改进非线性自适应卡尔曼滤波器滤波效果分析

为解决机械系统特别是航空液压管路系统振动过程中存在诸多噪声干扰、难以保证对有效振动信号进行准确分析的问题,结合非线性自适应算法、最小二乘法及传统卡尔曼滤波器,设计改进非线性自适应卡尔曼滤波器。通过仿真,在模拟的振动信号中加入随机噪声,并且将滤波前后振动信号的时域图和频域图进行对比。通过实验数据进行滤波效果对比,验证非线性自适应卡尔曼滤波器滤波效果的优越性。

采用自适应中心差分卡尔曼滤波器的锂离子电池荷电状态估计

锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长等优点被越来越多地应用到卫星、便携式设备和电动汽车等领域.荷电状态作为电池管理系统的重要指标,它的准确监测对保障电池的使用安全、提高电池的使用效率有着重要意义.针对锂离子电池的荷电状态估计,本文提出了一种自适应中心差分卡尔曼滤波算法.首先,设计了一个线性卡尔曼滤波器实现了对测量方程系数的实时估计,从而避免了荷电状态与开路电压关系曲线的测试.其次,考虑到部分工况难以准确地获取模型参数,使用增广向量法并采用自适应中心差分卡尔曼滤波器实现了荷电状态与模型参数的自适应估计.再次,将线性卡尔曼滤波器与自适应中心差分卡尔曼滤波器耦合,实现了荷电状态、模型参数、测量方程系数的联合估计,使得本文所提算法能够更好地应用于电池内部参数未知的复杂工况.为了进一步提高算法的估计精度和对噪声的适应能力,通过迭代法对噪声协方差矩阵进行了动态调整.最后,通过几组实验验证了本文所提算法的有效性.

基于GA-LSTM自适应卡尔曼滤波的路面不平度识别

准确、快速地识别出车辆当前行驶的路面激励信息,是实现智能底盘控制进而保证车辆平顺性的关键。针对传统路面不平度识别算法准确率低、自适应性差等问题,提出了基于遗传算法(genetic algorithm,GA)优化长短期记忆神经网络(long short-term memory networks,LSTM)自适应卡尔曼滤波的路面不平度识别算法。基于2自由度车辆悬架模型,通过灰色关联法选择LSTM神经网络的特征输入变量,并采用GA优化LSTM神经网络的模型参数以准确识别路面等级,并据此实时更新卡尔曼滤波器算法中的噪声矩阵,实现了在复杂路况下对路面不平度的自适应识别。仿真和试验研究表明,所提出的基于GA-LSTM自适应卡尔曼滤波算法能够快速准确的识别路面不平度与路面等级,与传统卡尔曼滤波算法相比,相关系数、均方根误差和最大绝对误差分别提高3.11%、37.5%和51.2%,表明所提算法对复杂工况具有很好的自适应能力。

一种基于动态残差的自适应鲁棒无迹卡尔曼滤波器定位算法

针对标准无迹卡尔曼滤波(UKF)定位算法无法满足移动机器人在不平整地面运动时高精度定位要求的问题,结合抗差估计理论,提出了一种自适应鲁棒无迹卡尔曼滤波器(ARUKF)定位算法。ARUKF根据动态残差对UKF的预测值进行抗差自适应调整,减小了外部干扰对系统预测值的影响,提高了系统的精度与鲁棒性,通过减少采样过程的运算量加快了运算,并提高了系统实时性。仿真和现场测试结果表明,相较于UKF算法和基于Sage-Husa的改进UKF算法,ARUKF算法对不平整地面产生的扰动能更快收敛,具有更加优异的精度、鲁棒性和实时性,平均距离误差小于2 mm,平均角度误差小于0.016 rad,可以满足更苛刻的建筑施工现场放线要求。

变循环发动机自适应无迹卡尔曼滤波器设计

针对变循环发动机健康参数估计问题,设计了一种自适应无迹卡尔曼滤波器。该算法通过最大化后验密度函数来建立过程噪声协方差和测量噪声协方差的自适应更新方程,以改善传统无迹卡尔曼滤波器设计中先验参数需要根据经验来设置,进而导致滤波器性能受人为因素影响较大的问题。以带核心机驱动风扇级的变循环发动机为对象,进行了不可测参数估计仿真试验,对所设计的自适应无迹卡尔曼滤波器算法进行了仿真对比验证。结果表明:在单参数退化条件下,健康参数平均估计误差不大于2%;多参数退化条件下,健康参数平均估计误差不大于1.8%;该算法性能优于增广卡尔曼滤波器、传统无迹卡尔曼滤波器,相较于传统无迹卡尔曼滤波器性能提升9.5%。

非线性时空正则化的相关滤波目标跟踪算法

针对目标跟踪过程中跟踪模型容易漂移,以及对于多样性形态变化的目标不能进行鲁棒跟踪的问题,结合生物视觉感知规律提出了非线性时空正则化的相关滤波目标跟踪算法。在目标函数中提出贴近人类视觉感知幂定律的非线性滤波更新的时间正则项,相比于时空正则相关滤波器(spatial-temporal regularized correlation filters,STRCF)中固定的时间正则项,非线性滤波更新的时间正则项可以根据跟踪的时间变化进行自适应更新,同时采用交替乘子法降低算法复杂度。提取非线性的梯度方向直方图(histogram of oriented gradient,HOG)特征,使用符合生物映射的对数极坐标进行尺度适应。根据最大响应值与平均峰值相关能量的关系进行遮挡异常检测,降低模型漂移的机率,增强算法的抗遮挡能力。实验结果表明,该算法在OTB2015数据集上的精确率和成功率分别达到89.8%和83.3%,该算法相比于STRCF在精确率上提升了2.5%,在成功率上提升了3.2%,在OTB2013与OTB2015数据集上的11种属性的分类对比中,该算法在旋转、低分辨率、背景杂乱、光照变化等因素干扰下的目标跟踪中具有较高的精确率和较强的鲁棒性。

一种新的自适应非线性卡尔曼滤波算法

为避免由于系统噪声统计特性不准确所导致的滤波性能下降问题,改进了一种基于新息的系统噪声方差调整方法,并将其与扩展卡尔曼滤波、Unscented卡尔曼滤波和差分滤波相结合,形成自适应非线性卡尔曼滤波。将此方法应用到非线性测量光电跟踪系统中,并与采用基本非线性卡尔曼滤波进行性能对比。仿真实验结果证明该方法可以实时调整系统噪声方差,有效地避免由于系统噪声统计特性不准确所带来的滤波性能下降的问题,而且其性能明显优于基本非线性卡尔曼滤波。

非线性自适应平方根无迹卡尔曼滤波方法研究

针对带有附加噪声且噪声特性未知的系统,提出了一种非线性卡尔曼滤波方法——自适应平方根无迹卡尔曼滤波(NASRUKF)方法,该方法基于平方根滤波的思想,对传统的Sage-Husa自适应滤波算法进行了改进,并与平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)算法相结合用来进行非线性滤波。该算法能直接对非线性系统的状态方差阵和噪声方差阵的平方根进行递推与估算,确保状态和噪声方差阵的对称性和非负定性。将所提方法通过计算机仿真技术与SRUKF算法进行对比,结果表明NASRUKF方法在滤波精度、稳定性和自适应能力方面均优于SRUKF方法。

基于自适应非线性维纳过程的剩余寿命预测

作为预测与健康管理的核心技术,准确的剩余寿命预测对于提高系统的安全性与可靠性具有重要意义。在实际工程应用中,同类产品的不同个体之间通常存在差异,其退化路径并不相同。这就导致通过同类产品历史数据所学习到的模型或参数并不能准确拟合新设备的退化过程。为解决这一问题,基于非线性维纳退化模型提出了一种自适应寿命预测方法。建立同时考虑个体不确定性与测量不确定性的自适应非线性维纳退化模型,并通过卡尔曼滤波、期望最大算法与Rauch-Tung-Striebel平滑减弱维纳过程的马尔科夫性,实现参数的在线更新。通过时间-空间变换推导出对应剩余寿命分布概率密度函数的解析表达式。仿真退化数据与C-MAPSS退化数据集被用于实验验证,实验结果表示,所提出的自适应非线性维纳退化模型能够在线更新模型参数,提高预测精度。

带非线性约束的自适应高斯和卡尔曼滤波目标跟踪算法

无线传感网络中运动目标状态通常满足某种非线性状态约束,为了提高对传感网络中运动目标的跟踪精度,降低非高斯噪声对状态估计的影响,避免高斯项数在迭代过程中的冗余累积,提出一种带非线性约束的权值自适应高斯和卡尔曼滤波算法;算法在每个时刻计算目标当前状态的高斯子项集合,并对每个高斯子项分别以无迹卡尔曼滤波进行状态估计;设计了一种高斯子项权值自适应策略动态调节子项权值,以实现无约束状态下的全局估计;将目标的非线性状态约束引入滤波器结构中时,考虑将其看作一类无约束状态估计的约束投影问题,通过状态约束信息先验来修正运动目标的状态估计;仿真结果表明,该算法与目前的非线性约束卡尔曼滤波相比具有更高的跟踪精度。

基于数据驱动自适应变分非线性chirp模态分解的瞬时频率识别

为降低初始频率和信号噪声对变分非线性chirp模态分解(variational nonlinear chirp mode decomposition,VNCMD)的影响,提出了一种基于数据驱动自适应变分非线性chirp模态分解(data-driven adaptive variational nonlinear chirp mode decomposition,DDAVNCMD)的方法。通过模态能量占比确定响应信号的模态个数,同时采用导数归一化算法初步估算模态分量的初始频率,并添加迭代时变滤波器来降低噪声的影响,在此基础上再对响应信号进行VNCMD。通过单分量和多分量解析信号及拉索结构试验对所提方法进行验证。研究结果表明,基于DDAVNCMD的瞬时频率识别方法具有较好的准确性和抗噪性。

快速对角阵权系数协方差交叉融合容积卡尔曼滤波器

针对互协方差信息未知的多传感器系统,本文提出了一种快速对角阵权系数协方差交叉融合算法(FDCI).本文首先提出了一种对角阵权系数协方差交叉融合(DCI)方案,并证明了所提出DCI算法在融合估计精度上高于经典批处理CI融合(BCI)算法.在此基础之上,针对非线性等复杂的互协方差未知的多传感器系统,提出FDCI算法,并证明了所提出FDCI算法的无偏性及鲁棒精度. FDCI融合算法虽然在融合估计精度上低于DCI,但FDCI无需进行多权系数的非线性代价函数的优化问题,进而大大降低了计算负担,提高了系统的实时性.最后,结合容积卡尔曼滤波算法(CKF)提出了快速对角阵权系数协方差交叉融合容积卡尔曼滤波算法.仿真实例验证了所提出算法的正确性和有效性.

渐消卡尔曼滤波器的最佳自适应算法及其应用

本文依据卡尔曼滤波器在使用最佳增益时,其余差序列互不相关的性质,开发了一种新的渐消滤波算法。该算法根据对象输出,在线自适应地调整遗忘因子,从而使滤波器在对象模型存在误差或对象受到外扰时,仍收敛并保持最佳性。该算法已应用于造纸机控制,取得较好效果。

SVD-Unscented卡尔曼滤波的非线性结构系统识别

提出一种基于奇异值分解的unscented卡尔曼滤波(SVD-UKF)非线性滞回结构系统识别方法。SVD-UKF可被看成改进的unscented卡尔曼滤波(UKF)方法,相对UKF而言,SVD-UKF具有更好的鲁棒性和灵活性。此方法不仅避免象扩展卡尔曼滤波(EKF)为了计算Jacobians矩阵的所需的导数运算,并且可以克服常规UKF方法在计算协方差时经常遇到的病态条件的缺点。对非线性系统参数的识别和突然变化的识别的数值模拟结果显示了所提出方法的鲁棒性和灵活性。

基于卡尔曼滤波器的交流伺服系统自适应滑模控制

为了减小负载转矩扰动和系统参数摄动对永磁同步电机控制系统的影响,提出了一种基于卡尔曼滤波器的自适应滑模速度控制器。该控制器由自适应律估计参数摄动项,用卡尔曼滤波器估计外部扰动项。设计了含积分作用的滑模面,以保证电机转速的无静差跟踪;采用了指数趋近律,以提高趋近速度并削弱抖振。卡尔曼滤波器估计得到的系统外部扰动前馈补偿至控制器的输出,用于有效降低滑模控制器的不连续切换项造成的系统抖振。实验结果显示:跟踪设定的600r/min转速时,控制器稳态转速精度达到±1r/min。电机在以600r/min稳速运行时,设计的控制器在1.6N·m的外部转矩扰动下的最大转速波动比传统PI控制器的转速波动减小了2%。仿真分析和实验数据表明基于卡尔曼滤波器的自适应滑模控制器对交流伺服控制系统具有较强的抗扰动性、鲁棒性以及良好的稳态性能。

一种自适应联合卡尔曼滤波器及其在车载GPS/DR组合导航系统中的应用研究

—本文设计了实现车载ＧＰＳ／ＤＲ组合导航系统最优综合的联合卡尔曼滤波器，并给出了滤波算法。提出了一种自适应联合卡尔曼滤波器结构及其算法，并应用于ＧＰＳ／ＤＲ组合导航系统的最优综合校正中。理论分析及计算机仿真结果均表明，应用该自适应联合卡尔曼滤波器可大大提高车载ＧＰＳ／ＤＲ组合导航系统的定位精度及容错能力。

基于模糊逻辑控制的舰船组合导航自适应卡尔曼滤波器(英文)

双天线GPS提供的载体姿态信息与惯性导航系统信息进行融合可提高组合导航系统的性能。由于在实际应用中,GPS接收机可能会受到某种干扰无法提供舰船航向信息,从而降低传统卡尔曼滤波器的性能。因而提出了一种新的基于模糊逻辑控制的自适应卡尔曼滤波器。改进后的卡尔曼滤波器使用两个模糊逻辑控制器来调整两个系统的组合模式,并且根据卡尔曼滤波器的内部状态、GPS工作状态和舰船运动状态来计算卡尔曼增益。通过使用INS和GPS的实测数据验证,这种基于模糊逻辑控制的自适应卡尔曼滤波器能有效的提高INS/GPS组合导航系统的性能。

基于多重渐消因子的自适应卡尔曼滤波器

现有计算渐消因子的自适应卡尔曼滤波器得到的通常是标量渐消因子,从而导致各滤波通道具有相同的调节能力,不利于提高滤波精度。针对该问题,提出了一种利用估计均方误差和新息协方差估计值来计算多重渐消因子的方法,通过一组并行工作的基于限定记忆指数加权的新息协方差估值器来计算渐消因子,并根据估计均方误差把渐消因子分配给各滤波通道,从而提高自适应卡尔曼滤波器整体性能,仿真结果证明了所提方法的有效性。

基于多模型自适应卡尔曼滤波器的电动汽车电池荷电状态估计

基于电池的戴维宁(Thevenin)模型,设计了多模型自适应卡尔曼滤波器,并将多模型自适应卡尔曼滤波器应用于电动汽车电池荷电状态(state-of-charge,SOC)估计。由于老化电池是未知系统,利用传统的单一模型卡尔曼滤波器估计老化电池SOC时,因模型不准确而使估计误差增大。与单一模型滤波估计相比,多模型滤波估计融合了电池的各种老化信息,适合于未知系统的状态估计,从而提高了SOC的估计精度,并通过实验证明了上述结论的正确性。利用多模型自适应卡尔曼滤波器估计电池SOC,老化电池的模型与权值最大的单一模型较接近,根据单一模型权值可以近似估计出老化电池的健康状态(state of health,SOH),并通过电池容量测量,证明了SOH估计的正确性。

加权观测融合非线性无迹卡尔曼滤波算法

针对非线性系统的无迹卡尔曼滤波器(UKF),应用加权最小二乘(WLS)法,提出了加权观测融合UKF滤波算法.证明了加权观测融合UKF滤波算法与集中式观测融合UKF滤波算法在数值上的完全等价性,因而具有全局最优性.一个带两传感器非线性系统的仿真例子说明了两种融合算法的有效性及等价性.