CN108563246B - 显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法，该系统包括：旋转控制台、第一、第二平移控制台、样品台、视觉反馈子系统、驱动器、和双闭环定位控制系统，第一、第二平移控制台的运动方向与所述旋转控制台的旋转轴垂直；双闭环定位控制系统包括：外部位置控制器计算内环输入位移量；第一、第二平移控制台的位移闭环控制子系统包括：插入式重复控制器根据输入位移量与反馈位移量的误差计算位移补偿控制量；原始闭环位移控制子系统根据输入位移量与反馈位移量的误差计算位移控制量，并结合位移补偿控制量来控制驱动器驱动第一、第二平移控制台进行位移。提高显微镜下微纳米尺度样本的旋转定位精度，大大改善了样品的显微成像效果。

Description

显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法

技术领域

本发明实施例涉及显微镜技术，尤其涉及一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法。

背景技术

随着微纳米技术的飞速发展，微观尺度下的样本定位技术作为显微镜下精确成像和原位精确表征的关键技术之一，越来越多的引起了人们的广泛关注。微观尺度与宏观尺度所不同的是，显微镜环境下的样品面临着一些独特的挑战，包括狭窄的工作空间，有限的观察视场以及很少的感测方法和未知的深度信息。因此，微纳尺度下的高精度定位需求为传统的微纳米操作系统和技术带来了新的要求。

目前，大多数微纳米操作系统只能观察在显微镜下线性运动的样本，而旋转运动样本的观察很少被解决。与线性定位相比，旋转定位对微纳米操作系统的要求非常严格，因为如果样本具有一点微小偏心量，则小的旋转角度可能导致显微镜下样本的大位移变化。在现实的实践操作中将样品装配在绝对旋转中心是非常困难的。另外，即使微纳米机器人操作平台的小的固有振动也将导致样品在微纳米尺度处的明显的径向位移波动。因此，对于旋转微纳米操作平台，样品的径向波动在显微镜下样品旋转时始终存在，这些样本的波动特征不可避免地带来图像模糊、变形，甚至使样品移出显微镜的观察视野，从而导致样本成像和操作的失败。因此，旋转样品的高精度定位仍然是显微镜环境下高柔性微纳米操作的瓶颈。

发明内容

本发明提供一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统和控制方法，以显微镜下微纳米尺度样本的旋转定位精度，大大改善了样品的显微成像效果。

第一方面，本发明实施例提供一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统，包括：旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台、样品台、视觉反馈子系统、驱动器和双闭环定位控制系统；

旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台均由微纳米电机控制；

第一平移控制台安装在旋转控制台上，第二平移控制台安装在第一平移控制台上，第一平移控制台与第二平移控制台的运动方向垂直，且第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向与旋转控制台的旋转轴垂直；

样品台用于放置显微镜待观察样品，样品台连接于第二平移控制台，且位于旋转控制台的旋转轴上，并垂直于第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向；

旋转控制台用于带动样品台绕旋转控制台的旋转轴匀速旋转；

视觉反馈子系统用于实时监测样品台上的待观察样品的成像坐标位置，通过像素当量计算，确定待观察样品在旋转过程中，待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量；

双闭环定位控制系统包括外部位置控制器、内环的第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统；外部位置控制器通过整个系统输入位置与视觉反馈子系统反馈的样本空间位置的位置误差，并通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量；第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统的结构相同，均包括插入式重复控制器和原始闭环位移控制子系统；插入式重复控制器用于根据内环输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算位移补偿控制量；原始闭环位移控制子系统用于根据输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移控制量，并结合位移补偿控制量控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移

在第一方面一种可能的实现方式中，定位控制系统还包括前馈补偿器，前馈补偿器用于将参考点的初始位置作为位移闭环控制子系统的补偿输入。

在第一方面一种可能的实现方式中，定位控制系统还包括扰动观测器，扰动观测器用于跟踪旋转控制台的转动，估计旋转控制台转动对待观察样品在第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向的周期性位移波动，将周期性位移波动输入视觉反馈子系统，使视觉反馈子系统根据监测到的待观察样品上的参考点的位置与周期性位移波动共同确定待观察样品上的参考点的位置变化情况。

在第一方面一种可能的实现方式中，外部位置控制器具体用于根据参考点在预设周期内的位移，计算第一平移控制台和第二平移控制台的输入位移量。

在第一方面一种可能的实现方式中，插入式重复控制器和原始闭环位移控制子系统并联连接；

插入式重复控制器包括谐波发生器、低通滤波器、衰减器和补偿控制器，谐波发生器、低通滤波器用于产生与系统同频率的周期性延时环节，衰减器用于调整位移补偿控制量的增益，补偿控制器用于产生位移补偿控制量；

原始闭环位移控制子系统为基于PID的直线位移控制器闭环系统，包括直线位移定位器和位移控制器，直线位移定位器用于根据输入位移量与位移补偿控制量的误差，计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移，位移控制器用于控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。

第二方面，本发明实施例提供一种显微镜下的旋转定位平台的控制方法，用于对显微镜内旋转的待观察样品进行定位控制；

其中，显微镜内包括旋转控制台、第一平移控制台、第二平移控制台、样品台和视觉反馈系统，旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台均由微纳米电机控制；第一平移控制台安装在旋转控制台上，第二平移控制台安装在第一平移控制台上，第一平移控制台与第二平移控制台的运动方向垂直，且第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向与旋转控制台的旋转轴垂直；样品台用于放置显微镜待观察样品，样品台连接于第二平移控制台，且位于旋转控制台的旋转轴上，并垂直于第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向；旋转控制台用于带动样品台绕旋转控制台的旋转轴匀速旋转；视觉反馈子系统用于实时监测样品台上的待观察样品；

方法包括：

当旋转控制台带动样品台绕旋转控台的旋转轴匀速转动时，通过视觉反馈子系统确定待观察样品在旋转过程中，待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量；

根据参考点的位置变化情况，通过基于旋转坐标系的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量；

根据输入位移量与反馈位移量的误差计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移补偿控制量；

结合位移控制量和位移补偿控制量，控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。

在第二方面一种可能的实现方式中，方法还包括：

将参考点的初始位置作为补偿输入；

结合位移控制量和位移补偿控制量，控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移，包括：

结合输入位移量、位移补偿控制量和补偿输入，控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。

在第二方面一种可能的实现方式中，方法还包括：

跟踪旋转控制台的转动，估计旋转控制台转动对待观察样品在第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向的周期性位移波动；

将周期性位移波动输入视觉反馈子系统，使视觉反馈子系统根据监测到的待观察样品上的参考点的位置与周期性位移波动共同确定待观察样品上的参考点的位置变化情况。

在第二方面一种可能的实现方式中，根据参考点的位置变化情况，通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量，包括：

根据参考点在预设周期内的位移，通过旋转坐标系计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量。

在第二方面一种可能的实现方式中，根据输入位移量与反馈位移量的误差计算位移补偿控制量，包括：

产生与系统同频率的周期性延时环节，通过调整增益，产生位移补偿控制量。

本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制系统和方法，通过旋转控制台以及与旋转控制台的旋转轴垂直的两个平移控制台组成的三个自由度的控制系统，对显微镜的样品台进行位移控制，当旋转控制台带动样品台匀速转动时，通过视觉反馈子系统监测待观察样品的位置变化情况，并采用外部控制器和由插入式重复控制器以及原始闭环位移控制子系统组成的位移闭环控制子系统共同组成的定位控制系统对两个平移控制台进行位移控制，使得样品台上的待观察样品能够在绕旋转轴匀速转动时始终维持在显微镜的物镜观察区域内，提高了显微镜下微纳米尺度样本的旋转定位精度，大大改善了样品的显微成像效果。

附图说明

图1为微纳米尺度下显微镜观察旋转样品的示意图；

图2为本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制系统实施例一的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制系统实施例二的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制系统实施例三的结构示意图；

图5为坐标转换示意图；

图6为本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制方法实施例一的流程图；

图7为本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制方法实施例二的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

显微镜已经可以观察微纳米尺度下的样品，由于微纳米尺度下，对显微镜下样品的操作和控制精度要求很高，因此需要研究微纳米精度的操作系统。目前，对于线性运动的样品，已经有很多操作系统可以实现微纳米精度的操作。但对于旋转运动样本的观察，还没有微纳米精度的操作系统能够很好地解决样品在旋转中偏移的问题。这是由于样品的很难装配在绝对旋转中心，另外，在样品旋转中，操作系统很小的固有振动也会导致样品在微纳米尺度下产生明显的径向位移。如图1所示，图1为微纳米尺度下显微镜观察旋转样品的示意图。在微纳米尺度下，样品的旋转导致明显的位移，甚至可能使样品移出显微镜的观察视野，从而可能导致样品的成像失败。

图2为本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制系统实施例一的结构示意图，如图2所示，本实施例提供的显微镜旋转定位控制系统包括：旋转控制台21、第一平移控制台22和第二平移控制台23、样品台24、视觉反馈子系统25、驱动器26和定位控制系统27。

旋转控制台21、第一平移控制台22和第二平移控制台23均由微纳米电机控制；第一平移控制台22安装在旋转控制台21上，第二平移控制台23安装在第一平移控制台22上，第一平移控制台22与第二平移控制台23的运动方向垂直，且第一平移控制台22和第二平移控制台23的运动方向与旋转控制台21的旋转轴垂直。样品台24用于放置显微镜待观察样品，样品台24连接于第二平移控制台23，且位于旋转控制台21的旋转轴上，并垂直于第一平移控制台22和第二平移控制台23的运动方向。

在显微镜下，需被观察的样品放置于样品台24上，进一步地，被观察的样品放置于显微镜的物镜可视区域中心。为了对样品进行全面的观察，需要对其进行旋转观察，那么样品台24连接于旋转控制台21，且样品台24位于旋转控制台21的旋转轴上。这样当旋转控制台21转动时，可带动样品台24转动，从而放置在样品台24上的被观察样品也转动，这样显微镜就可以观察到样品在旋转状态下各个面上的形态。在被观察样品的尺度很小时，例如在微纳米尺度，显微镜的放大倍数需要很高，那么物镜的观察范围很小，样品的微小偏移都会对观察产生影响，甚至导致样品移除显微镜的观察范围。而样品放置在样品台24上时，与旋转控制台21的旋转轴完全重合时，才能使样品在转动时始终位于显微镜的观察中心。但在微纳米尺度下，将样品放置的与旋转控制台21的旋转轴完全重合几乎是不可能完成的。在旋转控制台21旋转的过程中，固有的振动也会导致样品在微纳米尺度下产生明显的径向位移波动。因此，为了消除样品在旋转控制台21上进行转动时产生的位移，在旋转控制台21和样品台24之间设置有第一平移控制台22和第二平移控制台23，其中，第一平移控制台22安装在旋转控制台21上，第二平移控制台23安装在第一平移控制台22上，第一平移控制台22与第二平移控制台23的运动方向垂直，且第一平移控制台22和第二平移控制台23的运动方向与旋转控制台21的旋转轴垂直，样品台24连接于第二平移控制台23，并垂直于第一平移控制台22和第二平移控制台23的运动方向。

其中，旋转控制台21、第一平移控制台22和第二平移控制台23均由微纳米电机控制，从而确保旋转控制台21、第一平移控制台22和第二平移控制台23均能在微纳米尺度被控制。第一平移控制台22和第二平移控制台23的运动方向垂直于旋转控制台21的旋转轴，且运动方向相互垂直，这样第一平移控制台22和第二平移控制台23的运动方向就在一个平面上，与旋转控制台21组成了一个三维的坐标系。将喜欢转控制台21的旋转轴方向作为Z方向，第一平移控制台22的运动方向作为X方向，第二平移控制台23的运动方向作为Y方向。旋转控制台21在旋转的过程中，只会在XY平面产生位移，因此，在样品产生位移后，通过调整第一平移控制台22和第二平移控制台22，带动样品台24在XY平面上运动，即可消除样品在旋转过程中产生的位移。由于被观察样品在转动的过程中，导致其产生位移的因素较多，因此对第一平移控制台22和第二平移控制台23的控制也较为复杂，下面将对具体的控制方法进行详述。

在对样品台上放置的待观察样品进行旋转观察时，需要使其匀速旋转，才能使得观察结果较为准确，因此，旋转控制台用于带动样品台绕旋转控制台的旋转轴匀速旋转。为了确定被观察样品是否产生了径向位移，以及对第一平移控制台22和第二平移控制台23的修正是否解决了被观察样品的径向位移，本实施例所示的系统中还包括视觉反馈子系统25，视觉反馈子系统25用于实时监测样品台24上的待观察样品，确定待观察样品在旋转过程中，待观察样品上的参考点的位置变化情况。视觉反馈子系统25可以由显微镜本身的成像系统对待观察样品进行成像，在待观察样品上选择一个参考点，该参考点可以是待观察样品上的任一点。视觉反馈子系统25通过对成像的待观察样品进行分析后，可以确定待观察样品上的参考点的位置变化轨迹。一般地，对待观察样品进行周期性控制，那么视觉反馈子系统25周期性地确定待观察样品上参考点的位置变化情况，得到反馈位移量。反馈位移量用于对第一平移控制台22和第二平移控制台23的位移进行反馈修正。

定位控制系统27用于根据视觉反馈子系统25反馈的信息，控制驱动器26驱动第一平移控制台22和第二平移控制台23进行位移。其中，定位控制系统27包括外部位置控制器31和位移闭环控制子系统32，外部位置控制器31通过整个系统输入位置与视觉反馈子系统25反馈的样本空间位置的位置误差，并通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台22的输入位移量和第二平移控制台23的输入位移量。位移闭环控制子系统32分别为内环的第一平移控制台的位移闭环控制子系统32和第二平移控制台的位移闭环控制子系统32。第一平移控制台22的位移闭环控制子系统32和第二平移控制台23的位移闭环控制子系统32的结构相同。

视觉反馈子系统25为待观察样品成像后，确定待观察样品上的参考点的位置信息，并且与上一个周期的参考点的位置进行比对，确定参考点的位移。根据该位移，即可计算出第一平移控制台22和第二平移控制台23的位移量，即将参考点移动上一周期参考点位置的位移量。

由于待观察样品在旋转的过程中，是持续进行旋转的，若仅根据视觉反馈子系统25反馈的参考点位置去调整第一平移控制台22和第二平移控制台23的位移量，那么当第一平移控制台22和第二平移控制台23完成位移后，待观察样品实际又发生了旋转，那么参考点的位置可能又产生了位移。若每次仅根据视觉反馈子系统25反馈的参考点位置去对第一平移控制台22和第二平移23的位移量进行控制，则需要进行持续的调整，参考点的位置偏差也不会出现收敛，持续性的调整仍然会对待观察样品的观察产生影响。

因此，本实施例中采用位移闭环控制子系统32对第一平移控制台22和第二平移控制台23的位移进行闭环控制，使得对第一平移控制台22和第二平移控制台23的位移量的调整是一个收敛的过程，使得待观察样品在被旋转过程中产生的径向位移逐渐减小。位移闭环控制子系统32包括插入式重复控制器33和原始闭环位移控制子系统34，插入式重复控制器33用于根据内环输入位移量与驱动器26反馈位移量的误差计算位移补偿控制量；原始闭环位移控制子系统34用于根据输入位移量与驱动器26反馈位移量的误差计算第一平移控制台22和第二平移控制台23的位移控制量，并结合位移补偿控制量控制驱动器26驱动第一平移控制台22和第二平移控制台23进行位移。

插入式重复控制器33为一种重复控制器(Repetitive Control，RC)，RC是一种基于内部模型原理的学习结构，对于跟踪已知周期的周期性轨迹或抑制已知周期的周期性干扰是非常有效的。而对于本实施例中的待观察样品，被放置在样品台24上且匀速转动时，在X方向和Y方向的位移是由于旋转控制台21的周期性扰动产生的，因此采用插入式重复控制器33可以周期性跟踪由旋转控制台21产生的误差，从而可以消除该周期性的扰动。而原始闭环位移控制子系统34根据外部位置控制器31计算出的位移量和插入式重复控制器33计算出的位移补偿控制量控制驱动器26驱动第一平移控制台22和第二平移控制台23进行位移。

由于待观察样品在持续的被旋转控制台21带动旋转，在第一平移控制台22和第二平移控制台23进行了位移后，待观察样品再次进行转动仍然可能导致待观察样品的参考点在XY平面产生径向移动。那么视觉反馈子系统25实时监测待观察样品的参考点的位移，周期性地重复对第一平移控制台22和第二平移控制台23进行位移调整，从而可以使得被观察样品始终位于显微镜的物镜观察范围中心，提高了对待观察样品的成像效果。

本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制系统，通过旋转控制台以及与旋转控制台的旋转轴垂直的两个平移控制台组成的三个自由度的控制系统，对显微镜的样品台进行位移控制，当旋转控制台带动样品台匀速转动时，通过视觉反馈子系统监测待观察样品的位置变化情况，并采用外部控制器和由插入式重复控制器以及原始闭环位移控制子系统组成的位移闭环控制子系统共同组成的定位控制系统对两个平移控制台进行位移控制，使得样品台上的待观察样品能够在绕旋转轴匀速转动时始终维持在显微镜的物镜观察区域内，提高了显微镜下微纳米尺度样本的旋转定位精度，大大改善了样品的显微成像效果。

图3为本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制系统实施例二的结构示意图，如图3所示，本实施例提供的显微镜旋转定位控制系统在图2的基础上，定位控制系统27还包括：前馈补偿器35。

待观察样品上的参考点是随机选取的，那么随机选取的参考点的位置对于判断待观察样品在旋转过程中的变化情况同样具有影响。因此在选取了参考点后，由前馈补偿器35确定参考点的初始位置，并将其作为位移闭环控制子系统32的补偿输入。位移闭环控制子系统32根据前馈补偿器35输入的补偿输入，可以加快对第一平移控制台22和第二平移控制台23位移控制计算的收敛，使得显微镜能够更快地对待观察样品进行稳定成像。

进一步地，如图3所示，定位控制系统27还包括扰动观测器36，扰动观测器36用于跟踪旋转控制台21的转动，估计旋转控制台21转动对待观察样品在第一平移控制台22和第二平移控制台23的运动方向的周期性位移波动。由于旋转控制台21在带动样品台24转动时，不可避免的会对样品台24产生轻微的位移波动，该位移波动是周期性变化的。该位移波动可以看作是样本定位控制的加性干扰噪声，根据对旋转控制台21的旋转进行分析，可以估计出旋转控制台21对样品台24产生的位移波动。将周期性位移波动输入视觉反馈子系统25，使视觉反馈子系统25根据监测到的待观察样品上的参考点的位置与周期性位移波动共同确定待观察样品上的参考点的位置变化情况，这样就可以将旋转控制台21对样品台24产生的位移波动消除，进一步地提高显微镜对旋转待观察样品的成像定位精度。

图2和图3示出了本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制系统的结构示意图，下面以图3所示显微镜旋转定位控制系统为例，对本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制系统的工作原理进行进一步详细说明。

图4为本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制系统实施例三的结构示意图，在图4中仅示出图3中定位控制系统27的具体结构示意图。

如图4所示，由于需要对第一平移控制台22和第二平移控制台23分别进行位移调整，因此位移闭环控制子系统32实际为两个相同的子系统，分别用于对第一平移控制台22和第二平移控制台23进行控制。其中，对于每一个位移闭环控制子系统32，插入式重复控制器33和原始闭环位移控制子系统34并联连接。插入式重复控制器33包括谐波发生器41、低通滤波器42、增益调整器43和补偿控制器44，谐波发生器41、低通滤波器42用于产生与系统同频率的周期性延时环节，增益调整器43用于调整位移补偿控制量的增益，补偿控制器44用于产生位移补偿控制量。原始闭环位移控制子系统34包括直线位移定位器45和位移控制器46，直线位移定位器45用于根据输入位移量与位移补偿控制量的误差，计算第一平移控制台22和第二平移控制台23的位移，位移控制器46用于控制第一平移控制台22和第二平移控制台23进行位移。

由于与第一平移控制台22和第二平移控制台23连接的位移闭环控制子系统32结构相同，对第一平移控制台22和第二平移控制台23进行位移调整的方法也相同，下面仅以对第一平移控制台22进行调整为例，对本发明实施例提供的系统的具体工作方法进行说明。

首先，由于待观察样本在旋转过程中，其偏移量R一直是变化的，因此，为了建立更加精确的样本运动模型，需要对偏移量R进行实时估计。为了便于表示，将旋转控制台21、第一平移控制台22和第二平移控制台23的运动方向在笛卡尔空间中组成一个新的坐标系，即将传统的三维坐标系转换为{Sx-Pn-Sy}坐标系。如图5所示，图5为坐标转换示意图，假设样品参考点的初始位置为P0，

和P_n分别是样本在第

和第n采样时刻的位置。

和Δx_n分别是P0和

之间以及P₀和P_n之间的距离，假设R在t采样时间内不变，那么可以得到：

公式(1)可重写为：

ΔX＝R·A×Ψ (2)

其中，

对公式(2)进一步推到得到，样本偏移半径的估计值

可以表示为：

进一步地推倒后，可以得出，样本在x和y轴的运动位移

和

可实时地估计为：

前馈补偿器35采用坐标变换将参考点的位置转换为位移闭环控制子系统32的补偿输入，定义图5所示空间中的一点作为样本的参考点P^*＝(x^* y^* z^*)，旋转控制台21旋转n时刻后，坐标系{Sx-Pn-Sy}旋转到θ_n＝nωT_s角度，参考点的新位置为P_n＝(x_n y_n z_n)，此时样本位置与参考点位置的夹角为θ_n，那么参考点相对于旋转坐标系{Sx-Pn-Sy}的新坐标可以表示为：

u_sx＝x*cos θ_n-y*sin θ_n

u_sy＝x*sin θ_n+y*cos θ_n (6)

将公式6作为反馈补偿器35的控制律，产生u_sx和u_sy作为位移闭环控制子系统32的补偿输入。

外部位置控制器31将样本的旋转位移误差转换为{Sx-Pn-Sy}坐标系的控制量，其中，从而图5中可以得出，Pn和P0两点的位置误差为：

由于视觉反馈子系统25只能观察到样本的水平方向位移Δx_n，而不能测得垂直方向的深度位移Δy_n，因此，需要对垂直方向的位移进行实时估计。

由于Δx_n和Δy_n是定义在XY平面中的，而位移闭环控制子系统32是在{Sx-Pn-Sy}坐标系中进行位移计算的，因此，需要将Δx_n和Δy_n转换到{Sx-Pn-Sy}坐标系的(e_x，e_y)误差输入。即e_x＝Δx cos θ_n-Δy sin θ_n，e_y＝Δx sin θ_n+Δy cos θ_n。进一步地，外部位置控制器31采用比例积分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)控制律控制位移闭环控制子系统32中的位移变化，控制规则可以表示为：

其中k_p、k_i、k_d、k′_p、k′_i、k′_d为预设系数。

扰动观测器36是为了在线估计样本在x轴和y轴的周期性位移波动。旋转控制台21的周期性旋转位移变换可以被看作是样本定位控制的加性干扰噪声。根据公式(1)至公式(5)的描述，样本的偏移量R在其旋转过程中并不是恒定的，因此这些加性干扰噪声也不是恒定的，可按照公式(5)估计获得。

位移闭环控制子系统32分为两个，分别用于对第一平移控制台22和第二平移控制台23进行位移控制，下面以对第一平移控制台22进行控制的位移闭环控制子系统32为例进行说明。首先，插入式重复控制器33包括谐波发生器41和低通滤波器42。谐波发生器41中产生谐波模型Z^-N(N＝T/Ts)，低通滤波器42的滤波函数为F(z)。增益调整器43的增益调整因子为k_s，补偿控制器44的模型为Q(z)，谐波模型Z^-N和低通滤波函数F(z)通过一个前馈回路建立一个稳态的与系统同频率的周期延时环节，以保持在低频阶段具有良好的同频信号产生。Q(z)是是针对对象特性而设置的模型动态补偿器，它决定了插入式重复控制器33的跟踪和稳态性能。另外，G(z)和C(z)分别是直线位移定位器45模型和位移控制器46模型，可以通过系统辨识直线位移定位器45的闭环传递函数来获得。其中直线位移定位器45可以为直线性压电陶瓷致动器。原始闭环位移控制子系统34也为基于PID的直线位移控制器闭环系统。

根据上述各公式可以获得位移闭环控制子系统32的误差传递函数为：

其中，S(z)为外部位置控制器31输出的位移量，即由

和

组成的位移输出量。H(z)为系统的传递函数，

由于没有加入插入式重复控制器33时的原始闭环位移控制子系统34是稳定和收敛的，所以系统传递函数H(z)是稳态的，因子

极点应该在单位圆内。因此只需考虑公式(10)中另一因子的极点位置，极点位置为：

|z^N|＝||F(z)(1-k_sQ(z)H(z))|| (11)

假设插入式重复控制器33中没有增益因子即k_s＝1，按照公式(11)，控制系统理想状态下|z^N|＝0，则k_sQ(z)H(z)＝Q(z)H(z)≈1，从而可以得到补偿控制器44|Q(z)|≈H(z)^-1。然而，往往由于H(z)存在单位圆外的零点解，使得这样的补偿控制器44设计方法并不可行。而且由于实际的工程模型H(z)在辨识建模过程中存在干扰和不确定因素的影响，H(z)也并不是完全理想模型。因此，在设计Q(z)的时候，加入模型的误差调整因子Δ(z)，则

这里，Δ(z)是一个离散函数。并且，如果为了较好的插入式重复控制器33较好的动态和静态性能，k_s≠1和k_sQ(z)H(z)≈1，则考虑模型的不确定性，k_s被设计为

图6为本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制方法实施例一的流程图，本实施例提供的方法用于对显微镜内旋转的待观察样品进行定位控制。其中，显微镜内包括旋转控制台、第一平移控制台、第二平移控制台、样品台和视觉反馈系统，旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台均由微纳米电机控制；第一平移控制台安装在旋转控制台上，第二平移控制台安装在第一平移控制台上，第一平移控制台与第二平移控制台的运动方向垂直，且第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向与旋转控制台的旋转轴垂直；样品台用于放置显微镜待观察样品，样品台连接于第二平移控制台，且位于旋转控制台的旋转轴上，并垂直于第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向；旋转控制台用于带动样品台绕旋转控制台的旋转轴匀速旋转；视觉反馈子系统用于实时监测样品台上的待观察样品。

如图6所示，本实施例提供的方法包括：

步骤S601，当旋转控制台带动样品台绕旋转控台的旋转轴匀速转动时，通过视觉反馈子系统确定待观察样品在旋转过程中，待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量。

步骤S602，根据参考点的位置变化情况，通过基于旋转坐标系的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量。

步骤S603，根据输入位移量与反馈位移量的误差计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移补偿控制量。

步骤S604，结合位移控制量和位移补偿控制量，控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。

本实施例提供的显微镜旋转定位控制方法用于对图2所示的显微镜旋转定位控制系统进行定位控制，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

图7为本发明实施例提供的显微镜旋转定位控制方法实施例二的流程图，如图7所示，本实施例提供的方法包括：

步骤S701，当旋转控制台带动样品台绕旋转控台的旋转轴匀速转动时，通过视觉反馈子系统确定待观察样品在旋转过程中，待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量。

步骤S702，将参考点的初始位置作为补偿输入。

步骤S703，根据参考点的位置变化情况，通过基于旋转坐标系的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量。

步骤S704，根据输入位移量与反馈位移量的误差计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移补偿控制量。

步骤S705，结合输入位移量、位移补偿控制量和补偿输入，控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。

步骤S706，跟踪旋转控制台的转动，估计旋转控制台转动对待观察样品在第一平移控制台和第二平移控制台的运动方向的周期性位移波动。

步骤S707，将周期性位移波动输入视觉反馈子系统，使视觉反馈子系统根据监测到的待观察样品上的参考点的位置与周期性位移波动共同确定待观察样品上的参考点的位置变化情况。

本实施例提供的显微镜旋转定位控制方法用于对图3所示的显微镜旋转定位控制系统进行定位控制，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

进一步地，在图6和图7所示实施例的基础上，根据参考点的位置变化情况，通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量，包括：

根据参考点在预设周期内的位移，通过旋转坐标系计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量。

进一步地，在图6和图7所示实施例的基础上，根据输入位移量与反馈位移量的误差计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移补偿控制量，包括：

产生与系统同频率的周期性延时环节，通过调整增益，产生位移补偿控制量。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种显微镜下的旋转定位平台的控制系统，其特征在于，包括：旋转控制台、第一平移控制台和第二平移控制台、样品台、视觉反馈子系统、驱动器和双闭环定位控制系统；

所述旋转控制台、所述第一平移控制台和所述第二平移控制台均由微纳米电机控制；

所述第一平移控制台安装在所述旋转控制台上，所述第二平移控制台安装在所述第一平移控制台上，所述第一平移控制台与所述第二平移控制台的运动方向垂直，且所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向与所述旋转控制台的旋转轴垂直；

所述样品台用于放置显微镜待观察样品，所述样品台连接于所述第二平移控制台，且位于所述旋转控制台的旋转轴上，并垂直于所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向；

所述旋转控制台用于带动所述样品台绕所述旋转控制台的旋转轴匀速旋转；

所述视觉反馈子系统用于实时监测所述样品台上的待观察样品的成像坐标位置，通过像素当量计算，确定所述待观察样品在旋转过程中，所述待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量；

所述双闭环定位控制系统包括外部位置控制器、内环的第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统；所述外部位置控制器通过整个系统输入位置与视觉反馈子系统反馈的样本空间位置的位置误差，并通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量；所述第一平移控制台的位移闭环控制子系统和第二平移控制台的位移闭环控制子系统的结构相同，均包括插入式重复控制器和原始闭环位移控制子系统；所述插入式重复控制器用于根据内环输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算位移补偿控制量；所述原始闭环位移控制子系统用于根据输入位移量与驱动器反馈位移量的误差计算所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的位移控制量，并结合位移补偿控制量控制驱动器驱动第一平移控制台和第二平移控制台进行位移。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双闭环定位控制系统还包括前馈补偿器，所述前馈补偿器用于将所述参考点的初始位置作为所述位移闭环控制子系统的补偿输入。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双闭环定位控制系统还包括扰动观测器，所述扰动观测器用于跟踪所述旋转控制台的转动，估计所述旋转控制台转动对所述待观察样品在所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向的周期性位移波动，将所述周期性位移波动输入所述视觉反馈子系统，使所述视觉反馈子系统根据监测到的所述待观察样品上的参考点的位置与所述周期性位移波动共同确定所述待观察样品上的参考点的位置变化情况。

4.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述外部位置控制器具体用于根据所述参考点在预设周期内的位移，计算所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的输入位移量。

5.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述插入式重复控制器和所述原始闭环位移控制子系统并联连接；

所述插入式重复控制器包括谐波发生器、低通滤波器、衰减器和补偿控制器，所述谐波发生器、低通滤波器用于产生与所述系统同频率的周期性延时环节，所述衰减器用于调整所述位移补偿控制量的增益，所述补偿控制器用于产生所述位移补偿控制量；

所述原始闭环位移控制子系统为基于PID的直线位移控制器闭环系统，包括直线位移定位器和位移控制器，所述直线位移定位器用于根据所述输入位移量与位移补偿控制量的误差，计算所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的位移，所述位移控制器用于控制所述驱动器驱动所述第一平移控制台和所述第二平移控制台进行位移。

6.一种显微镜下的旋转定位平台的控制方法，其特征在于，用于对显微镜内旋转的待观察样品进行定位控制；

其中，所述显微镜内包括旋转控制台、第一平移控制台、第二平移控制台、样品台和视觉反馈系统，所述旋转控制台、所述第一平移控制台和所述第二平移控制台均由微纳米电机控制；所述第一平移控制台安装在所述旋转控制台上，所述第二平移控制台安装在所述第一平移控制台上，所述第一平移控制台与所述第二平移控制台的运动方向垂直，且所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向与所述旋转控制台的旋转轴垂直；所述样品台用于放置显微镜待观察样品，所述样品台连接于所述第二平移控制台，且位于所述旋转控制台的旋转轴上，并垂直于所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向；所述旋转控制台用于带动所述样品台绕所述旋转控制台的旋转轴匀速旋转；所述视觉反馈系统用于实时监测所述样品台上的待观察样品；

所述方法包括：

当所述旋转控制台带动所述样品台绕所述旋转控制台的旋转轴匀速转动时，通过所述视觉反馈子系统确定所述待观察样品在旋转过程中，所述待观察样品上的参考点的位置变化情况，得到反馈位移量；

根据所述参考点的位置变化情况，通过基于旋转坐标系的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量；

根据所述输入位移量与所述反馈位移量的误差计算所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的位移补偿控制量；

结合第一平移控制台和第二平移控制台的位移控制量和所述位移补偿控制量，控制驱动器驱动所述第一平移控制台和所述第二平移控制台进行位移。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述参考点的初始位置作为补偿输入；

所述结合所述位移控制量和所述位移补偿控制量，控制所述驱动器驱动所述第一平移控制台和所述第二平移控制台进行位移，包括：

结合所述输入位移量、所述位移补偿控制量和所述补偿输入，控制所述驱动器驱动所述第一平移控制台和所述第二平移控制台进行位移。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

跟踪所述旋转控制台的转动，估计所述旋转控制台转动对所述待观察样品在所述第一平移控制台和所述第二平移控制台的运动方向的周期性位移波动；

将所述周期性位移波动输入所述视觉反馈子系统，使所述视觉反馈子系统根据监测到的所述待观察样品上的参考点的位置与所述周期性位移波动共同确定所述待观察样品上的参考点的位置变化情况。

9.根据权利要求6～8任一项所述的方法，其特征在于，根据所述参考点的位置变化情况，通过基于旋转坐标系结构的PID控制器计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量，包括：

根据所述参考点在预设周期内的位移，通过旋转坐标系计算内环的第一平移控制台的输入位移量和第二平移控制台的输入位移量。

10.根据权利要求6～8任一项所述的方法，其特征在于，所述根据输入位移量与反馈位移量的误差计算第一平移控制台和第二平移控制台的位移补偿控制量，包括：

产生与所述系统同频率的周期性延时环节，通过调整增益，产生所述位移补偿控制量。

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