改进粒子滤波在WSN辅助机器人定位中的应用

针对无线传感器网络(WSN)辅助机器人定位问题,提出了一种改进的粒子滤波算法。为提供精确定位,在粒子滤波算法中引入节点置信度概念,给出了节点置信度的数学表达式,用于实现节点间的信息融合。新算法通过计算节点置信度,选择置信度高的节点参与辅助机器人定位;根据节点置信度,还可以确定每个节点对粒子更新的影响程度。开发了一种新的基于USARSim的无线传感器网络-机器人系统仿真平台,利用平台对新算法进行了验证。仿真实验结果表明,提出的算法机器人定位精度高,粒子滤波收敛速度快,仿真平台符合无线传感器网络辅助机器人定位研究的需要。     

基于混合信息滤波的粒子滤波SLAM算法

为解决粒子滤波SLAM中存在的计算效率高及粒子退化造成的估计精度低等问题, 结合精确稀疏滞后状态信息滤波估计精度高以及精确稀疏扩展信息滤波计算效率高的优点, 将两者混合应用于粒子滤波SLAM算法中, 不但在保证计算效率的条件下提高了状态估计精度, 并且还克服了机器人转动状态以及环境特征疏密带来的应用缺陷。实验结果表明了该方法的有效性与可行性。     

一种改进的粒子滤波SLAM算法

传统的粒子滤波SLAM算法中,由于历史信息未被利用而导致估计精度较低。文中结合精确稀疏滞后状态信息滤波具有自然稀疏的信息矩阵因而估计精度高以及精确稀疏扩展信息滤波计算效率高的优点,将二者混合应用于粒子滤波SLAM算法中。不但充分应用信息矩阵记录的机器人位姿与特征间关系的历史信息从而提高估计的精度,而且克服机器人转动状态及环境特征疏密带来的应用缺陷。仿真与真实机器人实验的实验结果均表明文中算法的有效性与可行性。     

一种适用于稀疏无线传感器网络的改进分布式UIF算法

分布式无迹信息滤波(Distributed unscented information filter,DUIF)算法是一种有效的非线性分布式状态估计多源信息融合方法,然而当将该算法应用于稀疏无线传感器网络(Wireless sensor networks,WSN)时,稀疏WSN中存在的无效节点会引起使滤波趋于发散的平均一致误差.针对该问题,本文提出一种改进DUIF算法.该算法不改变DUIF算法的级联结构,而是将其底层和上层滤波器分别改进为局部无迹信息滤波器(Local unscented information filter,LUIF)和加权平均一致性滤波器.LUIF对每个节点的局部多源观测信息进行局部融合,得到局部的后验估计信息向量和矩阵,进而将它们作为加权平均一致性滤波器的输入,最终得到不包含平均一致误差的分布式后验估计结果.其中,加权平均一致性滤波器是通过对由LUIF输出的局部后验估 计信息向量和矩阵分别进行平均一致性滤波而得以在改进DUIF算法框架下实现的.同时,在此过程中,相邻节点之间的状态估计互相关信息也被引入改进DUIF算法的输出结果中,进一步增强了滤波的可靠性.仿真实验结果表明,改进DUIF算法能够在稀疏WSN中对机动目标进行有效跟踪,在估计精度和抑制滤波发散方面明显优于标准DUIF算法.     

智能空间下基于WIFI指纹定位与粒子滤波的服务机器人复合全局定位系统设计

针对机器人在没有任何初始位姿先验知识的情况下,通过传感器感知信息确定位姿的全局定位问题,将智能空间技术与ROS(robot operating system)服务机器人相结合,设计了一种智能空间技术支持下的基于WIFI指纹定位和蒙特卡洛粒子滤波定位的复合服务机器人全局定位系统.在该复合定位方法中,首先利用智能空间中的基于BP(backpropagation)神经网络的WIFI指纹定位对机器人进行粗定位,并将估计位置与估计误差发送给ROS服务机器人;在粗定位的基础上使用蒙特卡洛粒子滤波算法方法最终获得服务机器人的精确位置.实验结果表明,本文设计的系统实现了ROS机器人与智能空间之间的零配置与松耦合,可有效地提高服务机器人全局定位精度,缩短计算迭代时间.     

室内环境下同步定位与地图创建改进算法

提出了一种室内环境下基于平方根无迹卡尔曼滤波（SRUKF）的同步定位与地图创建（SLAM）算法． 该方法在每步迭代中采用平方根无迹粒子滤波器进行机器人状态估计,并引入平方根无迹卡尔曼滤波器定位路标, 进而完成机器人状态和相应路标信息更新．将本文算法与机器人运动模型和红外标签观测模型结合进行了仿真和实 验,结果表明,本算法在同步定位和地图创建过程中提高了机器人状态和路标估计的精度及稳定性．     

基于均值漂移和联合粒子滤波的移动节点定位算法

针对无线传感器网络移动节点定位面临的高精度和实时性要求,把均值漂移算法引入联合粒子滤波(Joint ParticleFilter)框架.提出了基于均值漂移和联合粒子滤波的移动节点定位算法.它使用均值漂移算法构建粒子滤波的建议分布,通过有效利用最新观测信息,提高粒子状态估计的准确性,使得采样粒子的状态分布与后验概率分布更接近,减少了状态估计必需的粒子数目.该算法还提出了基于虚拟海明距离和交互势的权重计算方式,减少相邻移动节点间的干扰.仿真实验结果表明,基于均值漂移算法和联合粒子滤波的移动节点定位,可获得比基本粒子滤波更高的定位精度,其定位精度与无味粒子滤波(Uscented Particle Filter)相当,而计算开销比无味粒子滤波减小至少50%.     

基于精确稀疏扩展信息滤波的粒子滤波SLAM算法研究

传统粒子滤波算法的单次迭代过程以及小权值粒子在重采样中被删除都使得机器人位姿的历史信息不能充分利用,因而会出现粒子的退化现象,从而导致滤波算法的估计精度较低。本文提出基于精确稀疏扩展信息滤波的粒子滤波SLAM算法,利用精确稀疏扩展信息滤波的信息矩阵反映机器人位姿相对变化的同时,也对应于状态后验概率的条件概率的性质,应用Gibbs采样直接从SLAM完全后验分布产生样本,充分利用了信息矩阵包含的不确定信息,粒子分布均匀,且保持了多样性,缓解了粒子退化现象。实验结果表明所提算法的粒子集能够更好地描述真实后验分布,显著提高了SLAM算法的估计精度。     

一种改进的高斯混合概率假设密度SLAM算法

针对高斯混合概率假设密度SLAM(GMPHD-SLAM)算法存在的估计精度低和计算代价高的问题,提出一种无迹高斯混合概率假设密度SLAM算法(unscented-GMPHD-SLAM).其主要特点在于:将无迹卡尔曼滤波器应用于机器人位姿粒子权重计算及概率假设密度更新过程中,可提高算法整体估计性能;将更新的高斯项按照传感器视域分类,有效降低了算法计算量.通过仿真实验,将所提出算法与传统PHD-SLAM算法进行比较,结果表明该算法在提高估计精度和降低计算负担方面是十分有效的.     

基于粒子滤波的单目视觉SLAM算法

针对携带有单目摄像机和码盘的微小机器人的定位与建图问题,提出了基于粒子滤波的SLAM(同时定位与建图)算法.从摄像机中提取图像特征点,并在图像序列中加以匹配,根据相应时刻的摄像机位姿计算得到对应的环境标志点坐标;机器人的大致位姿估计由码盘运动模型获得.在机器人移动过程中,环境标志点的观测信息和码盘信息通过粒子滤波相融合,从而提高了机器人定位的精度,同时也得到了更为准确的环境标志点坐标.仿真实验结果表明本算法有效、可靠.     

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.     

A moving object tracking based on color information employing a particle filter algorithm

In this article, we present a new algorithm to track a moving object based on color information employing a particle filter algorithm. Recently, a particle filter has been proven very successful for nonlinear and non-Gaussian estimation problems. It approximates a posterior probability density of the state, such as the object position, by using samples which are called particles. The probability distribution of the state of the tracked object is approximated by a set of particles, where each state is denoted as the hypothetical state of the tracked object and its weight. The particles are propagated according to a state space model. Here, the state is treated as the position of the object. The weight is considered as the likelihood of each particle. For this likelihood, we consider the similarity between the color histogram of the tracked object and the region around the position of each particle. The Bhattacharya distance is used to measure this similarity. Finally, the mean state of the particles is treated as the estimated position of the object. Experiments were performed to confirm the effectiveness of this method to track a moving object.     

基于自适应蝙蝠粒子滤波算法的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,提出了自适应蝙蝠粒子滤波的WSN目标跟踪方法。通过自适应的蝙蝠算法的滤波算法优化粒子重采样过程,结合最新的观测值定义粒子的适应度函数,引导粒子整体上向较高的随机区域移动。同时利用动态自适应惯性权重探索新的粒子位置更新为设计机制,引入动态适应惯性权重值, 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,自适应蝙蝠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BA-PF算法和PF算法相比较,IBAPF 算法的计算时间是最短的,IBA-PF算法的位置和速度的平均平方根误差最小(位置0.0311、0.0202、速度0.0262、0.0101),PF算法的跟踪精度是最低的,而IBA-PF跟踪精度较高,IBA-PF算法被证明具有良好的跟踪性能。     

基于粒子群优化的粒子滤波定位方法

为了实现移动机器人精确高效的自定位,提出了基于粒子群优化的粒子滤波定位方法.文章分析了常规粒子滤波定位方法存在的不足之处.将最新观测值融合到采样过程中,并利用粒子群优化算法提高了常规粒子滤波器的预估性能.接下来,建立了系统的概率运动模型和感知模型,并利用粒子群优化粒子滤波方法解决了移动机器人的自定位问题.粒子群优化算法的优化结果使得采样集向后验概率密度分布取值较大的区域运动,从而克服了粒子贫乏问题并且显著地降低了精确定位所需的粒子数.仿真实验表明该算法的有效性.     

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。     

A human–robot interface for mobile manipulator

This paper presents a remote manipulation method for mobile manipulator through operator’s gesture. In particular, a track mobile robot is equipped with a 4-DOF robot arm to grasp objects. Operator uses one hand to control both the motion of mobile robot and the posture of robot arm via scheme of gesture polysemy method which is put forward in this paper. A sensor called leap motion (LM), which can obtain the position and posture data of hand, is employed in this system. Two filters were employed to estimate the position and posture of human hand so as to reduce the inherent noise of the sensor. Kalman filter was used to estimate the position, and particle filter was used to estimate the orientation. The advantage of the proposed method is that it is feasible to control a mobile manipulator through just one hand using a LM sensor. The effectiveness of the proposed human–robot interface was verified in laboratory with a series of experiments. And the results indicate that the proposed human–robot interface is able to track the movements of operator’s hand with high accuracy. It is found that the system can be employed by a non-professional operator for robot teleoperation.     

基于仿生算法改进粒子滤波的SLAM算法精度预测

为解决传统粒子滤波算法重采样时产生的样本退化及样本贫乏带来的机器人定位与建图精度下降问题,提出一种基于改进仿生算法的粒子滤波.该算法将粒子最新时刻的观测与状态信息引入亮度公式,并将萤火虫的优胜劣汰和位置更新机制融入粒子滤波算法,以提高粒子的滤波能力.为保证算法的收敛速度和预测精度,在萤火虫位置更新过程中引入自适应调整步长进行即时修正;基于标准粒子滤波重采样的缺陷,采取分步重采样策略,通过偏差修正指数加权算法制定高效的舍小保大方案,并合理使用剩余大权值粒子完成粒子的复制和添加.仿真验证表明,所提出的改进算法可以明显提高传统粒子滤波的预测精度,且应用到基于移动机器人运动模型的定位与建图时可保持较高的定位精度和较好的稳定性.     

粒子群优化的移动机器人路径规划算法

针对移动机器人在复杂环境下采用传统方法路径规划收敛速度慢和局部最优问题,提出了斥力场下粒子群优化（PSO）的移动机器人路径规划算法。首先采用栅格法对机器人的移动路径进行初步规划,并将栅格法得到的初步路径作为粒子的初始种群,根据障碍物的不同形状和尺寸以及障碍物所占的地图总面积确定栅格粒度的大小,进而对规划路径进行数学建模;然后根据粒子之间的相互协作实现对粒子位置和速度的不断更新;最后采用障碍物斥力势场构造高安全性适应度函数,从而得到一条机器人从初始位置到目标的最优路径。利用Matlab平台对所提算法进行仿真,结果表明,该算法可以实现复杂环境下路径寻优和安全避障;同时还通过对比实验验证了算法收敛速度快,能解决局部最优问题。     

基于改进粒子群优化算法的路径规划

针对二维静态环境下移动机器人路径规划问题,该文提出一种改进的粒子群算法求解最优路径。首先,由于传统的粒子群算法初始化粒子时并未考虑到粒子初始位置是否占障碍物空间,没有对占障碍物空间的粒子进行处理,导致粒子初始有效性低下,全局寻优不准确和全局寻优时间长。然后,为解决此问题,在初始化时采用一种修正粒子算法,解决初始时粒子有效性低下的问题。比较传统粒子群算法和该文算法的仿真结果。仿真结果表明,采用这种方法极大限度地增大了初始粒子的有效性,使算法迭代时可以更加快速准确地得到全局最优路径,所提方法有效可行。