一种改进的粒子滤波算法及其在说话人跟踪中的应用

针对非线性、非高斯系统状态的在线估计问题,提出一种改进的粒子滤波算法,该算法综合考虑"优选建议分布函数"和"重采样"两种并行改进滤波性能的方法.首先通过Unscented卡尔曼滤波器产生系统的状态估计,并在协方差预测阶段引入衰减记忆因子,消弱滤波器对历史信息的依赖,增强当前量测信息对滤波器的修正作用,从而产生一个优选的建议分布函数,有效抑制了粒子退化现象;接着在重采样阶段引入MCMC(Markov Chain Monte Carlo)方法来构造马尔科夫链产生服从目标分布的粒子,使样本更加多样化,有效避免了粒子枯竭问题.最后,通过系统仿真及说话人跟踪实验,证明了该算法的有效性.     

基于改进衰减记忆滤波的组合导航算法研究

关于优化组合导航系统定位精度问题,由于惯导系统为非线性系统,存在滞后和噪声特性,影响系统定位精度,传统卡尔曼滤波器滤波一段时间后,系统预测误差方差阵逐渐趋于零,状态估计过分依赖旧量测值,从而导致滤波发散,系统定位精度差。目前采用在预测误差方差阵中引入标量衰减因子来抑制发散,但该标量因子是不变量,难以修正所有状态估计异常的情况。为有效提高新量测值对预测值的修正作用,研究了一种改进的衰减记忆滤波算法,通过引入可变加权系数来抑制发散。经数值仿真结果表明,新算法的滤波效果相比卡尔曼滤波和带标量因子的衰减记忆滤波有较明显的改善,提高了系统的定位精度,对工程应用有一定参考价值。     

一种用于解决非线性滤波问题的新型粒子滤波算法

粒子滤波算法受到许多领域的研究人员的重视,该算法的主要思想是使用一个带有权值的粒子集合来表示系统的后验概率密度.在扩展卡尔曼滤波和Unscented卡尔曼滤波算法的基础上,该文提出一种新型粒子滤波算法.首先用Unscented卡尔曼滤波器产生系统的状态估计,然后用扩展卡尔曼滤波器重复这一过程并产生系统在k时刻的最终状态估计.在实验中,针对非线性程度不同的两种系统,分别采用5种粒子滤波算法进行实验.结果证明,文中所提出的算法的各方面性能都明显优于其他4种粒子滤波算法.     

模糊自适应混合退火粒子滤波算法

针对非线性、非高斯系统状态的在线估计问题,及粒子滤波本身固有的退化问题,在已提出的混合退火粒子滤波算法的基础上提出一种新的粒子滤波算法。在滤波算法中,根据系统的状态噪声统计特性和量测噪声统计特性的关系引入调整因子,再由模糊推理系统产生退火系数。用状态参数分解和退火系数来产生重要性概率密度函数。在保留原算法优点的基础上取得了更佳的退火系数。仿真实验表明该粒子滤波器的性能优于混合退火粒子滤波算法。     

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.     

一种新型高精度非线性滤波算法研究

针对非线性、非高斯系统状态的在线估计问题,提出了一种新的高精度粒子滤波算法。该算法通过引入积分修正因子,对积分卡尔曼滤波器的积分点进行在线修正,并采用修正后的积分卡尔曼滤波产生优选的建议分布函数,由于高精度地融入最新量测信息,一定程度上克服了权值退化问题。仿真实验表明,新算法具有较高的滤波精度,是一种有效的非线性滤波算法。     

递推更新高斯粒子滤波器

传统高斯粒子滤波算法(Gaussian particle Filter,GPF)中,粒子的重要性密度函数是由高斯滤波器结合当前最新量测来构建的.由于传统高斯滤波器在量测更新阶段直接利用量测对状态进行线性更新,在某些条件下会导致所构建的重要性密度函数并不能很好地近似状态真实分布.为了解决这一问题,结合递推更新的思想,本文推导出了递推更新高斯滤波器(recursive update Gaussian filter,RUGF)的一般结构.并在此基础上,选用RUGF来构建粒子滤波的重要性密度函数,从而提出了基于递推更新的高斯粒子滤波算法(recursive update gaussian particle filter,RUGPF).仿真表明,在非线性系统状态估计问题中,递推更新可以很好的利用量测信息,相比于传统的GPF,本文所提出的RUGPF滤波算法可以提供更高精度的估计结果.     

基于引力场优化的Unscented FastSLAM2.0算法

为了改进Unscented Fast SLAM2.0算法重采样过程中的"粒子退化"和"粒子贫化"问题,本文提出了一种基于引力场优化的Unscented Fast SLAM2.0算法.首先采用Unscented粒子滤波器替代扩展卡尔曼滤波估计移动机器人路径后验概率,然后采用扩展卡尔曼滤波器对环境进行估计更新,最后用引力场优化思想优化重采样过程:在重采样中每个采样粒子近似成宇宙灰尘,通过引力场的移动因子产生作用驱动粒子集更快朝着真实的机器人位姿状态逼近,改善粒子退化问题:通过自转因子的自转作用,避免粒子过分集中,保障了粒子多样性.实验结果表明了该算法的有效性.     

基于混合卡尔曼粒子滤波算法的期权定价方法

针对金融领域的期权定价问题,为提高粒子滤波算法对期权价格的估计精度,提出使用混合卡尔曼粒子滤波算法(MKPF)进行期权价格预测,该算法使用Unscented 卡尔曼滤波器和扩展卡尔曼滤波器作为混合建议分布产生重要采样密度.在某一时刻,每一个粒子首先经过Unscented卡尔曼滤波器更新得到一个状态估计值,然后以该估计值作为扩展卡尔曼滤波器的先验估计再次更新粒子,得到该时刻最终的估计值.实验中针对经典的Black-Scholes期权定价公式,使用包括MKPF算法在内的4种算法对期权价格进行预测,结果表明MKPF算法预测的期权价格与真实期权价格的误差最小,证明了MKPF算法在期权定价问题中的有效性.     

衰减因子自适应估计卡尔曼滤波比较研究

针对卡尔曼滤波算法发散的问题,从卡尔曼滤波技术的稳定性出发,分析了卡尔曼滤波发散的原因,提出了新的衰减记忆卡尔曼滤波中衰减因子的自适应估计方法。该方法利用滤波残差序列在最优估计时为零均值白噪声的性质,分别检验滤波残差每一个分量得出衰减因子值,并与强跟踪滤波器进行了对比研究。仿真结果表明,新算法在系统噪声特性不准确的情况下,能自适应地估计出衰减因子的大小,抑制卡尔曼滤波估计的发散,滤波精度要高于强跟踪滤波器;且其推导形式简单、计算量小、适合于在线运算。     

一种自适应免疫优化的无迹粒子滤波器

针对无迹粒子滤波（UPF）在较偏观测时的退化现象及重采样带来的粒子枯竭问题,提出一种自适应免疫优化的无迹粒子滤波算法（AIO-UPF）。该算法在重采样过程中,利用免疫算法在亲和度与浓度调节机制下的全局寻优能力和多样性特征,通过引入自适应阈值因子δ的Metropolis准则,使得粒子集能够有效地分布于高似然区域,提高了粒子的多样性和有效性,从而较好地抑制了在较偏观测时的粒子退化问题。仿真结果表明,AIO-UPF的性能优于传统UPF及标准粒子滤波,在状态估计精度上比传统UPF提高了27%左右。     

基于UPF的小目标检测前跟踪算法

为提高对复杂环境下小目标的联合检测和跟踪性能,提出了一种基于粒子滤波的小目标先跟踪后检测(TBD)算法.通过粒子滤波对小目标的运动状态和出现状态进行联合采样,并采用Unscented粒子滤波(UPF)方法对TBD算法进行了具体实现.新算法真正将跟踪思想引入到目标检测中去,对小目标的联合检测与跟踪具有灵敏度高,捕获概率和跟踪性能高,对采样粒子数要求低等优点,能有效增强红外搜索与跟踪系统的"边检测边跟踪"能力.     

基于自适应渐消无迹粒子滤波的UnscentedFastSLAM算法

针对机器人导航无迹快速同步定位与地图构建（Unscented FastSLAM）算法由于重采样造成样本粒子退化,进而导致估计精度下降的问题,提出一种基于自适应渐消无迹粒子滤波的Unscented FastSLAM算法。该算法将无迹粒子滤波与渐消滤波相融合产生自适应建议分布函数,同时将粒子根据权值进行优化组合,仅对组合后的部分不稳定的粒子进行系统重采样。通过这两方面使系统具有高度自适应性的同时保证粒子的多样性,缓解粒子的退化现象。仿真实验表明,提出算法与Unscented FastSLAM算法相比,可以用较少的粒子实现更高的SLAM的估计精度,很大程度上降低了SLAM算法的复杂度。     

On the choice of importance distributions for unconstrained and constrained state estimation using particle filter

Recursive state estimation of constrained nonlinear dynamical system has attracted the attention of many researchers in recent years. For nonlinear/non-Gaussian state estimation problems, particle filters have been widely used (Arulampalam et al. [1]). As pointed out by Daum [2], particle filters require a proposal distribution and the choice of proposal distribution is the key design issue. In this paper, a novel approach for generating the proposal distribution based on a constrained Extended Kalman filter (C-EKF), Constrained Unscented Kalman filter (C-UKF) and constrained Ensemble Kalman filter (C-EnkF) has been proposed. The efficacy of the proposed state estimation algorithms using a particle filter is illustrated via a successful implementation on a simulated gas-phase reactor, involving constraints on estimated state variables and another example problem, which involves constraints on the process noise (Rao et al. [10]). We also propose a state estimation scheme for estimating state variables in an autonomous hybrid system using particle filter with Unscented Kalman filter as a proposal and unconstrained Ensemble Kalman filter (EnKF) as a proposal. The efficacy of the proposed state estimation scheme for an autonomous hybrid system is demonstrated by conducting simulation studies on a three-tank hybrid system. The simulation studies underline the crucial role played by the choice of proposal distribution in formulation of particle filters.     

基于SSPF算法的移动机器人全局定位研究

传统粒子滤波器(PF)算法在移动机器人全局定位时会出现粒子退化和粒子耗尽问题,导致定位失败。提出了一种改进的PF算法即智能采样PF(SSPF)算法,该方法采用Unscented卡尔曼滤波器(UKF)算法和基于相关熵的自适应重采样算法相结合的方法,较好解决了传统PF算法所引起的粒子退化问题。由于重采样的一种极端情况会带来粒子耗尽问题,采用MH(metropolis hastings)算法,较好地解决了粒子耗尽问题。与以往方法相比,该方法可以实现准确性较高的移动机器人全局定位。     

基于Unscented粒子滤波的无序观测下水下无线传感器网络目标被动跟踪

为提高水下无线传感器网络(UWSN)中的目标被动跟踪性能,提出了一种新的无序观测量(OOSM)处理算法.利用节点动态分簇建立分布式跟踪结构,簇头节点收集子节点的观测量形成本地估计.基于这种分布式结构,利用Unscented粒子滤波(UPF)结合新观测量,产生粒子滤波的建议密度分布,处理OOSM问题.详细推导了基于UPF的OOSM处理算法(OOSM-UPF)的具体实现步骤.利用转弯率建立机动目标跟踪模型,构建虚拟三维WSN仿真环境,比较了几种OOSM算法的性能.仿真结果表明,与其它算法相比,分布式OOSM-UPF算法的跟踪性能有了明显的提高.     

关于UKF方法的新探索及其在目标跟踪方面的应用

在跟踪和控制领域,和被广泛采用的推广卡尔曼滤波(extended Kalman filter)方法相比较,近年发展起来的Unscented卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter)具有易于实现、计算量相当而精度较高等诸多优点．本文深入探讨了这一方法,并以目标跟踪为背景,提出了两种基于Unscented变换的新的滤波方法,分别在算法的精确和快速两个方向上进行了尝试,仿真结果表明,这种探索是行之有效的．