一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统，由精密定位系统和计算机微视觉系统两部分组成，精密定位系统由按顺序依次相接的第一计算机、dSPACE控制器板、压电陶瓷控制器、压电陶瓷驱动器组成，所述计算机微视觉系统由变焦显微系统、CCD相机、第二计算机、精密定位载物台、运动控制卡组成，其中所述计算机微视觉系统的第二计算机是通过RS232串口与dSPACE控制器板相连接，所述压电陶瓷控制器是通过数字模拟转换器DAC接口和模拟数字转换器ADC接口与dSPACE控制器板相连接，所述压电陶瓷驱动器用于连接驱动柔顺机构平台。本实用新型专利技术的结构紧凑、抗干扰能力强、具有高分辨率，能够实现对多自由度柔顺机构平台全闭环实时在线控制。

A kind of micro nano micro vision positioning system based on controllable closed loop

The utility model discloses a micro nano positioning system based on micro vision closed-loop controlled by computer system, and precision positioning micro vision system composed of two parts, precision positioning system by the first computer, sequentially connected with the dSPACE controller board, piezoelectric ceramics, piezoelectric ceramic actuator controller, the computer micro vision the system is composed of a zoom microscope system, CCD camera, computer second, precision positioning stage, motion control card, wherein the computer micro vision system is the second computer through RS232 serial port and dSPACE control board is connected with the piezoelectric ceramic controller is connected through the digital analog converter DAC interface and analog to digital converter ADC interface and dSPACE controller board, the piezoelectric ceramic actuator for connecting a driving platform compliant mechanism. The utility model has the advantages of compact structure, strong anti-interference ability and high resolution, and can realize the full closed loop real-time online control of the platform of the multi degree of freedom compliant mechanism platform.

【技术实现步骤摘要】
一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统
本技术涉及精密定位系统的
，尤其是指一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统。
技术介绍
随着科技的不断发展，精密定位技术作为关键技术之一，在尖端工业和科学研究中越来越重要。与之相对应的精密定位系统，广泛应用在微型织造机械制造，半导体技术，超精密加工，生物工程，生命与医疗技术等领域中。作为精密定位系统中一个重要组成部分，微纳定位系统能够提供具有纳米级别分辨率的微米级步进位移。压电陶瓷驱动器具有分辨率高，响应快，体积小，推力大，无发热等优点。柔顺机构具有无滑动摩擦，不需润滑及分辨率高的优点。由压电陶瓷驱动的柔顺机构广泛应用于微纳定位系统。为了取得更好的定位精度和追踪精度，往往需要实现全平台的全闭环控制。常见的微纳定位系统采用电容传感器，激光干涉仪，激光位移传感器作为测量工具，提供反馈信号。目前将计算机微视觉系统作为测量工具用于微纳定位系统上还是很少的。计算机微视觉系统是集光学显微镜、视觉成像和计算机视觉技术为一体的可实现实时、可视化检测的测量平台。微视觉系统的构成主要包括光学显微镜、光源、摄像机、图像采集卡、精密定位载物台等硬件以及图像处理软件。其原理是通过显微镜和成像设备(CCD摄像机、图像采集卡等)把被测对象的图像采集到计算机，接着运用图像处理技术、计算机视觉或人工智能等技术对采集到的图像进行处理、识别等操作，从而完成微视觉系统所要求的任务。计算机微视觉具有以下几个优点：非接触的测量；具备多自由度测量能力；高的分辨率。其中具有多自由度测量能力是将此应用于微纳定位系统最大的优势。这种微视觉系统在微观测量、成像等领域有着广泛的应用。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统，该系统结构紧凑、抗干扰能力强、具有高分辨率，能够实现对多自由度柔顺机构平台全闭环实时在线控制。为实现上述目的，本技术所提供的技术方案为：一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统，由精密定位系统和计算机微视觉系统两部分组成，所述精密定位系统由按顺序依次相接的第一计算机、dSPACE控制器板、压电陶瓷控制器、压电陶瓷驱动器组成，所述计算机微视觉系统由变焦显微系统、CCD相机、第二计算机、精密定位载物台、运动控制卡组成，其中所述计算机微视觉系统的第二计算机是通过RS232串口与dSPACE控制器板相连接，所述压电陶瓷控制器是通过数字模拟转换器DAC接口和模拟数字转换器ADC接口与dSPACE控制器板相连接，所述压电陶瓷驱动器用于连接驱动柔顺机构平台，所述柔顺机构平台放置在精密定位载物台上，所述精密定位载物台通过运动控制卡与第二计算机连接，所述CCD相机连接第二计算机，用于采集变焦显微系统。所述dSPACE控制器板的型号为DS1104，集成有8个16位数字模拟转换器DAC接口、8个16位模拟数字转换器ADC接口、1个DigitalI/O接口、1个PWM接口、2个Inc接口、1个RS232串口接口和1个RS422/RS485接口。所述压电陶瓷控制器为芯明天XE‐501压电陶瓷控制器，包含有电压放大模块。所述压电陶瓷驱动器为芯明天PST150/7/60VS12压电陶瓷驱动器，内置有电阻应变片式传感器SGS。所述第一计算机为装有ControlDesk和Matlab软件的计算机。本技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：本技术采用了计算机微视觉系统测量动平台位姿，相比较激光位移传感器等传统传感器而言，具有多自由度测量能力，非接触的测量，高的分辨率等优点。另外，借助RS232串口通信，该微纳定位系统通过微视觉系统和dSPACE系统实现了对多自由度柔顺机构平台的全闭环在线控制，取得较高的定位精度。附图说明图1为本技术微纳定位系统的组成示意图。图2为本技术压电陶瓷驱动器自适应控制示意图。图3为本技术微纳定位系统全闭环控制示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本技术做进一步的说明。如图1所示，本实施例所提供的基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统，由精密定位系统和计算机微视觉系统两部分组成；精密定位系统由第一计算机1，dSPACEDS1104控制器板2、芯明天XE-501压电陶瓷控制器5，三个芯明天PST150/7/60VS12压电陶瓷驱动器6、7、8组成，其中XE-501压电控制器5包含有电压放大模块，压电陶瓷驱动器内置有电阻应变片式传感器(SGS)，dSPACEDS1104控制器板上集成有8个16位数字模拟转换器(DAC)接口4，8个16位模拟数字转换器(ADC)接口3，1个DigitalI/O接口，1个PWM接口，2个Inc接口，1个RS232串口接口17和1个RS422/RS485接口；所述第一计算机1为装有ControlDesk和Matlab软件的计算机。计算机微视觉系统包含x-y两轴精密定位载物台10，美国Navitar公司12XUltraZoom的变焦显微系统(配备50X显微镜头11，分光镜12，镜头透镜13，和BrightLightLED同轴照明器15)、德国AVT公司MantaG201CCD相机14，数据线17，第二计算机18，运动控制卡19。所述计算机微视觉系统的第二计算机是通过RS232串口16与dSPACEDS1104控制器板2相连接，所述压电陶瓷控制器5是通过三个数字模拟转换器(DAC)接口4和三个模拟数字转换器(ADC)接口3与dSPACEDS1104控制器板2相连接，所述压电陶瓷驱动器6、7、8用于连接驱动三自由度柔顺机构平台9。所述CCD相机14通过数据线17连接第二计算机18，用于采集变焦显微系统，所述三自由度柔顺机构平台9放置在x-y两轴精密定位载物台10上，所述x-y两轴精密定位载物台10通过运动控制卡19与第二计算机18连接。以下为本实施例上述微纳定位系统对柔顺机构平台的全闭环在线控制方法，其具体过程如下：1)设计压电陶瓷驱动器的自适应控制策略。图2给出了压电陶瓷驱动器的自适应控制方法，图中逆模型是改进的Prandtl-Ishinskii模型，其在离散域中表达式如下所示：其中算子Fri[y](t)如下所示Fri[y](t)＝max(y(t)-ri,min(y(t)+ri,Fri[y](t)))Fri[y](0)＝max(y(t)-ri,min(y(t)+ri,0))在上式中，H-1[y(t),r]＝[y(t),y(t)2,Fr1[y](t),...,Frn[y](t)]T和分别表示输出向量和权重向量，y(t)和v(t)分别表示压电陶瓷输入位移和输出电压，n代表阈值的个数，q和a是系数，ri表示第i个阈值，p(ri)表示第i个阈值对应的权重数，Fri[y](t)表示第i个阈值对应的算子值。t代表时间,满足tj<t≤tj+1，0≤j≤N-1，此外0＝t0＜t1＜…＜tN＝tE是时间区间[0,tE]的分划，以保证每一个时间子区间[tj,tj+1]上面的输入信号y(t)的单调性。在逆模型的基础上，采用最小均方算法设计自适应控制律，让权重向量在线更新，其中只需要系数q和a实时在线更新，其他参数值保持不变。图中yd(k),y(k)分别是理想输入位移和实际输出位移在离散域中表现形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统，其特征在于：由精密定位系统和计算机微视觉系统两部分组成，所述精密定位系统由按顺序依次相接的第一计算机、dSPACE控制器板、压电陶瓷控制器、压电陶瓷驱动器组成，所述计算机微视觉系统由变焦显微系统、CCD相机、第二计算机、精密定位载物台、运动控制卡组成，其中所述计算机微视觉系统的第二计算机是通过RS232串口与dSPACE控制器板相连接，所述压电陶瓷控制器是通过数字模拟转换器DAC接口和模拟数字转换器ADC接口与dSPACE控制器板相连接，所述压电陶瓷驱动器用于连接驱动柔顺机构平台，所述柔顺机构平台放置在精密定位载物台上，所述精密定位载物台通过运动控制卡与第二计算机连接，所述CCD相机连接第二计算机，用于采集变焦显微系统。

【技术特征摘要】
1.一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统，其特征在于：由精密定位系统和计算机微视觉系统两部分组成，所述精密定位系统由按顺序依次相接的第一计算机、dSPACE控制器板、压电陶瓷控制器、压电陶瓷驱动器组成，所述计算机微视觉系统由变焦显微系统、CCD相机、第二计算机、精密定位载物台、运动控制卡组成，其中所述计算机微视觉系统的第二计算机是通过RS232串口与dSPACE控制器板相连接，所述压电陶瓷控制器是通过数字模拟转换器DAC接口和模拟数字转换器ADC接口与dSPACE控制器板相连接，所述压电陶瓷驱动器用于连接驱动柔顺机构平台，所述柔顺机构平台放置在精密定位载物台上，所述精密定位载物台通过运动控制卡与第二计算机连接，所述CCD相机连接第二计算机，用于采集变焦显微系统。2.根据权利要求1所述的一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宪民，甘金强，李海，吴衡，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44