一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统的制作方法

本实用新型涉及精密定位系统的技术领域，尤其是指一种基于微视觉全闭环可控的微纳定位系统。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型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，本实用新型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PST 150/7/60VS12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Control Desk和Matlab软件的计算机。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本实用新型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为本实用新型微纳定位系统的组成示意图。

图2为本实用新型压电陶瓷驱动器自适应控制示意图。

图3为本实用新型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实用新型做进一步的说明。

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，dSPACE DS1104控制器板2、芯明天XE-501压电陶瓷控制器5，三个芯明天PST 150/7/60VS12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)，dSPACE DS1104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Digital I/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Control Desk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12X Ultra Zoom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Bright Light LED同轴照明器15)、德国AVT公司Manta G201CCD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dSPACE DS1104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dSPACE DS1104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Fr_i[y](t)如下所示

Fr_i[y](t)＝max(y(t)-r_i,min(y(t)+r_i,Fr_i[y](t)))

Fr_i[y](0)＝max(y(t)-r_i,min(y(t)+r_i,0))

在上式中，H^-1[y(t),r]＝[y(t),y(t)²,Fr₁[y](t),...,Fr_n[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，r_i表示第i个阈值，p(r_i)表示第i个阈值对应的权重数，Fr_i[y](t)表示第i个阈值对应的算子值。t代表时间,满足t_j<t≤t_j+1，0≤j≤N-1，此外0＝t₀＜t₁＜…＜t_N＝t_E是时间区间[0,t_E]的分划，以保证每一个时间子区间[t_j,t_j+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y_d(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式。向量q_K和a_K分别是权重向量q和a在离散域中表现形式，其具体在线更新如下所示：

q_k+1＝q_k+2μ·(y_d(k)-y(k))·y_d(k))

a_k+1＝a_k+2μ·(y_d(k)-y(k))·y_d(k)²

其中μ是系数，本实施例中设为0.55。

2)利用微视觉系统对柔顺机构平台进行标定，确定图像坐标与平台运动坐标关系，并获取平台的输入输出关系矩阵。

在完成步骤1)后，结合Control Desk软件，实现对三个压电陶瓷驱动器控制在线自适应控制。L₁,L₂,L₃分别代表1,2,3号压电陶瓷输入位移，输入多组不同压电陶瓷输入位移，通过计算机微视觉获取对应图片位移。最后通过Matlab离线标定，确定图像坐标与平台运动坐标关系，并获取柔顺机构平台的输入输出关系矩阵Q，其相关表达式如下所示：

其中x,y和theta分别是柔顺机构平台x方向位移，y方向位移，以及绕x-y平面的转角。

3)设计微纳定位系统全闭环控制程序，完成计算机微视觉系统与dSPACE通信协议，实现对柔顺机构平台的全闭环在线控制。

在完成步骤2)中的平台标定后，获取图像坐标与平台运动坐标关系，采用C语言编写的S函数完成计算机微视觉系统与dSPACE串口通讯，从而实现微视觉系统对平台位移信号在线反馈。随后在Simulink模板中利用步骤2)中柔顺机构平台的输入输出关系逆矩阵Q^-1，并结合步骤1)中自适应控制，设计整个微纳定位系统闭环控制策略，如图3所示。由于本实施例中柔顺机构平台旋转角度太小，因此只考虑x、y两个方向的位移。和0)分别是理想输入位姿和实际输入位姿，它们之前的位姿偏差e(t)如下所示：

为了获取更好闭环控制效果，将偏差信号e(t)进行开关函数处理后得到修正后偏差e'(t)，如下所示：

其中δ是一个边界值，在本实施例中设为0.4。

最后借助dSPACE系统实现对柔顺机构平台在x和y两个方向实时在线闭环控制。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。