一种概率假设密度粒子滤波器的设计方法及滤波器技术

本发明专利技术公开了一种概率假设密度粒子滤波器的设计方法及滤波器。其观测值接观测值选择电路的一个输入端，观测值选择电路的另一个输入端接状态估计电路的输出端，观测值选择电路的输出端接更新电路的一个输入端，预测电路的一个输出端接更新电路的另一个输入端，预测电路的另一个输出端接状态估计电路的一个输入端，更新电路的输出端接重采样电路的输入端，重采样电路的一个输出端接预测电路的输入端，重采样电路的另一个输出端接状态估计电路的另一个输入端。本发明专利技术在改进的概率假设密度粒子滤波器的理论基础上，设计了它的硬件电路实现方案，仿真结果表明，其跟踪性能和理论分析相近，能够用于跟踪杂波环境下的多个目标运动的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及粒子滤波器的设计方法及硬件电路，尤其是涉及一种概率假设密度粒 子滤波器的设计方法及滤波器。
技术介绍
目标跟踪在军事和民用领域均有十分广泛的应用。在军事方面，目标跟踪可用于 导弹制导、海洋监视(例如潜艇)、空防预警、战场监视卫星侦察等；而在民用领域方面，目 标跟踪技术广泛用于空中交通管制(民航飞机)、防撞、机器人定位、计算机视觉等方面。因 而，对目标跟踪问题进行研究，具有极大的理论和现实意义。在目标跟踪问题中，滤波处理是其核心部分。其中，粒子滤波算法由于其对非线 性、非高斯信号的强大处理能力，得到了研究学者的极大关注，并在此基础上发展出了许多 相关算法。当涉及到多个目标的跟踪问题时，传统的方法是采用数据关联。最近出现的概 率假设密度算法不需要做数据关联，且可以跟踪目标数目不定的多个目标。它传递多目标 联合后验概率分布的一阶矩，在保证跟踪精度的同时，极大地减少了计算量。但是概率假设 密度算法难以直接实现，可以使用粒子滤波的思想来实现概率假设密度算法，这为解决杂 波环境下多目标跟踪的问题提供了一个很好的方法。由于概率假设密度粒子滤波器具有的优越性及广泛的应用范围，因而具有极高的 实际应用价值。如果概率假设密度粒子滤波器应用到实际，就需要将算法转化成硬件电路 实现，这就使得研究它的硬件实现也具有很大的现实意义。目前概率假设密度粒子滤波器 相关的文献都集中于理论算法的研究，没有涉及到硬件实现，因此在此领域存在空白。
技术实现思路
为了研究概率假设密度粒子滤波器的设计方法以及硬件电路实现方案，本专利技术的 目的在于提供一种概率假设密度粒子滤波器的设计方法及滤波器。本专利技术采用的技术方案是—、一种概率假设密度粒子滤波器的设计方法1)从得到的观测值中选取得到固定个数8个观测值进行滤波运算，利用k_2时刻 的状态估计值对k时刻接收到的观测值进行选择，选取8个观测值进行滤波器的运算；2)根据杂波密度并结合仿真结果，选择观测值的固定个数为8，当接收到的观测 值个数少于等于8个时，所有的观测值都会被选到，并且用出现概率为0的值补足8个；当 个数大于8个时，先利用k-2时刻的状态估计值和初始的速度计算得到k时刻的预测观测 值，之后根据观测值和预测观测值之间的距离，选择最有可能的8个观测值；3)k = 1时刻和k = 2时刻选择观测值需要采用不同的方法，k = 1时刻如果观测 值个数大于8个需要进行选择，观测值将和初始位置之间计算距离，选取8个观测值；k = 2 时刻如果观测值个数大于8个需要进行选择，则先计算物体按照初始位置和初始速度运动 一个时刻所到达的预测位置，再将观测值和预测位置进行距离计算，选取8个观测值；4)滤波器使用粒子来表征目标的后验概率分布，由于粒子滤波器的性能和粒子的 数目成正比，但是在硬件电路中，粒子数目过多会带来长的延时从而影响实时性，所以综合 考虑性能和实时性，选择使用IOM个粒子用于存活粒子，另外IOM个粒子用于新生粒子；5)在滤波器设计中，估计目标的状态值需要用到聚类算法，这一步骤将使用软件 计算或者DSP处理，硬件电路不做具体处理。二、一种概率假设密度粒子滤波器包括观测值选择电路、预测电路、更新电路、重采样电路和状态估计电路；观测值 接观测值选择电路的一个输入端，观测值选择电路的另一个输入端接状态估计电路的输出 端，观测值选择电路的输出端接更新电路的一个输入端，预测电路的一个输出端接更新电 路的另一个输入端，预测电路的另一个输出端接状态估计电路的一个输入端，更新电路的 输出端接重采样电路的输入端，重采样电路的一个输出端接预测电路的输入端，重采样电 路的另一个输出端接状态估计电路的另一个输入端。所述的观测值选择电路，包括计数器，比较器，延时电路，2-5个距离计算电路，与 距离计算电路相同个数的排序电路，双口 RAM存储器，序号输出电路和选择器；观测值、接 计数器的输入端和延时电路的输入端连接，计数器的输出端连接到比较器的输入端，比较 器的输出端连接到选择器的第一输入端，延时电路的一个输出端连接到选择器的第二输入 端，延时电路的另一个输出端与双口 RAM存储器的一个输入端和2-5个距离计算电路的输 入端连接，各个距离计算电路的输出端连接到各自对应的排序电路的输入端，2-5个排序电 路的输出端接连接到序号输出电路的输入端，序号输出电路的输出端连接到双口 RAM存储 器的另一个输入端，双口 RAM存储器的输出端连接到选择器的第三输入端。所述的预测电路和重采样电路，包括粒子重采样电路，复制序号存储器，丢弃序号 存储器，两个寄存器，比较器，四个选择器，粒子状态存储器，采样电路，新生粒子生成电路； 粒子重采样电路的一个输出端连接到复制序号存储器的输入端，另一个输出端连接到丢弃 序号存储器的第一输入端，复制序号存储器的输出端与粒子状态存储器的读地址端口、第 一选择器的第二输入端和第一寄存器的输入端连接，第一寄存器的输出端连接到比较器的 输入端，比较器的输出端与第一选择器的第一输入端、第三选择器的第一输入端和丢弃序 号存储器的第二输入端连接，丢弃序号存储器的输出端与第一选择器的第三输入端和第二 选择器的第三输入端连接，第一选择器的输出端连接到第二选择器的第二输入端，第二选 择器的输出端连接到粒子状态存储器的写地址端口，粒子状态存储器的输出端连接到第三 选择器的第二输入端，第三选择器的输出端、第二寄存器的输入端和采样电路的输入端连 接，第二寄存器的输出端连接第三选择器的第三输入端，采样电路的输出端连接到第四选 择器的第三输入端，新生粒子生成电路的输出端连接到第四选择器的第二输入端，第四选 择器的输出端连接到粒子状态存储器的写数据输入端，新生粒子信号与丢弃序号存储器的 第三输入端、第二选择器的第一输入端和第四选择器的第一输入端连接。所述的新生粒子生成电路，包括线性反馈移位寄存器，四个ROM，四个乘法器和四 个加法器；线性反馈移位寄存器的输出分别连接到四个ROM的输入端，四个ROM的输出端分 别连接到各自乘法器的一个输入端，各自乘法器的另一个输入端分别连接χ方向位置的标 准差、χ方向速度的标准差、y方向位置的标准差、y方向速度的标准差，四个乘法器的输出 端分别连接到各自加法器的一个输入端，各自加法器的另一个输入端分别连接χ方向位置的平均值、χ方向速度的平均值、y方向位置的平均值、y方向速度的平均值，四个加法器的 输出端连接到选择器的输入端。所述的更新电路，包括8个观测值处理电路，加法运算电路和权重更新计算电路； 其中，每个观测值处理电路均包括似然函数计算电路、第一乘法器、RAM、第一加法器、累加 器、第二加法器、倒数计算电路和第二乘法器；加法运算电路包括第三加法器；权重更新计 算电路包括第四加法器和第三乘法器；观测值选择电路的输出端连接到更新电路的8个观 测值处理电路的输入端，每个观测值分别连接到各自对应的似然函数计算电路的输入端， 似然函数计算电路的输出端连接第一乘法器的一个输入端，第一乘法器的另一个输入端连 接检测到概率PD(X)，第一乘法器的输出端、RAM的输入端和第一加法器的一个输入端连接， RAM的输出端连接第二乘法器的一个输入端，第一加法器的另一个输入端连接预测权重，第 一加法器的输出端连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种概率假设密度粒子滤波器的设计方法，其特征在于：１）从得到的观测值中选取得到固定个数８个观测值进行滤波运算，利用ｋ－２时刻的状态估计值对ｋ时刻接收到的观测值进行选择，选取８个观测值进行滤波器的运算；２）根据杂波密度并结合仿真结果，选择观测值的固定个数为８，当接收到的观测值个数少于等于８个时，所有的观测值都会被选到，并且用出现概率为０的值补足８个；当个数大于８个时，先利用ｋ－２时刻的状态估计值和初始的速度计算得到ｋ时刻的预测观测值，之后根据观测值和预测观测值之间的距离，选择最有可能的８个观测值；３）ｋ＝１时刻和ｋ＝２时刻选择观测值需要采用不同的方法，ｋ＝１时刻如果观测值个数大于８个需要进行选择，观测值将和初始位置之间计算距离，选取８个观测值；ｋ＝２时刻如果观测值个数大于８个需要进行选择，则先计算物体按照初始位置和初始速度运动一个时刻所到达的预测位置，再将观测值和预测位置进行距离计算，选取８个观测值；４）滤波器使用粒子来表征目标的后验概率分布，由于粒子滤波器的性能和粒子的数目成正比，但是在硬件电路中，粒子数目过多会带来长的延时从而影响实时性，所以综合考虑性能和实时性，选择使用１０２４个粒子用于存活粒子，另外１０２４个粒子用于新生粒子；５）在滤波器设计中，估计目标的状态值需要用到聚类算法，这一步骤将使用软件计算或者ＤＳＰ处理，硬件电路不做具体处理。...

【技术特征摘要】
1.一种概率假设密度粒子滤波器的设计方法，其特征在于1)从得到的观测值中选取得到固定个数8个观测值进行滤波运算，利用k-2时刻的状 态估计值对k时刻接收到的观测值进行选择，选取8个观测值进行滤波器的运算；2)根据杂波密度并结合仿真结果，选择观测值的固定个数为8，当接收到的观测值个 数少于等于8个时，所有的观测值都会被选到，并且用出现概率为0的值补足8个；当个数 大于8个时，先利用k-2时刻的状态估计值和初始的速度计算得到k时刻的预测观测值，之 后根据观测值和预测观测值之间的距离，选择最有可能的8个观测值；3)k= 1时刻和k = 2时刻选择观测值需要采用不同的方法，k = 1时刻如果观测值个 数大于8个需要进行选择，观测值将和初始位置之间计算距离，选取8个观测值；k = 2时 刻如果观测值个数大于8个需要进行选择，则先计算物体按照初始位置和初始速度运动一 个时刻所到达的预测位置，再将观测值和预测位置进行距离计算，选取8个观测值；4)滤波器使用粒子来表征目标的后验概率分布，由于粒子滤波器的性能和粒子的数目 成正比，但是在硬件电路中，粒子数目过多会带来长的延时从而影响实时性，所以综合考虑 性能和实时性，选择使用IOM个粒子用于存活粒子，另外IOM个粒子用于新生粒子；5)在滤波器设计中，估计目标的状态值需要用到聚类算法，这一步骤将使用软件计算 或者DSP处理，硬件电路不做具体处理。2.根据权利要求1所述方法的一种概率假设密度粒子滤波器，其特征在于包括观测 值选择电路⑵、预测电路⑶、更新电路⑷、重采样电路(5)和状态估计电路(6)；观测值 (1)接观测值选择电路O)的一个输入端，观测值选择电路O)的另一个输入端接状态估 计电路(6)的输出端，观测值选择电路(2)的输出端接更新电路⑷的一个输入端，预测电 路(3)的一个输出端接更新电路的另一个输入端，预测电路(3)的另一个输出端接状 态估计电路(6)的一个输入端，更新电路(4)的输出端接重采样电路( 的输入端，重采样 电路(5)的一个输出端接预测电路(3)的输入端，重采样电路(5)的另一个输出端接状态 估计电路(6)的另一个输入端。3.根据权利要求2所述的一种概率假设密度粒子滤波器，其特征在于所述的观测值 选择电路⑵，包括计数器(21)，比较器(22)，延时电路(23)，2-5个距离计算电路(24)，与 距离计算电路04)相同个数的排序电路(25)，双口 RAM存储器06)，序号输出电路07)和 选择器08)；观测值(1)、接计数器的输入端和延时电路的输入端连接，计数器 (21)的输出端连接到比较器02)的输入端，比较器02)的输出端连接到选择器08)的第 一输入端，延时电路的一个输出端连接到选择器08)的第二输入端，延时电路03) 的另一个输出端与双口 RAM存储器06)的一个输入端和2-5个距离计算电路04)的输入 端连接，各个距离计算电路04)的输出端连接到各自对应的排序电路0 的输入端，2-5 个排序电路0 的输出端接连接到序号输出电路(XT)的输入端，序号输出电路(XT)的输 出端连接到双口 RAM存储器06)的另一个输入端，双口 RAM存储器06)的输出端连接到 选择器08)的第三输入端。4.根据权利要求2所述的一种概率假设密度粒子滤波器，其特征在于所述的预测电 路C3)和重采样电路(5)，包括粒子重采样电路(51)，复制序号存储器(52)，丢弃序号存储 器(53)，两个寄存器(311、312)，比较器(32)，四个选择器(33、34、35、37)，粒子状态存储 器(36)，采样电路(38)，新生粒子生成电路(39)；粒子重采样电路(51)的一个输出端连接到复制序号存储器(5 的输入端，另一个输出端连接到丢弃序号存储器(5 的第一输入 端，复制序号存储器(5 的输出端与粒子状态存储器(36)的读地址端口、第一选择器(33) 的第二输入端和第一寄存器(31)的输入端连接，第一寄存器(31)的输出端连接到比较器 (32)的输入端，比较器(3 的输出端与第一选择器(3 的第一输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：金梦珺，史治国，洪少华，陈积明，陈抗生，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]