本實(shí)用新型涉及精密定位系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種基于微視覺全閉環(huán)可控的微納定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科技的不斷發(fā)展，精密定位技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)之一，在尖端工業(yè)和科學(xué)研究中越來(lái)越重要。與之相對(duì)應(yīng)的精密定位系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在微型織造機(jī)械制造，半導(dǎo)體技術(shù)，超精密加工，生物工程，生命與醫(yī)療技術(shù)等領(lǐng)域中。作為精密定位系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分，微納定位系統(tǒng)能夠提供具有納米級(jí)別分辨率的微米級(jí)步進(jìn)位移。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有分辨率高，響應(yīng)快，體積小，推力大，無(wú)發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)。柔順機(jī)構(gòu)具有無(wú)滑動(dòng)摩擦，不需潤(rùn)滑及分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔順機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于微納定位系統(tǒng)。為了取得更好的定位精度和追蹤精度，往往需要實(shí)現(xiàn)全平臺(tái)的全閉環(huán)控制。常見的微納定位系統(tǒng)采用電容傳感器，激光干涉儀，激光位移傳感器作為測(cè)量工具，提供反饋信號(hào)。目前將計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)作為測(cè)量工具用于微納定位系統(tǒng)上還是很少的。

計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)是集光學(xué)顯微鏡、視覺成像和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)為一體的可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可視化檢測(cè)的測(cè)量平臺(tái)。微視覺系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括光學(xué)顯微鏡、光源、攝像機(jī)、圖像采集卡、精密定位載物臺(tái)等硬件以及圖像處理軟件。其原理是通過(guò)顯微鏡和成像設(shè)備(CCD攝像機(jī)、圖像采集卡等)把被測(cè)對(duì)象的圖像采集到計(jì)算機(jī)，接著運(yùn)用圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺或人工智能等技術(shù)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理、識(shí)別等操作，從而完成微視覺系統(tǒng)所要求的任務(wù)。計(jì)算機(jī)微視覺具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：非接觸的測(cè)量；具備多自由度測(cè)量能力；高的分辨率。其中具有多自由度測(cè)量能力是將此應(yīng)用于微納定位系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)。這種微視覺系統(tǒng)在微觀測(cè)量、成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于微視覺全閉環(huán)可控的微納定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)、具有高分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多自由度柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)全閉環(huán)實(shí)時(shí)在線控制。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案為：一種基于微視覺全閉環(huán)可控的微納定位系統(tǒng)，由精密定位系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)兩部分組成，所述精密定位系統(tǒng)由按順序依次相接的第一計(jì)算機(jī)、dSPACE控制器板、壓電陶瓷控制器、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器組成，所述計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)由變焦顯微系統(tǒng)、CCD相機(jī)、第二計(jì)算機(jī)、精密定位載物臺(tái)、運(yùn)動(dòng)控制卡組成，其中所述計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)的第二計(jì)算機(jī)是通過(guò)RS232串口與dSPACE控制器板相連接，所述壓電陶瓷控制器是通過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC接口和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC接口與dSPACE控制器板相連接，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器用于連接驅(qū)動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)，所述柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)放置在精密定位載物臺(tái)上，所述精密定位載物臺(tái)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡與第二計(jì)算機(jī)連接，所述CCD相機(jī)連接第二計(jì)算機(jī)，用于采集變焦顯微系統(tǒng)。

所述dSPACE控制器板的型號(hào)為DS1104，集成有8個(gè)16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC接口、8個(gè)16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC接口、1個(gè)DigitalI/O接口、1個(gè)PWM接口、2個(gè)Inc接口、1個(gè)RS232串口接口和1個(gè)RS422/RS485接口。

所述壓電陶瓷控制器為芯明天XE‐501壓電陶瓷控制器，包含有電壓放大模塊。

所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器為芯明天PST 150/7/60VS12壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置有電阻應(yīng)變片式傳感器SGS。

所述第一計(jì)算機(jī)為裝有Control Desk和Matlab軟件的計(jì)算機(jī)。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：

本實(shí)用新型采用了計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)測(cè)量動(dòng)平臺(tái)位姿，相比較激光位移傳感器等傳統(tǒng)傳感器而言，具有多自由度測(cè)量能力，非接觸的測(cè)量，高的分辨率等優(yōu)點(diǎn)。另外，借助RS232串口通信，該微納定位系統(tǒng)通過(guò)微視覺系統(tǒng)和dSPACE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多自由度柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)的全閉環(huán)在線控制，取得較高的定位精度。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型微納定位系統(tǒng)的組成示意圖。

圖2為本實(shí)用新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器自適應(yīng)控制示意圖。

圖3為本實(shí)用新型微納定位系統(tǒng)全閉環(huán)控制示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)施例所提供的基于微視覺全閉環(huán)可控的微納定位系統(tǒng)，由精密定位系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)兩部分組成；精密定位系統(tǒng)由第一計(jì)算機(jī)1，dSPACE DS1104控制器板2、芯明天XE-501壓電陶瓷控制器5，三個(gè)芯明天PST 150/7/60VS12壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6、7、8組成，其中XE-501壓電控制器5包含有電壓放大模塊，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置有電阻應(yīng)變片式傳感器(SGS)，dSPACE DS1104控制器板上集成有8個(gè)16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)接口4，8個(gè)16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)接口3，1個(gè)Digital I/O接口，1個(gè)PWM接口，2個(gè)Inc接口，1個(gè)RS232串口接口17和1個(gè)RS422/RS485接口；所述第一計(jì)算機(jī)1為裝有Control Desk和Matlab軟件的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)包含x-y兩軸精密定位載物臺(tái)10，美國(guó)Navitar公司12X Ultra Zoom的變焦顯微系統(tǒng)(配備50X顯微鏡頭11，分光鏡12，鏡頭透鏡13，和Bright Light LED同軸照明器15)、德國(guó)AVT公司Manta G201CCD相機(jī)14，數(shù)據(jù)線17，第二計(jì)算機(jī)18，運(yùn)動(dòng)控制卡19。所述計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)的第二計(jì)算機(jī)是通過(guò)RS232串口16與dSPACE DS1104控制器板2相連接，所述壓電陶瓷控制器5是通過(guò)三個(gè)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)接口4和三個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)接口3與dSPACE DS1104控制器板2相連接，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6、7、8用于連接驅(qū)動(dòng)三自由度柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)9。所述CCD相機(jī)14通過(guò)數(shù)據(jù)線17連接第二計(jì)算機(jī)18，用于采集變焦顯微系統(tǒng)，所述三自由度柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)9放置在x-y兩軸精密定位載物臺(tái)10上，所述x-y兩軸精密定位載物臺(tái)10通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡19與第二計(jì)算機(jī)18連接。

以下為本實(shí)施例上述微納定位系統(tǒng)對(duì)柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)的全閉環(huán)在線控制方法，其具體過(guò)程如下：

1)設(shè)計(jì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的自適應(yīng)控制策略。

圖2給出了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的自適應(yīng)控制方法，圖中逆模型是改進(jìn)的Prandtl-Ishinskii模型，其在離散域中表達(dá)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和分別表示輸出向量和權(quán)重向量，y(t)和v(t)分別表示壓電陶瓷輸入位移和輸出電壓，n代表閾值的個(gè)數(shù)，q和a是系數(shù)，r_i表示第i個(gè)閾值，p(r_i)表示第i個(gè)閾值對(duì)應(yīng)的權(quán)重?cái)?shù)，F(xiàn)r_i[y](t)表示第i個(gè)閾值對(duì)應(yīng)的算子值。t代表時(shí)間,滿足t_j<t≤t_j+1，0≤j≤N-1，此外0＝t₀＜t₁＜…＜t_N＝t_E是時(shí)間區(qū)間[0,t_E]的分劃，以保證每一個(gè)時(shí)間子區(qū)間[t_j,t_j+1]上面的輸入信號(hào)y(t)的單調(diào)性。

在逆模型的基礎(chǔ)上，采用最小均方算法設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制律，讓權(quán)重向量在線更新，其中只需要系數(shù)q和a實(shí)時(shí)在線更新，其他參數(shù)值保持不變。圖中y_d(k),y(k)分別是理想輸入位移和實(shí)際輸出位移在離散域中表現(xiàn)形式。向量q_K和a_K分別是權(quán)重向量q和a在離散域中表現(xiàn)形式，其具體在線更新如下所示：

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是系數(shù)，本實(shí)施例中設(shè)為0.55。

2)利用微視覺系統(tǒng)對(duì)柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，確定圖像坐標(biāo)與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)關(guān)系，并獲取平臺(tái)的輸入輸出關(guān)系矩陣。

在完成步驟1)后，結(jié)合Control Desk軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器控制在線自適應(yīng)控制。L₁,L₂,L₃分別代表1,2,3號(hào)壓電陶瓷輸入位移，輸入多組不同壓電陶瓷輸入位移，通過(guò)計(jì)算機(jī)微視覺獲取對(duì)應(yīng)圖片位移。最后通過(guò)Matlab離線標(biāo)定，確定圖像坐標(biāo)與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)關(guān)系，并獲取柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)的輸入輸出關(guān)系矩陣Q，其相關(guān)表達(dá)式如下所示：

其中x,y和theta分別是柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)x方向位移，y方向位移，以及繞x-y平面的轉(zhuǎn)角。

3)設(shè)計(jì)微納定位系統(tǒng)全閉環(huán)控制程序，完成計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)與dSPACE通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)的全閉環(huán)在線控制。

在完成步驟2)中的平臺(tái)標(biāo)定后，獲取圖像坐標(biāo)與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)關(guān)系，采用C語(yǔ)言編寫的S函數(shù)完成計(jì)算機(jī)微視覺系統(tǒng)與dSPACE串口通訊，從而實(shí)現(xiàn)微視覺系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)位移信號(hào)在線反饋。隨后在Simulink模板中利用步驟2)中柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)的輸入輸出關(guān)系逆矩陣Q^-1，并結(jié)合步驟1)中自適應(yīng)控制，設(shè)計(jì)整個(gè)微納定位系統(tǒng)閉環(huán)控制策略，如圖3所示。由于本實(shí)施例中柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度太小，因此只考慮x、y兩個(gè)方向的位移。和0)分別是理想輸入位姿和實(shí)際輸入位姿，它們之前的位姿偏差e(t)如下所示：

為了獲取更好閉環(huán)控制效果，將偏差信號(hào)e(t)進(jìn)行開關(guān)函數(shù)處理后得到修正后偏差e'(t)，如下所示：

其中δ是一個(gè)邊界值，在本實(shí)施例中設(shè)為0.4。

最后借助dSPACE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)柔順機(jī)構(gòu)平臺(tái)在x和y兩個(gè)方向?qū)崟r(shí)在線閉環(huán)控制。

以上所述實(shí)施例只為本實(shí)用新型之較佳實(shí)施例，并非以此限制本實(shí)用新型的實(shí)施范圍，故凡依本實(shí)用新型之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。