基于ESMF的POP海洋模式组件化设计与并行方法研究

针对目前海洋模式开发存在的移植、更新和相同功能代码重用困难的问题，对海洋模式的功能分解及组件化封装进行了研究，设计了一套基于地球系统建模框架（ESMF）的组件化与并行化方法，并将其应用在并行海洋模式POP上，构建了一种新的组件化海洋模式。对新模式的测试结果表明，上述方法能在保证模式正确性的基础上实现模式的可复用性与可维护性，并且能在一定程度上提高模式的运行效率。

基于ESMF算法的车辆轮毂电机传感器控制方法

分析表明,汽车电机的动态状态是影响轮毂电机传感器使用效果的重要变量,当前车辆轮毂电机传感器控制方法对于汽车电机运行状态分析能力较差,导致电机转速控制效果较差。针对此问题,设计基于ESMF算法的车辆轮毂电机传感器控制方法。通过电机运行状态分析与车辆轮毂电机传感器自动控制两部分完成ESMF方法设计过程。构架仿真实验对ESMF方法的使用效果加以分析,经实验结果可知ESMF方法对于电机传感器的控制能力更佳。

基于ESMF算法的GPS信号多普勒频率估计

针对GPS接收机对载波信号的跟踪性能受到不同类型噪声的影响,且这些噪声的统计特性很难得到的问题,提出一种基于扩展集员滤波(ESMF)的解决方法.该方法根据载波信号中噪声统计特性未知但有界(UBB)的特点,设定合理的噪声边界,将UBB噪声包含在椭球集合内;利用集员的思想实现载波信号多普勒频率的在线非线性估计,且估计过程中同时能够检测系统坏值的发生时刻.仿真中,模型选取三维空间运动的载体.仿真结果表明,ESMF在处理该模型时是一种有效的鲁棒估计算法.

三维环境中多机器人动态目标主动协作观测方法

动态目标的多移动机器人主动协作观测方法是指以获取较优的观测结果为目的,对携带同构/异构观测传感器的多个机器人系统的观测数据进行有效融合并同时对其行为进行协调优化的方法.本文主要研究了三维环境中的多机器人动态目标主动协作观测的问题.首先,以扩展集员估计方法(Extended set-membership filter,ESMF)为基础,将信息融合过程与算法本身存在的集合运算环节相结合,提出了一种高精度的多机器人观测信息融合方法.该方法在保证较高观测精度的同时,并没有显著增加单机器人扩展集员估计算法的计算量,因此具有较高的实时性.此外,利用最优观测角度的概念,通过引入相对速度空间(Relative velocity coordinates,RVCs),设计了多移动机器人协调行为优化方法,该方法可以将多机器人协调行为优化问题转化为线性规划问题,以实现具有较高实时性的多机器人三维动态目标主动协作观测.最后,为了验证所研究方法的可行性与有效性,进行了三维空间动态目标协作观测仿真实验.

扩展集员滤波在捷联惯导大方位失准角初始对准中的应用

研究了静基座捷联惯导系统初始失准角为大角度时扩展集员滤波在初始对准中的应用。给出了扩展集员滤波算法的基本概念和递推公式,指出算法假设系统的过程和量测噪声以及初始状态由已知椭球来定界,利用椭球集合来描述系统真实状态的可行集。算法在将非线性方程线性化过程中保留高阶项,利用区间分析方法对高阶项进行定界,然后加入到噪声项中,形成一个虚拟噪声项,对经过处理后的线性化方程进行集员滤波处理。最后将扩展集员滤波应用于惯导系统大失准角时的初始对准中,通过计算机仿真对比了扩展卡尔曼滤波和扩展集员滤波的估计效果。仿真结果表明,在随机噪声和有界噪声条件下,扩展集员滤波都较扩展卡尔曼滤波的效果要好,特别是当系统存在有界噪声,应用扩展卡尔曼滤波得到的效果已明显变差,但应用扩展集员滤波仍能得到比较好的结果。

基于最优定界椭球的扩展集员滤波算法研究

针对噪声未知但有界的非线性系统,提出了一种基于最优定界椭球的扩展集员滤波算法。首先,对非线性状态方程和量测方程进行泰勒级数展开,采用区间分析方法对线性化误差进行外包定界,并通过椭球近似将其整合到系统噪声中;在此基础上通过预测步和滤波步两步过程来计算与量测和噪声边界近似相一致的待估计状态的可行集。以Duffing方程为例,与扩展卡尔曼滤波方法的仿真比较表明了该算法的精确性和鲁棒性。

基于集员滤波的双Kinect人体关节点数据融合

以Kinect为代表的深度图像传感器在肢体康复系统中得到广泛应用.单一深度图像传感器采集人体关节点数据时由于肢体遮挡、传感器数据错误和丢失等原因降低系统可靠性.本文研究了利用两台Kinect深度图像传感器进行数据融合从而达到消除遮挡、数据错误和丢失的目的,提高康复系统中数据的稳定性和可靠性.首先,利用两台Kinect采集患者健康侧手臂运动数据;其次,对两组数据做时间对准、Bursa线性模型下的坐标变换和基于集员滤波的数据融合;再次,将融合后的健康侧手臂运动数据经过"镜像运动"作为患侧手臂运动指令;最后,将患侧运动指令下发给可穿戴式镜像康复外骨骼带动患者患侧手臂完成三维动画提示的康复动作,达到患者主动可控康复的目的.本文通过Kinect与VICON系统联合实验以及7自由度机械臂控制实验验证了数据融合方法的有效性,以及两台Kinect可有效解决上述问题.

样条插值算法在耦合地球系统模式中的应用

为满足耦合地球系统模式应用的需求,提出了一种二维样条插值算法,并将其有效地实现成插值模块封装进地球系统建模框架(earth system modeling framework,ESMF)。该算法基于经典样条算法,根据地球系统模式特点进行修改,用两次一维插值扩张成二维插值,引入极点区域外插处理,将插值权重生成与插值结果计算两部分分离。实验结果表明,该算法能获得高精度的插值结果,模块化的设计使得用户可通过统一的接口来使用插值算法从而完成插值计算。

图形化的地学耦合建模环境与原型系统设计

耦合建模是近年来地学研究使用的重要方法。建模框架是应用较多的一类地学耦合建模环境。由于要求研究者完成耦合模型的程序编码,在一定程度上降低了它的可用性,同时也带给使用者更多的负担。本文以建模框架ESMF作为基础,对构建完全图形化的地学耦合建模环境中的问题和解决方法进行探讨。主要包括:根据确定的耦合模式及其隐含的模型调用和数据依赖关系,建立耦合模型代码的自动生成机制;以模型元数据为基础,提出表达模型变量语义相似性的OCF方法,进而给出校验耦合模型之间的时空一致性和变量匹配与否的方法。根据以上研究,设计图形化的地学耦合建模环境原型系统,并开发测试场景对其进行检验。结果表明,系统能够检测出测试场景中所有的错误耦合操作,而对于正确的耦合行为,耦合模型被顺利地创建并在ESMF中完全运行。