基于稠密光度信息的微纳定位平台位姿追踪与视觉引导定位研究

The heavy demand of compliant-mechanism-based micro-/nanopositioning platform in micro-/nanomanipulation technology makes it develop toward large stroke, ultra-high precision, and multi-degrees of freedom, which brings great challenges on its motion detection and servo control. This project proposes studies on pose tracking and servo control of the positioners based on dense photometric information. The main research contents are as follows. First, study the imaging model and calibration method of the magnification variable micro-vision imaging module whose field of view can be adjusted across scales. Second, study the general visual-pose tracking model based on dense photometric information and its solving strategy, establish the real-time precise transducing mechanism from dense photometric information to the pose parameters of the measured micro-/nanopositioning platform. Thirdly, consider the static/dynamic characteristics of the positioner and the constraints from the visual sensing module, study visual-guided positioning method of the platform under the dense photometric space considering multiple constraints. This project is expected to provide new solutions for the pose measurement and closed-loop control of the compliant-mechanism-based micro-/nanopositioner and offer theoretical and technical support for its application in the field of micro-/nanomanipulation.

基于柔顺机构的微纳定位平台在微纳操作技术中的大量需求使其向着大行程、超高精度与多自由度的方向发展，这给平台的运动检测和伺服控制带来了巨大挑战。针对上述问题，本项目拟开展基于稠密光度信息的微纳定位平台位姿追踪和视觉引导定位研究，主要内容包括：研究视场可跨尺度调整的变倍率微视觉成像模块的成像模型及其标定方法，建立由图像空间到被测量物理空间的精确映射模型；研究基于稠密光度信息的通用型视觉位姿追踪模型及其求解策略，建立由稠密光度信息到被测微纳定位平台末端位姿参数的实时精准转换机理；综合考虑定位平台静/动态特性以及视觉传感约束，研究平台在稠密光度空间和多约束条件下的视觉引导定位控制方法。项目成果可为柔顺微纳定位平台的位姿测量与闭环控制提供新方案，并为其在微纳操作自动化领域的应用提供理论和技术支持。

基于柔顺机构的微纳定位平台在微纳操作技术中的大量需求使其向着大行程、超高精度与多自由度的方向发展，这给平台的运动检测和伺服控制带来了巨大挑战。针对上述问题，本项目开展了基于稠密光度信息的微纳定位平台位姿追踪和定位控制研究。具体包括一下几方面的内容。（1）研究了微视觉测量系统的模型及标定方法：设计了两种高性能微视觉成像与测量系统，提出了基于机器学习方法的微视觉测量系统二次标定方法，有效解决了视觉测量系统重复测量精度高但绝对测量精度偏低问题。（2）研究了基于微视觉的微纳定位平台位姿在线追踪方法：提出了基于稠密光度信息的优化模板匹配追踪算法，并对影响算法测量精度、测量速度和计算效率的各种因素进行了系统研究，实现了对二/三自由度微定位平台位姿的实时追踪，测量频率可达200 Hz，线位移测量分辨率优于10 nm，角位移分辨率优于40 urad。（3）研究了微纳定位平台的视觉闭环控制方法：提出了基于区域稠密光度信息的无特征、低延时视觉引导定位控制策略，实现了对微纳定位平台的高精度点位伺服与轨迹伺服，解决了多自由度精密定位平台缺乏有效传感手段所导致的控制精度偏低问题。基于以上研究内容，项目发表相关学术论文17篇，申请发明专利4件。项目相关研究成果为柔顺微纳定位平台的位姿测量与闭环控制提供了新的方案。