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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ANSYS_WORKBENCH设计、仿真与优化
《ANSYSWorkbench设计、仿真与优化》以最新版ANSYSWorkbench11.0为依据，以工程人员产品设计的流程为主线，由浅入深地介绍了ANSYSWorkbench在产品设计、仿真与优化过程中的具体功能、使用方法和应用实例。ⅣANSYS Workbench设计、仿真与优化4.2.1基础…………484.2.2分析关键………494.2.3分析步骤……………………………………494.3振动电机轴谐响应分析……………….544.3.1基础………………54………54.3.3分析步骤……………………………………………………………554.4机柜随机振动分析…………………………………………………………614.4.1基础……………………………………………………………614.4.2分析关键…………………………………………………624.4.3分析步骤………………………………………………………62第5章机构运动学分析…………………675.1机构运动学分析基础………………………………………………………675.2轻型打桩机机构运动学分析……………………………………685.2.1工程背景……………………………………………5.2.2分析关键…………………………………………685.2.3分析步骤…………69第6章热力学分析………………………………………756.1热分析基础…………………………………………………………756.2汽缸盖稳态温度场分析……………………………………………766.2.1工程背景766.2.2分析关键………………………………………………………776.2.3分析步骤……………………………………776.3涡轮增压器涡壳瞬态温度场分析和热应力分析………………………………806.3.1工程背景………………………………………………806.3.2分析关键………6.3.3分析步骤…………………………81第7章疲劳分析……………………………………………………867.1疲劳分析基础……………………………………:867.1.1疲劳分析定义……………………………………………867.1.2 AWE Fatigue程序处理疲劳问题的过程………………862按键疲劳分析………………………………………………………877.2.1工程背景………………………………………………………877.2.2分析关键…………………887.2.3分析步骤…………………………………………………887.3轮毂疲劳分析………………………………………………………………92日录7.3.1工程背景………927.3.2分析关键………27.3.3分析步骤……93第8章优化设计……………………………………………………………………968.1优化设计基础……………………………………………968.1.1优化设计的基本原理…968.1.2优化设计的分类………………………………………………………978.1.3AWE优化设计的分析步骤………………988.2支架拓扑结构优化设计………………………………………………………998.2.1工程背景………8.2.2分析关键…………………………………………998.2.3分析步骤…98.3散热器形状优化设计……………………………………………………………1028.3.1工程背景………………………………………………………1028.3.2分析步骤…………………103第9章二次开发1109.1二次开发基础………………………………………………………11109.2参数化程序设计语言……………………………………………………1109.2.1APDL简介…………………………1109.2.2APDL的参数和宏………………………………………………1119.2.3气动刹车装置非线性分析12…………………………119.3用户操作向导……………………1159.3.1 Wizard简介…………………………………………………………1159.3.2操作向导编辑器…………………………………11169.4客户化定制…………1179.4.1SDK简介………………………………………………………………1179.4.2客户化定制实例…………………………………………………118第1章 ANSYS Workbench基础1.1 ANSYS Workbench概述随着计算机辅助工程(CAE)技术在工业应用领域中的广度和深度的不断发展,它在提高产品设计质量、缩短周期、节约成本方面发挥了越来越重要的作用。目前,CAE分析的对象已由单一的零部件分析拓展到系统级的装配体,如飞机、汽车等整机的仿真。同时,其分析的领域已不再仅仅局限于结构力学,已涉及流体力学、热力学、电磁学、多场耦合等更加丰富的物理空间。而且,CAE分析不再仅仅是专职分析人员的工作,设计人员参与CAE分析已经成为必然ANSYS Workbench Environment(AwE)作为新一代多物理场协同CAE仿真环境,其独特的产品构架和众多支撑性产品模块为产品整机、多场耦合分析提供了非常优秀的系统级解决方案。它所包含的3个主要模块:几何建模模块( Design Modeler)、有限元分析模块( Design Simulation)和优化设计模块( Design Xplorer)将设计、仿真、优化集成于一体,可便于设计人员随时进入不同功能模块之间进行双向参数互动调用,使与仿真相关的人、部门、技术及数据在统一环境中协同工作。具体来讲AWE具有的主要特色如下。1.强大的装配体自动分析功能针对航空、汽车、电子产品结构复杂,零部件众多的技术特点,AWE可以识别相邻的零件并自动设置接触关系,从而可节省模型建立的时间。而现行的许多软件均需要手动设置接触关系,这不但费时同时还容易出错。除此之外,AWE还提供了许多工具,以方便手动编辑接触表面或为现有的接触指定接触类型。AWE提供了与CAD软件及设计流程之间的无与伦比的整合性,从而发挥CAE对设计流程最大限度的贡献。最新的AWE使用接口,可与CAD系统中的实体及曲面模型双向连接,具有更高的CAD几何导入成功率。当CAD模型变化时,不需对所施加的负载和支撑重新定义。AWE与CAD系统的双向相关性还意味着,通过AWE的参数管理可方便地控制CAD模型的参数,从而提高设计效率;AWE的这一功能,还可对多个设计方案进行分析,自动修改每一设计方案的几何模型。2.自动化网格划分功能许多CAE用户都花大部分的时间在建立网格上,AwE在大型复杂部件,如飞机组装配件的网格建立上独具特色,自动网格生成技术可大大节省用户的时间。根据分析类型不同,有很多因素影响分析的精度。传统的专业分析人员花大量的时间和训练来掌握各种分析,手动处理模型以保证分析的精度;而对于设计人员来讲,他所关注的应该是自己的产品设计,而不是有限元方法,因此需要一个可靠的工具来替代传统的工具,尽可能实现自动化。AWE的自动化网格划分功能如下:自适应网格划分,对于精度要求高的区域会自动调整网格密度ANSYS Workbench设计、仿真与优化·自动化网格划分,生成形状、特性较好的元素,保证网格的高质量。·自动收敛技术,是自动迭代过程,通过自适应网格划分以使指定的结果达到要求的精度。例如,如果对装配中某一个零件的最大应力感兴趣,可指定该零件的收敛精度。·自动求解器选择,AWE根据所求解问题的类型自动选择适合的求解器求解。智能化的负载和边界条件自动处理。3.协同的多物理场分析环境及行业化定制功能CAE技术涵盖了计算结构力学、计算流体力学、计算电磁学等诸多学科专业,而航空产品的设计对这几个学科专业都有强烈的CAE需求。单个CAE软件通常只能解决某个学科专业的问题,导致使用者需要购买一系列由不同公司开发的、具有不同应用领域的软件,并将其组合起来解决其实际工程问题,这不但增加了软件投资,而且很多问题会由于不同软件间无法有效而准确地传递数据而根本不能实现真正的耦合仿真计算。目前,全面的、真正的“多物理场耦合分析”(如图1.1所示)时代已经来临,多场分析能力已经成为现代CAE软件技术水平的重要标志。多组分/多相流}(流体力学)[可压缩流H高级辐射高级疲劳高度非线性共轭传热结构力学多物理场耦合(温度场非线性非线性/辐射时/频域动力稳态/瞬态线性静力低频电磁场}(电磁场)M高导/对流图1.1现代高级CAE软件AWE组合分析能力4.快捷的优化工具 DesignXplorerAWE本身既是一个成熟的多物理场协同CAE仿真平台,又是一个基于最新软件技术的开放式开发平台,利用其开发包 Workbench SDK可以非常便捷地实现诸如专用程序开发、流程自动化和简化、专家经验的保存和固化、分析规范的保存和固化、自有程序的包装、其他程序的集成等众多的用户化开发功能。在 Workbench基础上,设计与分析间的关系就简化为:·分析部门(或人员)根据需求为设计部门量身定做各种特定产品的专用分析程序,这些程序融专家经验、自有程序、分析规范等为一体,完全专用化和自动化,一次定制,终身受益;设计部门(或人员)在针对性极强的专用程序上轻松实现设计分析-优化评价等工作;AWE多物理场协同仿真环境充分体现了 ANSYS公司“面向实实在在的工业需求,以技术为本,以优化用户产品研发流程为目标,为用户提供完整CAE解决方案”的宗旨。在AWE环境下,整个CAE应用的方式和意义都将发生革命性的变化。仿真分析的目的是优化产品性能,AWE/ DesignXplorer是基于DSDB数据库文件的参数优化工具,结合CAD系统/AGP和 Design Space/AWE进行优化:在CAD系统/AGP中第1章 ANSYS Workbench基础3·进行参数化建模,在 Design Space或AWE中进行初步的分析,并确定感兴趣的参数,在DesignXplorer中进行参数优化优化参数可以是CAD模型的几何参数、结构形式、施加的边界条件、求解得到的分析结果等,也可以是由这些参数进行数学运算后派生出来的参数,既可以进行连续性参数和离散化参数的优化,又可以进行单目标或多目标的优化,得到设计空间的三维设计响应面/二维设计曲线,并自动根据优化结果更新几何模型文件。因此,作为新一代多物理场协同CAE仿真环境,AWE以其独特的产品架构和众多支撑性产品模块已为越来越多的产品提供了非常优秀的系统级解决方案1.2 ANSYS Workbench产品设计流程和文件格式1.2.1 ANSYS Workbench产品设计流程AwE提供一个集成统一的仿真环境帮助工程人员完成产品CAE开发的全过程。在AWE环境下,典型的项目开发,包括以下模块:DesignModeler,几何建模和CAD模型导入模块;Design Simulation,结构、热和电磁有限元分析模块;Design Xplorer,最优化设计模块。AwE统一的开发环境以及具有攀升化的设计方案,帮助企业真正实现产品设计仿真到优化的协同。其中, Design Simulation与CAD系统之间可进行双向模型参数互动、可将 ANSYS嵌入CAD运行环境,使用CAD环境中的几何模型的链接,不存在模型转换失真的棘手问题。同时, Design Simulation从CAD中导入装配体时可以自动建立装配接触关系。这样,设计人员可以在 Design Simulation中进行零件以及装配体性能的初步快速分析,并确定感兴趣的区域和性能,再利用 Design Simulation中高端CAE仿真工具和疲劳分析模块一 Fatigue Module对产品强度、动力学特性以及疲劳寿命进行深入的认知,确定优化设计参数,最后在多目标优化模块一 Design Xplorer中同步优化参数,改进产品设计。软件系统的主框架如图1.2所示。ANSYS WorkbenchDesignModelerE Design Simulation Design Xplorer图1.2AWE系统框架图除了上述的主要流程模块之外,AWE还包括以下辅助模块:Engineering Data,用于设定材料和载荷加载信息;FE Modeler,用于输入来自 NASTRAN, ABAQUS,或 Design Simulation所建立的网格模型,作为 ANSYS有限元分析的输人,它也能将网格模型反演生成几何模型;ANSYS AUTODYN,爆炸、冲击等结构显式动力学分析模块。ANSYS Workbench设计、仿真与优化1.2.2文件格式AWE中涉及的主要文件的类型及格式如表1.1所示表1.1AWE中文件格式说明文件名类型说明obname, wbdbWorkbench项目数据库文件,用于管理项目中的不同类型模块文件bname agdbDesign Modeler数据库文件,用于存储几何模型信息jobname cmdbCFX- Mesh数据库文件,用于存储流体网格信息jobname dsdbDesign Simulation数据库文件,存储结构、热和电磁仿真中的所有模型信息obname, edbEngineering Data数据库文件jobname fedbFE Modeler数据库文件,用于存储从 NASTRAN或 DesignSimulation输入的网格信息jobname adANSYS AUTODYN数据库文件,用于存储显式分析软件 AUTODYN必需的信息jobname ddbDesignXplorer数据库文件,用于存储优化方程中设计参数和目标参数的关联信息13安装和起动配置1.3.1 ANSYS Workbench11.0安装安装 ANSYS Workbench1.0前需要将 Windows2000打SP2补丁( Windows XP打SP1补丁),并安装IE6.0以上。另外,系统的日期和时间,要是当前的日期和时间。具体的安装步骤如下。(1)放入安装光盘,在弹出的“ ANSYS DVD Launcher”窗口中,选择“Next”,进入下一级安装窗口,如图1.3所示。ANSYS Products 11.0for Windows 32-bitOperating SystemsANSYS图1.3 ANSYS DVD Launcher窗口1第1章 ANSYS Workbench基础(2)在弹出窗口(如图1.4)中,选择安装的产品“ ANSYS Products”,并在接下来的安装语言窗口,选择“ English”,进入下一级安装界面。ANSYS ProductsInstall ProductsANSYS AA图1.4 ANSYS DVD Launcher窗口2(3)在图1.5所示的弹出窗口中,选择“ L AGREE”后,单击“Next”,进人到下一级安装界面ANSYS需oLGRIEsiDoN et图1.5 InstallShield wizard窗口1(4)根据您的需求选择安装的路径(如图1.6),单击“Next”后进入到“ Select Installation Components"。(5)在图1.7所示的窗口中选择完毕后一直单击“Ncxt”,安装程序开始安装ANsYs11.0。(6)在图1.8所示的窗口中单击“ Finish”,完成软件安装。(7)回到步骤(2)中的“ ANSYS DVD Launcher”窗口,单击“ License Management”,出现下一提示画面(如图1.9),问是否是 license server machine,选择“是(Y)(8)出现下一提示画面(如图1.10),问是否有 license文件,选择“否(N)(9)出现下一提示画面(如图1.11),问是否继续安装,选择“是(Y)ANSYS Workbench设计、仿真与优化图1.6 Installshield wizard窗口2ANSYSwr图1.7 InstallShield Wizard窗口3ANSYS图1.8 InstallShield Wizard窗口4
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