基于显微视觉的微操作系统及其伺服控制研究

论文摘要

由于MEMS（微机电系统）、生物医学工程、精密光学工程和超精密加工等领域的快速发展,迫切需要能够实现微米级、甚至纳米级精密定位系统,各种大行程精密定位系统应运而生。上世纪80年代的中后期,国内外学者相继开展了宏/微双驱动微操作系统的开发研究。经过近20年的探索,不论是从理论还是从应用,都证明了宏/微双驱动微操作系统在很多方面的性能优于传统的采用单一驱动方式的微操作系统。本文在阅读大量的相关文献资料的基础上,致力于基于机器视觉的宏/微双驱动微操作系统、序列图像清晰度评价、图像融合、显微视觉伺服控制等的研究。利用混合电机和丝杠机构的行程长、驱动力大等特点来构成微操作系统的宏动部分;而利用压电陶瓷（PZT）的响应速度快、精度高、无摩擦等特点制作的压电驱动器来构成微动部分。微操作系统既实现了大行程,又达到很高的定位精度。针对目前很多微操作系统的协调控制难的缺点,提出了利用机器视觉来协调宏动和微动的各自控制部分。将微操作系统的末端执行工具与目标部件的距离作为控制阈值,大于阈值时启动宏动驱动器进行驱动和控制;小于阈值时启动压电驱动器进行驱动和控制。本文以生物工程中的细胞注射操作为应用背景,设计了机器视觉系统,并对各项关键技术进行了系统深入的研究。由于将宏/精微操作系统与采用基于图像模式的视觉伺服控制系统相结合,提高了整体微操作系统的移动速度、距离和控制精度,解决了实际工程中遇到的移动位移小、定位精度低以及控制难等问题。最后作为此宏/微双驱动微操作系统的应用,以模拟生物工程中的细胞注射操作为例,对微操作系统的硬件和软件系统进行整体的系统测试。结果证明本系统的识别、跟踪、定位及控制都达到了预期的目的。本文由国家高技术研究发展计划项目（863计划）《多自由度压电精密驱动器》（项目编号:2002AA423150）、国家自然科学基金重点项目《压电精密致动技术基础研究》（项目编号:50735002）和长春市新星创业基金《压电步进驱动器的开发及应用》（项目编号:04-08XC279）提供资助,是这三个项目研究工作的一部分。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 基于宏/微双精度驱动台的微操作机器人概述
• 1.3 显微视觉技术在微操作中的应用
• 1.3.1 显微镜头自动调焦技术
• 1.3.2 显微图像融合技术
• 1.3.3 显微视觉伺服控制技术
• 1.4 课题的来源及主要研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 微操作系统的构建研究
• 2.1 引言
• 2.2 微操作系统的功能及组成结构
• 2.2.1 微操作系统功能概述
• 2.2.2 微操作系统的组成结构
• 2.2.3 宏/微双精度驱动台模块
• 2.2.4 显微视觉系统
• 2.2.5 吸液管模块（夹持器）
• 2.2.6 注射针模块（操作器）
• 2.3 系统的标定
• 2.3.1 视觉反馈系统的组成及控制策略
• 2.3.2 基于图像的视觉反馈控制策略
• 2.4 本章小结
• 第3章 图像清晰度评价函数及其应用
• 3.1 引言
• 3.2 理想图像清晰度评价函数的特点
• 3.2.1 自动调焦精度
• 3.2.2 分辨率
• 3.3 图像清晰度及传统的图像清晰度评价函数
• 3.4 小波变换及基于小波变换的清晰度评价函数
• 3.4.1 小波变换
• 3.4.2 二维小波变换和多分辨率分析
• 3.5 基于二维小波变换的图像清晰度评价函数
• 3.5.1 基于小波变换清晰度评价函数的提出
• 3.5.2 小波基的选取及分解参数确定
• 3.6 不同清晰度评价函数的性能比较
• 3.7 实验结果分析
• 3.8 显微视觉系统的自动聚焦
• 3.8.1 基于目标选择的自动聚焦
• 3.8.2 清晰度评价函数在接触碰撞控制中的应用
• 3.9 本章小结
• 第4章 图像融合技术在微操作中的应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 显微成像特征分析
• 4.3 显微图像融合算法
• 4.3.1 融合规则
• 4.3.2 经典的融合算法
• 4.3.3 基于小波变换的融合算法
• 4.4 提升小波变换的图像融合算法处理第一类目标
• 4.4.1 提升方法的基本步骤
• 4.4.2 图像提升小波变换的融合步骤
• 4.4.3 图像的融合规则和融合算子
• 4.5 基于图像清晰度的第二类目标的图像融合技术
• 4.6 图像融合性能的评价和分析
• 4.7 图像融合算法性能比较与融合实例
• 4.8 本章小结
• 第5章 显微视觉伺服控制系统的设计
• 5.1 引言
• 5.2 机器视觉发展、分类简介
• 5.3 常用的三种显微视觉伺服的控制结构
• 5.4 本系统的显微视觉伺服控制
• 5.4.1 视觉系统的总体概述
• 5.4.2 宏动部分的模块设计
• 5.4.3 微动部分的模块设计
• 5.4.4 图像采集以及处理系统
• 5.4.5 坐标变换系统
• 5.5 已知形状的目标的运动规划及视觉识别和跟踪的实现
• 5.6 未知形状或已知形状但形状可能发生变化的目标的跟踪识别
• 5.6.1 图像抠图技术简介
• 5.6.2 图像抠图技术在运动目标跟踪中的应用
• 5.7 本章小结
• 第6章 双精度驱动台控制实验
• 6.1 宏动电机的驱动电路
• 6.1.1 伺服电机控制电路
• 6.1.2 步进电机控制电路
• 6.2 微动台控制电路
• 6.2.1 压电步进精密驱动器的控制时序
• 6.3 压电步进精密驱动器的控制系统原理
• 6.4 高精密压电驱动电路设计
• 6.4.1 稳压电源设计
• 6.4.2 电压和功率放大电路
• 6.5 微操作系统实验
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论
• 7.1 结论
• 7.2 论文创新点
• 7.3 未来需要深入研究的几个方面
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的学术论文
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢