CN112525205A - 一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法,包括用于车辆间通信的车联网系统,以及用于获取导航观测数据的车载定位设备;通过建立目标车辆参数测量方程;在基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的集中式融合框架下,融合目标车辆的导航观测数据从而生成目标车辆状态估计;在基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的分布式融合框架下,拟合目标车辆及临近车辆的导航观测数据生成相对导航观测数据、并生成相对状态估计,从而融合目标车辆状态估计。本发明在最小误差熵准则下对非高斯噪声状态的目标车辆进行相对组合导航定位,提高了车联网下的导航定位设备的准确性以及适用性。
Description
技术领域
本发明涉及智能交通设计领域,具体涉及一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法。
背景技术
目标车辆导航定位技术是智能交通、自动化驾驶等领域的重要技术问题之一。随着车对车通信、基于通信的目标车辆控制系统等技术的发展,目标车辆之间可以相互交换信息,这意味着目标车辆组合导航定位系统可以获得更多的定位测量值,从而提供更准确的目标车辆状态估计;
现有信号处理算法大都是基于卡尔曼滤波的自适应信号处理法,使用时均需要目标车辆定位系统具有高斯噪声假设,这种基于MSE准则为代价函数的一类自适应滤波算法,在非高斯噪声下的性能显著下降,会出现不能收敛甚至失调的情况,无法满足自适应滤波的需求,然而在现实中呈非高斯分布的情况普遍存在工程技术应用和自然环境中,在一些非理想驾驶情况和非理想测量情况下,这个系统假设并不成立。
如专利公开号为CN201610178772.3名为《一种新型车辆组合定位算法》文献中公开了一种基于高斯噪声下的卡尔曼滤波融合算法,只能设置于具有高斯噪声假设前提下,在非高斯场景中无法实现精确定位。
发明内容
本发明为解决在非高斯噪声下组合导航定位的问题,提供了一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法,通过基于最小误差熵卡尔曼滤波下的集中式框架算法和分布式框架算法相结合对目标车辆进行状态估计。
本发明的技术方案是:一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法,包括用于车辆间通信的车联网系统,以及用于获取导航观测数据的车载定位设备,所述方法包括:
步骤1:建立目标车辆参数测量方程;
步骤2:在基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的集中式融合框架下,融合目标车辆的导航观测数据从而生成目标车辆状态估计;其中,定义处于车联网中的任一车辆为目标车辆,其余所述车辆为临近车辆;
步骤3:在基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的分布式融合框架下,拟合目标车辆及临近车辆的导航观测数据生成相对导航观测数据、并生成相对状态估计,从而融合目标车辆状态估计。
进一步地,所述步骤1具体包括:
按照公式(1)和公式(2)建立目标车辆参数测量方程:
x(k)=F(k,k-1)x(k-1)+w(k-1) (1);
yi(k)=Hi(k)x(k)+vi(k),i=1,2,…,N (2);
其中,表示在k时刻目标车辆的状态向量,xe(k)表示目标车辆东向位置,xn(k)表示目标车辆北向位置,和α(k)分别表示目标车辆的速度量和方位角,F(k,k-1)表示系统的状态转移矩阵,yi(k)∈Rm是目标车辆获得的观测信息。Hi(k)是相应的观测转移矩阵,w(k-1)和vi(k)分别是过程噪声量和观测噪声量。
进一步地,所述步骤2具体包括:
步骤2.1:针对公式(1)、(2)所描的系统受非高斯噪声干扰条件下,建立y(k)、H(k)、x(k)和v(k)的增广矩阵:
写成矩阵形式如下:
y(k)=H(k)x(k)+v(k) (4);
其中,y(k)表示k时刻获得导航观测数据增广矩阵,H(k)表示表示k时刻的增广观测矩阵,v(k)表示k时刻的增广观测噪声矩阵,x(k)表示表示在k时刻目标车辆的状态向量矩阵;
P(k|k-1)=F(k,k-1)P(k-1|k-1)FT(k,k-1)+Q(k-1) (6);
其中,Q(k-1)是过程噪声w(k-1)的方差;
结合公式(5)和(4),可以得到
其中,I表示单位矩阵;
并且:
步骤2.2:在最小误差熵准则下,得出开销函数Jx(k):
其中,L=n+m,n是状态向量的维度,m是观测向量的维度,ei(k)=di(k)-Wi(k)x(k),di(k),Wi(k)分别是D(k),W(k)的第i行;
并且:
其中,H(k)表示增广观测矩阵;D(k)表示统计去相关转换后的增广观测向量,W(k)表示统计去相关转换后的增广观测矩阵;
进一步的,可以得到状态x(k)的最优估计:
步骤2.3:对开销函数Jx(k)关于x(k)求导,推导出k时刻目标车辆状态方程:
进一步,推导出:
x(k)=(WT(k)C(k)W(k))-1 WT(k)C(k)D(k) (13);
其中:
步骤2.4:结合公式(10)和公式(13),得到目标车辆状态估计:
其中:
以及,得到k时刻的目标车辆状态的估计误差协方差:
进一步地,所述步骤3具体包括:
步骤3.1:在非高斯噪声干扰条件下定义在k时刻,目标车辆附近有M辆邻近车辆与目标车辆通过车联网通信,根据目标车辆与第i辆邻近车辆的导航观测数据建立测量方程:
步骤3.2:将目标车辆的相对导航观测数据表示为公式(21)或者表示为公式(22):
yi(k)=Hi(k)x(k)+vi(k) (22);
其中,在公式(21)中:
其中,在公式(22)中:
步骤3.3:对公式(22)所描述的相对导航观测数据进行滤波处理,得到目标车辆的相对状态估计和估计误差协方差,目标车辆的M个相对状态估计和估计误差协方差分别记为:
将相对融合估计误差协方差表示为:
从而得到目标车辆的相对融合定位结果为:
通过上述技术方案,本发明的有益效果为:
本发明设置有基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的集中式融合算法及基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的分布式融合算法,建立目标车辆参数测量方程,在基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的集中式融合框架下,融合目标车辆的导航观测数据从而生成目标车辆状态估计;在非理想行车状态下,基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的分布式融合框架拟合目标车辆及临近车辆的导航观测数据生成相对导航观测数据、并融合目标车辆状态生成相对状态估计,从而更新目标车辆状态估计。在最小误差熵准则下对非高斯噪声状态的目标车辆进行相对组合导航定位,提高了车联网下的导航定位设备的准确性以及适用性。
附图说明
图1是一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法的系统原理图。
图2是一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法的车辆位置模拟分布图。
图3是一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法仿真效果图之三两车的位置曲线;
图4是一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法仿真效果图之目标车辆的位置估计曲线图。
图5是一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法仿真效果图之目标车辆的东向位置绝对估计误差曲线图。
图6是一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法仿真效果图之目标车辆的北向位置绝对估计误差曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明:
如图1所示,一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法,包括用于车辆间通信的车联网系统,以及用于获取导航观测数据的车载定位设备,所述方法包括:
步骤1:建立目标车辆参数测量方程;
步骤2:在基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的集中式融合框架下,融合目标车辆的导航观测数据从而生成目标车辆状态估计;其中,定义处于车联网中的任一车辆为目标车辆,其余所述车辆为临近车辆;
步骤3:在基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的分布式融合框架下,拟合目标车辆及临近车辆的导航观测数据生成相对导航观测数据、并融合目标车辆当前状态生成相对状态估计,从而融合目标车辆状态估计。
实施例1:所述步骤1具体包括:
按照公式(1)和公式(2)建立目标车辆参数测量方程:
x(k)=F(k,k-1)x(k-1)+w(k-1) (1);
yi(k)=Hi(k)x(k)+vi(k),i=1,2,…,N (2);
其中,表示在k时刻目标车辆的状态向量,xe(k)表示目标车辆东向位置,xn(k)表示目标车辆北向位置,和α(k)分别表示目标车辆的速度量和方位角,F(k,k-1)表示系统的状态转移矩阵,yi(k)∈Rm是目标车辆获得的观测信息。Hi(k)是相应的观测转移矩阵,w(k-1)和vi(k)分别是过程噪声量和观测噪声量。
所述步骤2具体包括:步骤2.1:针对公式(1)、(2)所描的系统受非高斯噪声干扰条件下,建立y(k)、H(k)、x(k)和v(k)的增广矩阵:
写成矩阵形式如下:
y(k)=H(k)x(k)+v(k) (4);
其中,y(k)表示k时刻获得导航观测数据增广矩阵,H(k)表示表示k时刻的增广观测矩阵,v(k)表示k时刻的增广观测噪声矩阵,x(k)表示表示在k时刻目标车辆的状态向量矩阵;
其中,Q(k-1)是过程噪声w(k-1)的方差;
结合公式(5)和(4),可以得到
其中,I表示单位矩阵;
并且:
步骤2.2:在最小误差熵准则下,得出开销函数Jx(k):
其中,L=n+m,n是状态向量的维度,m是观测向量的维度,ei(k)=di(k)-Wi(k)x(k),di(k),Wi(k)分别是D(k),W(k)的第i行;
并且:
其中,H(k)表示增广观测矩阵;D(k)表示统计去相关转换后的增广观测向量,W(k)表示统计去相关转换后的增广观测矩阵;
进一步的,可以得到状态x(k)的最优估计:
步骤2.3:对开销函数Jx(k)关于x(k)求导,推导出k时刻目标车辆状态方程:
进一步,推导出:
x(k)=(WT(k)C(k)W(k))-1 WT(k)C(k)D(k) (13);
其中:
步骤2.4:结合公式(10)和公式(13),得到目标车辆状态估计:
其中:
以及,得到k时刻的目标车辆状态的估计误差协方差:
所述步骤3具体包括:
步骤3.1:在非高斯噪声干扰条件下定义在k时刻,目标车辆附近有M辆邻近车辆与目标车辆通过车联网通信,根据目标车辆与第i辆邻近车辆的导航观测数据建立测量方程:(在本实施例中,目标车辆与第i辆邻近车辆的位置关系如图2所示,其中A表示目标车辆i表示邻近车辆)
如图2所示,可知目标车辆与第i辆临近车辆的位置方程:
其中,分别表示第i辆临近车辆的东向位置和北向位置,在实际情况下由于,目标车辆与第i辆临近车辆之间的径向距离和方向角的真实值不能直接得到,固利用导航观测数据建立目标车辆与第i辆临近车辆的状态估计的位置关系方程,如下所示:
步骤3.2:目标车辆的相对导航观测数据表示为:
目标车辆的相对导航观测数据方程也可以写成如下形式:
yi(k)=Hi(k)x(k)+vi(k) (22);
在公式(21)中:
在公式(22)中,
在本实施例中,公式(21)观测噪声是由车载雷达测量噪估计误差引起的。很显然,即使假设雷达信息中包含的噪声满足高斯分布,相对测量噪声也不再满足高斯分布。表示在相对导航观测数据yi(k)条件下获得的目标车辆状态估计量为和Pi(k|k)。同样,目标车辆的状态也可以通过其它相对观测来估计。
步骤3.3:对公式(22)所描述的相对导航观测数据进行滤波处理,得到目标车辆的相对状态估计和估计误差协方差,目标车辆的M个相对状态估计和估计误差协方差分别记为:
相对融合估计误差协方差表示为:
从而得到目标车辆的相对融合定位结果为:
实施例2:基于实施例1中目标车辆状态的相对融合估计算法,当部分邻近目标车辆由于距离或通信失败而无法连接,此时通过车联网通信的M个数量变为M*个邻近目标车辆获得(23)和(24)的相对组合导航定位结果得到:
对于存在通信故障的情况,所提出的相对组合导航定位算法仍然适用于从目标车辆定位设备接收到的导航观测数据和从M*个邻近车辆获得的相对测量。
为证明本发明效果,进行如下实验设置:
1.对于本发明的一种基于最小误差熵准则下的相对组合导航定位方法进行仿真验证,(实验结果如图3~6所示)在仿真中,最小误差熵准则下的相对组合导航定位方法与H∞融合滤波算法相比较。
在本实验中,设置目标车辆被表示成“Tar-Vehicle”具体有1辆,与目标车辆连接同一车联网下的临近车辆设置2辆分别被表示成“Con-Vehicle1”和“Con-Vehicle2”“AEEP”表示定位方法的绝对估计误差。
以上所述之实施例,只是本发明的较佳实施例而已,并非限制本发明的实施范围,故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰,均应包括于本发明申请专利范围内。
以上所述之实施例,只是本发明的较佳实施例而已,并非限制本发明的实施范围,故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰,均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (4)
1.一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法,包括用于车辆间通信的车联网系统,以及用于获取导航观测数据的车载定位设备,其特征在于,所述方法包括:
步骤1:建立目标车辆参数测量方程;
步骤2:在基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的集中式融合框架下,融合目标车辆的导航观测数据从而生成目标车辆状态估计;其中,定义处于车联网中的任一车辆为目标车辆,其余所述车辆为临近车辆;
步骤3:在基于最小误差熵卡尔曼滤波算法的分布式融合框架下,拟合目标车辆及临近车辆的导航观测数据生成相对导航观测数据、并生成相对状态估计,从而融合目标车辆状态估计。
2.根据权利要求1所述的一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法,其特征在于,所述步骤1具体包括:
按照公式(1)和公式(2)建立目标车辆参数测量方程:
x(k)=F(k,k-1)x(k-1)+w(k-1) (1);
yi(k)=Hi(k)x(k)+vi(k),i=1,2,…,N (2);
3.根据权利要求2所述的一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法,其特征在于,所述步骤2具体包括:
步骤2.1:针对公式(1)、(2)所描的系统受非高斯噪声干扰条件下,建立y(k)、H(k)、x(k)和v(k)的增广矩阵:
写成矩阵形式如下:
y(k)=H(k)x(k)+v(k) (4);
其中,y(k)表示k时刻获得导航观测数据增广矩阵,H(k)表示表示k时刻的增广观测矩阵,v(k)表示k时刻的增广观测噪声矩阵,x(k)表示表示在k时刻目标车辆的状态向量矩阵;
P(k|k-1)=F(k,k-1)P(k-1|k-1)FT(k,k-1)+Q(k-1) (6);
其中,Q(k-1)是过程噪声w(k-1)的方差;
结合公式(5)和(4),可以得到
其中,I表示单位矩阵;
并且:
步骤2.2:在最小误差熵准则下,得出开销函数Jx(k):
其中,L=n+m,n是状态向量的维度,m是观测向量的维度,ei(k)=di(k)-Wi(k)x(k),di(k),Wi(k)分别是D(k),W(k)的第i行;
并且:
其中,H(k)表示增广观测矩阵;D(k)表示统计去相关转换后的增广观测向量,W(k)表示统计去相关转换后的增广观测矩阵;
进一步的,可以得到状态x(k)的最优估计:
步骤2.3:对开销函数Jx(k)关于x(k)求导,推导出k时刻目标车辆状态方程:
进一步,推导出:
x(k)=(WT(k)C(k)W(k))-1WT(k)C(k)D(k) (13);
其中:
步骤2.4:结合公式(10)和公式(13),得到目标车辆状态估计:
其中:
以及,得到k时刻的目标车辆状态的估计误差协方差:
P(k|k)=P(k|k-1)-P(k|k-1)HT(k)KT(k) -K(k)H(k)P(k|k-1) +K(k)(H(k)P(k|k-1)HT(k)+R(k))K(k) (17)。
4.根据权利要求3所述的一种最小误差熵准则下的车联网相对组合导航定位方法,其特征在于,所述步骤3具体包括:
步骤3.1:在非高斯噪声干扰条件下定义在k时刻,目标车辆附近有M辆邻近车辆与目标车辆通过车联网通信,根据目标车辆与第i辆邻近车辆的导航观测数据建立测量方程:
步骤3.2:将目标车辆的相对导航观测数据表示为公式(21)或者表示为公式(22):
yi(k)=Hi(k)x(k)+vi(k) (22);
其中,在公式(21)中:
其中,在公式(22)中:
步骤3.3:对公式(22)所描述的相对导航观测数据进行滤波处理,得到目标车辆的相对状态估计和估计误差协方差,目标车辆的M个相对状态估计和估计误差协方差分别记为:
将相对融合估计误差协方差表示为:
从而得到目标车辆的相对融合定位结果为:
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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