本书主要介绍了纳米构件操作的机理、方法及跟踪定位的理论知识，以及基于压电陶瓷纳米定位平台和SEM实验平台的实践分析。主要内容包括：第1章，纳米操作及其跟踪定位；第2章，纳米构件操作的机理、建模及分子动力学仿真；第3章，具有视觉和力觉临场感的纳米构件操作；第4章，压电陶瓷驱动器的纳米定位与跟踪控制；第5章，基于单视角SEM图像的目标识别与定位；第6章，基于SEM的实验平台搭建及实验；第7章，智能控制算法在纳米构件操作中的应用。
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前言
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
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