CN111397607B - 一种采用并行融合机制的信息滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用并行融合机制的信息滤波方法,通过将实时更新的局部后验估计均值和协方差用于局部无迹信息滤波器,使无迹信息滤波器和加权平均一致性滤波器并行运行,保证算法在随机动态通信拓扑正常运行,对平均一致性滤波器的改进和通信拓扑拉普拉斯矩阵次小特征根的最大化,使算法具有更好的稳定性,准确率和收敛速率,具有较高的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用并行融合机制的分布式无迹信息滤波算法,适用于稀疏动态无线传感器网络下的目标追踪定位方法,属于无人机集群协同导航技术领域。
背景技术
协同导航通过多传感器的信息协同,提高定位准确性与可靠性。同时,信息融合估计是多无人机协同导航算法中关键的一环,对来自于不同传感器节点的多源信息进行合理有效地状态估计融合,也是开展无线传感器网络应用的重要基础。应用于无线传感器网络的多源信息状态估计融合方法一般可以分为集中式和分布式两种。分布式方法不需要唯一信息融合中心的存在,允许邻居节点之间进行互相通信和信息的并行处理,从而在对计算和通信复杂度的要求、以及容错性等方面,相对于集中式方法具有较为明显的优势,因而逐渐受到研究人员的青睐。根据对无线传感器网络无线通信拓扑的适应能力的不同,分布式方法又主要可以分为两种形式,分别是以信道滤波器和以基于一致性算法的分布式滤波器为代表的消息扩散形式。其中,消息传递方法依赖于树形或者环形等特殊通信拓扑,对于实际中普遍存在的随机动态通信拓扑则几乎无法适用;消息扩散方法,特别是基于一致性算法的分布式滤波器,只需要邻居节点之间进行单跳通信,因而在理论上对于通信拓扑具有较强的普适性,从而逐渐成为分布式方法研究的主要方向。从上述内容可以看出,通信拓扑正深刻影响着分布式方法研究的发展方向。由于传感器感知和通信范围有限、通信连接失效和节点移动等原因,稀疏和随机动态是目前无线传感器网络中主要存在的典型通信拓扑不稳定因素之一,结合相关通信拓扑不稳定因素开展应用于无线传感器网络的分布式多源信息状态估计融合方法的研究,已经成为当前的中心工作之一。本发明基于上述问题考虑,提出可在“稀疏”和“动态”通信拓扑条件下稳定,快速和准确的协同导航方法。
发明内容
针对上述现有技术,本发明要解决的技术问题是提供一种适用于稀疏动态无线传感器网络下的稳定,快速和准确的采用并行融合机制的信息滤波方法。
为解决上述技术问题,本发明的一种采用并行融合机制的信息滤波方法,包括以下步骤:
S1:建立观测目标的系统模型和观测模型;
S2:局部无迹信息滤波器将实时局部后验估计均值和协方差进行无迹变换,向邻近无人机发送局部观测信息;
S3:无人机接收邻近无人机发送的多源观测信息,进行信息融合处理,完成局部后验估计和协方差更新;
S4:加权平均一致性滤波器接收步骤三得到的融合信息,在即时更新机制和收敛速率优化作用下得到全局后验估计均值和协方差。
S5:重复执行步骤二至步骤四,直至导航结束。
本发明还包括:
1.S4中加权平均一致性滤波器的算法具体为:
dij任意节点i和j之间的欧式距离,ε、ρ1和ρ2为待定参数。
2.S4中收敛速率优化具体为:在能量消耗受限下使用半正定规划方法增大拉普拉斯矩阵Lk的次小特征根,Lk特征值可以按大小排列为:
0=λ1(Lk)≤λ2(Lk)≤…≤λN(Lk)
则半正定规划的约束条件如下:
maxλ2(Lk),
上式中λ2(Lk)为n×n拉普拉斯矩阵Lk的次小特征根,P=[p1,p2,...,pn-1],其中并且U为能量上限,C为能量矩阵,C=[Cij]N×N=CT,Cij为任意节点i和j之间的通信消耗:其中η为比例参数。
本发明的有益效果:与现有技术相比,本发明技术方案通过设置两种滤波器并行运行,有效抵制由通信拓扑随机动态变化带来的较大一致跟踪误差的困扰;建立即使更新机制有效抑制随机动态通信拓扑引起滤波异步问题,基于上述设计方案,在通信能量受限条件下优化平均一致性滤波器的均方收敛速率,从而提高算法的整体滤波效率。
本发明的优点体现在:
一、本发明在稀疏动态无线传感器网络情况下为多无人机协同导航提供了新方案,具有较高的工程应用价值。
二、与传统的无极信息滤波方案相比,本发明提高了滤波器均方收敛速率和定位精度,可以在更大的无人机范围内完成高精度的协同导航任务。
附图说明
图1是本发明方法中的算法原理图。
图2是本发明实例中的异步即时更新机制。
图3是本发明实例中所述仿真验证时的通信状况理想时的稀疏WSN。
图4是本发明实例中所述仿真验证时的目标跟踪结果。
图5是本发明实例中所述仿真验证时的平均误差对比图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示,为本发明提供的适用于稀疏动态无线传感器网络的并行分布式无迹信息滤波方法的流程图,主要针对稀疏动态无线传感器网络情况下,多无人机协同导航问题,本发明具有定位精度高、均方收敛时间短等优势。包括如下步骤:
步骤一:建立观测目标的系统模型和观测模型。在无线传感器网络中,任意传感器节点i的量测模型为其中:为第i个传感器的观测变量,xk∈Rn为系统状态变量,系统模型为xk=f(xk-1)+wk-1。在上式中,f(·)和h(·)分别为对应于系统方程和观测方程的非线性函数,wk-1∈Rn和是相互独立的系统和量测高斯白噪声向量,并且
这里n是状态维数,而τ是无迹变换的缩放比例参数。由此,进行预测估计:
其中对应于目标状态估计均值和协方差的权值分别为
α的选取控制了采样点的分布状态,待选参数β是一个非负的权系数,它可以合并方程中高阶项的动差,将高阶项的影响包括在内,上标m和c分别代表均值和协方差。
步骤三:无人机接收邻近无人机发送的多源观测信息,进行信息融合处理,完成局部后验估计和协方差更新;
计算局部多源观测信息
其中
从而可以得到局部后验估计均值和协方差
步骤四:如图2,针对加权平均一致性滤波器(WACF)延迟于局部无迹信息滤波器(LUIF)的滤波异步问题,建立WACF的即时更新机制,使WACF进行一致性融合最新的局部后验估计结果和收敛速率优化作用下得到全局后验估计均值和协方差。
采用通信能量消耗受限下的交替随机一致性方法进行λ2(Lk)值的最大化:
maxλ2(Lk),
其中:U为能量上限,C为能量矩阵,C=[Cij]N×N=CT,此处Cij为任意节点i和j之间的通信消耗:
此方法实质上是在稀疏WSN的动态变化过程中,不断通过半正定规划(SDP)方法对拉普拉斯矩阵进行配置,从而求解在通信消耗受限条件下的λ2(Lk)最大值和任意时刻的通信连接边权值α,实现动态拓扑优化,提高平均一致算法的均方收敛速率。
两个平均一致性滤波器的输出为全局后验估计均值和协方差。
步骤五:重复执行步骤二至步骤四,直至仿真时长。
仿真验证
仿真条件:任意传感器节点i的观测模型描述如下:
其中:(xi,yi)为节点i的位置坐标,为节点i在任意时刻k观测得到的目标位置坐标。系统噪声和观测噪声均为零均值高斯白噪声,其方差为Qk=diag(0.1 0.1)2,Rk=0.52,设置目标初始状态为x0=[5 0.1 15 0.1]T。设置任意无效节点i′和任意有效节点i的初始矩阵分别为和采样周期为0.25s,仿真时间设置为100s。
为验证本发明的有效性,仿真环境设置为:在50×50m的环境中,随机分布50个节点,根据预先设定的通信距离显示有效通信连接边构建稀疏无线传感器网络(WSN)。图3是处于通信范围之内的任意节点i和j存在有效连接服从伯努利分布,以此来体现通信拓扑的随机动态变化,此处设置传感器节点的通信距离为伯努利分布概率为0.5。图4是本发明实例中所述仿真验证时的目标跟踪结果。其中绿色粗线为真实轨迹,红色虚线为PF-DUIF算法跟踪定位结果,蓝色细线为DUIF算法跟踪定位结果,浅蓝色圆圈代表节点位置。图5是本发明实例中所述仿真验证时的平均误差对比图,上图为PF-DUIF算法的定位误差,下图为PF-DUIF算法和DUIF算法定位误差对比,其中蓝色虚线为DUIF算法定位误差,红色实线为PF-DUIF算法定位误差。由表1中可以看出,本发明方案在稀疏动态WSN中条件下,每步运行时间最少可达0.1856s,最长为0.3573s。
表1本发明仿真验证时的算法运行时间比较
具体实施方式还包括:
本发明公开了一种基于一致性算法的分布式无迹信息滤波算法,使其可适用于稀疏动态无线传感器网络。通过将实时更新的局部后验估计均值和协方差用于局部无迹信息滤波器,使无迹信息滤波器和加权平均一致性滤波器并行运行,保证算法在随机动态通信拓扑正常运行,对平均一致性滤波器的改进和通信拓扑拉普拉斯矩阵次小特征根的最大化,使算法具有更好的稳定性,准确率和收敛速率,具有较高的工程应用价值。包括如下步骤:
步骤一:建立观测目标的系统模型和观测模型;
步骤二:局部无迹信息滤波器将实时局部后验估计均值和协方差进行无迹变换,向邻近无人机发送局部观测信息;
步骤三:无人机接收邻近无人机发送的多源观测信息,进行信息融合处理,完成局部后验估计和协方差更新;
步骤四:加权平均一致性滤波器接收步骤三得到的融合信息,在即时更新机制和收敛速率优化作用下得到全局后验估计均值和协方差。
步骤五:重复执行步骤二至步骤四,直至导航结束。
本发明中局部无迹信息滤波器和加权平均一致性滤波器并行运行。
步骤四中所述滤波器执行的平均一致性算法如下:
Ni为任意节点i的邻居集,Wij为作用于的加权值,且满足条件化为向量形式为xk+1=Wkxk,任意时刻k的状态加权矩阵Wk=I-αLk,拉普拉斯矩阵:元素dij任意节点i和j之间的欧式距离,ε、ρ1和ρ2为待定参数。
步骤四中即时更新机制为使加权平均一致性滤波器进行一致性融合的对象均是最新的局部后验估计结果。
步骤四中收敛速率优化方法原理是在能量消耗受限下使用半正定规划方法增大拉普拉斯矩阵Lk的次小特征根,Lk特征值可以按大小排列为
0=λ1(Lk)≤λ2(Lk)≤…≤λN(Lk)
则半正定规划的约束条件如下
maxλ2(Lk),
Claims (2)
1.一种采用并行融合机制的信息滤波方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:建立观测目标的系统模型和观测模型;
S2:局部无迹信息滤波器将实时局部后验估计均值和协方差进行无迹变换,向邻近无人机发送局部观测信息;
S3:无人机接收邻近无人机发送的多源观测信息,进行信息融合处理,完成局部后验估计和协方差更新;
S4:加权平均一致性滤波器接收S3得到的融合信息,在即时更新机制和收敛速率优化作用下得到全局后验估计均值和协方差;所述收敛速率优化具体为:在能量消耗受限下使用半正定规划方法增大拉普拉斯矩阵Lk的次小特征根,Lk特征值可以按大小排列为:
0=λ1(Lk)≤λ2(Lk)≤…≤λN(Lk)
则半正定规划的约束条件如下:
maxλ2(Lk),
其中η为比例参数;
S5:重复执行S2至S4,直至导航结束。
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