适用于稀疏动态无线传感器网络的并行融合分布式无迹信息滤波算法

稀疏和随机动态变化是实际无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)中普遍共同存在的两种通信拓扑不稳定因素,使基于一致性算法的分布式无迹信息滤波(distributed unscented information filter,DUIF)算法适用于稀疏动态WSN,将极大提高其实用性.为此,本文提出一种并行融合DUIF(parallel fusion DUIF,PF–DUIF)算法.在PF–DUIF算法中,通过将实时局部后验估计均值和协方差用于局部无迹信息滤波器(local unscented information filter,LUIF)的Sigma点采样,使LUIF和加权平均一致性滤波器(weighted average consensus filter,WACF)得以并行运行,从而有效抵制由通信拓扑随机动态变化带来的较大一致跟踪误差的困扰;同时,WACF通过对LUIF输出的无偏局部信息矩阵和向量分别进行平均一致性滤波,最终得到不包含由稀疏通信拓扑引起的平均一致误差的分布式后验估计结果;进而,建立即时更新机制有效抑制随机动态通信拓扑引起的PF–DUIF算法滤波异步问题,同时,基于稀疏动态WSN的平均网络模型,在通信能量消耗受限条件下优化WACF均方收敛速率,从而提高PF–DUIF算法的整体滤波效率.仿真实验结果表明,PF–DUIF算法能够有效应用于稀疏动态WSN机动目标跟踪.     

一种考虑先验估计误差相关性的快速DUIF 算法

针对稀疏无线传感器网络(WSN) 中加权平均一致分布式无迹信息滤波(DUIF) 算法估计次优和滤波效率较低的问题, 提出一种考虑先验估计误差相关性的快速DUIF 算法. 采用加权统计线性回归(WSLR) 方法线性化观测模型, 以节点共享信息作为平均一致性算法输入, 从而在极大后验估计中引入先验估计交互协方差信息; 设计最优通信连接边权值并自适应修正状态加权矩阵, 提高平均一致性算法收敛速率. 仿真实验结果表明, 所提出的算法能够有效应用于稀疏WSN目标跟踪.

     

有限时间一致无迹Kalman滤波器

本文研究多个传感器测量非线性系统时的分布式无迹Kalman滤波器(Unscented Kalman filter, UKF)的设计问题.借助离散多智能体系统有限时间平均一致算法的思想, 针对无向通信和有向通信网络分别设计了两种不同的滤波算法.对于无向连通的通信拓扑, 利用节点存储的一致性算法的迭代值构造差向量, 由该差向量构成的Hankel矩阵的核来得到分布式无迹Kalman滤波器, 并通过利用误差协方差矩阵的逆来构造Lyapunov函数, 基于随机稳定性引理证明了该有限时间一致无迹Kalman滤波器的稳定性.对于有向强连通的通信拓扑, 结合比率一致和Hankal矩阵的核来设计分布式无迹Kalman滤波器, 该滤波器的稳定性与无向通信拓扑的滤波器相同.最后, 通过仿真例子来验证所提滤波器的跟踪效果.     

双层无迹卡尔曼滤波

针对无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman fllter,UKF）在强非线性系统中估计效果差的问题,提出了双层无迹卡尔曼滤波（Double layer unscented Kalman filter,DLUKF）算法,该算法用带权值的采样点表征先验分布,而后用内层UKF算法对每个采样点进行更新,最后引入外层UKF算法的更新机制得到估计值和估计协方差.仿真结果表明,相比于传统算法,所提的DLUKF算法可以在较低计算负载下获得较高滤波估计精度.     

自适应UKF算法在目标跟踪中的应用

针对目标跟踪中系统噪声统计特性未知导致滤波发散或者滤波精度不高的问题, 提出了一种自适应无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter, UKF)算法.该算法在滤波过程中,利用改进的Sage-Husa估 计器在线估计未知系统噪声的统计特性,并对滤波发散的情况进行判断和抑制, 有效提高了滤波的数值稳定性,减小了状态估计误差. 仿真实验结果表明,与标准UKF算法相比,自适应UKF算法明显改善了目标跟踪的精度和稳定性.     

改进的无迹粒子滤波算法

本文提出了一种改进的无迹粒子滤波算法(IUPF).与传统的粒子滤波算法不同,IUPF中每个粒子并不代表状态序列的一个可能实现,而是代表由初始状态以及过程噪声序列所构成的扩展过程噪声序列的一个可能实现.根据状态空间方程所属的类型,IUPF可以采用不同的无迹变换方法来设计建议分布.并借鉴了基于无迹变换的辅助粒子滤波器(UTAPF)的思想来改进重采样过程.与UPF和UTAPF相比,新算法有3处改进.第一,IUPF无需假定状态转移核函数已知,因而应用范围较UPF和UTAPF广泛.第二,IUPF的计算开销较少.第三,UPF和UTAPF中每个粒子均被假设拥有一个从其父母粒子中继承下来的状态分布,然而这种假设是否合理目前尚难定论,IUPF避免了该假设.在两组仿真实验下将新算法与其它4种算法进行比较,新算法体现了较好的估计能力.并且结果显示与UPF以及UTAPF相比,IUPF所节省的计算时间与状态向量和噪声向量的维数有关.     

基于自适应UKF算法的小型水下机器人导航系统

针对海流扰动及姿态、航向误差角引起的无法确知的导航系统模型误差, 设计了一种带模型误差的自适应无迹卡尔曼滤波器(Adaptive unscented Kalman filter, AUKF)用于小型水下机器人(Small autonomous underwater vehicle, SAUV)推位导航系统. 首先提出了小型水下机器人三维运动连续时间模型; 然后针对该模型特点, 基于极大后验估值原理推导了AUKF算法. 仿真结果说明该算法能够克服海流扰动及姿态和航向误差引起的模型误差. 对比经典无迹卡尔曼滤波器算法, 采用该算法的小型水下机器人推位导航系统在复杂海况下的滤波精度显著提高.     

传感器故障条件下的自适应UKF 算法

针对目标跟踪中传感器故障导致滤波发散或者滤波精度不高的问题, 提出一种自适应无迹卡尔曼滤波(UKF) 算法. 该算法在滤波过程中, 根据自适应估计原理引入自适应矩阵因子, 实时调整系统状态向量和量测新息向量的协方差, 以满足无迹卡尔曼滤波算法的最优性条件, 并采取措施对滤波发散的情况进行判断和抑制. 与传统UKF和已有自适应UKF算法相比, 该自适应UKF算法显著提高了滤波精度和数值稳定性, 且具有应对传感器故障的自适应能力. 仿真实验结果表明了所提出算法的有效性.

     

移动机器人的改进无迹粒子滤波蒙特卡罗定位算法

粒子滤波是移动机器人蒙特卡罗定位(Monte Carlo localization, MCL)的核心环节. 首先, 针对粒子滤波过程的粒子退化问题, 利用迭代Sigma点卡尔曼滤波来精确设计粒子滤波器的提议分布, 以迭代更新方式将当前观测信息融入顺序重要性采样过程, 提出IUPF (Improved unscented particle filter)算法. 然后, 将IUPF与移动机器人MCL相结合, 给出IUPF-MCL定位算法的实现细节. 仿真结果表明, IUPF-MCL是一种精确鲁棒的移动机器人定位算法.     

遮挡情况下刚体位姿估计的自适应无迹卡尔曼分布式融合

针对视觉目标位姿估计系统中常出现的因为特征点遮挡而造成系统估计结果不准确的问题,本文提出了一种利用自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)作为局部滤波器的分布式融合估计方法.通过引入改进的Sage-Husa噪声估计器自适应过程噪声.根据特征点识别量将遮挡情况分为部分遮挡和严重遮挡,对部分遮挡子系统根据先验信息修复缺失观测点后进行局部滤波估计,严重遮挡子系统不参与融合,利用当前时刻整体估计结果对其进行初始化.通过仿真获取了区分遮挡情况的阈值,实验结果表明所提方法能够提升系统在遮挡情况下的估计精度与鲁棒性.     

一种面向多无人机协同感知的分布式融合估计方法

针对基于扩展卡尔曼滤波的融合估计算法存在线性化误差,且分布式融合计算复杂等问题,基于无色变换、交互多模型和信息滤波,采用递阶分布式融合估计结构,提出一种分布式无色信息滤波算法.该方法中的无色变换能够保证更高的估计精度,交互多模型使其具有更好的鲁棒性,信息形式的卡尔曼滤波使融合估计计算变得简单.仿真结果表明,该算法能够提高多无人机融合估计性能.     

基于CPCRLB和一致性算法的分散式传感器管理

针对无线传感器网络中的目标跟踪问题,基于条件后验克拉美—罗下界（CPCRLB）提出一种分散式传感器节点管理方法．基于一致性策略给出一种CPCRLB的分布式迭代算法,并且基于分布式粒子滤波器给出该算法的数值逼近实现．对层次结构的无线传感器网络,将CPCRLB作为传感器管理的准则,基于平均一致性给出一种迭代的局部搜索算法,实现了无线传感器网络下观测节点的分散式在线选择．仿真结果表明了基于CPCRLB的分散式传感器管理方法在目标跟踪精度方面的有效性．     

基于最优跳距处理策略的无线传感器网络智能定位算法

针对传统DV-Hop算法存在较大定位误差及忽略锚节点自身误差的问题,提出了一种基于最优跳距处理策略(PSOHD)的智能定位算法。该策略充分考虑了网络拓扑结构和锚节点自身误差对定位精度的影响,首先对锚节点引入两个通信半径,并分别统计每个锚节点通信半径范围内的节点数;然后采用加权最小二乘估计修正锚节点间的平均跳距;最后对用于未知节点位置估计的平均跳距进行筛选并加权处理。另外在定位阶段引入了粒子群优化(PSO)算法对未知节点进行定位。仿真结果表明,在适当增加节点能量消耗的条件下,改进算法的定位精度有明显改善,是一种可行的无线传感器网络(WSN)节点定位的解决方案。     

无线传感器网络时钟参数追踪与一致性同步*

针对无线传感器网络分布式时钟同步问题,本文提出了基于卡尔曼滤波的最大一致性时钟同步算法。在获得硬件时钟参数后,通过设置预定偏斜目标,各节点可不通过网络交换来调整时钟偏斜。为了进一步使节点间时钟偏移达到同步,本文设计了最大一致性控制方案来补偿节点,并基于图论给出算法收敛性证明。仿真结果表明本文的算法能够快速跟踪硬件时钟参数,较加权最大一致性时钟同步算法收敛速度更快,全局平均同步误差下降了一个数量级。     

带有色量测噪声的非线性系统 Unscented 卡尔曼滤波器

传统Unscented卡尔曼滤波器(Unscented Kalman filter, UKF)要求噪声必须为高斯白噪声, 无法解 决带有色噪声的非线性系统滤波问题. 为此, 本文提出了一种带有色量测噪声的UKF滤 波新算法. 首先,基于量测信息增广和最小方差估计, 推导出一类带有色量测噪声的非 线性离散系统状态的最优滤波框架, 接着采用Unscented变换(Unscented transformation, UT)来计算最优框架中的 非线性状态后验均值和协方差, 进而得到有色量测噪声下UKF滤波递推公式. 所设 计的UKF新方法能有效地解决传统UKF在量测噪声有色情况下非线性滤波失效的问题, 数 值仿真实例验证了其可行性和有效性.     

基于稀疏扩展信息滤波和粒子滤波的SLAM算法

针对传统粒子滤波算法单次迭代过程中仅应用到当前的信息,且小权值粒子代表的信息在重采样中被删除而导致信息不能充分利用的问题,提出了稀疏扩展信息滤波和粒子滤波相结合的同时定位与地图创建（SLAM）算法,信息矩阵记忆了机器人位姿的历史信息,应用Gibbs采样重新获得粒子集,使粒子集能够更好地描述后验分布,提高算法的状态估计精度。大量的Monte-Carlo仿真实验验证了该算法中机器人定位精度较FastSLAM2.0算法提高80%左右。     

Maximum correntropy unscented filter

The unscented transformation (UT) is an efficient method to solve the state estimation problem for a non-linear dynamic system, utilising a derivative-free higher-order approximation by approximating a Gaussian distribution rather than approximating a non-linear function. Applying the UT to a Kalman filter type estimator leads to the well-known unscented Kalman filter (UKF). Although the UKF works very well in Gaussian noises, its performance may deteriorate significantly when the noises are non-Gaussian, especially when the system is disturbed by some heavy-tailed impulsive noises. To improve the robustness of the UKF against impulsive noises, a new filter for non-linear systems is proposed in this work, namely the maximum correntropy unscented filter (MCUF). In MCUF, the UT is applied to obtain the prior estimates of the state and covariance matrix, and a robust statistical linearisation regression based on the maximum correntropy criterion is then used to obtain the posterior estimates of the state and covariance matrix. The satisfying performance of the new algorithm is confirmed by two illustrative examples.     

无线传感器网络节点分布式信息融合算法研究

节省能耗和延长网络寿命是无线传感器网络研究的核心课题之一,国内外在节点放置、路由策略方面有大量研究,通过密度控制、分级簇等路由算法减少数据冗余。通过信息融合算法减少有效数据传输量是延长网络节点寿命的有效途径,并就此进行具体研究,提出了三种典型的分布式信息融合算法,即系数加权融合、无反馈的Kalman融合滤波及有反馈的Kalman融合滤波,并对其在805.12.4/ZigBee温度测量网络应用层协议中进行实现,最后通过运算数据结果对三种算法进行了比较分析及有效性、局限性总结。