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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TracePro应用实例详解-
TracePro应用实例详解-压缩版（内容不变）目录绪论光学设计基础知识1第一章导光管设计实例6第二章背光源设计实例12第三章LED设计实例-..1.18第四章手电筒设计实例由南南由南虚由由面鱼出面量自音s面自自鱼自自西由自由由由由由面由垂型由面由昏音面垂香量看证自音西垂45第五章积分球设计实例,54第六章LED设计实例二…第七章分光棱镜模拟实例……---77第八章LED汽车前照灯设计实例影中中中着,着看e,第九章简易荧光灯模型设计实例……100第十章投影仪设计实例…11111114第十一章红外光气体检测系统设计实例140第十二章荧光粉模拟实例150第十三章LED色温模拟实例…--1160第十四章消除杂散光模拟实例……167第十五章二级复合抛物面聚光器设计实例177第十六章矩形路灯聚光器的优化设计198第十七章一种LED植物生长灯的设计与制作…207第十八章简易筒灯的模拟与设计216绪论光学设计基础知识在开始本书前,我们需要了解一些基础的光学知识。一、光度学基本概念光通量:单位时间内光辐射能量的大小。它表示光源的发光能力。光通量单位:流明(lm),指lcd的均匀点光源在lsr内的光通量。发光强度(光强);光通量的角(空间的)密度,即在一定方向上的单位立体角内所发出的光通量。常用于说明光源和灯具发出的光通量在空间各方向或选定方向上的分布密度。发光强度的单位:坎德拉cd,lcd=1mSr,是国际单位制的基本单位。立体角:是任意一封闭的圆锥面内所包含的空间。单位是球面度(Sr),即以锥顶为球心,以r为半径作一圆球,如果锥面在圆球上截得的面积A为r的平方,则该立体角为一个单位立体角,而一个球体包含4π球面度。1979年10月第10届国际计量大会透过的坎德拉定义为:一个光源发出频率为540.0E1Hz的单色辐射(对应于空气中波长为550nm的单色辐射),若在一定方向上的辐射强度为1/683Wsr,则光源在该方向上的发光强度为1cd照度:单位面积(被照射面)上入射的光通量。照度单位;勒克斯(1x)注:1kx的照度是比较小的,在此照度下仅能大致辨认周围物体。晴朗的盈月夜晚,地面照度大约为0.2x;白天采光良好的室内照度为100-500x;晴天室外太阳散射光下,地面的照度约为10001x;中午太阳光照射下,地面的照度可达100001x光出射度:单位面积(发光面)上发射的光通量。其单位:辐射勒克斯(rlx)。亮度(台湾又称辉度):在一个广光源上取一个单元面积dA,从与表面法线成角的方向上去观察,在这个方向上的光强与所可见的光源面积之比,定义为光源在该方向的亮度。单位:尼特(坎德拉每平方米,cdm2)。注:太阳的亮度为1.6*10E9以上,碳极弧光灯(1.8-12)*10E8,钨丝灯(2.0-20)*10E6,蜡烛(0.5-1.0)*10OE4,蓝天0.8*10E4暗适应:由光亮处进入到黑暗处,开始一切都看不见,经过一段时间才能看见物体轮廊。所需时间较长,一般几分钟以上。明适应:有暗处进入到亮处时,开始也不能辨别物体,几秒到几十秒后才能看清物体。在有明暗变化的视场内,应考虑照明的过渡。后像:在高亮度的闪光之后,往往会感到有一连串的影像,以不规则的强度和不断降低的频率正负交替出现,即后像。强烈的后像对视力工作有很大害处。应避免。眩光:视场中有极高的亮度或强烈的亮度对比时,会造成视觉下降和眼睛的不舒适,这种现象称为眩光。前者为失能眩光,后者为不舒适眩光。不舒适眩光取决于视场内的尺寸亮度数量位置以及背景亮度等原素。注:一个明亮光源发出的光线,被一个有光泽或半光泽的表面射入观察者眼睛,可能产生轻度分散注意力甚至不舒适的感觉。当这种反射发生在作业面上时,称为“光幕反射”,如发生在作业面以外时,称为“反射眩光”。颜色:眼睛能够辨别背景上的被观察对象(细节),必须满足以下两个条件之对象与背景有不同的颜色(颜色对比),或者对象与背景在亮度上有一定的差别(亮度对比)。可见度(能见度,视度):表示被识别对象看清楚的程度。反射,折射,透射,吸收:1.据能量守衡定律,材料的反射系数+透射系数+吸收系数=1铝(普通)的反射系数为60-73%,吸收系数为2740%。铝(电解抛光)的反射系数为75-84%(光泽),62-70%(无光)。铬反射系数为65%,吸收系数为35%2.光的反射分类:定向反射( Specular reflection),散反射( Spread Reflection),漫反射( )effuse Reflection),混合反射( Compound Reflection)3.折射:水的临界折射角为48.5°,玻璃的临界折射角为30°到40°。玻璃的折射率为1.5左右。4.光的透射分类:定向透射,散透射( Spread Transmission),漫透射( DiffuseTransmission),混合透射( Mixed Transmission)5.光在玻璃表面垂直入射时,入射光在入射面被反射4%,在透过面被反射3-4%,被吸收2-8%,透过率为80-90%6.材料的表面的光反射和光透射具有光谱选择性。二、LED光学设计基础知识为了使LED芯片发出的光能够更好地输出,得到最大程度的利用,并且在照明区域内满足设计要求,需要对LED进行光学系统的设计。其中,在封装过程中的设计被称为一次光学设计;而在LED之外进行的光学设计被称为二次光学设计①一次光学设计LED芯片只是一块很小的固体,它的两个电极要在显微镜下才能看见,加入电流后它才会发光。在制作工艺上,除了要对LED芯片的两个电极进行焊接,从而引出正、负电极之外,同时还要对LED芯片和两个电极进行保护。因此,这就需要对LED芯片进行封装。在封装的过程中,为了能够最高效率地输出可见光的功能,需要进行光学设计,合适选择封装材料的形状、结构和材料,这种设计在业内被称为一次配光设计次配光设计主要是决定发光器件的出光度、光通量大小、光强大小、光强分布等。而影响封装出光效率的高低、效果的好坏,主要是由芯片、支架和模粒三要素来决定的。②二次光学设计在使用LED发光器件时,整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必须进行设计,把器件发出的光线集中到期望的照明区域内,从而让整个LED照明系统能够满足设计的需要,这被称为二次光学设计。二次光学设计必须在LED发光器件次配光设计的基础上进行。一次配光设计是保证每个LED发光器件的出光质量,考虑将LED芯片中发出的光能尽量多地取出。而二次配光设计是考虑怎样把LED器件发出的光线集中到期望的照明区域上,从而让整个系统发出的光能满足设计需要。从某种意义上来说,只有封装设计即一次配光设计)合理,才能保证系统的二次配光设计顺利实现,从而提高照明和显示的效果。基于LED的二次配光设计,对最终的照明器件和产品的性能起着至关重要的作用。第一,部分光线未能达到有效的照明范围从而导致能量的损失,需要使用大数值孔径的光学系统对光线进行汇聚,进一步提高光能利用率;第二,封装之后,像面照度分布均匀性达不到改计要求,难以在每一点的照度值都大于要求的最低照度值,这都需要对LED进行二次配光设计。日前市场上常用的光学设计和分析程序主要有美国焦点软件公司开发的ZEMAX、 Optical Research Associates的 CODE V和 Light Tools、 Breault ResearchOrganization的ASAP以及 Lambda research的 TracePro等。ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件,可做光学组件设计与照明系统的照度分析,也可建立反射、折射、绕射等光学模型,并结合优化,公差等分析功能,是套可以运算 Sequential及Non- Sequential的软件。 ZEMAX不仅功能强大,而且具备直观性、软件灵活、优化快速、容易操作使用等优点,与其他软件不同的是 ZEMAX的CAD转档程序都是双向的,如IGES、STEP、SAT等格式都可转入及转出。当前有三种不同的版本: ZEMAX-SE(标准版); ZEMAX-XE(展版)ZEMAX-EE传专业版)。 ZEMAX在成像光学,特别是透镜设计方面应用十分广泛。CODE V是应用非常广泛的光学设计和分析软件,是世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件,为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用,并广泛适用于照相设备、摄影机和医疗器具等,功能强大使用简单灵活。其功能主要包括变焦结构优化和分析、环境热量分析、MIF和RMS波阵面基础公差分析、用户自定义优化、干涉和光学校正准直、非连续建模、矢量衍射计算及偏振、全球综合优化光学设计方法等。ASAP是 Breault Research Organization研制的一套不受限制的、非序列光线追迹软件。它具有对物理光学、成像系统和照明系统进行建模分析的强大功能,它的图形工具允许用户进行截图分析,或者对几何模型、光线追迹、分析结果进行三维演示。ASAP还可以分析散射、衍射、反射、折射、吸收、偏振、非序列光线追迹和高斯光束传播。Light Tools.是 Optical Research Associate制的一套全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系,它提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、反射角、分束器、衍射光学元件、棱镜、机槭结构以及光路。由 Light Tools把光学和机械元件集合在统一的体系下处理,并配置“放置”光源、发射光线的非序列追迹强大功能,使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交換、课题论证或产品推广等各环节中发挥重要的作用。TracePro是美国 Lambda Research公司开发的一款基于蒙特卡罗法( Mante Carlo)的非序列光线追迹(Non- Sequential Ray Tracing)软件,它是一套以符合工业标准的ACIS固体建模引擎为核心所发展出来的光学机构仿真软件,是一套结合了真实固体建模、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件,它可将真实立体模型与光学分析紧密结合起来。目前,国际上在照明系统分析、传统光学分析、辐射度以及光度分析,在镜头杂散光分析、背光板、LED设计及应用、照明灯具、车灯、投影显示器等众多领域中已经大量采用该软件进行计算机辅助设计。本书主要采用该软件进行模拟设计(读者需对 TracePro软件的使用有一定了解,可以参考《 TracePro7.0中文使用手册》)。TracePro用于照明设计的一般流程如图1所示。建立模型□>建立模型建立光源优化属性结果不符合定义属性光线追迹结果分析图1模拟设计流程图三、几个知名品牌的LED模型下载地址下面是各个种类的LED模型下载地址,模型包括用在 Trace Pro里面的,也有Light Tools,,也有 ZEMAX的,下载下来直接在相应的软件上调用就可以了,十分方便。1.mh:http://www.philipslumileds.com/resources/design/listing.cfm?catoptical然后打开 Optical Design Resources点击LE链接2.lim(Cree):http:/www.cree.com/products/ledlamps.asp.然后打开 LED Components页面点击LED3.欧司朗http://www.osram-os.com/ray-filcs然后点击LED下载。第一章导光管设计实例在 TracePro中进行导光管设计,将使用到面平扫功能。主要步骤如下:打开 Trace Pro软件2.在下拉工具菜单 Insert选择实体模型 Insert/Primitive solids命令3.在基本实体模型设置对话框中,选择 Cylinder/Cone设置栏4.选中 Cylinder,在Bae下的 Major栏输入底面半径为2,在1op下的 Length输入30。如图1.1所示。■ nsert Pr盈itSolidsBlock Cylinder/Cone Torus I Sphere Thin Sheet IName: Obiect 1C Cylind. C Cone厂 EllipticalBTMajMajMinor aLength 30Base Posi tionBase rotationx:0Y:0Y:o2:in Degreesset,□li图1.15.点击 Insert插入,再点击缩放工具图标二如图1.2所示。ladel: [UntitledSurface 1tity 4Cyl/C图下一步将使用 Revolve对上面建立的导光管右端面进行旋转延伸操作:1.选中导光管右端面,即 Object 1下的 Surface22.执行下拉菜单 Edit/Surface/ Revolve命令。在 Revolve surface Selection对话框设置旋转角度为90度,半径为25mm。4.在位置坐标栏输入(0-2530);(100)。具体见图1.3所示。5.点击 Revolve surface插入旋转延伸。如图14所示。Revolve Surface Selection DXAngle 90planar suIfaces on副yDraft angle oin DegreesRadius250Positicn on axis of revolution Axis cf RevolutionPosition X 0Axis X 1Positon丫AxisY 0Position Z30Axis20Get Position fiom last mouse clickCalculate a Position using selected surfaceRevolve Surface图1.3Fuel: [Untitled1]回xobject I中 ur tace 0中 Surtace2Entity 4Model Source Radi anee图1最后将进行Swep面平扫,完成导光管的实体模型:1.选中端面 Surface3,执行下拉菜单 Edit/Surface/Sweep命令。2.在 Sweep Surface Selection对话框中,输入 Distance为l5mm,Draf为-2度。
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