NASA Tech Briefs, November 2007

Topics include: Wireless Measurement of Contact and Motion Between Contact Surfaces; Wireless Measurement of Rotation and Displacement Rate; Portable Microleak-Detection System; Free-to-Roll Testing of Airplane Models in Wind Tunnels; Cryogenic Shrouds for Testing Thermal-Insulation Panels; Optoelectronic System Measures Distances to Multiple Targets; Tachometers Derived From a Brushless DC Motor; Algorithm-Based Fault Tolerance for Numerical Subroutines; Computational Support for Technology- Investment Decisions; DSN Resource Scheduling; Distributed Operations Planning; Phase-Oriented Gear Systems; Freeze Tape Casting of Functionally Graded Porous Ceramics; Electrophoretic Deposition on Porous Non- Conductors; Two Devices for Removing Sludge From Bioreactor Wastewater; Portable Unit for Metabolic Analysis; Flash Diffusivity Technique Applied to Individual Fibers; System for Thermal Imaging of Hot Moving Objects; Large Solar-Rejection Filter; Improved Readout Scheme for SQUID-Based Thermometry; Error Rates and Channel Capacities in Multipulse PPM; Two Mathematical Models of Nonlinear Vibrations; Simpler Adaptive Selection of Golomb Power-of- Two Codes; VCO PLL Frequency Synthesizers for Spacecraft Transponders; Wide Tuning Capability for Spacecraft Transponders; Adaptive Deadband Synchronization for a Spacecraft Formation; Analysis of Performance of Stereoscopic-Vision Software; Estimating the Inertia Matrix of a Spacecraft; Spatial Coverage Planning for Exploration Robots; and Increasing the Life of a Xenon-Ion Spacecraft Thruster

Active control of turbulence-induced helicopter vibration

Helicopter vibration signatures induced by severe atmospheric turbulence have been shown to differ considerably from nominal, still air vibration. The perturbations of the transmission frequency have significant implications for the design of passive and active vibration alleviation devices, which are generally tuned to the nominal vibration frequency. This thesis investigates the existence of the phenomena in several realistic atmospheric turbulence environments, generated using Computational Fluid Dynamic (CFD) engineering software and assimilated within a high-fidelity rotorcraft simulation, RASCAL. The RASCAL simulation is modified to calculate blade element sampling of the gust, enabling thorough, high frequency analyses of the rotor response. In a final modification, a numerical, integration-based inverse simulation algorithm, GENISA is incorporated and the augmented simulation is henceforth referred to as HISAT. Several implementation issues arise from the symbiosis, principally because of the modelling of variable rotorspeed and lead-lag motion. However, a novel technique for increasing the numerical stability margins is proposed and tested successfully. Two active vibration control schemes, higher harmonic control 'HHC' and individual blade control 'IBC', are then evaluated against a 'worst-case' sharp-edged gust field. The higher harmonic controller demonstrates a worrying lack of robustness, and actually begins to contribute to the vibration levels. Several intuitive modifications to the algorithm are proposed but only disturbance estimation is successful. A new simulation model of coupled blade motion is derived and implemented using MATLAB and is used to design a simple IBC compensator. Following bandwidth problems, a redesign is proposed using H theory which improves the controller performance. Disturbance prediction/estimation is attempted using artificial neural networks to limited success. Overall, the aims and objectives of the research are met

Advanced array signal processing algorithms for multi-dimensional parameter estimation

Multi-dimensional high-resolution parameter estimation is a fundamental problem in a variety of array signal processing applications, including radar, mobile communications, multiple-input multiple-output (MIMO) channel estimation, and biomedical imaging. The objective is to estimate the frequency parameters of noise-corrupted multi-dimensional harmonics that are sampled on a multi-dimensional grid. Among the proposed parameter estimation algorithms to solve this problem, multi-dimensional (R-D) ESPRIT-type algorithms have been widely used due to their computational efficiency and their simplicity. Their performance in various scenarios has been objectively evaluated by means of an analytical performance assessment framework. Recently, a relatively new class of parameter estimators based on sparse signal reconstruction has gained popularity due to their robustness under challenging conditions such as a small sample size or strong signal correlation. A common approach towards further improving the performance of parameter estimation algorithms is to exploit prior knowledge on the structure of the signals. In this thesis, we develop enhanced versions of R-D ESPRIT-type algorithms and the relatively new class of sparsity-based parameter estimation algorithms by exploiting the multi-dimensional structure of the signals and the statistical properties of strictly non-circular (NC) signals. First, we derive analytical expressions for the gain from forward-backward averaging and tensor-based processing in R-D ESPRIT-type and R-D Tensor-ESPRIT-type algorithms for the special case of two sources. This is accomplished by simplifying the generic analytical MSE expressions from the performance analysis of R-D ESPRIT-type algorithms. The derived expressions allow us to identify the parameter settings, e.g., the number of sensors, the signal correlation, and the source separation, for which both gains are most pronounced or no gain is achieved. Second, we propose the generalized least squares (GLS) algorithm to solve the overdetermined shift invariance equation in R-D ESPRIT-type algorithms. GLS directly incorporates the statistics of the subspace estimation error into the shift invariance solution through its covariance matrix, which is found via a first-order perturbation expansion. To objectively assess the estimation accuracy, we derive performance analysis expressions for the mean square error (MSE) of GLS-based ESPRIT-type algorithms, which are asymptotic in the effective SNR, i.e., the results become exact for a high SNR or a small sample size. Based on the performance analysis, we show that the simplified MSE expressions of GLS-based 1-D ESPRIT-type algorithms for a single source and two sources can be transformed into the corresponding Cramer-Rao bound (CRB) expressions, which provide a lower limit on the estimation error. Thereby, ESPRIT-type algorithms can become asymptotically efficient, i.e., they asymptotically achieve the CRB. Numerical simulations show that this can also be the case for more than two sources. In the third contribution, we derive matrix-based and tensor-based R-D NC ESPRIT-type algorithms for multi-dimensional strictly non-circular signals, where R-D NC Tensor-ESPRIT-type algorithms exploit both the multi-dimensional structure and the strictly non-circular structure of the signals. Exploiting the NC signal structure by means of a preprocessing step leads to a virtual doubling of the original sensor array, which provides an improved estimation accuracy and doubles the number of resolvable signals. We derive an analytical performance analysis and compute simplified MSE expressions for a single source and two sources. These expressions are used to analytically compute the NC gain for these cases, which has so far only been studied via Monte-Carlo simulations. We additionally consider spatial smoothing preprocessing for R-D ESPRIT-type algorithms, which has been widely used to improve the estimation performance for highly correlated signals or a small sample size. Once more, we derive performance analysis expressions for R-D ESPRIT-type algorithms and their corresponding NC versions with spatial smoothing and derive the optimal number of subarrays for spatial smoothing that minimizes the MSE for a single source. In the next part, we focus on the relatively new concept of parameter estimation via sparse signal reconstruction (SSR), in which the sparsity of the received signal power spectrum in the spatio-temporal domain is exploited. We develop three NC SSR-based parameter estimation algorithms for strictly noncircular sources and show that the benefits of exploiting the signals’ NC structure can also be achieved via sparse reconstruction. We develop two grid-based NC SSR algorithms with a low-complexity off-grid estimation procedure, and a gridless NC SSR algorithm based on atomic norm minimization. As the final contribution of this thesis, we derive the deterministic R-D NC CRB for strictly non-circular sources, which serves as a benchmark for the presented R-D NC ESPRIT-type algorithms and the NC SSR-based parameter estimation algorithms. We show for the special cases of, e.g., full coherence, a single snapshot, or a single strictly non-circular source, that the deterministic R-D NC CRB reduces to the existing deterministic R-D CRB for arbitrary signals. Therefore, no NC gain can be achieved in these cases. For the special case of two closely-spaced NC sources, we simplify the NC CRB expression and compute the NC gain for two closely-spaced NC signals. Finally, its behavior in terms of the physical parameters is studied to determine the parameter settings that provide the largest NC gain.Die hochauflösende Parameterschätzung für mehrdimensionale Signale findet Anwendung in vielen Bereichen der Signalverarbeitung in Mehrantennensystemen. Zu den Anwendungsgebieten zählen beispielsweise Radar, die Mobilkommunikation, die Kanalschätzung in multiple-input multiple-output (MIMO)-Systemen und bildgebende Verfahren in der Biosignalverarbeitung. In letzter Zeit sind eine Vielzahl von Algorithmen zur Parameterschätzung entwickelt worden, deren Schätzgenauigkeit durch eine analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit objektiv bewertet werden kann. Eine verbreitete Methode zur Verbesserung der Schätzgenauigkeit von Parameterschätzverfahren ist die Ausnutzung von Vorwissen bezüglich der Signalstruktur. In dieser Arbeit werden mehrdimensionale ESPRIT-Verfahren als Beispiel für Unterraum-basierte Verfahren entwickelt und analysiert, die explizit die mehrdimensionale Signalstruktur mittels Tensor-Signalverarbeitung ausnutzt und die statistischen Eigenschaften von nicht-zirkulären Signalen einbezieht. Weiterhin werden neuartige auf Signalrekonstruktion basierende Algorithmen vorgestellt, die die nicht-zirkuläre Signalstruktur bei der Rekonstruktion ausnutzen. Die vorgestellten Verfahren ermöglichen eine deutlich verbesserte Schätzgüte und verdoppeln die Anzahl der auflösbaren Signale. Die Vielzahl der Forschungsbeiträge in dieser Arbeit setzt sich aus verschiedenen Teilen zusammen. Im ersten Teil wird die analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit von Matrix-basierten und Tensor-basierten ESPRIT-Algorithmen betrachtet. Die Tensor-basierten Verfahren nutzen explizit die mehrdimensionale Struktur der Daten aus. Es werden für beide Algorithmenarten vereinfachte analytische Ausdrücke für den mittleren quadratischen Schätzfehler für zwei Signalquellen hergeleitet, die lediglich von den physikalischen Parametern, wie zum Beispiel die Anzahl der Antennenelemente, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, oder die Anzahl der Messungen, abhängen. Ein Vergleich dieser Ausdrücke ermöglicht die Berechnung einfacher Ausdrücke für den Schätzgenauigkeitsgewinn durch den forward-backward averaging (FBA)-Vorverarbeitungsschritt und die Tensor-Signalverarbeitung, die die analytische Abhängigkeit von den physikalischen Parametern enthalten. Im zweiten Teil entwickeln wir einen neuartigen general least squares (GLS)-Ansatz zur Lösung der Verschiebungs-Invarianz-Gleichung, die die Grundlage der ESPRIT-Algorithmen darstellt. Der neue Lösungsansatz berücksichtigt die statistische Beschreibung des Fehlers bei der Unterraumschätzung durch dessen Kovarianzmatrix und ermöglicht unter bestimmten Annahmen eine optimale Lösung der Invarianz-Gleichung. Mittels einer Performanzanalyse der GLS-basierten ESPRIT-Verfahren und der Vereinfachung der analytischen Ausdrücke für den Schätzfehler für eine Signalquelle und zwei zeitlich unkorrelierte Signalquellen wird gezeigt, dass die Cramer-Rao-Schranke, eine untere Schranke für die Varianz eines Schätzers, erreicht werden kann. Im nächsten Teil werden Matrix-basierte und Tensor-basierte ESPRIT-Algorithmen für nicht-zirkuläre Signalquellen vorgestellt. Unter Ausnutzung der Signalstruktur gelingt es, die Schätzgenauigkeit zu erhöhen und die doppelte Anzahl an Quellen aufzulösen. Dabei ermöglichen die vorgeschlagenen Tensor-ESPRIT-Verfahren sogar die gleichzeitige Ausnutzung der mehrdimensionalen Signalstruktur und der nicht-zirkuläre Signalstruktur. Die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren wird erneut durch eine analytische Beschreibung objektiv bewertet und Spezialfälle für eine und zwei Quellen betrachtet. Es zeigt sich, dass für eine Quelle keinerlei Gewinn durch die nicht-zirkuläre Struktur erzielen lässt. Für zwei nicht-zirkuläre Quellen werden vereinfachte Ausdrücke für den Gewinn sowohl im Matrixfall also auch im Tensorfall hergeleitet und die Abhängigkeit der physikalischen Parameter analysiert. Sind die Signale stark korreliert oder ist die Anzahl der Messdaten sehr gering, kann der spatial smoothing-Vorverarbeitungsschritt mit den verbesserten ESPRIT-Verfahren kombiniert werden. Anhand der Performanzanalyse wird die Anzahl der Mittellungen für das spatial smoothing-Verfahren analytisch für eine Quelle bestimmt, die den Schätzfehler minimiert. Der nächste Teil befasst sich mit einer vergleichsweise neuen Klasse von Parameterschätzverfahren, die auf der Rekonstruktion überlagerter dünnbesetzter Signale basiert. Als Vorteil gegenüber den Algorithmen, die eine Signalunterraumschätzung voraussetzen, sind die Rekonstruktionsverfahren verhältnismäßig robust im Falle einer geringen Anzahl zeitlicher Messungen oder einer starken Korrelation der Signale. In diesem Teil der vorliegenden Arbeit werden drei solcher Verfahren entwickelt, die bei der Rekonstruktion zusätzlich die nicht-zirkuläre Signalstruktur ausnutzen. Dadurch kann auch für diese Art von Verfahren eine höhere Schätzgenauigkeit erreicht werden und eine höhere Anzahl an Signalen rekonstruiert werden. Im letzten Kapitel der Arbeit wird schließlich die Cramer-Rao-Schranke für mehrdimensionale nicht-zirkuläre Signale hergeleitet. Sie stellt eine untere Schranke für den Schätzfehler aller Algorithmen dar, die speziell für die Ausnutzung dieser Signalstruktur entwickelt wurden. Im Vergleich zur bekannten Cramer-Rao-Schranke für beliebige Signale, zeigt sich, dass im Fall von zeitlich kohärenten Signalen, für einen Messvektor oder für eine Quelle, beide Schranken äquivalent sind. In diesen Fällen kann daher keine Verbesserung der Schätzgüte erzielt werden. Zusätzlich wird die Cramer-Rao-Schranke für zwei benachbarte nicht-zirkuläre Signalquellen vereinfacht und der maximal mögliche Gewinn in Abhängigkeit der physikalischen Parameter analytisch ermittelt. Dieser Ausdruck gilt als Maßstab für den erzielbaren Gewinn aller Parameterschätzverfahren für zwei nicht-zirkuläre Signalquellen

Identification et commande en ligne des robots avec utilisation de différentiateurs algébriques

This thesis discusses the identification issues of the robot dynamic parameters. Starting with the well-known inverse dynamic identification model, power and energy identification models for robots, it extends the identification model from an energy point of view, by integrating modulating functions with robot power model. This new identification model avoids the computation of acceleration data. As well, the integration procedures are analyzed in frequency domain so that certain groups of modulating functions are selected in order to offer a good low-pass filtering property. Then, a recently developed high order algebraic differentiator is proposed and studied, named Jacobi differentiators. The analyses are done in both the time domain and in the frequency domain, which gives a clear clue about the differentiator filtering property and about how to select the differentiator parameters. Comparisons among different identification models, differentiators, least square techniques are presented and conclusions are drawn in the robot identification issues.Cette thèse traite de l'identification des paramètres dynamiques des robots, en s'appuyant sur les méthodes d'identification en robotique, qui utilisent le modèle dynamique inverse, ou le modèle de puissance, ou le modèle d'énergie du robot. Ce travail revisite le modèle d'énergie en exploitant le caractère intégral des fonctions modulatrices appliquées au modèle de puissance du robot. En outre, les procédures d'intégration sont analysées dans le domaine fréquentiel, et certains groupes de fonctions modulatrices sont sélectionnés afin d'offrir un bon comportement de filtre passe-bas. Ensuite, l'introduction d'un différentiateur algèbrique récemment développé est proposé, nommé différentiateurs de Jacobi. L'analyse est effectuée dans le domaine temporel, et dans le domaine fréquenciel, ce qui met en évidence la propriété de filtrage passe bande et permet de sélectionner les paramètres des différentiateurs. Puis, ces différentiateurs sont appliqués avec succès à l'identification de robot, ce qui prouve leur bonne performance. Les comparaisons entre les différents modèles d'identification, les différenciateurs, les techniques des moindres carrés sont présentées et des conclusions sont tirées dans le domaine de l'identification de robot

Cumulative index to NASA Tech Briefs, 1986-1990, volumes 10-14

Tech Briefs are short announcements of new technology derived from the R&D activities of the National Aeronautics and Space Administration. These briefs emphasize information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines and are issued to encourage commercial application. This cumulative index of Tech Briefs contains abstracts and four indexes (subject, personal author, originating center, and Tech Brief number) and covers the period 1986 to 1990. The abstract section is organized by the following subject categories: electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, materials, computer programs, life sciences, mechanics, machinery, fabrication technology, and mathematics and information sciences