粒子滤波器及其在卫星姿态估计中的应用

粒子退化和计算量较大是限制粒子滤波应用的主要问题,常规的重采样方法虽然可以缓解粒子退化,但却容易导致粒子枯竭,且计算量较大,因此本文提出了基于混沌摄动的均值逼近粒子滤波器。按权值大小将粒子分组后,用均值替换权值较小的粒子,可使粒子从低似然区向高似然区域逼近。用Kullback信息描述均值逼近产生的粒子分布与似然分布的差别,通过迭代发现Kullback信息是递减的,从而证明该算法是合理的。混沌摄动重采样算法,用类似载波的方法将具有全局遍历性的混沌变量引入,更增加了粒子的多样性。另外,将本算法应用于某型导弹的姿态估计问题中,仿真结果显示了新算法的有效性。     

一种改进的自适应优化粒子滤波算法研究

粒子滤波算法在非线性滤波领域受到广泛关注,但是该算法存在样本退化问题.为了改进粒子滤波算法的性能,这里结合自适应优化机制对粒子滤波算法的建议分布选择机制及重采样技术进行改进.对于粒子滤波的建议分布选择,提出一种基于自适应退火参数优化的混合建议分布方法.通过混合建议分布不足的分析,利用退火参数来优化控制状态转移先验分布函数和观测似然函数之间的比例,同时,基于自适应参数优化机制来动态调整退火参数的值.对于粒子滤波的重采样,提出了基于部分分层重采样优化算法的自适应重采样技术.通过有效样本大小的评估来执行自适应重采样策略,此外,基于部分分层重采样算法,利用权重优化的思想对其重采样前后权重计算的方法进行优化.通过相关算法的性能比较,所提改进粒子滤波算法的有效性得以验证.     

基于混沌的萤火虫改进粒子滤波算法研究

针对常规的粒子滤波算法存在粒子权值退化和采样粒子贫化以及需要大量粒子才能进行比较准确的状态估计的问题,提出了一种基于混沌的萤火虫改进粒子滤波算法.利用混沌系统所具有的遍历性和随机性初始化粒子群,使得初始粒子分布更加均匀,同时向常规粒子滤波算法中引进萤火虫算法的寻优机制,使得粒子能够向高似然区域运动,提高了滤波精度,并对部分权值优秀粒子进行混沌细搜索,对部分权值低的粒子进行再生,提高了种群多样性.实验表明:该方法尤其是在粒子种群数量较小的情况下,较常规粒子滤波精度更高,并有效地改善了权值退化和样本贫化问题.     

基于MCMC的改进粒子滤波算法

针对传统粒子滤波算法建议分布函数的选取问题和粒子退化现象,提出一种基于马尔可夫蒙特卡洛思想的改进粒子滤波算法.使用基于比例对称采样方法选取Sigma点的无迹卡尔曼滤波,产生粒子滤波并建议分布函数;将似然分布自适应权值调整策略应用于权值选取步骤;采用系统重采样方法,加入了用来保持粒子多样性的马尔科夫链蒙特卡洛步骤.仿真结果表明,该算法的估计状态能够更好地吻合真实轨迹,在非线性、非高斯场合的估计性能较优.     

多特征融合的退火粒子滤波目标跟踪

针对传统粒子滤波的建议分布没有利用到当前观测信息的缺点,提出了一种基于多特征融合的退火算法来改进建议分布的粒子滤波跟踪方法。该方法解决了高维状态下计算量大和粒子数匮乏问题。采用退火方法在蒙特卡洛重要采样范围内产生更好的建议分布,并用退火似然性抽样来代替简单的先验概率抽样。在似然逼近中,应用颜色和边缘相融合的图像特征属性在不同的退火层加权来产生权重功能函数。用该方法对复杂背景下和存在遮挡情况下的运动目标进行跟踪,结果表明该方法有较高的跟踪精度和较强的稳定性。     

基于似然分布调整的粒子群优化粒子滤波新方法

传统基于粒子群优化的粒子滤波（PF）算法（PSOPF）在移动粒子向高似然区域移动的过程中,由于破坏了预测分布,当似然函数具有多峰时,其在具有大计算量的同时滤波性能并没有明显提升。针对该问题,提出了基于似然分布调整的粒子群优化粒子滤波新方法（LA-PSOPF）。在保留预测分布的前提下,运用PSO算法调整似然分布,提高有效粒子数量,进而提高滤波性能;同时引入局部优化策略,缩减参与PSO优化的粒子群规模,从而减少运算量,达到滤波精度与速度的平衡。仿真结果表明,当量测误差较小,似然函数具有多峰值时,改进算法的滤波精度和稳定性都优于PF算法和PSOPF算法,同时运算时间少于PSOPF算法。     

一种抗遮挡与重采样的粒子滤波跟踪算法研究

针对经过多次迭代之后粒子滤波因粒子匮乏,对于光照、遮挡与旋转等问题会出现跟踪精度下降,甚至失败等问题,提出了一种似然分布自适应调整ALD方法,根据噪声因子的大小来自适应调整似然分布状态,增加先验和似然的重叠区域,有效提高滤波的稳定性,减少重采样次数;在跟踪精度不高或失败时,用局部三值模式LTP来判定所要跟踪区域,根据有效粒子所占用的面积采用动态的粒子阈值来减少重采样次数,采用模板更新来继续跟踪。实验结果表明,该算法的采样次数更少,在遮挡、旋转等条件下能有效地跟踪目标。     

基于引力场的粒子滤波算法

为了避免传统粒子滤波算法中粒子贫化与退化现象,提出一种基于引力场的粒子滤波算法,利用引力场算法改进粒子滤波的重采样过程,该算法中提出的移动因子能使粒子集朝着高似然区域分布移动,从而使粒子快速集中地分布在真实状态附近,同时提出的自转因子使分布在真实状态周围的粒子随机保持一定距离,避免过度集中,从而增加粒子的多样性.仿真结果表明,所提出算法不仅具有有效性,而且估计精度高,收敛速度快, 鲁棒性较好.     

基于施蒂费尔流形和线性优化重采样的粒子滤波器

为了解决粒子退化问题,提出一种基于施蒂费尔流形和线性优化重采样的粒子滤波算法.将系统模型置于施蒂费尔流形之上,采用朗之万分布描述过程转移概率分布,用矩阵正态分布表示似然函数分布,从而得到一种较为通用的重要性概率密度函数选择方法;同时,将重采样中抛弃的粒子与复制的粒子按照一定的线性组合方式产生新粒子.仿真结果表明.该算法具有较高的滤波效率、滤波精度和较强的滤波鲁棒性.     

一种基于SVM重采样的似然粒子滤波算法

针对弱观测噪声条件下非线性、非高斯动态系统的滤波问题,提出一种基于支持向量机的似然粒子滤波算法.首先,采用似然函数作为提议分布,融入最新的观测信息,比采用先验转移密度的一般粒子滤波算法更接近状态的真实后验密度;然后,利用当前粒子及其权值,使用支持向量机估计出状态的后验概率密度模型;最后,根据此模型重采样更新粒子集,有效地克服粒子退化现象并提高状态估计精度.仿真结果表明了所提出算法的可行性和有效性.     

自适应不完全重采样粒子滤波器

针对传统重采样算法易引起粒子贫化的问题,提出了自适应不完全重采样粒子滤波 (A particle filter based on adaptive part resampling, APRPF)算法. APRPF以分步的方式仅对部分粒子进行重采样,以递推的方式计算表征 粒子退化程度的度量函数(Measurement of particle degeneracy, MPD),直到满足给定条件.重采样后的粒子由新生粒子 和未参与重采样的粒子组成,前者的存在有助于缓解退化问题,后者可使粒子集保 持一定多样性.实验结果表明,与标准粒子滤波(Sampling importance resampling, SIR)、辅助变量粒子滤波(Auxiliary particle filter, APF)、正则化粒子滤波(Regularized particle filter, RPF) 三种滤波器相比, APRPF的估计精度高;由于平均重采样次数少,计算量也小.     

Adaptive square-root transformed unscented FastSLAM with KLD-resampling

The FastSLAM relies on particles sampled from the proposal distribution of underlying Rao–Blackwellized particle filter, and its performance is significantly influenced by the quality and quantity of the particles. In this paper, a new improved FastSLAM is proposed based on transformed unscented Kalman filter (TUKF) and Kullback–Leibler distance (KLD) resampling method. In the proposed algorithm, a square-root extension of TUKF is used to calculate the proposal distribution and to generate credible particles. In addition, during the resampling process, the minimum required number of particles is determined adaptively by bounding the KLD error between the sample-based approximation and true posterior distribution of the robot state. Both numerical simulations and real-world dataset experiments are used to evaluate the performance of the proposed algorithm. The results indicate that the proposed algorithm achieves higher estimation accuracy and computational efficiency than conventional approaches.     

基于改进布谷鸟粒子滤波算法的WSN目标跟踪

为了解决粒子滤波(PF)的无线传感器目标跟踪中样本贫化导致的精度较低的问题,提出了改进布谷鸟粒子滤波的WSN目标跟踪方法。通过改进布谷鸟算法的滤波算法取代粒子滤波重采样过程,主要通过改进布谷鸟算法中的搜索步长值 和发现外来鸟卵的物种的概率 的自适应调节,同时在步长更新方程中实时引入函数值的变化趋势,引导粒子整体上向较高的随机区域移动, 有效调整全局探索和局部探索适应能力、改善粒子贫化和局部极值问题,增加粒子群多样化从而提高跟踪性能。实验结果表明,改进布谷鸟粒子滤波算法重采样方法可以防止粒子的退化,增加粒子的多样性,减少跟踪误差,可以减少算法的运行时间,实时追踪性能大幅提高。与CS-PF算法和PF算法相比较,ICS-PF 算法的计算时间是最短的,ICS-PF算法的位置和速度的平均平方根误差最小(位置0.0306、0.0213、速度0.0253、0.0102),PF算法的跟踪精度是最低的,而ICS-PF跟踪精度较高,ICS-PF算法被证明具有良好的跟踪性能。     

基于弹性机制的萤火虫优化粒子滤波算法

针对标准粒子滤波重采样导致的粒子贫化问题,提出一种基于弹性机制的萤火虫优化粒子滤波算法.首先,利用萤火虫算法的吸引和移动机制,设计最优粒子引导粒子群体朝高似然区域移动的粒子运动控制策略;然后,评估粒子实时分布情况,根据每次迭代的高似然区域粒子占比值自适应控制粒子的优化强度;最后,检测最优粒子周围的粒子密度,引入弹簧的弹性机制,根据粒子密集度对判断区域内的粒子进行位置调整,使得粒子分布更加合理,提高粒子滤波的精度.实验结果表明,在粒子数目较少的情况下,改进算法滤波精度较标准粒子滤波提高12%sim25%;在同等滤波精度需求下,改进算法的运算时间比标准粒子滤波的运算时间减少20%sim30%,改进算法的综合性能更优.     

融合遗传优化的粒子滤波器算法

为了解决基于Rao-Blackwellized粒子滤波器的同时定位与地图创建算法需要大量的采样粒子,而且频繁重采样可能导致粒子耗尽的问题,提出了融合遗传优化的粒子滤波器算法。设计了一种变异的遗传算法来兼顾粒子的权值和粒子集的多样性,取代原有的重采样步骤。在计算采样的提议分布时考虑了里程计信息和距离传感器信息,并且通过遗传算法来维持粒子集的多样性。实验结果表明,融合遗传优化的粒子滤波器算法在估计精度和一致性方面都具有较好的性能,所创建的地图具有更高的精度。     

一种改进重采样的粒子滤波算法

针对粒子滤波重采样过程中存在的粒子多样性丧失问题,提出一种改进重采样的粒子滤波算法。按照局部重采样算法对粒子进行分类,中等权值的粒子保持不变,大、小两种权值的粒子采用Thompson-Taylor算法进行随机线性组合产生新粒子。实验结果表明,该算法能在降低计算复杂度的同时不丧失粒子多样性,提高了滤波性能。     

粒子滤波自适应部分系统重采样算法研究*

样本退化是基于序列重要性采样的粒子滤波中的一个主要问题,为了解决这个问题重采样被引入。常规的重采样算法可以解决样本退化问题,但容易导致样本衰竭,增加计算的复杂度。本文在部分重采样的基础上,提出了自适应部分系统分重采样算法,该算法自适应调整重采样的时间,重采样前按照粒子的权值对其分类,只对少数粒子进行重采样,不仅减少了重采样的时间而且增加了粒子的多样性,仿真结果表明该算法与部分重采样相比有效的提高了粒子滤波的性能,减少了运行的时间。     

改进的高斯粒子概率假设密度滤波算法

高斯粒子概率假设密度滤波在预测和更新时需要进行粒子近似和重新采样,这在一定程度上降低了算法的精度和实时性．针对这一问题,提出一种改进的高斯粒子概率假设密度滤波算法．算法通过粒子的方式表示并传递目标的概率假设密度（PHD）预测值,然后直接利用这些表征PHD预测值的粒子进行更新,最后利用具有最大似然性的粒子将更新后的PHD表示为混合高斯形式．仿真实验表明,和高斯粒子概率假设密度滤波相比,改进算法的多目标误差距离减少了约30％,运行时间减少了约50％．