声波发射器实现单独控制的单片机或开发板作为控制器。

arduinomega芯片里的64个通道是被8个端口覆盖的，每个端口1个字节，然而，arduinomega芯片内部预留了一些插脚，实际上可以用于覆盖64个通道。在40000赫兹频率，周期内离散小信号的最大数量为10(每个离散小信号的相位分辨率为π/5)；32个完整的电压图像(周期)可以保存在arduinomega微控制面板里。即一个arduinomega芯片最多可以同时分别控制64个超声波发射器。

arduinomega芯片具有有两对缓冲器，其中一对是电压缓冲器，而在电压缓冲器里的电压图像会不断循环地传送至端口，以便生成所需的正弦激励信号。另外一对则是运算缓冲器，运算缓冲器指定了在一个图像里可以生成的周期的数量。需要注意的是，使用两对缓冲器的目的是，当两对缓冲器里其中一个接收到新图像或者新的周期数量时，剩下的两个缓冲器可以以最小的干扰把旧的图像和周期数量发送，保证稳定输出激励信号。

在一个实施例中，还可以通过组合多个arduinomega芯片对更多数量的超声波发射器进行控制。

在其中一个实施例中，驱动器320为tc4427驱动芯片。

arduinomega芯片产生的逻辑信号电压为5vpp，但目前常见的大部分超声波发射器的工作电压高于5vpp，因此需要通过tc4427驱动芯片对arduinomega芯片产生的逻辑信号电压进行放大后再输入至超声波发射器。

tc4427驱动芯片能够同时对两个通道的输出信号进行放大，因此需要根据超声波发射器的数量确定所需要的tc4427驱动芯片数量。在一个实施例中，每个tc4427驱动芯片的电源端设置有去耦电容，以使输入至tc4427驱动芯片的电源信号更加稳定。

在其中一个实施例中，超声波发射器100为mso-p1040h07t型，直径为10毫米的40000赫兹的超声波发射器。

该选型的超声波发射器的工作温度可以是-20℃至70℃，能够在绝大部分的低温或高温环境中正常工作。本领域技术人员也可以根据需要选择其他型号的超声波发射器。

在其中一个实施例中，超声波发射器100的数量为64个；

控制设备300还包括用于电连接arduinomega芯片与各超声波发射器100的杜邦线；

arduinomega芯片通过杜邦线扩展输出端数量至64个。

由于一个arduinomega芯片最多可以分别控制64个超声波发射器，在本实施例中，超声波发射器100的数量即选用64个，arduinomega芯片由于外部输出端只有8个，需要通过杜邦线扩展至64个输出端。

在其中一个实施例中，各超声波发射器100呈阵列排布。

为了便于对悬浮装置的悬浮位置进行移动，各超声波发射器100采用阵列排布。在一个实施例中，还可以采用正方形排布、长方形排布、圆形排布、椭圆形排布等对称几何图形排布方式。

本申请提供的多轴超声波悬浮的控制方法，可以应用于如图4所示的应用环境中。其中，多轴式超声波悬浮装置的控制设备300与终端400通信连接。根据终端400的控制调整控制设备300各个输出端输出的驱动信号，进而改变各超声波发射器100的输出波形，以改变悬浮对象的悬浮位置。其中，终端400可以是各种计算机设备。

在其中一个实施例中，提供了一种多轴超声波悬浮控制方法，应用于多轴式超声波悬浮装置；以该方法应用于图4中的终端为例进行说明，所述方法包括：

步骤500，根据超声波发射器参数及三维声场模型，分别对各超声波发射器的输出波形进行控制，以改变悬浮对象的位置。

超声波发射器参数包括超声波发射器的数量、各个超声波发射器的排布形状及各个超声波发射器输出波形的初始振幅和初始相位，根据悬浮对象的初始位置和目标位置，利用三维声场模型能够确定控制设备将要输出的激励信号，改变各超声波发射器的将输出波形，即可实现悬浮对象移动至目标位置。

在其中一个实施例中，如图5所示，根据超声波发射器参数及三维声场模型，分别对各超声波发射器的输出波形进行控制的步骤包括:

步骤510，获取超声波发射器参数；超声波发射器参数包括超声波发射器100的数量、各超声波发射器100的排布形状及各超声波发射器100输出波形的初始振幅和初始相位。

为了建立三维声场模型，需要获取超声波发射器参数。

步骤520，根据超声波发射器参数建立三维声场模型,并获取悬浮对象的初始位置和目标位置。

在一个实施例中，可以利用acousticfiled3d软件进行建模。基于建立的三维声场模型可以对多轴式超声波悬浮装置的工作进行模拟，实现各种计算分析。获取悬浮对象的初始位置和目标位置，在三维声场模型中进行模拟。

步骤530，采用三维声场模型对初始位置与目标位置进行模拟处理，得到悬浮对象的移动轨迹，并确定各超声波发射器待输出波形的振幅及相位。

通过三维声场模型计算分析在当前的多轴式超声波悬浮装置实现将悬浮对象由初始位置移动至目标位置的移动轨迹，基于该移动轨迹即可确定各超声波发射器待输出波形的振幅及相位。

步骤540，根据待输出波形的振幅及相位，控制控制设备分别输出驱动信号；驱动信号用于指示超声波发射器100产生对应的输出波形，以使悬浮对象沿移动轨迹移动。

根据模拟计算确定的各超声波发射器的待输出波形的振幅及相位，对控制设备进行控制，使控制设备输出对应的驱动信号至各超声波发射器100，从而改变各超声波发射器100的输出波形，通过声波的改变移动悬浮对象至目标位置。

在其中一个实施例中，如图6所示，多轴超声波悬浮控制方法还包括：

步骤600，获取超声波发射器的频率；

步骤700，将控制设备生成的同步信号的频率调控至等于超声波发射器的频率；同步信号用于实现控制设备输出驱动信号的同步循环迭代。

为了实现控制设备输出驱动信号的同步循环的迭代，控制设备需要生成同步信号，同步信号的频率是能够与声波的频率相匹配的，生成的同步信号的频率可以根据实际应用的声波频率所调节，若使用的发射器的频率为三万赫兹，那么生成的同步信号的频率需要调至三万赫兹。

上述多轴超声波悬浮控制方法中，能够对多个超声波发射器100的输出波形进行模拟计算，若需要移动悬浮对象，通过确定出悬浮对象的目标位置，结合悬浮对象的初始位置，即可计算出悬浮对象的移动轨迹，通过调控控制设备输出的驱动信号，改变各个超声波发射器的输出波形，将悬浮对象移动至目标位置。

应该理解的是，虽然图5-6的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图5-6中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图7所示，提供了一种多轴超声波悬浮控制装置，包括：输出波形控制模块810，其中：

输出波形控制模块810，用于根据超声波发射器参数及三维声场模型，分别对各超声波发射器的输出波形进行控制，以改变悬浮对象的位置。

在一个实施例中，如图8所示，所述输出波形控制模块包括：

超声波发射器参数获取模块811，用于获取超声波发射器参数；超声波发射器参数包括超声波发射器的数量、各超声波发射器的排布形状及各超声波发射器输出波形的初始振幅和初始相位；

三维声场建模模块812，用于根据超声波发射器参数建立三维声场模型,并获取悬浮对象的初始位置和目标位置；

悬浮对象移动轨迹计算模块813，用于采用三维声场模型对初始位置与目标位置进行模拟处理，得到悬浮对象的移动轨迹，并确定各超声波发射器待输出波形的振幅及相位；

控制模块814，用于根据待输出波形的振幅及相位，控制控制设备分别输出驱动信号；驱动信号用于指示超声波发射器产生对应的输出波形，以使悬浮对象沿移动轨迹移动。

在一个实施例中，如图7所示，多轴超声波悬浮控制装置还包括：超声波发射器频率获取模块820及同步信号频率调节模块830；其中：

超声波发射器频率获取模块820，用于获取超声波发射器的频率；

同步信号频率调节模块830，用于将控制设备生成的同步信号的频率调控至等于超声波发射器的频率；同步信号用于实现控制设备输出驱动信号的同步循环迭代。

关于多轴超声波悬浮控制装置的具体限定可以参见上文中对于多轴超声波悬浮控制方法的限定，在此不再赘述。上述多轴超声波悬浮控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种多轴超声波悬浮控制装置方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

根据超声波发射器参数及三维声场模型，分别对各超声波发射器的输出波形进行控制，以改变悬浮对象的位置。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

获取超声波发射器参数；超声波发射器参数包括超声波发射器的数量、各超声波发射器的排布形状及各超声波发射器输出波形的初始振幅和初始相位；

根据超声波发射器参数建立三维声场模型,并获取悬浮对象的初始位置和目标位置；

采用三维声场模型对初始位置与目标位置进行模拟处理，得到悬浮对象的移动轨迹，并确定各超声波发射器待输出波形的振幅及相位；

根据待输出波形的振幅及相位，控制控制设备分别输出驱动信号；驱动信号用于指示超声波发射器产生对应的输出波形，以使悬浮对象沿移动轨迹移动。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

获取超声波发射器的频率；

将控制设备生成的同步信号的频率调控至等于超声波发射器的频率；同步信号用于实现控制设备输出驱动信号的同步循环迭代。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据超声波发射器参数及三维声场模型，分别对各超声波发射器的输出波形进行控制，以改变悬浮对象的位置。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

获取超声波发射器参数；超声波发射器参数包括超声波发射器的数量、各超声波发射器的排布形状及各超声波发射器输出波形的初始振幅和初始相位；

根据超声波发射器参数建立三维声场模型,并获取悬浮对象的初始位置和目标位置；

采用三维声场模型对初始位置与目标位置进行模拟处理，得到悬浮对象的移动轨迹，并确定各超声波发射器待输出波形的振幅及相位；

根据待输出波形的振幅及相位，控制控制设备分别输出驱动信号；驱动信号用于指示超声波发射器产生对应的输出波形，以使悬浮对象沿移动轨迹移动。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

获取超声波发射器的频率；

将控制设备生成的同步信号的频率调控至等于超声波发射器的频率；同步信号用于实现控制设备输出驱动信号的同步循环迭代。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。