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第1章 纳米操作及其跟踪定位1

1.1 纳米操作的定义及特点1

1.1.1 纳米操作的定义1

1.1.2 纳米操作的特点2

1.2 纳米操作需要解决的问题2

1.3 纳米操作的种类及方法3

1.3.1 纳米操作的种类3

1.3.2 纳米操作的方法6

1.4 纳米驱动器的跟踪定位6

1.4.1 开环控制方法7

1.4.2 反馈控制方法7

1.4.3 反馈结合前馈控制方法8

1.4.4 基于扰动观测器的控制方法8

1.4.5 多自由度压电陶瓷纳米驱动器的跟踪定位系统控制9

1.5 纳米操作的跟踪定位9

1.5.1 基于微／纳米传感器的纳米操作跟踪定位9

1.5.2 基于图像处理的纳米操作定位9

1.5.3 纳米操作的闭环控制10

1.6 纳米操作的应用及发展历程10

1.6.1 纳米操作的应用10

1.6.2 纳米操作的发展历程11

1.7 纳米操作的最新进展16

1.7.1 操作方法方面的进展16

1.7.2 操作技术方面的进展19

1.7.3 操作工具方面的进展22

1.7.4 操作平台和检测设备方面的进展23

参考文献26

第2章 纳米构件操作的机理、建模及分子动力学仿真31

2.1 纳观环境中的作用力31

2.1.1 范德瓦耳斯力31

2.1.2 弹性接触机理分析32

2.1.3 毛细作用力34

2.1.4 静电力35

2.2 纳米构件操作的机理建模37

2.2.1 探针－纳米线力学模型37

2.2.2 探针－基底力学模型38

2.2.3 纳米线－基底力学模型39

2.3 纳米构件力学行为建模39

2.3.1 纳米线旋转40

2.3.2 纳米线弯曲41

2.3.3 探针路径规划42

2.4 分子动力学方法基本原理43

2.4.1 牛顿运动方程44

2.4.2 分子动力学算法44

2.5 纳米操作的分子动力学模拟45

2.5.1 模型建立46

2.5.2 势函数的选取46

2.5.3 纳米线弯曲机理分析49

2.5.4 纳米线断裂机理分析51

2.6 模拟细节52

2.7 结果分析54

2.7.1 推动现象仿真分析54

2.7.2 弯曲现象仿真分析56

2.7.3 断裂现象仿真分析56

参考文献58

第3章 具有视觉和力觉临场感的纳米构件操作59

3.1 纳米操作系统总体设计及力觉接口的稳定性分析59

3.1.1 系统总体结构59

3.1.2 力觉交互系统建模61

3.1.3 力觉交互系统的稳定性判据63

3.1.4 基于二端口网络的力觉交互系统稳定性与性能分析65

3.2 视觉临场感的实现70

3.2.1 虚拟对象表达与几何建模种类71

3.2.2 虚拟对象的模型创建72

3.2.3 位姿信息三维环境映射及虚拟场景建立75

3.3 虚拟模型的碰撞检测77

3.3.1 碰撞检测的分类77

3.3.2 探针与基底的碰撞检测80

3.3.3 纳米线与基底的碰撞检测81

3.3.4 探针与纳米线的碰撞检测82

3.3.5 碰撞检测算法的整合84

3.4 虚拟力觉渲染85

3.4.1 探针与基底之间的力85

3.4.2 纳米线与基底之间的力86

3.4.3 探针与纳米线之间的力87

3.5 虚拟力觉渲染模型的MATLAB仿真及分析88

3.5.1 探针与基底之间的力88

3.5.2 ZnO纳米线与基底之间的力89

3.5.3 钨探针与ZnO纳米线之间的范德瓦耳斯力90

参考文献91

第4章 压电陶瓷驱动器的纳米定位与跟踪控制94

4.1 压电陶瓷的非线性分析及其二阶模型的系统辨识94

4.1.1 压电陶瓷驱动器理论基础94

4.1.2 压电陶瓷的非线性特性97

4.1.3 压电陶瓷驱动器二阶模型的系统辨识100

4.2 压电陶瓷驱动器的输出反馈滑模观测器控制方法研究104

4.2.1 压电陶瓷驱动器的滑模控制104

4.2.2 输出反馈滑模观测器控制设计104

4.2.3 稳定性分析106

4.2.4 实验及分析108

4.3 压电陶瓷驱动器的输出反馈积分控制方法研究112

4.3.1 基于滑模的输出反馈积分控制器设计113

4.3.2 稳定性分析115

4.3.3 实验及分析117

4.4 压电陶瓷驱动器的有限时间终端滑模控制方法研究124

4.4.1 终端滑模控制器设计124

4.4.2 滑模扰动观测器设计126

4.4.3 稳定性分析127

4.4.4 仿真及分析129

参考文献134

第5章 基于单视角SEM图像的目标识别与定位138

5.1 探针的识别及精确定位138

5.1.1 亚像素边缘检测概述138

5.1.2 相似度概述144

5.1.3 探针的平面定位146

5.1.4 探针的垂直定位149

5.2 纳米线的识别及精确定位150

5.2.1 核密度估计151

5.2.2 纳米线图像的预处理153

5.2.3 纳米线的识别及定位153

5.3 重叠纳米线的识别及定位156

5.3.1 重叠纳米线的识别156

5.3.2 重叠纳米线图像的预处理158

5.3.3 重叠纳米线的定位159

5.4 目标定位及识别结果160

5.4.1 探针平面定位结果160

5.4.2 探针垂直定位结果161

5.4.3 纳米线识别结果162

5.4.4 纳米线平面定位结果166

5.4.5 重叠纳米线识别结果166

参考文献168

第6章 基于SEM的实验平台搭建及实验170

6.1 实验平台总体结构170

6.1.1 力觉反馈设备171

6.1.2 扫描电子显微镜172

6.1.3 纳米定位器173

6.2 控制流程与软件构架176

6.2.1 遥纳操作控制流程176

6.2.2 SEM图像的网络传输实现178

6.2.3 Omega3-Attocube主从控制实现179

6.2.4 系统软件构架180

6.3 纳米构件操作策略181

6.3.1 纳观操作作用力模型181

6.3.2 纳米构件操作的约束条件183

6.3.3 探针z向运动策略184

6.3.4 纳米构件旋转策略185

6.3.5 纳米构件平移策略188

6.4 SEM下纳米线操控实验189

6.4.1 虚拟环境测试实验189

6.4.2 ZnO纳米线旋转实验190

6.4.3 ZnO纳米线平移实验192

参考文献193

第7章 智能控制算法在纳米构件操作中的应用194

7.1 基于模糊PID的系统闭环控制194

7.1.1 控制器结构设计194

7.1.2 模糊集、论域和隶属函数的选择196

7.1.3 模糊整定规则参数的建立198

7.2 BP神经网络201

7.2.1 BP神经网络结构202

7.2.2 BP神经网络算法原理202

7.2.3 BP神经网络PID控制器设计202

7.3 定位平台模型化205

7.3.1 实验平台驱动装置建模206

7.3.2 Attocube位移模型的建立207

7.4 控制平台建模及性能仿真分析208

7.4.1 模糊PID控制方法的MATLAB仿真208

7.4.2 BP神经网络PID控制系统MATLAB仿真211

7.5 预测控制在纳米操作系统中的应用215

7.5.1 预测控制216

7.5.2 基于BP神经网络的广义预测控制217

参考文献226