Calibration of a desktop scanner and digital image analysis procedure for quantification of a root morphology

Selostus: Tasoskannerin ja digitaalisen kuva-analyysimenetelmän kalibrointi juurten morfologian kvantifioimiseksi

Stress intensity factor of wood from crack-tip displacement fields obtained from digital image processing

Abstract

Individual tree measurements by means of digital aerial photogrammetry

University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Forest Resource Management

Designing Digital Filters for Servo Systems

The aim of this work was to select an appropriate digital filter for a servo application and to filter the noise from the measurement devices. Low pass filter attenuates the high frequency noise beyond the specified cut-off frequency. Digital lowpass filters in both IIR and FIR responses were designed and experimentally compared to understand their characteristics from the corresponding step responses of the system. Kaiser Windowing and Equiripple methods were selected for FIR response, whereas Butterworth, Chebyshev, InverseChebyshev and Elliptic methods were designed for IIR case. Limitations in digital filter design for a servo system were analysed. Especially the dynamic influences of each designed filter on the control stabilityof the electrical servo drive were observed. The criterion for the selection ofparameters in designing digital filters for servo systems was studied. Control system dynamics was given significant importance and the use of FIR and IIR responses in different situations were compared to justify the selection of suitableresponse in each case. The software used in the filter design was MatLab/Simulink® and dSPACE's DSP application. A speed controlled Permanent Magnet Linear synchronous Motor was used in the experimental work.

Synchronous Digital Hierarchy implementation to a Radio Transmission Node

Kiristyville markkinoille on aina tuotava jotain uutta tarjottavaa ja SDH-kortti on yksi sellainen tuote jonka Nokia Networks julkistaa osaksi uutta Nokia Flexihub Nodea. Tavoitteena on suunnitella VC-12kanavoitu STM-1 kortti yhdistämään ylemmän tason tietoliikenneverkko suuren kapasiteetin radioon. Ennen kuin markkinoilla on valmis tuote, on sen takana valtaisa määrä työtä. Erilaisia dokumentteja on pitänyt tuottaa ja sopimuksia tehdä. Esimerkiksi vaatimusmäärittelyt on oltava selvät, jotta tiedetään mitä tuotteelta halutaan. Tätä ennen on kuitenkin pitänyt ymmärtää miten SDHtoimii ja miten otsikkotavuja käsitellään. Myös erilaiset piirivalinnat aiheuttavat miettimistä, sillä markkinoilla on runsaasti valmiita piirejä SDH signaalinkäsittelyyn. Varma tiedonsiirto on tärkeää puhelinoperaattorille ja siksi joudutaan miettimään varmennuksia ja niiden toteuttamista. Myös synkronointi on tärkeä osa SDH järjestelmää ja sen toteuttaminen hyvin on tärkeää. Hälytykset on otettava huomioon ja mietittävä, miten niiden käsittely saadaan hoidettua järkevästi, ilman että mikään järjestelmän osa ruuhkautuu kohtuuttomasti. Tässä Diplomityössä on tutustuttu SDH-järjestelmään, otsikkotavujen käsittelyyn ja vaatimusmäärittelyihin.

Embedding, Extraction and Detection of Digital Watermark in Spectral Images

Tässä diplomityössä tutkitaan tekniikoita, joillavesileima lisätään spektrikuvaan, ja menetelmiä, joilla vesileimat tunnistetaanja havaitaan spektrikuvista. PCA (Principal Component Analysis) -algoritmia käyttäen alkuperäisten kuvien spektriulottuvuutta vähennettiin. Vesileiman lisääminen spektrikuvaan suoritettiin muunnosavaruudessa. Ehdotetun mallin mukaisesti muunnosavaruuden komponentti korvattiin vesileiman ja toisen muunnosavaruuden komponentin lineaarikombinaatiolla. Lisäyksessä käytettävää parametrijoukkoa tutkittiin. Vesileimattujen kuvien laatu mitattiin ja analysoitiin. Suositukset vesileiman lisäykseen esitettiin. Useita menetelmiä käytettiin vesileimojen tunnistamiseen ja tunnistamisen tulokset analysoitiin. Vesileimojen kyky sietää erilaisia hyökkäyksiä tarkistettiin. Diplomityössä suoritettiin joukko havaitsemis-kokeita ottamalla huomioon vesileiman lisäyksessä käytetyt parametrit. ICA (Independent Component Analysis) -menetelmää pidetään yhtenä mahdollisena vaihtoehtona vesileiman havaitsemisessa.

Value Sales Approach in Digital Printing

Digitaalinen tulostus osana informaatiologistiikan toimialaa elää murroskautta kovankilpailun ja palveluiden kehittymisen myötä. Moderni teknologia mahdollistaa uudenlaisia älykkäitä palveluita, jotka antavat lisäarvoa niin yritysasiakkaille kuin kuluttajillekin. Siten myös myyntiprosesseja kehitetään tukemaan arvon luontia. Tutkimuksen teoreettisessa osuudessa sovellettiin arvon luomiseen ja myymiseen liittyviä keskeisiä teorioita, sekä organisaation ostokäyttäytymisen ja suhdemarkkinoinnin asioita. Empiirinen tutkimus toteutettiin asiakas- ja asiantuntijahaastatteluiden sekä kansainvälisten koulutuspäivien avulla. Työn tavoitteena oli luoda teoreettisen ja empiirisen tutkimuksen tulosten pohjalta ohjeistus digitaalisen tulostuksen palveluiden arvomyyntiin. Lisäksi työssä käsiteltiin myyntiprosessiin liittyviä kysymyksiä alan ominaispiirteet huomioon ottaen.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Design and implementation of FPGA-based LQ control of active magnetic bearings

The need for high performance, high precision, and energy saving in rotating machinery demands an alternative solution to traditional bearings. Because of the contactless operation principle, the rotating machines employing active magnetic bearings (AMBs) provide many advantages over the traditional ones. The advantages such as contamination-free operation, low maintenance costs, high rotational speeds, low parasitic losses, programmable stiffness and damping, and vibration insulation come at expense of high cost, and complex technical solution. All these properties make the use of AMBs appropriate primarily for specific and highly demanding applications. High performance and high precision control requires model-based control methods and accurate models of the flexible rotor. In turn, complex models lead to high-order controllers and feature considerable computational burden. Fortunately, in the last few years the advancements in signal processing devices provide new perspective on the real-time control of AMBs. The design and the real-time digital implementation of the high-order LQ controllers, which focus on fast execution times, are the subjects of this work. In particular, the control design and implementation in the field programmable gate array (FPGA) circuits are investigated. The optimal design is guided by the physical constraints of the system for selecting the optimal weighting matrices. The plant model is complemented by augmenting appropriate disturbance models. The compensation of the force-field nonlinearities is proposed for decreasing the uncertainty of the actuator. A disturbance-observer-based unbalance compensation for canceling the magnetic force vibrations or vibrations in the measured positions is presented. The theoretical studies are verified by the practical experiments utilizing a custom-built laboratory test rig. The test rig uses a prototyping control platform developed in the scope of this work. To sum up, the work makes a step in the direction of an embedded single-chip FPGA-based controller of AMBs.

Digital printing delivering value to the value network: CASE: STORA ENSO OYJ

Tutkielman tavoitteena oli tutkia, millaista arvoa digitaalinen painatusmenetelmä tuo yrityksen arvoverkostoon. Teoriaosassa tavoite oli rakentaa digitaalipainatuksen arvoverkostoa tutkien kirjallisuutta liittyen arvoketju- ja arvoverkostoajatteluun. Myös aiemmat tutkimukset ja kirjallisuus liittyen digitaalipainatukseen rakensivat osaltaan teoreettisen viitekehyksen muodostumista. Aiemmat tutkimukset digitaalisen painomenetelmän mahdollisuuksista ovat hyvin tekniikkapainotteisia, siksi tämä tutkimus liittyy enemmän kaupallisiin mahdollisuuksiin. Empiirinen osio tutkimuksesta tehtiin kvalitatiivisena case -tutkimuksena, johon sisältyi yksi alayksikkö. Eli tutkittiin yhtä casea, jossa oli kaksi osapuolta. Tutkielma liittyy kiinteästi Stora Enson ja Valion väliseen digipainatus-projektiin, joka käynnistettiin helmikuussa 2001. Tutkielman teemahaastatteluihin valittiin henkilöt tästä projektiryhmästä. Projektiryhmän mielipiteitä ja havaintoja hyödyntäen pyrittiin löytämään tukea ja eroavaisuuksia teoriaosan muodostamaan viitekehykseen ja informaatioon. Empiirinen osuus tuki teoriaosassa esittämiä väittämiä hyvin, mutta myös muutamia uusia havaintoja esiintyi. Tutkimusongelmaan löydettiin monia vastauksia: digitaalipainatus luo arvoa yrityksen jakeluketjuun vähentämällä varastoja ja nopeuttamalla toimituksia. Jäätelöpakkausten markkinointi on aivan uuden haasteen edessä, koska mahdollisuudet kasvavat digitaalipainatuksen myötä huomattavasti. Kartongin valmistajalle arvo tulee parempien tuotteiden kautta, joista saa myös paremman tuoton. Digitaalipainatuksen arvoverkostossa tulee tapahtumaan muutoksia jatkossa, eri osapuolten roolit saattavat muuttua radikaalisti. Kuka hoitaa painatusta ja miten?

GPS-signal Source Based on Direct Digital Synthesis

This thesis presents the design and implementation of a GPS-signal source suitable for receiver measurements. The developed signal source is based on direct digital synthesis which generates the intermediate frequency. The intermediate frequency is transfered to the final frequency with the aid of an Inphase/Quadrature modulator. The modulating GPS-data was generated with MATLAB. The signal source was duplicated to form a multi channel source. It was shown that, GPS-signals ment for civil navigation are easy to generate in the laboratory. The hardware does not need to be technically advanced if navigation with high level of accuracy is not needed. It was also shown that, the Inphase/Quadrature modulator can function as a single side band upconverter even with a high intermediate frequency. This concept reduces the demands required for output filtering.

On the Analysis and Control of a Linear Synchronous Servomotor with a Flexible Load

Industry's growing need for higher productivity is placing new demands on mechanisms connected with electrical motors, because these can easily lead to vibration problems due to fast dynamics. Furthermore, the nonlinear effects caused by a motor frequently reduce servo stability, which diminishes the controller's ability to predict and maintain speed. Hence, the flexibility of a mechanism and its control has become an important area of research. The basic approach in control system engineering is to assume that the mechanism connected to a motor is rigid, so that vibrations in the tool mechanism, reel, gripper or any apparatus connected to the motor are not taken into account. This might reduce the ability of the machine system to carry out its assignment and shorten the lifetime of the equipment. Nonetheless, it is usually more important to know how the mechanism, or in other words the load on the motor, behaves. A nonlinear load control method for a permanent magnet linear synchronous motor is developed and implemented in the thesis. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired velocity reference as fast as possible and without awkward oscillations. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm with its stability ensured by the Lyapunov stability theorem. As a reference controller for the backstepping method, a hybrid neural controller is introduced in which the linear motor itself is controlled by a conventional PI velocity controller and the vibration of the associated flexible mechanism is suppressed from an outer control loop using a compensation signal from a multilayer perceptron network. To avoid the local minimum problem entailed in neural networks, the initial weights are searched for offline by means of a differential evolution algorithm. The states of a mechanical system for controllers are estimated using the Kalman filter. The theoretical results obtained from the control design are validated with the lumped mass model for a mechanism. Generalization of the mechanism allows the methods derived here to be widely implemented in machine automation. The control algorithms are first designed in a specially introduced nonlinear simulation model and then implemented in the physical linear motor using a DSP (Digital Signal Processor) application. The measurements prove that both controllers are capable of suppressing vibration, but that the backstepping method is superior to others due to its accuracy of response and stability properties.

Digital Audio Broadcasting: Technology and Prospects

The subject of the thesis was the digital audio broadcasting technology developed in the Eureka project 147. The research was based on the literature on the subject. At first, some reasons for the digitisation of broadcasting technology were given. Next, the channel multiplexing and channel coding methods employed by digital radio were discussed. The design of these methods is based on certain phenomena related to the propagation of radio-frequency signals, and these phenomena were also described. After that, audio and data transfer mechanisms as well as the structure of digital radio network were explained. Furthermore, digital audio and data services were considered. Finally, the digital radio was examined from marketing and administrative aspects. From a merely technical point of view, the digital radio technology offers several improvements in comparison with analogue technology. However, the digital radio has not become as widespread as it was perhaps originally expected during its development.