傳感器建模仿真的案例
今晚ANSYS直播丨無人駕駛傳感器仿真之攝像頭與激光雷達，報名抽手機
如何在預算有限的條件下，更好地滿足安全性要求，突破技術障礙，對安全分析技術、系統開發和驗證方法、車輛駕駛環境以及傳感器仿真的真實度都提出了更高要求。
ANSYS作為世界領先的工程仿真工具供應商，基于扎實的物理場仿真技術和安全開發技術，正在和知名企業一起構建先進的自動駕駛仿真工具鏈，涉及功能安全和信息安全分析、道路環境建模與仿真、傳感器建模與仿真、嵌入式軟件開發、閉環仿真，云計算平臺等等。
ANSYS自動駕駛系列Webinar，結合自動駕駛系統的研發講述ANSYS工具如何助力自動駕駛的開發驗證，本期重點為ANSYS自動駕駛解決方案之傳感器仿真（攝像頭和激光雷達）。
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展開 ANSYS SPEOS & VRXPERIENCE-基于物理特性的智能駕駛傳感器高精度仿真
作為智能駕駛系統的重要組成部分，傳感器為感知系統提供原始數據，其性能對整個智能駕駛系統的功能和性能有直接且重要的影響。
為提高智能駕駛系統開發的效率和效果，會采用仿真的方式對方案進行驗證和優化，涉及全數字仿真、半實物仿真等。為使仿真結果盡可能真實地反映實際情況，需要對攝像頭、激光雷達、毫米波雷達等傳感器進行高精度的建模仿真。
針對此類應用，經緯恒潤聯合ANSYS公司，提供包括光學及視覺模擬軟件SPEOS和光學虛擬現實仿真軟件VRXPERIENCE的智能駕駛傳感器高精度仿真解決方案，依據對象的真實物理屬性進行傳感器和場景的高精度仿真。
產品介紹
ANSYS SPEOS & VRXPERIENCE解決方案在智能駕駛領域可應用于攝像頭、激光雷達、毫米波雷達傳感器的建模仿真，涉及像素網格投影、成像仿真、圖像后處理接口、機器視覺、ADAS部件級仿真、實時燈光仿真、動態前照燈性能評估、傳感器性能評估等。可以在智駕系統研制早期，基于真實物理屬性進行不同天氣、時間、路況、光學傳感器安裝位置、安裝數量、傳感器設計方案、材料設計方案、照明設計方案等條件下的仿真模擬，對不同設計方案進行驗證，節約樣件和測試成本，縮短研發周期。
? ANSYS SPEOS
ANSYS SPEOS與SpaceClaim、CATIA V5、UG、CREO等主流CAD軟件平臺相結合，能夠實現從結構設計到光學設計的無縫銜接，以OMS設備的光學屬性測量結果作為軟件的輸入，基于材料的真實物理屬性進行傳感器及現實場景仿真，模擬結果可直接與實物照片進行對比。
SPEOS可以通過數字化建模為攝像頭和激光雷達傳感器提供測試環境，快速直觀地將駕駛環境中攝像頭和激光雷達的成像結果模擬出來。
展開 用于眼睛像差評估的Shack?Hartmann傳感器建模
</p><p><br></p><p>對于建模來說，系統可以分解為三個部分：人眼建模、采集光學系統和Shack-Hartmann傳感器。本文將描述每個部分的建模以及評估系統性能的分析工具。</p><p><br></p><p>在本文中，不會對將焦點聚焦到視網膜的注入部分進行專門建模，主要關注的是采集光學系統和傳感器。</p><p><br></p><p><br></p><p><strong>第1部分：人眼建模</strong></p><p><br></p><p><br></p><p>已經提出了幾種不同的方法來對如此排列復雜的人眼結構進行建模。此處使用的方法可在之前的微信推送中找到：<a href="http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2NjgxNTYxMg==&mid=2247489567&idx=3&sn=ee1b9f22b6ba7530a759561ae1861d0a&chksm=ce44430cf933ca1adf99e781d845c833af87f4aab1c2e3f566aa7e7e3e8a88cc6d820ed28ab8&scene=21#wechat_redirect" rel="noopener noreferrer" target="_blank">如何在OpticStudio中模擬人眼</a>。</p><p><br></p><p>視網膜中心設置為物體位置（surface 0），光闌固定在眼睛瞳孔（surface 5）處，并根據外部環境給定直徑在2到8mm之間變化。
展開 通信與傳感器建模 | Lumerical：集成化光子技術
Lumerical的用戶界面（UI）提供了集成化設計環境（IDE），可將包括光、放射、電氣、熱、以及電磁仿真在內的多種模型進行直觀地耦合，這一多物理場理念能夠很好地滿足相關人員為5G、自動駕駛汽車及物聯網應用開發光子集成技術的需求。
對自動駕駛汽車激光雷達系統進行仿真
展示了對特定物體準確（紅）和不準確（藍）探測的情況
例如，自動駕駛汽車需要在其環境探測系統中使用低成本激光雷達系統傳感器。工程師使用光子集成仿真，就能夠對激光發射器，以及用于波束成型及控制的納米級集成相位陣列（或液晶）性能進行評估。隨后采用宏觀光學仿真技術（例如Ansys SPEOS）,對激光束傳播及其與環境的相互作用建模。然后工程師可使用Lumerical技術，基于宏觀光學仿真結果計算出激光信號，并對集成化傳感器如何接收激光信號進行建模。
目前Ansys用戶在仿真激光雷達系統時，需要依靠測量結果或從廠商獲得集成化光子信息。工程師在集成這些仿真技術后，就能夠創建高保真度仿真，幫助他們對光源和探測器設計進行優化。
為幫助工程師對電子系統及其與光子電路的交互進行仿真，Lumerical已與多家foundry結成合作伙伴，致力于為客戶提供高質量光子流程設計套件（PDK）。因此，工程師采用Ansys平臺對自身產品組合集成后，即可仿真并分析定義完整的光電通信或傳感系統的特征。
關于Lumerical
Lumerical專注光子仿真和建模領域，其光子仿真產品是設計人員了解光并預測光在復雜結構，電路和系統中行為的工具。總部位于加拿大溫哥華，自2003年成立以來，已發展為光子學界引用最廣泛的工具之一。
展開 
設計仿真 | VTD傳感器仿真與RDMA技術的應用
隨著車輛智能化程度不斷提升，車載傳感設備也從最初的1R1V逐步發展到5R10V，甚至出現當下主流的多毫米波（6）、多超聲波（12）、多相機（10+）以及多激光雷達（1~3）的綜合傳感系統。同時，這也對智能駕駛仿真測試軟件及系統在多類型、多數量傳感器仿真過程中的模型真實可靠性、運行實時性、數據傳輸的低延遲性、高帶寬性以及系統可靠性上提出了更加嚴苛的要求。
在傳感器模型的真實性與可靠性方面，VTD軟件通過對于傳感器建模方法論與技術實現了持續迭代，在相機、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達等傳感器的物理模型搭建方面積累了豐富的經驗。在相機模型方面，可實現對于鏡頭畸變、相機動態曝光、動態白平衡、動態焦距調整、運動模糊、RAW數據仿真、ISP逆變換等特性的模擬。在激光雷達方面，支持傳統機械式激光雷達以及MEMS的固態（半固態）激光雷達仿真，同時在雷達回波模式設置、鬼影模擬、邊緣膨脹、運動畸變等特性均可實現模擬。
在應對多傳感器數據傳輸的問題上，VTD除了支持常規TCP/IP傳輸外，還支持共享內存SHM的讀寫機制，極大的提升了數據讀寫速率。在傳輸硬件配合的方面，海克斯康工業軟件VTD與NI達成深度合作，雙方基于RDMA技術的應用在多傳感器仿真領域取得了較大的進展。RDMA(Remote Direct Memory Access)，全稱遠端內存直接訪問技術，相對于傳統的TCP/IP通信具有以下特點：
CPU Bypass
數據傳輸過程中，僅僅使用操作系統建立通道，后續應用程序可繞過CPU直接進行消息傳遞。可有效降低CPU負載，尤其是在多傳感器仿真使用環境中可有效提升仿真性能，最大限度發揮CPU自身性能。
展開 Ansys Zemax | 用于眼睛像差評估的Shack?Hartmann傳感器建模
事實上，系統建模能夠評估所選鏡頭附加波前變形的潛在影響，并可能校準系統。
對于建模來說，系統可以分解為三個部分：人眼建模、采集光學系統和Shack-Hartmann傳感器。本文將描述每個部分的建模以及評估系統性能的分析工具。
在本文中，不會對將焦點聚焦到視網膜的注入部分進行專門建模，主要關注的是采集光學系統和傳感器。
第1部分：人眼建模
已經提出了幾種不同的方法來對如此排列復雜的人眼結構進行建模。此處使用的方法可在之前的文章中找到：
Ansys Zemax | 如何在 OpticStudio 中模擬人眼
視網膜中心設置為物體位置（surface 0），光闌固定在眼睛瞳孔（surface 5）處，并根據外部環境給定直徑在2到8mm之間變化。
后房玻璃體液的長度是造成視力異常的原因之一。多重結構編輯器可用于根據不同的屈光不正的情況來定義和跟蹤系統屬性。
第2部分：采集光學系統
在本文中，我們將使用參考文獻中 Liang 的期刊論文中所示的設計。它描述了兩種無焦系統。
第一望遠鏡被設定的焦距f1等于第一鏡片到眼睛瞳孔的距離。
在第二望遠鏡中，焦距 f2和 f3 的選擇方式應確保有合適的放大倍數，以便根據要檢查的光瞳尺寸范圍來調整 Shack?Hartmann 傳感器的尺寸。在第二望遠鏡的中間，第三個透鏡的焦平面上有一個針孔，以消除背向散射光，特別是來自角膜的散射光，此類散射對系統產生的障礙較大。
在兩臺望遠鏡之間可以進行視場映射，入射光瞳將與Shack?Hartmann 共軛。在系統選項中設置：
在“孔徑類型”下，孔徑設置為“光闌尺寸浮動”。光闌表面即人眼瞳孔。
在系統孔徑中，無焦像空間設置被勾選，因為我們正在處理兩個無焦系統。
展開 設計仿真 | 基于VTD的多物理傳感器自動駕駛系統仿真方案
隨著自動駕駛算法等級的不斷提高，各開發商的傳感器布置方案也越來越豐富，最典型的為多V、多R及多L的方案。而在對多種類，多數量的傳感器進行物理模型仿真時，會占用大量的計算資源和網絡通訊資源，同時仿真的效果還受到PCIe總線帶寬及顯卡的接口數量限制。
基于VTD的多物理傳感器自動駕駛系統仿真方案，采用VTD的主從機布置方式，將VTD軟件安裝在主機Master上，從機slave上只安裝運行VTD所需要的依賴，主機以mount的方式將仿真軟件映射在從機Slave相應的位置。在主機中配置各類型傳感器運行的顯卡平臺，仿真開始時，主機以ssh的方式將傳感器的計算任務下發到從機Slave的顯卡，以調用從機Slave的計算資源，達到仿真對速度的要求。各個計算機的顯卡將計算完成的數據，分別通過HDMI和以太網的數據，發送到視頻注入板(FPGA)或直接發送給被測系統SUT。從而在感知層實現全鏈路仿真。該系統可以滿足用戶：
01
同時進行多路視頻數據的感知算法驗證；
02
同時進行多路激光雷達點云數據的仿真驗證；
03
同時進行多路毫米波雷達點云數據的仿真驗證；
04
可進行多V多R和多L的物理模型仿真驗證；
05
可進行行泊一體的算法仿真驗證。
VTD方案優勢
支持主從機的布置方式，合理分配計算資源；
主從機采用同一套仿真軟件，降低軟件成本；
根據顯卡的種類(圖形卡/計算卡)合理分配計算任務；
從機數量可擴展。
展開 VirtualLab：CMOS傳感器仿真
CMOS傳感器由于其從每個像素單獨提取信息的能力以及其低成本和低功耗，已成為圖像傳感器的主導技術。后者主要歸因于近年來CMOS像素尺寸的快速縮小。然而，小的特征尺寸也使器件功能逼近極限，因為具有非常低數值孔徑的系統中的衍射會導致焦平面的縱向位移和焦斑的橫向擴展。
VirtualLab Fusion在單一軟件平臺上提供方便的工具和強大的可互操作建模技術池，以幫助光學工程師設計和分析此類系統，以及許多其他系統。因此，在本周的時事通訊中，我們將展示一個示例，分析像素大小對CMOS傳感器整體性能的影響。在此示例中，我們提供了有關Field Inside Component分析儀特性的附加信息，該分析儀在CMOS示例中用于可視化整個組件中場傳播的橫截面。
微透鏡陣列CMOS傳感器分析
利用嚴格的FMM/RCWA，我們模擬了一個像素尺寸等于或小于2μm的CMOS傳感器，并研究了在如此小的尺度下衍射效應對器件性能的影響。
場內部組件分析儀:FMM
介紹了一種能夠顯示光柵元件內部電磁場的分析儀。
展開 VirtualLab：CMOS傳感器仿真
CMOS傳感器由于其從每個像素單獨提取信息的能力以及其低成本和低功耗，已成為圖像傳感器的主導技術。后者主要歸因于近年來CMOS像素尺寸的快速縮小。然而，小的特征尺寸也使器件功能逼近極限，因為具有非常低數值孔徑的系統中的衍射會導致焦平面的縱向位移和焦斑的橫向擴展。
VirtualLab Fusion在單一軟件平臺上提供方便的工具和強大的可互操作建模技術池，以幫助光學工程師設計和分析此類系統，以及許多其他系統。因此，在本周的時事通訊中，我們將展示一個示例，分析像素大小對CMOS傳感器整體性能的影響。在此示例中，我們提供了有關Field Inside Component分析儀特性的附加信息，該分析儀在CMOS示例中用于可視化整個組件中場傳播的橫截面。
微透鏡陣列CMOS傳感器分析
利用嚴格的FMM/RCWA，我們模擬了一個像素尺寸等于或小于2μm的CMOS傳感器，并研究了在如此小的尺度下衍射效應對器件性能的影響。
場內部組件分析儀:FMM
介紹了一種能夠顯示光柵元件內部電磁場的分析儀。
展開 VirtualLab：CMOS傳感器仿真
CMOS傳感器由于其從每個像素單獨提取信息的能力以及其低成本和低功耗，已成為圖像傳感器的主導技術。后者主要歸因于近年來CMOS像素尺寸的快速縮小。然而，小的特征尺寸也使器件功能逼近極限，因為具有非常低數值孔徑的系統中的衍射會導致焦平面的縱向位移和焦斑的橫向擴展。
VirtualLab Fusion在單一軟件平臺上提供方便的工具和強大的可互操作建模技術池，以幫助光學工程師設計和分析此類系統，以及許多其他系統。因此，在本周的時事通訊中，我們將展示一個示例，分析像素大小對CMOS傳感器整體性能的影響。在此示例中，我們提供了有關Field Inside Component分析儀特性的附加信息，該分析儀在CMOS示例中用于可視化整個組件中場傳播的橫截面。
微透鏡陣列CMOS傳感器分析
利用嚴格的FMM/RCWA，我們模擬了一個像素尺寸等于或小于2μm的CMOS傳感器，并研究了在如此小的尺度下衍射效應對器件性能的影響。
場內部組件分析儀:FMM
介紹了一種能夠顯示光柵元件內部電磁場的分析儀。
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展開 使用 COMSOL 對慣性傳感器進行仿真
但當車輛進入地下通道或高樓之間時，GPS 信號可能會中斷,這就是許多車輛、手機等設備都帶有慣性測量單元或慣性傳感器的原因。慣性傳感器使用的陀螺儀和加速度計非常小巧并且精確度高，用于確定與地球正交軸 x、y 和 z 相關的運動。使用 COMSOL Multiphysics? 軟件，我們可以對慣性傳感器的組件(包括 MEMS 陀螺儀和加速度計)進行建模。
“你在這里”遇到“就這樣結束了”
想象一下，一片暗黑色的天空中布滿了成千上萬的白點，它們排列成的形狀顯示出它們正處在銀河系。在銀河系上方，有一個箭頭指向其中一個小點，上面毫無意義的寫著幾個文字：“你在這里”。
一個沒有任何參照系的導航儀示例。
就像天空中的星星一樣，它確實隱含了一些關于導航（還有生活）的相對論本質的真理。也許它給我們的主要教訓是，一個物體的位置只有在與它周圍的空間相關的情況下才能進行有用的描述。在導航中，這個空間就是參考系。
當我們在道路地圖上繪制路線時，是在一個二維參考系中導航。僅憑一張地圖無法知道我們是在上坡還是下坡，或者我們的車輛是否有翻車的風險。配備慣性傳感器的導航系統可以通過測量線加速度和角加速度來計算車輛在三維空間中的軌跡。有了三個分別沿 x 軸、y 軸或 z 軸定向的加速度計，我們就可以跟蹤三維空間中的線性運動。同樣，用三個分別沿 x 軸、y 軸或 z 軸的定向陀螺儀，我們就可以測量三維空間中的旋轉。
腦袋里的石頭？它們是你的加速度計的一部分
如果你做了一件蠢事，你可能會被問“你腦袋里有石頭嗎？”如果發生這種情況，你可以如實回答：是的，我們都有！即使是傻瓜也應該知道它們非常重要！每一種脊椎動物的身體里都含有主要由碳酸鈣(石灰石的主要成分)組成的微小耳石 。我們腦袋里的這些石頭是身體自然加速度計不可或缺的一部分。
加速度計由一個質量塊組成，懸掛在與外殼相連的柔性結構上。
展開 
Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
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展開 VTD傳感器仿真與RDMA技術的應用
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展開 基于電阻仿真的無線傳感器風能采集方法研究
摘 要：針對目前無線傳感器風能采集效率低和傳統最大功率點跟蹤算法(MPPT)不適用于微型系統的現狀,提出一種基于電阻仿真的無線傳感器風能采集方法。重點研究了電阻仿真技術,通過負載阻抗來模擬風機的源阻抗,使得電源和負載之間能夠達到良好的阻抗匹配,保證在任何運行風速下采集到的功率都是最大值,從而達到提高無線傳感器風能采集效率、延長其工作壽命的目的。最后通過實驗,驗證了該方法的有效性。
關鍵詞：無線傳感器網絡;風能采集;電阻仿真;最大功率點跟蹤;
0 引言
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一種基于無線射頻通信技術的多跳自組網絡,由部署在監測空間內的無線傳感器節點組成,在電力系統中多應用于智能電網技術[1,2,3,4]。然而,傳統節點的驅動方式限制了無線傳感器網絡的廣泛應用與深度拓展,節點的能量供應成為無線傳感器網絡技術面臨的首要問題。隨著環境能量收集技術的研究與發展,自供電無線傳感器節點的出現可以在很大程度上緩解能量瓶頸并改善網絡性能[3,4,5,6,7]。文獻[5,6]提出利用傳感器所處環境的風能和太陽能來為傳感器持續供電,卻忽略了能量采集的效率問題。文獻[7]提出利用風致振動的能量來驅動傳感器運行,但復雜的機械結構所導致的能量損失和設備的穩定性問題有待考證。對于一個微型風能采集系統,由于采集到的電功率通常非常低,且受到微型風力發電機運行狀態的制約。因此,最主要的問題是開發一種高效的功率變換器及與電子電路相關并包含最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法的微驅動,用于跟蹤和保持微型風機的最大輸出功率以維持無線傳感器節點在不同工況下的運行。而傳統的MPPT技術因其復雜的電路設計導致耗能過高,并不適用于微型風能采集系統。
展開 設計仿真 | Adams變拓撲分析之傳感器
在多體仿真中，所面臨的工況有很多種，不是簡單的規定一個時間，給定一個輸出步數就能滿足所有工況的仿真要求，經常面臨仿真過程中對系統拓撲關系的變化、模型參數的調整等需求。此時，Adams中的sensor（傳感器）就有了用武之處，通過sensor可以獲得某種狀態，再通過腳本展開后繼的模型修改，從而可以完成絕大多數變拓撲相關的任務要求。本文不再描述簡單的sensor應用，而是針對稍微復雜一些的工況融合sensor展開建模和仿真說明。
PART.01
傳感器功能
傳感器的基本功能類似編程中的if…else語句，通過在仿真過程中實時監測所定義事件的狀態，然后實現修改仿真的目的，再結合腳本命令實現修改模型的目的。這里的事件通常通過邏輯函數的方式完成定義，即利用函數表達式與給定目標的比較實現邏輯的定義。一旦返回邏輯真，sensor將會有很多方式進行仿真的修改，比如終止仿真、重啟、返回等。對于sensor的深入使用，必須分清楚如下幾個概念，函數表達式（function）、事件評估（evaluate）和senval()函數。
函數表達式
通過上圖，可以查看函數表達式的對話框位置。這里的函數表達式是為了實現邏輯判斷，通過函數構建器完成所需要的函數表達式的定義，也或者叫做事件的定義，但需要明確這里僅僅是事件定義中的函數表達式的定義，后面還需要完成比較定義后，才是完整的事件定義。Adams/Solver正是在仿真過程中，實時監測該事件獲得邏輯值的真或假。
事件評估
通過上圖，可以查看事件評估的對話框位置。這個地方的expression，僅當sensor事件觸發時進行計算，并且可通過senval()獲得其值。不要小看senval()函數的作用，它可以讓仿真更加靈活，更符合實際工程所需。
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