虚拟手术仿真中人体软组织形变技术的研究

对虚拟手术仿真中人体软组织形变技术进行深入研究,利用OpenGL三维图形标准建立了基于质点-弹簧物理模型的虚拟人体软组织形变系统。围绕虚拟手术仿真中人体软组织形变的逼真度和实时性两大要素展开研究,通过对比四边形网格结构提出了改进的基于质点-弹簧模型的正六边形几何拓扑结构,并对软组织形变动力学模型及其数值积分算法、软组织形变力反馈计算模型进行了讨论,针对以往的虚拟手术器械与软组织表面接触时作用点的最近邻质点求取算法存在的不足,提出了改进的求取算法。实验结果表明,改进的算法在模拟软组织形变时具有较好的稳定性和实时性。

虚拟手术中软组织形变建模及力反馈算法研究

基于弹簧-质点模型,建立一种改进的软组织实时形变模型。在正六边形拓扑结构软组织表面模型中,增加了虚拟体弹簧,以实现更加真实的形变效果。在系统中各质点处,表面弹簧形变量的叠加等效为物体表面形变,各质点处虚拟弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力。该模型继承了经典弹簧质点模型的原理简单、易建模、计算速度快等优点,同时还具有控制变形区域的能力。基于此模型,利用PHANTOM触觉交互设备,进行了软组织形变以及实时虚拟力反馈仿真实验。实验表明,该模型效果逼真,反馈力刷新一次小于1 ms,能够满足虚拟手术系统实时性的要求。

TF5池火平均质量损失速率简化模型及其高原环境下的适用性研究

通过池火在常压环境下燃烧时的质量损失机理分析,对火灾探测中欧洲标准试验火TF5(正庚烷池火)归纳推导出以辐射热反馈为主导的质量损失速率简化模型,并推广到拉萨高原低压环境。该模型建立了TF5池火平均质量损失速率与火焰温度四次方的正比关系,通过对火焰温度的测量,确定燃料液面所受的辐射热反馈功率,从而推算出燃料的平均质量损失速率。同时结合合肥及拉萨两地的TF5标准火实验,对模型进行了验证,实验结果表简化模型能够反映出不同气压下TF5池火燃烧的主要过程。

力触觉建模及再现技术研究

力触觉再现关键技术之一是物理模型和碰撞检测算法的构建。以7自由度力触觉设备为基本构架,介绍了力触觉设备的反馈机理和电气组成;分析比较了力触觉建模的特点,研究弹簧-质点模型,给出了弹簧-质点模型的面模型和体模型的具体表现形式;分析了力触觉再现碰撞检测算法的优劣,实现了AABB包围盒的遍历算法。最后在Chai 3D环境构建一个操作手与虚拟柱体的力触觉交互反馈模型,分析了在3种交互情况下的反馈力情况。本文可为力触觉再现技术的深入研究提供理论参考。

基于质点—弹簧体模型与改进欧拉算法的力反馈

基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,以肝脏组织为对象,对虚拟手术仿真中软组织的形变和触觉反馈进行研究。考虑虚拟手术仿真对精度和实时性的要求,采用基于四面体的质点—弹簧体模型构建肝脏组织物理模型,较好地反映了肝脏形变的体特征,增加了模拟的真实感;传统的模型中通常采用线弹性弹簧,但考虑到软组织形变时的黏弹特性,采用弹簧和阻尼器并联的Kelvin黏弹性力学模型模拟肝脏组织的生物力学特征,力图提高形变仿真的准确性。由于光滑的触觉反馈对实时性有更高要求,为进一步提高计算效率,提出一种改进的欧拉算法,仿真结果表明,帧速大于1000HZ,满足虚拟手术实时性需要。

一种用于力觉再现的柔性体变形仿真弹簧-质点模型

提出一种新型的在虚拟现实中可实现的弹簧-质点力/变形模型.它按质点连接顺序划分层次,以受力网格为第1层,构建类似同心环状的弹簧-质点系统.施力刚体以点接触的方式与柔性体进行力交互作用.运用虚功原理,结合施力刚体与受力柔性体组成的系统中虚拟力和质点位移的关系,区别于以往对局部变形的研究,对柔性体进行全局变形分析.柔性体变形是整个柔性体表面质点在力平衡条件下位移变化累加的结果.利用DELTA手控器对柔性体的接触变形以及实时虚拟力反馈进行仿真,实验表明所提出的方法适用于柔性体的力反馈计算,满足精细作业对虚拟现实系统的要求.

采用力反馈技术的毛笔建模

将力反馈技术引入虚拟绘制过程,提出一种新的毛笔建模方法,实时仿真中国书画绘制过程中毛笔变形和笔纸之间的水墨传输过程.通过中心骨架和表面两层结构构建毛笔几何模型.采用弹簧振子模型仿真力作用下毛笔中心骨架弯曲变形和毛笔表面变形,实现力对毛笔变形的动态控制.通过毛笔水墨量实时计算方法仿真书画绘制过程中笔纸之间的水墨传输过程.基于硬件组件HPxw8600工作站和Phantom Desktop力反馈设备,构建带有力反馈技术的虚拟绘制系统.在该系统中,用户通过Phantom Desktop力反馈设备实现实时绘制,增强了虚拟绘制过程的真实感.

基于知识图谱的AMI资源精准推荐算法

针对在获取农业海量信息资源时存在推荐准确率较低、实时性较差等问题,提出基于知识图谱的农业在线海量信息资源推荐算法。通过分析知识图谱与推荐系统的相关知识,将推荐问题转变为排序问题;分析知识图谱中的节点分配不同比例权重,了解用户对不同农业知识的兴趣差异,构建用户兴趣迁移模型,改善用户兴趣迁移问题;在知识图谱基础上,引入矩阵分解方法,获取目标向量表达,与知识图谱做相关匹配得到推荐预测评分,构建反馈模型并扩展,衡量推荐内容的动态变换,考虑用户的长、短期偏好,实现较推荐的个性化。仿真结果表明,上述方法推荐的准确率高、延时短,适用于农业在线海量信息资源的推荐。

基于轴转矩补偿的永磁伺服系统机械谐振抑制

柔性传动装置会在交流永磁伺服系统中引发机械谐振,并降低系统的动态性能和控制精度,为此提出一种基于卡尔曼滤波器的轴转矩补偿谐振抑制方法.该方法通过卡尔曼滤波器获得柔性传动装置的轴转矩估计值,将其转化为电流信号并补偿到电流环给定,由此消除柔性传动对电机转速的影响,同时提高了系统的动态性能.最后通过仿真验证了该方法的有效性.

平流层飞艇的建模与解耦方法研究

描述并分析了平流层飞艇的特点.建立了该类飞艇的六自由度数学模型,在此基础上对该模型利用反馈线性化原理进行了处理以达到解耦控制的目的。结合实际数据对飞艇反馈线性化后的模型进行仿真,结果表明,该方法可以对飞艇运动方程进行精确线性化,这为飞艇的控制律设计提供了良好的基础。

带躯干变刚度双足机器人的周期行走控制

研究了带躯干双足机器人平面稳定行走控制问题。改进传统的弹簧-质点模型,得到带躯干的双足机器人模型,通过控制髋关节施加力矩和改变弹簧腿的刚度,使得系统收敛到期望步态。针对系统模型的非线性和强耦合特征,采用反馈线性化方法将系统的动力学模型转化成线性系统,采用PD控制和P控制对机器人的躯干倾角和髋关节轨迹进行整体控制。在理论分析的基础上,对控制方法进行了数值仿真研究。仿真结果表明:该文采用的反馈线性化和变刚度控制方法可以实现带躯干双足机器人的稳定行走;与基于时间轨迹的控制方法相比,该文基于空间轨迹的控制器对各种外力干扰具有良好的抵抗能力;控制器对躯干的倾角变化具有适应性;当模型不确定时控制器表现出优异的鲁棒性。

力反馈技术在虚拟绘制中的实现与应用

针对目前国内中国书画计算机仿真中缺少触觉力反馈控制功能的问题,提出将力反馈技术引入虚拟绘制中,主要介绍了其实现的步骤和仿真系统的结构,分析了采用的弹簧-振子力学仿真模型,并描述了虚拟绘制过程中虚拟毛笔挤压宣纸模型的压力和在纸张表面上的摩擦力的实现方法,同时将Phantom Desktop力反馈设备应用到已开发的虚拟绘制系统中。结果表明:该力反馈技术能有效增强绘制过程的真实感,并且满足交互过程对实时性的要求。

神经群模型的alpha振荡自反馈回路调控机制研究

目的研究抑制性和兴奋性自反馈对神经群模型(NMM)alpha振荡的产生和频率调控机制。方法基于神经群模型,应用分岔分析确定抑制性和兴奋性自反馈产生alpha振荡的参数范围,通过仿真分析验证分岔分析的正确性,并应用频谱分析确定振荡频率。结果余维一分岔和余维二分岔分析结果表明抑制性自反馈不利于alpha振荡的产生,兴奋性自反馈在一定范围内能够促进alpha振荡的产生。频谱分析结果显示随着抑制性自反馈强度的增加,alpha振荡频率升高;而兴奋性自反馈强度的增加导致alpha振荡频率降低。结论制性或兴奋性自反馈能够抑制或促进神经群模型alpha振荡的产生,二者的协同调控可以对alpha振荡的产生及频率进行更加灵活的双向调节。

Asymptotic Tracking Control for Wind Turbines in Variable Speed Mode

This paper presents a variable speed control strategy for wind turbines in order to capture maximum wind power.Wind turbines are modeled as a two-mass drive-train system with generator torque control.Based on the obtained wind turbine model,variable speed control schemes are developed.Nonlinear tracking controllers are designed to achieve asymptotic tracking for a prescribed rotor speed reference signal so as to yield maximum wind power capture.Due to the difficulty of torsional angle measurement,an observer-based control scheme that uses only rotor speed information is further developed for global asymptotic output tracking.The effectiveness of the proposed control methods is illustrated by simulation results.

基于模糊动态输出反馈的重载运输车舒适性研究

为改善重载运输车辆行驶平顺性和驾驶舒适性的问题,以半主动油气悬架及人-椅集中质量模型为研究对象,设计基于模糊动态输出反馈的增量式PID油气悬架控制系统,综合考虑驾驶员的主观感受和烦恼率,以车身垂向加速度、车轮动载荷、悬架动挠度和驾驶员烦恼率为评价指标,对被动悬架、模糊PID和模糊动态输出反馈增量式PID控制油气悬架系统进行研究。仿真结果表明:与被动油气悬架系统相比,基于模糊动态输出反馈的增量式PID控制油气悬架系统的车身垂向加速度的均方根值降低52%、悬架动挠度降低24%、车轮动载荷降低44%、驾驶员烦恼率降低38.5%;与模糊PID控制油气悬架系统相比,其车身垂向加速度的均方根值降低37%、悬架动挠度降低14%、车轮动载荷降低21%。因此,基于模糊动态输出反馈的增量式PID控制油气悬架系统能够提升重载运输车辆的行驶平顺性和驾驶舒适性。

基于改进弹簧-质点模型的形变建模及力反馈算法研究

基于弹簧-质点模型的基础上提出一种新的可变菱形拓扑结构模型,通过改变菱形边弹簧的长度及弹簧系数、初始夹角,可实现该模型对不同器官的形变模拟。此外在模型中加入虚拟弹簧提供约束力,避免外力过大出现超弹性现象,并用于形变过程中反馈力的计算。在力反馈形变算法中,筛选有效的移动质点,并把这些移动质点形成区域面积的改变与作用力联系起来,计算量小,从而简化了传统的弹簧-质点模型的力反馈算法。基于此模型采用PHANTOM触觉交互设备进行受力形变模拟实验。实验结果表明,该模型结构简单易于实现,采用的力反馈形变算法,降低了形变计算的次数,提高了形变的实时性,具有更逼真的形变效果。

神经群模型中癫痫状棘波的闭环控制性能研究

神经群模型可模拟产生癫痫发作间歇期、发作前期和发作期的脑电信号.本文基于代数估计法,给出一种新型的闭环反馈控制策略以消除神经群模型中的癫痫状棘波.代数估计法用以观测模型中的状态以进一步构造控制器.在多个神经群耦合的模型中,通过数值仿真研究了与所给的闭环反馈控制策略相关的一些特性,包括受控神经群的类型与消除棘波的能力之间的关系、受控神经群的数目与控制能量之间的关系、模型的参量和控制能量之间的关系,以期建立合适的控制规则实现利用尽可能小的控制能量消除癫痫状棘波.此外,通过数值仿真对基于代数估计法的闭环反馈控制策略和直接比例反馈控制策略进行比较,结果表明,利用代数估计法进行滤波能减少消除癫痫状棘波所需的控制能量.

双向质量反馈模式对妊高征剖宫产产妇术后恢复及负性情绪的影响

目的探讨双向质量反馈模式运用于妊高征剖宫产产妇护理中对术后恢复、负性情绪和并发症的影响。方法选择2014年9月至2016年9月我院接收的妊高征剖宫产产妇104例作为此次研究对象,按照随机数字表法分为两组,每组52例。对照组行常规护理,观察组行双向质量反馈模式护理,对比分析两组术后恢复情况、护理前后焦虑自评量表(SAS)评分、抑郁自评量表(SDS)评分和并发症发生率。结果观察组术后初次排气时间、初次泌乳时间、初次下床活动时间和自主排尿时间均短于对照组,差异有统计学意义(P<0.05);两组干预后SAS、SDS评分均低于干预前,且观察组干预后SAS、SDS评分均低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05);观察组并发症发生率低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论双向质量反馈模式运用于妊高征剖宫产产妇护理中可明显缓解患者负性情绪,降低并发症发生率,促进术后早日恢复,效果显著,值得推广。