显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法，该系统包括：旋转控制台、第一、第二平移控制台、样品台、视觉反馈子系统、驱动器、和双闭环定位控制系统，第一、第二平移控制台的运动方向与所述旋转控制台的旋转轴垂直；双闭环定位控制系统包括：外部位置控制器计算内环输入位移量；第一、第二平移控制台的位移闭环控制子系统包括：插入式重复控制器根据输入位移量与反馈位移量的误差计算位移补偿控制量；原始闭环位移控制子系统根据输入位移量与反馈位移量的误差计算位移控制量，并结合位移补偿控制量来控制驱动器驱动第一、第二平移控制台进行位移。提高显微镜下微纳米尺度样本的旋转定位精度，大大改善了样品的显微成像效果。

Control system and control method of rotating positioning platform under microscope

The invention discloses a control system and a control method of a rotating positioning platform under a microscope. The system comprises a rotating console, a first and a second translation console, a sample console, a visual feedback subsystem, a driver, and a double closed-loop positioning control system. The motion direction and the rotation of the first and second translation consoles are described. The rotating shaft of the rotary console is vertical; the double closed-loop positioning control system includes: the outer position controller calculates the input displacement of the inner loop; the first and second displacement closed-loop control subsystem of the translation console includes: the insertion repetitive controller calculates the displacement compensation control according to the error between the input displacement and the feedback displacement; the original position controller. The closed-loop displacement control subsystem calculates the displacement control according to the error between the input displacement and the feedback displacement, and controls the actuator to drive the first and second translation consoles for displacement compensation. The rotational positioning accuracy of micro and nano-scale samples under microscope is improved, and the microscopic imaging effect of the samples is greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法
本专利技术实施例涉及显微镜技术，尤其涉及一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法。
技术介绍
随着微纳米技术的飞速发展，微观尺度下的样本定位技术作为显微镜下精确成像和原位精确表征的关键技术之一，越来越多的引起了人们的广泛关注。微观尺度与宏观尺度所不同的是，显微镜环境下的样品面临着一些独特的挑战，包括狭窄的工作空间，有限的观察视场以及很少的感测方法和未知的深度信息。因此，微纳尺度下的高精度定位需求为传统的微纳米操作系统和技术带来了新的要求。目前，大多数微纳米操作系统只能观察在显微镜下线性运动的样本，而旋转运动样本的观察很少被解决。与线性定位相比，旋转定位对微纳米操作系统的要求非常严格，因为如果样本具有一点微小偏心量，则小的旋转角度可能导致显微镜下样本的大位移变化。在现实的实践操作中将样品装配在绝对旋转中心是非常困难的。另外，即使微纳米机器人操作平台的小的固有振动也将导致样品在微纳米尺度处的明显的径向位移波动。因此，对于旋转微纳米操作平台，样品的径向波动在显微镜下样品旋转时始终存在，这些样本的波动特征不可避免地带来图像模糊、变形，甚至使样品移出显微镜的观察视野，从而导致样本成像和操作的失败。因此，旋转样品的高精度定位仍然是显微镜环境下高柔性微纳米操作的瓶颈。
技术实现思路
本专利技术提供一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法，以显微镜下微纳米尺度样本的旋转定位精度，大大改善了样品的显微成像效果。第一方面，本专利技术实施例提供一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统，包括：旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台、样品台、视觉反馈子系统、驱动器和双闭环定位控制系统；旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台均由微纳米电机控制；第一平移控制台安装在旋转控制台上，第二平移控制台安装在第一平移控制台上，第一平移控制台与第二平移控制台的运动方向垂直，且第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向与旋转控制台的旋转轴垂直；样品台用于放置显微镜待观察样品，样品台连接于第二平移控制台，且位于旋转控制台的旋转轴上，并垂直于第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向；旋转控制台用于带动样品台绕旋转控制台的旋转轴匀速旋转；视觉反馈子系统用于实时监测样品台上的待观察样品的成像坐标位置，通过像素当量计算，确定待观察样品在旋转过程中，待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量；双闭环定位控制系统包括外部位置控制器、内环的第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统；外部位置控制器通过整个系统输入位置与视觉反馈子系统反馈的样本空间位置的位置误差，并通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量；第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统的结构相同，均包括插入式重复控制器和原始闭环位移控制子系统；插入式重复控制器用于根据内环输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算位移补偿控制量；原始闭环位移控制子系统用于根据输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移控制量，并结合位移补偿控制量控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移在第一方面一种可能的实现方式中，定位控制系统还包括前馈补偿器，前馈补偿器用于将参考点的初始位置作为位移闭环控制子系统的补偿输入。在第一方面一种可能的实现方式中，定位控制系统还包括扰动观测器，扰动观测器用于跟踪旋转控制台的转动，估计旋转控制台转动对待观察样品在第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向的周期性位移波动，将周期性位移波动输入视觉反馈子系统，使视觉反馈子系统根据监测到的待观察样品上的参考点的位置与周期性位移波动共同确定待观察样品上的参考点的位置变化情况。在第一方面一种可能的实现方式中，外部位置控制器具体用于根据参考点在预设周期内的位移，计算第一平移控制台和第二平移控制台的输入位移量。在第一方面一种可能的实现方式中，插入式重复控制器和原始闭环位移控制子系统并联连接；插入式重复控制器包括谐波发生器、低通滤波器、衰减器和补偿控制器，谐波发生器、低通滤波器用于产生与系统同频率的周期性延时环节，衰减器用于调整位移补偿控制量的增益，补偿控制器用于产生位移补偿控制量；原始闭环位移控制子系统为基于PID的直线位移控制器闭环系统，包括直线位移定位器和位移控制器，直线位移定位器用于根据输入位移量与位移补偿控制量的误差，计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移，位移控制器用于控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。第二方面，本专利技术实施例提供一种显微镜下的旋转定位平台的控制方法，用于对显微镜内旋转的待观察样品进行定位控制；其中，显微镜内包括旋转控制台、第一平移控制台、第二平移控制台、样品台和视觉反馈系统，旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台均由微纳米电机控制；第一平移控制台安装在旋转控制台上，第二平移控制台安装在第一平移控制台上，第一平移控制台与第二平移控制台的运动方向垂直，且第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向与旋转控制台的旋转轴垂直；样品台用于放置显微镜待观察样品，样品台连接于第二平移控制台，且位于旋转控制台的旋转轴上，并垂直于第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向；旋转控制台用于带动样品台绕旋转控制台的旋转轴匀速旋转；视觉反馈子系统用于实时监测样品台上的待观察样品；方法包括：当旋转控制台带动样品台绕旋转控台的旋转轴匀速转动时，通过视觉反馈子系统确定待观察样品在旋转过程中，待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量；根据参考点的位置变化情况，通过基于旋转坐标系的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量；根据输入位移量与反馈位移量的误差计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移补偿控制量；结合位移控制量和位移补偿控制量，控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。在第二方面一种可能的实现方式中，方法还包括：将参考点的初始位置作为补偿输入；结合位移控制量和位移补偿控制量，控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移，包括：结合输入位移量、位移补偿控制量和补偿输入，控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。在第二方面一种可能的实现方式中，方法还包括：跟踪旋转控制台的转动，估计旋转控制台转动对待观察样品在第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向的周期性位移波动；将周期性位移波动输入视觉反馈子系统，使视觉反馈子系统根据监测到的待观察样品上的参考点的位置与周期性位移波动共同确定待观察样品上的参考点的位置变化情况。在第二方面一种可能的实现方式中，根据参考点的位置变化情况，通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量，包括：根据参考点在预设周期内的位移，通过旋转坐标系计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量。在第二方面一种可能的实现方式中，根据输入位移量与反馈位移量的误差计算位移补偿控制量，包括：产生与系统同频率的周期性延时环节，通过调整增益，产生位移补偿控制量。本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统，其特征在于，包括：旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台、样品台、视觉反馈子系统、驱动器和双闭环定位控制系统；所述旋转控制台、所述第一平移控制台和所述第二平移控制台均由微纳米电机控制；所述第一平移控制台安装在所述旋转控制台上，所述第二平移控制台安装在所述第一平移控制台上，所述第一平移控制台与所述第二平移控制台的运动方向垂直，且所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向与所述旋转控制台的旋转轴垂直；所述样品台用于放置显微镜待观察样品，所述样品台连接于所述第二平移控制台，且位于所述旋转控制台的旋转轴上，并垂直于所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向；所述旋转控制台用于带动所述样品台绕所述旋转控制台的旋转轴匀速旋转；所述视觉反馈子系统用于实时监测所述样品台上的待观察样品的成像坐标位置，通过像素当量计算，确定所述待观察样品在旋转过程中，所述待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量；所述双闭环定位控制系统包括外部位置控制器、内环的第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统；所述外部位置控制器通过整个系统输入位置与视觉反馈子系统反馈的样本空间位置的位置误差，并通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量；所述第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统的结构相同，均包括插入式重复控制器和原始闭环位移控制子系统；所述插入式重复控制器用于根据内环输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算位移补偿控制量；所述原始闭环位移控制子系统用于根据输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的位移控制量，并结合位移补偿控制量控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。...

【技术特征摘要】
2018.01.02 CN 20181000220091.一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统，其特征在于，包括：旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台、样品台、视觉反馈子系统、驱动器和双闭环定位控制系统；所述旋转控制台、所述第一平移控制台和所述第二平移控制台均由微纳米电机控制；所述第一平移控制台安装在所述旋转控制台上，所述第二平移控制台安装在所述第一平移控制台上，所述第一平移控制台与所述第二平移控制台的运动方向垂直，且所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向与所述旋转控制台的旋转轴垂直；所述样品台用于放置显微镜待观察样品，所述样品台连接于所述第二平移控制台，且位于所述旋转控制台的旋转轴上，并垂直于所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向；所述旋转控制台用于带动所述样品台绕所述旋转控制台的旋转轴匀速旋转；所述视觉反馈子系统用于实时监测所述样品台上的待观察样品的成像坐标位置，通过像素当量计算，确定所述待观察样品在旋转过程中，所述待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量；所述双闭环定位控制系统包括外部位置控制器、内环的第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统；所述外部位置控制器通过整个系统输入位置与视觉反馈子系统反馈的样本空间位置的位置误差，并通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量；所述第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统的结构相同，均包括插入式重复控制器和原始闭环位移控制子系统；所述插入式重复控制器用于根据内环输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算位移补偿控制量；所述原始闭环位移控制子系统用于根据输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的位移控制量，并结合位移补偿控制量控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定位控制系统还包括前馈补偿器，所述前馈补偿器用于将所述参考点的初始位置作为所述位移闭环控制子系统的补偿输入。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定位控制系统还包括扰动观测器，所述扰动观测器用于跟踪所述旋转控制台的转动，估计所述旋转控制台转动对所述待观察样品在所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向的周期性位移波动，将所述周期性位移波动输入所述视觉反馈子系统，使所述视觉反馈子系统根据监测到的所述待观察样品上的参考点的位置与所述周期性位移波动共同确定所述待观察样品上的参考点的位置变化情况。4.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述外部位置控制器具体用于根据所述参考点在预设周期内的位移，计算所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的输入位移量。5.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述插入式重复控制器和所述原始闭环位移控制子系统并联连接；所述插入式重复控制器包括谐波发生器、低通滤波器、衰减器和补偿控制器，所述谐波发生器、低通滤波器用于产生与所述系统同频率的周期性延时环节，所述衰减器用于调整所述位移补偿控制量的增益，所述补偿控制器用于产生所述位移补偿控制量；所述原始闭环位移控制子系统为基...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚万峰，王春宝，刘铨权，段丽红，申亚京，
申请(专利权)人：广东铭凯医疗机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44