粒子滤波算法及其应用
本书系统介绍粒子滤波算法的基本原理和关键技术，针对标准粒子滤波算法存在的粒子退化、计算量大的缺点介绍了多种改进的粒子滤波算法，包括基于重要性密度函数选择的粒子滤波算法、基于重采样技术的粒子滤波算法、基于智能优化思想的粒子滤波算法、自适应粒子滤波算法、流形粒子滤波算法等，并将粒子滤波算法应用于机动目标跟踪、语音增强、传感器故障诊断、人脸跟踪等领域，最后探讨了粒子滤波算法的硬件实现问题，给出了基于DSP和FPCA的粒子滤波算法实现方法。内容简介本书系统介绍粒子滤波算法的基本原理和关键技术,针对标准粒子滤波算法存在的粒子退化、计算量大的缺点介绍了多种改进的粒子滤波算法,包括基于重要性密度函数选择的粒子滤波算法、基于重采样技术的粒子滤波算法、基于智能优化思想的粒子滤波算法、自适应粒子滤波算法流形粒子滤波算法等,并将粒子滤波算法应用于机动目标跟踪、语音增强、传感器故障诊断、人脸跟踪等领域最后探讨了粒子滤波算法的硬件实现问题,给出了基于DsP和FPGA的粒子滤波算法实现方法。本书可供高等院校电子信息、自动化、计算机应用、应用数学等有关专业高年级本科生和研究生,以及从事控制科学与工程、信号与信息处理领域的工程技术人员和研究人员参考阅读。图书在版编目(CIP)数据粒子滤波算法及其应用/朱志宇著.一北京:科学出版社,2010.6ISBN978-7-03-027611-7I.①粒…Ⅱ.①朱…Ⅲ.①非线性控制系统Ⅳ,①O231.2中国版本图书馆CIP数据核字(2010)第08821号责任編辑:孙芳王志欣/责任校对:陈玉责任印制;赵博/封面设计:耕者设计工作室學☆出版北京东黄城根北街|6号邮攻编码:100717http://www.sciencep400酉卹剩厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销2010年6月第版开本;B5(720×10002010年6月第一次印刷印张:163/4印数:1-3000字数:324000定价:48.00元(如有印装质量问题,我社负责调换)前言粒子滤波又称序贯蒙特卡罗方法,是一种基于蒙特卡罗方法和递推贝叶斯估计的统计滤波方法,它依据大数定理,采用蒙特卡罗方法来求解贝叶斯估计中的积分运算。粒子滤波算法首先依据系统状态向量的经验条件分布在状态空间产生组随机样本的集合,然后根据观测量不断地调整粒子的权重和位置,通过调整后粒子的信息修正最初的经验条件分布。当样本容量很大时,这种蒙特卡罗描述就近似于状态变量真实的后验概率密度函数。粒子滤波适用于任何能用状态空间模型表示的非高斯背景的非线性随机系统,它完全突破了传统的 Kalman滤波理论框架,对系统的过程噪声和量测噪声没有任何限制,可适用于任何非线性系统,精度可以逼近最优估计,是一种很有效的非线性滤波技术,可广泛应用于数字通信、金融领域数据分析、统计学、图像处理、计算机视觉、自适应估计、语音信号处理、机器学习等方面。粒子滤波算法是现代信号与信息处理学科和统计模拟理论之间的交叉学科,其研究有着重要的理论意义和现实价值,随着计算机性能的迅速提高,这方法日益受到人们的关注。近年来,从解决粒子退化和粒子多样性丧失、提高算法实时性和鲁棒性、降低计算复杂度等角度考虑,国内外学者广泛开展了粒子滤波研究。本书系统总结了近年来粒子滤波的研究成果,针对粒子滤波算法的缺点提出了若干种改进算法,包括基于微分流形的粒子滤波算法、基于人工鱼群的粒子滤波算法、基于神经网络的粒子滤波算法、自适应粒子滤波算法等;广泛探讨了粒子滤波算法的各种应用,给出了粒子滤波算法的硬件实现方法在本书编撰过程中,作者研读了大量文献,参考融合了国内外专家、学者们在相关领域的硏究成果,在此,对他们表示衷心谢意!王建华教授、姜长生教授、张冰教授对本书的编写工作提供了很多宝贵意见,杨官校、李冀、皇丰辉、刘炜、薄超等同学编制了书中的仿真程序,赵成、苏岭东、姜威威等同学绘制了书中的部分图表。在此,向参与和关心本书编写工作的各位同事和同学表示真诚的感谢本书的出版得到了江苏省高校自然科学基金(项目编号:06KJB510030)和中国船舶行业预研基金(项目编号:3.1.5)的资助。由于作者学术水平有限,书中难免存在不妥之处,殷切期望广大读者批评指正。作者2010年3月目录前言第一篇粒子滤波算法第1章绪论1粒子滤波的发展和应用……··d·············.41.2粒子滤波的缺点和现有的解决方法4第2章 Kalman滤波理论2.1标准 Kalman滤波算法R-y滤波器102.3EKF滤波算法24 MVEKF算法142.5UKF算法D春看曲。·鲁b·····。音·看自。··非自b。非…………15第3章从贝叶斯理论到粒子滤波…193.1动态空间模型3.2贝叶斯估计理论203.3蒙特卡罗积分………·.·日···↓..··":·.·“.···香。·。着非●自·223.4序贯蒙特卡罗信号处理2435粒子滤波27第4章基于重要密度函数选择的改进粒子滤波算法334.1GHPF…………………………………………………334.2 EKPF354.3 UPF374.4 IMMPF算法…………384.5二阶中心差分粒子滤波…………404.6基于 Stiefel流形的粒子滤波器研究434.7混合退火粒子滤波器研究45IV粒子滤波算法及其应用第5章基于重采样技术的改进粒子滤波算法最自自自485.1重要性重采样粒子滤波器………485.2基于MCMC的粒子滤波……495、3AVPF……………525.4 RPF∴…545.5核K-粒子滤波算法(KPF)5.6基于权值选择的粒子滤波算法…575.7线性优化重采样粒子滤波算法5.8基于 Stiefel流形和权值优选的粒子滤波器( SM-WSPF)研究605.9基于 Stiefel流形和线性优化重采样的粒子滤波器( SM-LOCR-PF)研究615.10其他常用的重采样方法621仿真分析第6章基于智能优化思想的粒子滤波算法6.1GPF算法…………………736.2 PSO-PF算法p·普·日···曹·。昏鲁··甲啊·。··中日中··串自自·事6.3 AFSA-PF算法6.4AIPF算法鲁音·鲁甲··鲁曹·自·即………906.5仿真分析97第7章基于神经网络的粒子滤波算法……1027.1基于神经网络的重要性权值调整粒子滤波( NNWA-PF)算法…1027.2基于神经网络的重要性样本调整粒子滤波( NNISA-PF)算法1057.3仿真分析……109第8章APF算法音·自·普自自自非●·P,自自··自··非鲁自单最自自音自自自·4非鲁备自音。非·鲁音。··音鲁1148.1似然分布自适应调整1148.2样本数APF8.3改进APF…1188.4APF的仿真分析…119第9章其他粒子滤波算法1269.1免重采样粒子滤波1269.2MPF……………………………………………………132目录9.3分布式粒子滤波134第二篇粒子滤波算法的应用第10章粒子滤波算法在机动目标跟踪中的应用……1390.1基于贝叶斯理论的目标跟踪技术…………………13910.2机动目标的运动模型……14010.3多目标跟踪中的联合概率数据关联方法14210.4非线性、非高斯条件(闪烁噪声)下的机动目标跟踪14510.5基于粒子滤波和JPDA的多目标跟踪数据关联算法10.6仿真实验…150第11章粒子滤波应用于语音信号增强………16111.1语音增强技术………………………………………16111.2TVAR模型11.3基于GPF的语音增强算法11.4语音信号增强仿真实验…I68第12章粒子滤波应用于传感器故障诊断e早看值·看…………17212.1故障诊断的方法…17212.2传感器故障诊断的基本原理…17412.3应用粒子滤波进行故障诊断鲁番“·.····.;·4···17712.4仿真实例分析180第13章粒子滤波算法在人脸跟踪中的应用19013.1人脸跟踪介绍…………………19013.2跟踪算法相关理论基础·19313.3基于直方图的坞值偏移人脸跟踪算法·19613.4基于直方图的粒子滤波人脸跟踪算法20113.5基于椭圆拟合的人脸跟踪算法…20613.6基于流形的人脸跟踪算法p音直最看·鲁鲁··息·翟·唱备售暴4鲁售聊鲁20713.7人脸跟踪仿真…………鲁电210第14章粒子滤波在倒立摆控制系统中的应用21614.1引言21614.2倒立摆控制系统模型216粒子滤波算法及其应用14.3基于神经网络的倒立摆控制系统研究∴21914.4粒子滤波优化神经网络倒立摆控制仿真…22第15章基于DSP实现的粒子滤波算法……22515.1FBPF算法鲁t·息鲁鲁∴22515.2基于硬件实现的改进FBPF算法…22715.3实现改进FBPF算法的DSP···→·········:·..··.·;····..·········22815.4改进FBPF算法DSP实现的软件环境…23015.5改进FBPF算法的软件仿真与DSP实现…23115.6基于改进FBPF算法的GPS导航系统设计237第16章基于FPGA的粒子滤波算法实现∴24116.1基于FPGA的改进FBPF算法的总体设计∴…241l16.2FPGA简介…24216.3改进FBPF算法的软件仿真与FPGA实现245参考文献…:a4a....············.··.··········253第一箭粒子滤波算法
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cadence16.5 pspice教程全集
cadence16.5 pspice教程全集，很详细的pspice教程，说的很详细，通俗易懂，推荐下载。cadenceCHANNEL PARTNER、 Cadence/ OrCAD拥有一批学识渊博的技术攴持人员,他们注重与工程师在工作上密切配合,尽可能提高其软件的生产效率。5、 PSpice16.5版本具有自动收敛的功能,自动调整仿真参数帮助电路收敛。6、支持多个 slPs block,实现 Matlab与 Pspice电路仿真的无缝结合7、 PSpice是当今占主导地位的,基于 SPICE的仿真器。三、 PSpice的工作流程图绘制原理图「选择分析方或修L设置仿真参数」元改件电运行仿真数结你果是香符合Y仿真结束四、 PSpice a/D基木的分析内容在选择分析方法前需要绘制电路原理图, OrcaD统一由 Capture窗口进行输入和调用 PSpice分析。在使用时绘制原理图应该注意的地方。新建时应选择调用的器件必须有模型首先,调用软件本身提供的模型库,这些库文件存储的路径为,此路径中的所有器件都有提供模型,可以直接调用。其次,若使用自己的器件,必须保证两个文件同时存在,而且器件属性中必须包含属性。原理图中至少必须有一条网络名称为,即接地。必须有激励源原理图中的端口符号并不具有电源特性,所有的激励源都存储在和库中上海市长宁区延安西路号华敏、翰尊时代广场层座邮箱cadenceCHANNEL PARTNER电源两端不允许短路,不允许仅由电源和电感组成回路,也不允许仅由电溟和电容组成的割集。解决方法:电容并联一个大电阻,电感串联一个小电阻6、好不要使用负值电阻、电容和电感,因为他们容易引起不收接下来具体介绍几种基本的分析方法和参数的设置。直流分析(直流分析指是使电路某个元器件参数作为自变量在一定范围内变化,对自变量的每个取值,计算电路的输出变量的自流偏特性。此过程中还可以指定一个参变量并确定取值范围,每设定一个参变量的值,均计算输出变量随自变量的变化特性。直流分析也是交流分析时确定小信号线性模型参数和瞬态分析确定初始值所需的分析。模拟计算后,可以利川功能绘出曲线,或任意输出变量相对任元件参数的传输特性曲线首先我们开启,打丌如图所示的界OrCAD CaptureFile Y1ew Tools Edit Lptions Windon Help〔 agenceSPARAMSCHEMATICI-bias量量量国量口口园国4D: FSPICE材料2011 EM\BANDPASS.IS图1-1 Capturer界面上海市长宁区延安西路号华敏、翰尊时代广场层座邮箱cadenceCHANNEL PARTNER接下来使用菜单:启动建立一个新的工程,如图所示PCtrltsSave AsHIL FileVerilog File图新建工程界面在图对话框中输入文件名,如“”。在下面的单选按钮中选择“”,要注意这是由直接调用的按钮,不要选错哦。那么其它的选项是仆么意思呢?数模混合仿真系统级原理图设计或设计原理图设计最后在“”中指点文件存放的文件夹后,单击,出现图界面。Rev ProiectCreate a New Project UsingHelHelp⊙ Analog or Mixed A/DTip for New Users○PAnalog orMixed A /D project. Thenew project may be b alm O Piog ammable Logic wizardor copied from an existing○ SchemLuLaliuriDBrOWS图1-3建立新电路图对话框Create pspice Prone基于已有的设计创建文件○ CReate baxIsting proerOKBuck ConverterBIOCancelCreate a上 ank project厂Hahn创建空白设计图1-4创建 PSpice文件对话框上海市长宁区延安西路号华敏、翰尊时代广场层座邮箱cadenceCHANNEL PARTNER在“ Create based upon an existing project”下可以看到许多已有的工程和电路图。我们选择“ Create a blank project”,进入到仿真电路图绘制窗凵,并开始绘制电路图。如图1-5所示。i OrCAD Capture L/=(SCHEIATICI: PAGE1)□-回回 File: Edit View Tools Place Macro0 PSpice Accessories ption3置idoy正elpcadences间器回博期②0回角6@101PGE1仿真工具栏图4罕LxF121:31:14:516::1:11101110图1-5仿真电路图输入窗口接下来,我们先要学会选择器件:选择绘图工具栏中的点击后图1-5窗口出现放置元件的窗凵如图1-6所示。注意选择的器件库必须存储在路径为卜,此路径中的所有器件都有提供模型,可以直接调用。活着如果是使用自己的器件,必须保证两个文件同时存在,而且器件属性中必须包含属性,即在图对话框中选中的器件需要有燃的标i(对丁新建器件,后续有专门教程讲解)上海市长宁区延安西路号华敏、翰尊时代广场层座邮箱cadenceCHANNEL PARTNERPlace partRPart lis上:QPND-4153/55C/DIODEUPND-41535/DIODEQPND-4153/27C/DIODEQSCH-55457-55C/DIODE05CH55125心D0DE添加元件库4527CDJoDEBTEST/TESR/ANALOG,--LibrariesxNAL口Desian CacheDIODEOPAMPSOURCEPackagingParts per PkgR?Part^∧Type: Homogeneous1k⊙Nrml+」 Search for fa图1-6放置元件的窗口如图1-6,我们选择输入“R”,找到在 analog.lib下的电阻器件,双击它就可以放置到绘图窗口屮了。接下来我们门作个简单例子来了解一下仿真的工程。当然这甲先进行的是自流扫描分析( DC Sweep)在图1-5的原理图绘制窗凵中输入如图1-7所示的电路。W图1-7原理电路图上图所用到的器件信息器件模型模型库电源VDC/ souce电阻R/ analog稳压管DI1N5225/ diode上海市长宁区延安西路号华敏、翰尊时代广场层座邮箱cadenceCHANNEL PARTNER地0注意一点:地的选择不是在 Place part,而是在 Place ground中选择名称为0的0电路图画好后存盘,然后就要开始设置仿真参数开始进行仿真了。首先,新建个仿真文件,启动 PSpice/ New simulation命令,或者自接点击仿真工具栏中按钮,得到图1-8所示对话框。在Name中输入仿真文件名,如:DC,点击“ Create”后,在原来工程文件夹中就会自动生成一个名为“DC”的文件夹,后面所作的仿真结果和工程均保存在该文件夹下,方便于管理。HeS量 uLationXNalCreateDccelInherit fromroFERoot Schematic SCHEMATIC1图1-8仿真参数设置对话框完成图1-8后,会弹出图1-9所示的仿真参数设置窗凵。我们先从 Analysis中开始看起互 ilLation setFiles0ptectorY⊙ voltageModel typ○Guba○ ModelMonte Carlo/ W orst Cs OIermParameter namePTP〕- Sweep type□L。 d bias PEndvalue: 10O Logar ta mIc DecadeincrementOvale Ist确定□取捎应用)匚帮图1-9仿真参数设置窗口在 Analysis type(分析类型)屮我们选取 DC Sweep上海市长宁区延安西路号华敏、翰尊时代广场层座邮箱cadenceCHANNEL PARTNER在 Option中,我们选取 Primary Sweep在 Sweep variable中可以看到如下几个选项Voltage Source电压源信息Current source电流源信息Global parameter全局参数Model parameter模型参数Temperature温度设置在 Sweep type中,我们可以设置为 Linear(线性); logarithmic(对数), valueline(设置点)。这里我们对电压源Ⅵ1进行设置,扫描值为-6V到10V,每次递增1V设置好后,点击确定。然后点击仿真工具栏屮的◎,运行仿真。接着就调出了 PSpice的界面,如图1-10所示。sCHELATICI-DC- PSpice ND [nC. dat (active)Iatis tait Yim amative Ia twt Trl. Iiam May cadence -oxSoHEMATIC1DC输出仿真结果区回基公回在这里,按照用户的要求可以产生各式各样的输出波形波形显示窗口或输出文件Poi"SCHEMATIC1DC[D pepooMFA仿高状态窗口,负资Reyong and cheekngeeutGreul reyn a checked no文字窗输出窗,负武显示显示本仿真执行内容本你真操作具的着的信惠2I1r010n户与执行后的信息图1-10 PSpice执行模拟窗口PSpice界面中最主要的工具栏含义如图1-11所示。对X轴坐标在对数或线性变‖对波形进行傅添加性能分析波化之间互相转换立叶变换形显示窗口QQ6amm回X查找波形上的点对Ⅴ轴坐标在对数或线计算全局性变化之间互相转换忝加波形显示出波函数值形让笪占图1-11 PSpice基木工具栏的含义选择菜单栏 Trace/ Add trace,或者点击图标,得到图1-12对话框,在这里我们可以看到有两个标签 Simulation output variables与 Functions and macros“ Simulation Output variables”中包含许多的变量,“ Functions and macros”上海市长宁区延安西路号华敏、翰尊时代广场层座邮箱cadenceCHANNEL PARTNERkdd TraceSimulation Output variable仿真输出变量Functions or macrosAnalog Operators and FunctioID11I[D1: A)回点F1:1[y1凶 voltages1:+[D1: Alv CurrerIVIDI: KIN0120输出变量的列表回 Pawer8数学运算ATANITN0127函数□NHalAVGAVGXO∨R12cs(〕v1:回 Alias namesD[〕Subcircuit NodesDB(〕41[D1ENMA风RENVMIN I11EXF〔/2D过滤显示V2(R节点M21GGG[D125 variables listedR110‖A10〔1F时输入欲观看节点的波形[OK[Cancel[ Help图1-12加入波形对话框中冇需要测量的信息函薮。在操作的过程中,比如要看最大的的值的吋候,先选择Max0函数,再选择变量的类型V1⑩D1)。我们就可以在 Trace Expression中看到表达式:MAX(Ⅵl(D1)。这是一个最为基本的步骤。若选择输出V2(D1),得到图1-13的波形。通过波形可以自己分析是否满足设计要求图1-12输出波形随输入信号的变化曲线交流分析(上海市长宁区延安西路号华敏、翰尊时代广场层座邮箱
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