基于光诱导介电泳的微粒子操纵平台控制系统的研究

摘要

作为一种新兴的非接触式微操纵技术，光诱导介电泳已成功应用于流体介质中微纳米粒子的捕获、定向与输运。在操纵模式上，用于微粒子操控的光模式虚拟电极可视为“光机器人”，通过控制DMD调制器，可实现光机器人形状、位置的实时重构，此外，依靠对多个光机器人的并行控制，可实现大规模粒子的并行操控。光诱导介电泳具备的上述诸多优点，使其在微操纵领域与已有众多微操纵方法相比具有更为重大的应用前景。
　　为充分发挥光诱导介电泳的柔性操纵机理，本文在现有控制系统的基础上，通过引入机器视觉、路径规划、微组装等技术，设计并开发了一套集光机器人精确投射、微粒子快速捕捉、自动化并行操纵于一体的光诱导介电泳微粒子操纵平台控制系统，具体研究成果如下：
　　(1)提出了微操纵平台的Projector-Camera光路系统标定方法。首先建立了Projector-Camera系统模型，为实现基于机器视觉的微尺寸测量，以显微镜标尺为标定物完成了相机系统的标定；针对投影光路存在的不可避免的畸变误差，提出了以虚拟棋盘模板为标定物的平面校正方法，在此基础上对DMD输出图像进行矫正，并对校正误差进行了定量分析，进而实现微粒子的人机交互式精确捕获。
　　(2)实现了实时多粒子并行操纵路径规划。首先采用改进的人工势场方法实现单粒子操纵的最优路径规划；针对多粒子并行操纵，采用交互式速度障碍方法，实现了批量微粒子实时并行操纵规划。此外，借助机器视觉，本文引入CamShift跟踪技术实现操纵过程中的多粒子目标追踪，从而实现稳定可靠的并行操纵控制。
　　(3)设计了一套微粒子阵列自动化组装方案。首先提出了基于图像匹配的微粒子快速捕捉技术，在此基础上，采用粒子群优化方法实现微粒子队列的最优化目标分配，同时借助多粒子并行操纵规划方法，完成了微粒子的组装控制。6粒子与11粒子的阵列化组装实验表明该方案适合微粒子的批量化并行操纵，并可显著提高微组装效率。
　　(4)完成了微粒子操纵平台控制系统软件的开发。在以上研究工作的基础上，采用C++语言完成了基于光诱导介电泳的微粒子操纵平台控制系统的开发，并通过实验验证了控制系统的有效性。诸多微粒子操纵实验表明，该控制系统可完成精确可靠的人机交互式多粒子并行操纵，也可实现批量微粒子的自动化编队组装。