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        基于后驗(yàn)噪聲的貝葉斯魯棒卡爾曼濾波器*

        2022-08-26 07:49:30張楚元趙宗民王東峰
        電訊技術(shù) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:魯棒先驗(yàn)卡爾曼濾波

        張楚元,曹 林,趙宗民,王東峰

        (1.北京信息科技大學(xué) a.光電測試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.通信工程系,北京100101;2.北京川速微波科技有限公司,北京 100101)

        0 引 言

        最優(yōu)濾波是信號處理的核心問題,想要設(shè)計(jì)出最優(yōu)濾波器,就必須對統(tǒng)計(jì)模型有全面的了解[1]。然而,實(shí)際工程中不可能獲得模型的全部信息。例如,很難得到某一場景下毫米波雷達(dá)觀測噪聲的準(zhǔn)確信息,但可以設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒濾波器來處理這種不確定性。

        卡爾曼濾波[2]是一種通過線性系統(tǒng)狀態(tài)方程以及觀測,對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。但它對噪聲高度敏感[3],精確的噪聲知識(shí)是影響估計(jì)精度的關(guān)鍵。最近,Dehghannasiri等人[4]利用貝葉斯創(chuàng)新過程和貝葉斯正交性原理,提出了一種本質(zhì)上的貝葉斯魯棒卡爾曼濾波器(Intrinsically Bayesian Robust Kalman Filter,IBRKF),它相對于成本函數(shù)和不確定噪聲的先驗(yàn)分布是最優(yōu)的,且該濾波器的遞歸方程與經(jīng)典卡爾曼濾波器的遞歸方程相似。IBRKF定義了有效噪聲統(tǒng)計(jì)量和有效卡爾曼增益的概念,并用它們來代替經(jīng)典卡爾曼濾波器中對應(yīng)的變量,以此改善性能。IBRKF是經(jīng)典卡爾曼濾波器相對于不確定噪聲的擴(kuò)展版本。

        盡管IBRKF的仿真實(shí)驗(yàn)證明了其性能的優(yōu)越性,但其優(yōu)越的性能僅建立在對先驗(yàn)知識(shí)的了解上,忽略了噪聲信息可依托系統(tǒng)而傳遞這一關(guān)鍵因素。因此,如何有效地從觀測中提取噪聲信息是進(jìn)一步提升估計(jì)精度的基石。

        本文針對不確定觀測噪聲的問題,將IBRKF框架擴(kuò)展到結(jié)合觀測序列的后驗(yàn)版本,且所提算法的最終公式與經(jīng)典卡爾曼濾波算法相似。該算法首先尋找與先驗(yàn)分布最為相似的提議分布,再為獲得后驗(yàn)噪聲分布的期望而設(shè)計(jì)了一種方法,借此使濾波算法不停地修正噪聲參數(shù),實(shí)現(xiàn)更精確的狀態(tài)估計(jì)。通過對毫米波雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)的處理表明,該算法在應(yīng)對不確定觀測噪聲時(shí)具有優(yōu)異的性能。

        1 貝葉斯濾波器

        貝葉斯準(zhǔn)則的含義是找到平均代價(jià)最小的濾波器。通常,在狀態(tài)估計(jì)中,均方誤差被用來評價(jià)濾波器性能的好壞,而優(yōu)化濾波器的性能即最小化代價(jià)函數(shù)

        C(xk,φ(yk))=E[(xk-φ(yk))T(xk-φ(yk))]。

        (1)

        因此,可將因果關(guān)系轉(zhuǎn)化為根據(jù)最小化的代價(jià)函數(shù)找到一個(gè)最優(yōu)的濾波器,即

        (2)

        式中:Ψ是所有可能的濾波器的類型。滿足上式的濾波器即為最小均方差濾波器。

        盡管IBRKF達(dá)到了先驗(yàn)意義上的最優(yōu),但先驗(yàn)噪聲期望與實(shí)際噪聲仍存在一定的誤差,無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的最優(yōu)濾波。故本文重點(diǎn)考察后驗(yàn)噪聲分布對成本函數(shù)的影響,通過提取觀測中蘊(yùn)含的有效噪聲信息,進(jìn)一步提升貝葉斯魯棒濾波器的性能。

        假設(shè)模型由未知參數(shù)ω=[ω1,ω2,…,ωl]控制,ω∈Ω,Ω為所有可能的參數(shù)的集合。此平均代價(jià)最小的貝葉斯魯棒濾波器可表示為

        (3)

        2 貝葉斯魯棒卡爾曼濾波器

        假設(shè)觀測噪聲的協(xié)方差矩陣是未知的,由未知參數(shù)ω決定,即

        (4)

        并令π(ω)作為控制ω的先驗(yàn)分布,則狀態(tài)空間模型可被參數(shù)化為

        xk+1=Φkxk+Γkuk,

        (5)

        (6)

        以式(3)的角度分析,滿足此貝葉斯魯棒濾波器定義的線性濾波函數(shù)為

        (7)

        式中:

        (8)

        卡爾曼遞歸方程的推導(dǎo)基于以下的定理、定義、命題和引理:

        定理1[4]:(貝葉斯正交原則)如果一個(gè)線性濾波器的權(quán)重函數(shù)滿足式(8),則式(7)中得到的估計(jì)量被稱為最優(yōu)貝葉斯最小二乘估計(jì),當(dāng)且僅當(dāng)

        (9)

        (10)

        命題1[4]:根據(jù)貝葉斯創(chuàng)新過程,可得如下的方程:

        (11)

        (12)

        據(jù)此,可將式(7)改寫為

        (13)

        然后,將式(13)代入式(12)可得

        (14)

        則狀態(tài)更新方程可表示如下:

        (15)

        式中:

        (16)

        (17)

        式中:Q=E[uk(uk)T]為過程噪聲協(xié)方差矩陣。

        3 有效噪聲的提取

        定理2:①如果x服從高斯分布,對x進(jìn)行線性變換后,新的變量仍服從高斯分布。②如果高斯分布x、v統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,則它們的和仍服從高斯分布。

        (18)

        在獲得不確定參數(shù)的似然函數(shù)后,利用Metropolis Hastings算法采樣得到后驗(yàn)噪聲的樣本集,并將樣本均值當(dāng)作k時(shí)刻后驗(yàn)觀測噪聲的期望。其中,樣本選擇采用的是接受-拒絕準(zhǔn)則。假設(shè)ω(j)為第j次迭代結(jié)束時(shí)所生成樣本序列的最后一個(gè)樣本,在j+1次迭代時(shí),將從提議分布q(ωcand,ω(j))中抽取一個(gè)候選值ωcand,這個(gè)候選值通過計(jì)算接受率而被接受或者拒絕。接受率的表達(dá)式如下:

        (19)

        Fréchet距離的物理意義是空間中兩條連續(xù)曲線變化趨勢相似性的度量,而離散Fréchet距離則是將空間中的曲線看作由多個(gè)有序點(diǎn)構(gòu)成的多邊形,再通過匹配兩條曲線的各個(gè)端點(diǎn),尋找最長鏈接的最小值。

        令空間中兩條被多邊形化的曲線為F:{c1,c2,…,cp}和G:{h1,h2,…,hq},L為兩曲線逐點(diǎn)匹配所構(gòu)成的鏈接序列,表示為

        (cf1,hg1),(cf2,hg2),…(cfm,hgm)。

        (20)

        式中:f1=1,g1=1,fm=p,gm=q,且對于i=1,2,…,q,必須有fi+1=fi或fi+1=fi+1;gi同理,以此保證曲線中各端點(diǎn)的順序關(guān)系。定義兩曲線各匹配點(diǎn)的距離的最大值為

        (21)

        式中:d(·)表示兩點(diǎn)間的歐氏距離。則F、G間的離散Fréchet距離可表示為[5]

        ddF(F,G)=min{‖L‖|L為F、G間鏈接序列}。

        (22)

        由于文獻(xiàn)[6]指出,當(dāng)以離散Fréchet距離衡量兩曲線的相似性且取到峰值點(diǎn)時(shí),則其中一條曲線的某個(gè)峰值點(diǎn)只可能與另一條曲線對應(yīng)的峰值點(diǎn)或其周圍的幾個(gè)峰值點(diǎn)相關(guān),否則兩曲線不可能相似。又因?yàn)楦怕拭芏群瘮?shù)體現(xiàn)了隨機(jī)變量在某個(gè)確定點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率,所以在尋找合適的提議分布時(shí),可只取提議分布和先驗(yàn)分布波峰部分的點(diǎn),使得鏈接序列至少含有一個(gè)峰值點(diǎn),以此種方式壓縮搜索空間,提升所尋提議分布的準(zhǔn)確性。

        基于提議分布與先驗(yàn)分布的離散Fréchet距離,可采用改進(jìn)的隨機(jī)游走算法尋找距離的最小值,并將距離最小時(shí)的提議分布作為最優(yōu)解輸出。采用改進(jìn)后的算法是由于基礎(chǔ)的隨機(jī)游走算法依賴初始迭代點(diǎn)的設(shè)置,當(dāng)經(jīng)驗(yàn)不夠可靠時(shí)容易使算法陷入局部最優(yōu)。雖然增大迭代次數(shù)和初始步長可在一定程度上對這種問題進(jìn)行改善,但這將造成時(shí)間花費(fèi)的提升。因此,本文將離散Fréchet距離考慮為目標(biāo)函數(shù),尋找最優(yōu)提議分布的過程如下:

        Step1 按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置初始提議分布N(μ,θ(0)),定義初始步長ζ和控制精度ε,計(jì)算初始提議分布與先驗(yàn)分布的離散Fréchet距離D。

        Step2 給定迭代次數(shù)N,并令當(dāng)前迭代次數(shù)n=1。

        Step3 若n

        θ(n)=θ(n-1)+ζ·min{θj},1≤j≤m。

        (23)

        Step4 計(jì)算新提議分布N(μ,θ(n))與先驗(yàn)分布的離散Fréchet距離D′,若D′D,則拒絕接受新的提議分布為最優(yōu)解,并令n=n+1,返回Step 3。

        Step5 若連續(xù)N次迭代都找不到更優(yōu)的離散Fréchet距離,則認(rèn)為最優(yōu)解在以當(dāng)前最優(yōu)解為圓心、半徑為步長ζ的圓內(nèi)。此時(shí),若ζ<ε,則終止算法;否則,令ζ=ζ/2,返回Step 2。

        4 實(shí)驗(yàn)與性能分析

        4.1 實(shí)驗(yàn)場景

        本文針對真實(shí)場景下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,實(shí)驗(yàn)的對象是人。實(shí)驗(yàn)情況描述如下:在室內(nèi)劃定175 cm×450 cm的區(qū)域,并在實(shí)驗(yàn)區(qū)域的底部放置毫米波雷達(dá)。以雷達(dá)的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)(僅考慮二維空間的情況),利用雷達(dá)在沒有任何目標(biāo)的情況下對實(shí)驗(yàn)區(qū)域中的環(huán)境進(jìn)行采樣,并以此為基準(zhǔn)濾除非目標(biāo)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集時(shí),一個(gè)人以近似勻速的運(yùn)動(dòng)方式在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)按預(yù)定的軌跡走動(dòng),如圖1所示。毫米波雷達(dá)安裝位置如圖2所示。在獲得測量點(diǎn)后,對目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行聚類預(yù)處理,并以聚類中心為目標(biāo)的觀測位置。預(yù)處理結(jié)束后,利用三種不同的卡爾曼濾波器對這些位置數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理并分析誤差。

        圖2 毫米波雷達(dá)安裝位置

        4.2 濾波軌跡

        在濾波處理中,使用的濾波器分別為經(jīng)典卡爾曼濾波器、IBRKF和本文所提的算法。根據(jù)所使用的雷達(dá)型號和多次測量的經(jīng)驗(yàn)可知觀測噪聲的方差服從均勻分布。上述三種卡爾曼濾波器的濾波結(jié)果如圖3所示,其中圖3(a)代表本文所提出的算法,圖3(b)代表IBR方法,圖3(c)代表經(jīng)典卡爾曼濾波算法。從圖3可以明顯看出,本文所提算法的濾波軌跡優(yōu)于其他兩種方法,更接近目標(biāo)的真實(shí)軌跡。另外,經(jīng)典卡爾曼濾波算法由于狀態(tài)空間模型的不精確而導(dǎo)致的噪聲積累會(huì)對濾波的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,而IBRKF和本文所提算法都利用了有效信息來削弱這種影響,使得它們的魯棒性比經(jīng)典算法更強(qiáng)。

        (a)本文所提算法

        4.3 位置誤差

        以目標(biāo)估計(jì)位置與真實(shí)位置之間的位置誤差(Position Error,PE)為算法評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一,其計(jì)算公式如下:

        (24)

        式中:xtrue、yture表示目標(biāo)的真實(shí)坐標(biāo),xes、yes表示由濾波器濾波后目標(biāo)的估計(jì)坐標(biāo)。從圖4可以看出,盡管所設(shè)計(jì)濾波器的PE在某些時(shí)刻超過了IBRKF和經(jīng)典卡爾曼濾波器,但從整體上觀察,本文所提算法PE曲線大部分都位于其他兩種濾波器的下方,誤差也相對集中。而通過計(jì)算三種濾波器的平均PE(分別為4.614 7 cm、8.147 0 cm和9.892 8 cm),也可看出本文所提算法整體上的估計(jì)位置與真實(shí)位置間的誤差更小。

        4.4 均方根誤差

        分別計(jì)算了三種算法的均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE),對三種算法的性能進(jìn)行直觀地比較。從圖5可以看出,本文所提算法的RMSE明顯低于其他兩種算法。另外,三種算法RMSE的平均值(Mean of RMSE,MMSE)也清晰地顯示出它們?yōu)V波性能的優(yōu)劣。其中,經(jīng)典卡爾曼濾波器的MMSE為11.406 7 cm,IBRKF的MMSE為9.516 1 cm,本文所提算法的MMSE為5.184 8 cm。

        圖5 三種算法的RMSE

        4.5 時(shí)間花費(fèi)

        表1是不同迭代次數(shù)下,尋找最優(yōu)提議分布和整體算法的時(shí)間花費(fèi)情況。其中,ε=0.000 1,算法運(yùn)行的平臺(tái)是Matlab R2018b,處理器為1.40 GHz的Intel(R) Core(TM) i5-8257 CPU和8 GB RAM。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,隨著迭代次數(shù)增加,尋優(yōu)耗時(shí)也將成倍增長,但最優(yōu)解的變化不大。而由于尋優(yōu)過程與濾波是串行的關(guān)系,且尋優(yōu)過程在整體算法中只執(zhí)行一次,因此迭代次數(shù)的增加并不會(huì)影響后續(xù)每一時(shí)刻的濾波時(shí)間。故在某些情況下,可通過控制迭代次數(shù)和適當(dāng)增大控制精度來提升整體算法的實(shí)時(shí)性。

        表1 不同迭代次數(shù)下的尋優(yōu)耗時(shí)和算法總耗時(shí)

        5 結(jié)束語

        本文針對毫米波雷達(dá)測量時(shí)觀測噪聲不確定的問題,從觀測中提取有效噪聲信息,設(shè)計(jì)了一種新型的貝葉斯魯棒卡爾曼濾波器,并提出了一種提議分布的自適應(yīng)選取方法。實(shí)驗(yàn)證明了與經(jīng)典和最新算法相比,所提算法在處理不確定觀測噪聲時(shí)性能突出。但目前仍存在一些問題,例如在面對非高斯噪聲時(shí),所提算法的性能會(huì)大幅降低,且設(shè)計(jì)時(shí)忽略了過程噪聲的轉(zhuǎn)移,原因是過程噪聲與狀態(tài)變量不獨(dú)立,需要通過大量的數(shù)據(jù)分析來獲得它們的相關(guān)系數(shù),但此方法無法保證算法的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。下一步研究將把過程噪聲加入該濾波框架,進(jìn)一步提升所提濾波器的性能,并為計(jì)算后驗(yàn)噪聲期望設(shè)計(jì)更有效、更便捷的方法。

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