SEM下三维可视化遥纳操作系统研究

摘要

面向微纳级操作对象的控制系统，其操作过程中会呈现出诸多与宏观操作不同的现象和特点，这对系统的灵活性、可靠性和高效性提出了更高的要求。本文结合SEM视觉辅助、力觉反馈设备、虚拟现实技术，搭建具有视觉反馈和虚拟力觉反馈的三维可视化主从遥纳操作系统，分析操作环境中的非理想因素，对操作流程和控制手段做进一步完善。
　　基于VR技术构建拟实场景，增加主端操作者的临场感，并对虚拟模型的碰撞检测与力觉渲染进行分析，建立力觉临场感子系统。
　　依据二端口理论对操作者-力觉设备-虚拟环境所构成的力觉交互系统建模，并利用Llewellyn绝对稳定判据分析系统稳定性;引入虚拟匹配环节(VC)消除虚拟环境所带来的不稳定因素，应用阻抗带宽理论评价加入匹配环节后的系统性能。
　　为实现虚拟场景刷新与模型校正，应用边缘检测与改进的霍夫直线变换提取SEM图像目标物的平面几何参数;针对操作工具的闭环控制，提出兴趣区域(ROI)下的二维SEM图像深度特征提取策略，构造图像评价函数，快速聚焦基底平面从而确定探针与基底的接触关系。
　　最后，建立人机交互实验平台;在同时具有视觉反馈与虚拟力觉反馈的三维拟实环境下进行交互式遥纳操作，完成纳米材料的操作实验，分析实验结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究的目的和意义

1．3 国内外微纳操作研究现状

1．4 现有遥微纳操作的技术缺陷

1．5 本文主要研究内容

第2章 虚拟环境建模

2．1 虚拟纳米操作模型的建立

2．1．1 虚拟对象表达与几何建模种类

2．1．2 虚拟对象的面模型创建

2．1．3 虚拟场景建立

2．2 虚拟模型的碰撞检测

2．2．1 碰撞检测的分类

2．2．2 探针与纳米线的碰撞检测

2．3 虚拟力觉渲染

2．3．1 探针与操作基底之间的力

2．3．2 纳米线与操作基底之间的力

2．3．3 探针与纳米线之间的力

2．4 本章小结

第3章 力觉接口的稳定性与性能分析

3．1 力觉交互系统建模

3．2 力觉交互系统的稳定性判据

3．2．1 系统无源性及其判据

3．2．2 系统绝对稳定性及其判据

3．3 基于二端口网络的力觉交互系统稳定性与性能分析

3．3．1 未引入虚拟匹配环节的系统稳定性分析

3．3．2 引入虚拟匹配环节的系统稳定性分析

3．3．3 引入虚拟匹配环节的系统性能评价

3．4 本章小结

第4章 二维SEM图像的三维目标特征提取

4．1 目标物的平面信息提取

4．1．1 Canny目标边缘检测

4．1．2 改进霍夫(Hough)直线变换

4．2 操作工具的深度信息提取

4．3 基于图像的操作工具闭环控制

4．4 本章小结

第5章 实验平台搭建与结果分析

5．1 系统总体结构

5．1．1 力反馈设备

5．1．2 纳米定位器

5．1．3 扫描电子显微镜(SEM)

5．2 控制流程与软件构架

5．2．1 遥纳操作控制流程

5．2．2 系统软件构架

5．3 实验过程与结果分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢