[發(fā)明專利]基于多建議分布的粒子濾波方法無效
| 申請?zhí)枺?/td> | 200710099440.7 | 申請日： | 2007-05-21 |
| 公開（公告）號： | CN101055563A | 公開（公告）日： | 2007-10-17 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 趙清杰;王法勝;王巍 | 申請（專利權(quán)）人： | 北京理工大學(xué) |
| 主分類號： | G06F17/00 | 分類號： | G06F17/00 |
| 代理公司： | 北京理工大學(xué)專利中心 | 代理人： | 張利萍 |
| 地址： | 100081北*** | 國省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 基于 建議 分布 粒子 濾波 方法 | ||
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及基于多建議分布的粒子濾波方法，要求保護的技術(shù)方案屬于信號處理、人工智能和計算機視覺領(lǐng)域。
背景技術(shù)
非線性濾波問題在很多領(lǐng)域的問題中都涉及到，其中包括信號處理、金融、人工智能和計算機視覺等等。解決非線性濾波問題最為普遍的一種方法是使用擴展卡爾曼濾波器(EKF)，但是EKF只適用于弱非線性系統(tǒng)，對于強非線性系統(tǒng)很容易導(dǎo)致發(fā)散。還有一種解決非線性濾波問題的辦法是無跡卡爾曼濾波器(UKF)。UKF和EKF不同，它不使用局部線性化技術(shù)，而直接使用系統(tǒng)的非線性方程進行運算，從而能夠避免局部線性化所引入的誤差，避免在強非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)發(fā)散。但是，UKF的使用不適用于一般的非高斯模型。
另一種解決非線性濾波問題的方法就是粒子濾波器(Particle?Filter)。它的基本思想就是使用一組帶有權(quán)值的粒子(樣本)集合來近似表示解決問題時需要的系統(tǒng)后驗概率密度。粒子濾波器自提出以來已經(jīng)廣泛應(yīng)用到信號處理、金融、人工智能、計算機視覺以及機器人等領(lǐng)域中，成為各國研究者關(guān)注的焦點。
粒子濾波算法中的一項關(guān)鍵技術(shù)是建議分布的選擇。選擇好的建議分布能夠有效的避免退化問題的影響，提高系統(tǒng)的狀態(tài)估計精度。目前，常見的建議分布有先驗概率分布(Transition?Prior，TP)、EKF、UKF等。以這三種建議分布為基礎(chǔ)的粒子濾波器，分別被稱為：基本粒子濾波器(Generic?PF)、擴展卡爾曼粒子濾波器(EKPF)和無跡粒子濾波器(UPF)。但是先驗概率分布沒有考慮當(dāng)前時刻新的觀測值的影響，從而影響了粒子濾波器估計精度；而EKF采用局部線性化技術(shù)，引入了過多的截斷誤差，對估計精度產(chǎn)生影響；以UKF為建議分布的粒子濾波器具有較高的時間耗費。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提出一種基于多建議分布的粒子濾波算法。
該算法包括以下基本步驟：
一.初始狀態(tài)下，首先從初始分布p(x0)中提取一組(N個)樣本粒子，并設(shè)置其初始的均值和方差。
二.對于c*N個粒子：
(1)首先使用UKF進行粒子傳遞和更新，獲得關(guān)于該時刻狀態(tài)的估計xk?ukf(i).
(2)使用EKF重復(fù)粒子更新過程，并以第(1)步中得到的狀態(tài)估計作為輸入。得到該時刻最終的估計量xk(i)和
(3)根據(jù)(2)中得到的估計量，構(gòu)成建議分布N(xk(i)，)，從中抽取新的樣本粒子，并賦予權(quán)值wki。
三.對于剩余的(1-c)*N個粒子，使用非線性系統(tǒng)方程進行更新，得到狀態(tài)估計預(yù)測量xk|k-1(i)，并從先驗概率分布p(xk|k-1(i)|xk-1(i))中抽取粒子，賦予權(quán)值wki。
四.對所有粒子的權(quán)值進行歸一化處理。
五.執(zhí)行再采樣過程，對得到的新的粒子集合中的每一個粒子賦予相同的權(quán)值1/N。
六.輸出
七.如繼續(xù)迭代，轉(zhuǎn)到二，否則結(jié)束。
本發(fā)明采用分治采樣策略，將系統(tǒng)所需粒子分成兩部分，分別由不同的建議分布中提取。
一部分(假設(shè)占百分比為c)由混合的建議分布提取，即：由UKF和EKF組成的混合建議分布。其余的一部分(1-c)，由先驗概率分布p(xk|xk-1)中提取。以此為基礎(chǔ)的粒子濾波算法不僅能夠產(chǎn)生較高的估計精度，而且能夠降低粒子濾波器的運行時間。用戶可以根據(jù)自身對實際要求的不同，調(diào)整參數(shù)c，以滿足他們對運行效率和精度的不同要求。
假設(shè)非線性動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為：
???????????????????????xk＝fk(xk-1，vk-1)
???????????????????????yk＝hk(xk，uk)
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