面向细胞注射的遥操作显微控制系统的研究与设计

论文摘要

随着生物技术及自动化技术的发展,自动显微注射技术在细胞操作方面得到了广泛的应用。微操作机器人使对细胞的操作简单化、自动化,提高了效率和成功率。本文着重研究和设计细胞显微注射过程中的关键技术功能,并搭建出系统的软件、硬件平台；同时初步完成显微控制系统的遥操作控制设计,利用Matlab工具箱Truetime完成遥操作网络控制延时仿真。本文论述细胞注射机器人的总体结构设计,基本功能和实现方法。整个系统的软件平台是基于VC++6.0开发的,包括了人机交互界面的设计、串口通信、调焦函数的实现、基于OpenCV的图像采集、预处理、目标的识别、跟踪和定位等功能。显微系统的自动调焦部分主要通过VC++6.0编写的调焦函数实现实时采集目标图像,计算图像的清晰度值,并且通过运动控制算法对显微镜的载物台实现闭环控制,直至找到最清晰的焦平面。然后开始采集目标图像,进行预处理、目标的识别定位,实时计算出针尖和细胞质心的距离,引导系统控制针尖运动。本文显微视觉系统的标定主要研究基于主动视觉的自标定方法,标定过程中已知关于摄像机的运动信息,克服传统方法使用标定块引起的困难。通过主动视觉自标定建立像素坐标系与世界坐标系的关系,进而从获得的平面图像中得到需要的空间几何信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 显微视觉国内外的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第二章 显微控制系统的总体设计
• 2.1 微操作控制系统的概述
• 2.2 系统软件开发平台
• 2.2.1 软件开发平台及工具
• 2.2.2 系统界面结构及系统功能简介
• 2.3 系统硬件选择与设计
• 2.3.1 显微镜及相机选择
• 2.3.2 步进电机驱动器选择及参数计算
• 2.3.3 硬件电路设计
• 2.3.4 串行通信及程序设计
• 第三章 调焦系统自动控制设计
• 3.1 调焦系统的设计简介
• 3.2 手动单步调焦自动控制设计
• 3.2.1 实现原理及程序设计过程
• 3.3 全自动调焦控制设计
• 3.3.1 自动调焦的系统设计与程序分析
• 3.4 图像的清晰度评价函数
• 3.4.1 基于空间域的图像清晰度评价算法
• 3.4.2 基于频域的算子
• 3.4.5 本文采用的清晰度算法
• 3.5 自动调焦控制方案设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 目标识别与检测设计
• 4.1 细胞的检测与识别
• 4.2 注射针的定位
• 4.3 Canny边缘检测
• 4.3.1 Canny算子的计算实现
• 4.3.2 Canny边缘检测结果
• 第五章 基于主动视觉的自标定设计
• 5.1 标定目的
• 5.2 摄像机标定的分类
• 5.3 摄像机标定方法的比较与选择
• 5.4 基于主动视觉标定方法研究设计
• 5.4.1 线性模型摄像几何模型及坐标系的建立
• 5.4.2 算法基本原理
• 5.4.3 遗传算法参数优化计算
• 5.4.4 利用OpenCV标定
• 第六章 遥操作网络控制设计与仿真
• 6.1 遥操作的典型形式
• 6.2 网络控制系统概述
• 6.3 基于Truetime网络控制系统仿真
• 6.3.1 Truetime工具箱介绍
• 6.3.2 网络时延分析
• 6.3.3 Truetime延时仿真
• 6.4 遥操作控制的设计实现
• 6.4.1 通信协议
• 6.4.2 UDP通信协议特性
• 6.4.3 套接字编程原理
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 个人简介