Real-time Virtual Environment Signal Extraction and Denoising Using Programmable Graphics Hardware

The sense of being within a three-dimensional （3D） space and interacting with virtual 3D objects in a computer-generated virtual environment （VE） often requires essential image, vision and sensor signal processing techniques such as differentiating and denoising. This paper describes novel implementations of the Gaussian filtering for characteristic signal extraction and waveletbased image denoising algorithms that run on the graphics processing unit （GPU）. While significant acceleration over standard CPU implementations is obtained through exploiting data parallelism provided by the modern programmable graphics hardware, the CPU can be freed up to run other computations more efficiently such as artificial intelligence （AI） and physics. The proposed GPU-based Gaussian filtering can extract surface information from a real object and provide its material features for rendering and illumination. The wavelet-based signal denoising for large size digital images realized in this project provided better realism for VE visualization without sacrificing real-time and interactive performances of an application.

Traffic jam in signalized road network

Traffic jam in large signalized road network presents a complex nature.In order to reveal the jam characteristics,two indexes,SVS(speed of virtual signal) and VOS(velocity of spillover),were proposed respectively.SVS described the propagation of queue within a link while VOS reflected the spillover velocity of vehicle queue.Based on the two indexes,network jam simulation was carried out on a regular signalized road network.The simulation results show that:1) The propagation of traffic congestion on a signalized road network can be classified into two stages:virtual split driven stage and flow rate driven stage.The former stage is characterized by decreasing virtual split while the latter only depends on flow rate; 2) The jam propagation rate and direction are dependent on traffic demand distribution and other network parameters.The direction with higher demand gets more chance to be jammed.Our findings can serve as the basis of the prevention of the formation and propagation of network traffic jam.

基于信号接口的IVI驱动器设计标准——IVI-Signal Interface及其应用

仪器互换性是通用ATS设计的重要指标。回顾仪器互换技术的发展过程 ,重点论述了IVI基金会在IVI -MSS(measure mentandstimulussubsystem)模型基础上提出的IVI -SignalInter face仪器驱动器设计标准 ,分析了它的技术规范、结构框架、工程应用和商业效应。IVI -SignalInterface标准基于信号接口 ,实现了更高层次的仪器互换 ,指明了未来驱动器设计的发展方向。

合成孔径雷达高分辨率成像虚拟仿真实验平台设计

合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)系统组成复杂,搭载于飞机、卫星等运动平台上才可实现数据获取,难以开展基于SAR雷达实物的实验教学。为解决此问题,设计并搭建了SAR高分辨率成像虚拟仿真实验平台。该虚拟仿真实验平台将系统设计技术、实验设计技术、数据采集过程、信号处理技术、图像评估技术等SAR实验的完整流程进行了高展示度、高保真度、高交互性的计算机模拟。一方面,该虚拟仿真实验可以帮助学生理解SAR设计、工作和应用的流程,巩固相关课程基础知识,激发学习雷达信号处理知识的兴趣;另一方面,可以考查学生对相关知识的综合应用能力,增强学生解决实际问题的技能。该仿真平台已成功应用于虚拟仿真教学课程实践,教学效果良好,对培养新工科技术型人才具有重要意义。

Research on performance testing of radio fuse based on virtual separation technology

The conception of virtual separation technology about high low frequency of electronic module was put forward based on the analysis of tactical performance testing of radio fuse.By means of the principle of fuse Doppler signal acquisition and injection,the high low frequency of electronic module was virtually separated,and one of important parameters—burst height of radio fuse is tested precisely.

调频信号宽带采集与解调实验系统设计

针对射频实验系统成本昂贵问题,提出了一种基于共享数据采集硬件,利用互联网向实验终端分发数据的信号处理实验教学系统结构。基于此结构,以无线信号宽带采集和调频广播信号解调为目标,设计并实现了用于信号处理类课程的实验教学系统,同时给出了实验内容设计和扩展阅读材料。

基于LabVIEW-VISA的传感器检测虚拟实验平台设计

为提升应用本科机电专业学生智能传感应用能力,设计传感器检测虚拟实验平台。提出基于LabVIEWVISA的传感器检测虚拟实验平台及实验方法,在LabVIEW-VISA应用设计基础上搭建了传感器检测虚拟实验平台整体架构;设计了传感器实验箱、MyDAQ便携式测量、万用表、应变式传感器等主要硬件;进行了数据采集模块、数据处理、输出模块及信号处理电路等软件设计,利用信号处理电路实现数据在平台中的双通道传输,实现了预期目标。结果表明,设计的传感器检测虚拟实验平台实验验证灵敏度高、线性误差小,有利于提高人才实践动手能力培养。

变流器虚拟惯量和阻尼协同自适应控制策略

针对变流器传统虚拟同步发电机控制(virtual synchronous generator,VSG)在暂态过程中出现的频率超调等问题,提出一种虚拟惯量和阻尼系数协同自适应控制策略。首先,对VSG变流器系统进行数学建模;然后,通过分析VSG有功和角频率暂态特性曲线,提出一种虚拟惯量和阻尼系数协同自适应控制策略,同时借鉴传统同步发电机小信号模型分析方法建立有功功率环路传递函数,给出参数的选取范围;最后,基于MATLAB/Simulink仿真,验证了所提自适应控制策略在改善频率和功率暂态特性方面的有效性。

电压控制型虚拟同步发电机的高频谐振特性分析与抑制策略

虚拟同步发电机(VSG)模拟同步发电机的运行机制,引入了有功调频和无功调压控制环节,与传统电流控制型变流器不同,是一种电压控制型策略。文中立足电压控制型虚拟同步发电机控制结构和网源协调特性,构建小信号分析模型,分析在不同控制参数与电网参数场景下的振荡模态,进而掌握电压控制型虚拟同步发电机并网系统的高频谐振特性,并针对性提出高频谐振抑制策略。首先,分别建立电压控制型虚拟同步发电机、传统变流器各控制和电气环节的小信号分析模型,通过特征根分析方法,定量分析所有特征根的振荡模态和阻尼比,发现电压控制型虚拟同步发电机存在与传统变流器类似的高频振荡模态;同时分析虚拟同步发电机控制参数变化、电网强弱场景对其高频谐振阻尼作用机理。其次,基于电压控制型虚拟同步发电机控制策略,以有源阻尼方法为解决思路,提出基于电流内环前端通道引入虚拟阻抗控制策略的谐振抑制方法,抑制其高频谐振。最后,利用Matlab/Simulink仿真和RT-LAB控制器在环实验结果验证所提出的控制策略,结果表明虚拟阻抗控制环节起到有效正阻尼作用,相比于无源阻尼方法,在无需额外增加测点和外部控制量的情况下,电压控制型VSG网侧阻尼特性改善,暂态响应能力增强,高频失稳现象得到有效抑制。

互联网+背景下虚拟教研室内涵建设

针对高校基层教学组织建设存在的一些问题,分析了虚拟教研室的成立背景、建设内涵,探讨了虚拟教研室的组织架构及保障条件,提出了以师资能力提升为导向,以课程建设为核心,以教学资源共享为途径,以开放课题研究为抓手的内涵建设途径。实践应用表明,通过加强虚拟教研室内涵建设,极大地提升了各参与高校的积极性,有效促进了各参与高校轨道交通信号与控制专业的专业建设水平,提升了人才培养质量。

基于虚拟母线电压控制的构网型储能变流器稳定性优化研究

构网型储能变流器作为高比例新能源接入电网的关键设备在强电网下存在稳定性问题。针对此问题,本工作提出一种基于虚拟母线电压控制的构网型储能变流器稳定性优化方法。首先,建立构网型储能变流器状态空间小信号模型,利用特征根分析法得出构网型储能变流器强电网下稳定性变差甚至振荡失稳的结论。然后,提出基于虚拟母线电压控制的稳定性优化方法,通过改变有功功率环跟踪电网电压相位的位置等效提高电网阻抗,从而提高强电网下构网型储能变流器系统并网的稳定性。接着,分析不同工况下加入虚拟母线电压控制前后系统的特征根变化趋势和稳定性提升效果,同时也分析了虚拟母线电压控制参数中补偿系数k和时间常数t对稳定性的影响并给出一般参数设计范围。最后,在MATLAB/Simulink中搭建构网型储能变流器并网模型进行时域验证,进一步搭建硬件在环实验平台进行半实物验证,验证结果表明基于虚拟母线电压控制的构网型储能变流器在强电网下的稳定性明显提高。

基于超前滞后环节附加前馈阻尼的VSG控制策略

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)在引入同步机二阶转子运动方程,增大电力系统等效惯量的同时,也引入了同步发电机的振荡特性,有功低频振荡等动态稳定性问题也随之而来。引入调速侧电力系统稳定器(governor power system stabilizer,GPSS)能有效抑制VSG的功率低频振荡,但其在超调量及调节时间方面的控制效果仍有待提高。通过建立VSG的小信号模型从极点配置角度分析其稳定性,揭示基于GPSS的VSG控制策略在功率动态响应上存在较高超调和较长调节时间的原因。基于此,参考GPSS控制思想,提出了一种基于超前滞后环节附加前馈阻尼补偿的虚拟同步发电机控制策略。并从理论上分析验证了所提控制策略在不影响系统稳态特性的前提下,能够提供调整自由度更高的正阻尼,在有效地抑制功率超调的同时提高了系统的调节速度,从而更好地抑制了有功功率的低频振荡。最后通过MATLAB/Simulink进行对比仿真,仿真结果与理论分析结果一致,证明了所提控制策略的正确性和有效性。

考虑逆变器非理想特性的永磁电机MTPA控制策略

最大转矩电流比(MTPA)控制可以降低铜损,进而有效提高电机效率,适用于空调永磁压缩机系统,但受逆变器非理想特性的影响,最优电流矢量角追踪精度存在下降问题。研究逆变器非理想特性对虚拟直流信号注入MTPA方法的负面影响并给出补偿方法。针对控制系统数字延迟问题,根据系统采样时间对电流矢量角追踪过程中的电压信息进行校正;此外,采用基于饱和函数的死区补偿方法,降低逆变器非线性引起的电压误差。实验结果表明,所研究的逆变器非理想特性补偿方法提高了最优电流矢量角追踪的准确性。

基于自适应虚拟电阻的低压微电网有功均分下垂控制策略

由于低压微电网中各分布式电源的线路阻抗不匹配,传统的下垂控制策略难以按照下垂系数合理分配有功功率。为此,提出一种无需通信的自适应虚拟电阻下垂控制方法。通过将微电网中每个分布式发电机(DG)单元输出的有功功率和电压传送给自适应虚拟电阻控制器中,在保证电压和频率稳定控制的前提下实现功率按逆变器容量比例进行精确分配。论文对改进方法的微电网逆变器进行小信号稳定性分析,以优化控制器有关控制参数。仿真和实验结果验证了所提控制方法的有效性。

基于虚拟电阻的混合直流输电系统振荡抑制策略

针对混合直流输电系统在其定直流电流控制器参数增大时容易发生直流电流振荡的问题,提出一种基于虚拟电阻的振荡抑制策略。该策略基于电流振荡分量和引入的虚拟电阻,产生与扰动分量反相的附加电压,实现对直流电流振荡的抑制。首先,建立混合直流输电系统的小信号模型,分析定直流电流控制器参数对系统小信号稳定性的影响。其次,提出基于虚拟电阻的振荡抑制策略,研究虚拟电阻对系统小信号稳定性的影响,并通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提控制策略的有效性。最后,分析在不同定直流电流控制参数下虚拟电阻的稳定范围。研究结果表明,所提控制策略能够有效解决直流电流振荡的问题,提高系统稳定性。

基于Unity3D的轨旁信号设备虚拟仿真培训平台设计

研发了基于Unity3D轨旁四类信号设备虚拟仿真培训平台,设计了三维展示、动画演示和互动考评三个主要功能模块。首先利用Autodesk Revit对轨旁信号设备精细化建模,在Unity3D引擎中使用C#脚本语言控制模型三维展示;然后使用开源动画组件Animator Controller制作多场景任务演示动画;最后运用碰撞检测原理和鼠标拖拽事件对三维模型进行拼接组装,对设备更换流程考评。研究表明,该培训平台课改善了传统培训效率低、二维图纸空间感差等问题,增强了沉浸感,可满足检修人员的知识培训、模拟训练等需求,为轨旁信号设备培训提供了新手段。

双馈虚拟同步机快速励磁控制和功角补偿策略

针对以激磁电势为目标控制电压的双馈虚拟同步发电机策略下运行功角大而带来的功率耦合问题,提出采用快速励磁控制消除功角扰动对无功控制的影响,采用功角补偿消除激磁电势扰动对功角有功控制的影响的功率解耦方案。在分析双馈电机数学模型及双馈虚拟同步机整体控制策略的基础上,构建计及无功控制环节的双馈虚拟同步机小信号模型。通过分析无功环节PI控制器参数对功角稳定性的影响,设计快速励磁控制策略。通过分析无功扰动与功角变化的关系,确定功角补偿传递函数。设定风速扰动、电网频率扰动和电网电压扰动3种不同工况进行验证。结果表明:所提控制策略可有效避免双馈虚拟同步机大功角运行时有功功率控制和无功功率控制间的相互影响,实现功率解耦。

基于脑电节律能量与模糊熵的VR诱发晕动症水平检测研究

晕动症一直是影响虚拟现实用户体验及限制虚拟现实行业发展的一个关键因素。为解决这一问题,本文研究了虚拟现实晕动症对大脑神经活动的影响,并利用脑电特征对晕动症水平进行检测。为得到可度量眩晕水平的特征,记录受试者在体验眩晕测试场景前及过程中的脑电信号,计算节律能量和模糊熵,并利用统计分析进行特征选择,最后分类验证该特征的有效性。结果表明,受试者产生晕动症时,CP4和Oz的θ、α频段能量及C4的β、γ频段能量显著降低(p<0.01);在模糊熵方面,δ频段有FC4、Cz模糊熵值显著升高(p<0.0001),β频段有O1模糊熵值显著降低(p<0.0001)。对比线性判别分析(Linear discriminant analysis,LDA)、逻辑回归(Logistic regression,LR)和支持向量机(Support vector machine,SVM),K最近邻(K-nearest neighbor,KNN)算法的分类效果较好,它在节律能量和模糊熵上的分类准确率分别为89%和91%。本研究表明脑电节律能量及模糊熵有望成为晕动症水平检测的有效指标,为研究虚拟现实晕动症成因及缓解方案提供客观依据。

内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制

针对内置式永磁同步电动机(IPMSM),提出了一种内置式永磁同步电机无传感器最小损耗控制策略。由于传统转子磁链观测器不易得到初始转子通量,且存在直流偏置问题,通过梯度下降法构造改进非线性观测器,提高转子位置辨识精度。为降低控制系统的能耗,通过虚拟信号注入法构造虚拟功率电流补偿控制器,在线搜索最优调节电流。通过系统仿真结果表明,该策略能快速观测转子位置,相较于i d=0控制与VCCC,在相同工况下,能耗分别降低了4%~24.21%和1.33%~9.15%,有效提高控制系统的能耗优化性能。

多途混响环境中声扩频信号线性与相关性分析

为分析浅海多途信道中声扩频信号的相关性和线性,建立了计入频率衰减与海底损耗的浅海Pekeris波导虚源法计算模型;对浅海中的脉冲信号与扩频信号进行了仿真计算,通过混响室试验初步研究了多途混响环境中扩频信号的线性。仿真结果显示:虚源法和简正波法的频域解一致,得到了与简正波理论相同的低频模式频散现象,验证了虚源法适用于浅海理想波导、Pekeris波导中的低频问题;当发生模式频散,低频扩频信号的相关性能强于同扩频参数的高频信号。试验结果表明:低频脉冲的时域波形发生畸变、展宽时,同频率的扩频信号能准确测出反射信号的几何时延,证明了低频多途效果仍可看作每个“路径”信号的线性叠加。