数据融合的数学基础课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《数据融合的数学基础课件.ppt》由用户(ziliao2023)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数据 融合 数学 基础 课件
- 资源描述:
-
1、第四章第四章 多传感器数据融合的数学基础多传感器数据融合的数学基础lD-S理论lKalman滤波l概率数据关联第一节、第一节、D-S理论理论l证据理论是DempsterShafer在70年代初期建立的一套理论,是概率论的进一步扩充,对于ES、AI、PR与系统决策有极其重要的意义,其最基本的概念是信任度和似然度l核心概念信任度似然度Mass函数合成公式条件似然度一、基本概念l论域:在一实际问题中考虑的对象全体。:空集 :全集合 的幂集:()=A,A信任度信任度似然度似然度信任度和似然度的关系信任度和似然度的关系l证明Mass函数函数lMass函数的涵义信任度和似然度如何计算?信任度和似然度如何计
2、算?l说明)()(AbelApl的涵义l特殊值及其涵义l基于证据的mass函数l证明合成公式合成公式l证明lN的作用l例题Mass函数的性质函数的性质l满足交换律和结合律合成公式的一般形式合成公式的一般形式l证明 例题 分析合成公式具有的特点与局限性条件信任度和似然度条件信任度和似然度l证明l如何确定证据的不确定度?l不确定性度量与信息l性质75.1)(xH第二节第二节 证据推理模式证据推理模式 l即利用DS理论所得的不确定推理方法,代替概率推理 l证据推理原理 首先给出假设的度量函数mass计算bel、pl条件bel、pll相关定义 m(A)的意义如何利用先验概率?如何利用先验概率?l例题1
3、l例题2l证据推理的一般模型计算过程 l证据推理的复杂度分析l例题3l核元素l核l简单mass函数l结论 两个简单的mass函数总可以合成 mass函数不能合成当且仅当其核不相交合成公式的灵敏分析度合成公式的灵敏分析度 l问题描述lmass函数的微小变化对证据合成结果有着明显影响 证据推理模式证据推理模式 l证据本身也是不确定的证据推理模式l问题描述l分析l上述e的表达式可表示证据是否为真l求bel(hi)和pl(hi)(求解过程)l证据推理模式转换为经典逻辑的条件第三节、相关论据的合成与合成公式第三节、相关论据的合成与合成公式的鲁棒性研究的鲁棒性研究 lD-S理论只适用于证据独立的证据独立的
4、情况,它将sensor采集的信息作为证据,在决策目标集上建立一个相应的基本可信度(这样,D-S推理能在同一决策框架下,用合成规则将不同的信息合成一个统一的信息表示)l证据问题必须互相独立不是合理的假设 原因:在一个智能化的多传感器系统中,获取信息的目的是为了得到对环境的确切描述,尽管各sensor所得的信息在时间、空间、可信度、表达方式上不尽相同,但它总与所在环境的各种特征,正面或侧面或蕴含的信息相对应,正是如此,各种信息间的联系和相关成为必然 l相关证据(定义)两个相关的论据由一个独立论据源分别与两个相关证据源通过正交和合成而得l相关证据的表示(图)l分析l实际使用中只能得到相关证据、以及独
5、立源证据,如何得到合成证据?l定义:正交差:由合成证据和一个参与合成证据求另一个参与合成证据的运算,记“/”求正交差的方法(梯度下降法)l解释l正交差的解不唯一,是否会引起合成结果的不一致?定理定理证据理论的鲁棒性研究证据理论的鲁棒性研究l合成规则的鲁棒性好坏是评介其可靠依据之一l在一定范围内,高冲突情形可视为低冲突情况的一个鲁棒扰动高冲突的不恰当处理转化为低冲突的合理性处理 l矛盾因子的表示1、鲁棒性问题、鲁棒性问题l系统的鲁棒性定义 一般的,系统的鲁棒性是指当输入发生变化时,其输出将不发生质的变化或保持输出在允许的稳定范围内变化 l证据推理的鲁棒性 是指当证据核元素的基本信任指派发生小变化
6、时,其组合不会发生质的变化(该合成规则具有鲁棒性)l主核元素 指bpa最大的单命题单命题核元素 D-S推理的期望在于增强主核元素的信任度,即 2、证据推理的鲁棒性范围 鲁棒范围是指证据bpa受扰动前后,不改变组合结果主核元 素信任度的变化趋势bel0时,论据核元素bpa指派可以可以变 化的最大范围l冲突率 是指矛盾因子在产生冲突核元素的bpa中所占比例,它作为-规则与段处理的一个尺度。l冲突率的计算公式 l说明 该定理表明,用冲突率可将-合成规则作逐段分析,每段都有特殊的性质,-对()、()处理基本合理,对()、()处理不十分合理,因为这两种情况可视为()的扰动情况 第四节、第四节、kalma
7、n滤波滤波一、引言l最优滤波问题 如何从被污染的观察信号中过滤并尽可能地消除噪声,求未知真实信号或系统状态的最优估计l解释 噪声污染源:来自检测仪器、装置本身的误差,或来自其他干扰 最优滤波(估计):研究的对象是随机系统(噪声具有随机性特征)最优:指最小方差意义下的最优滤波或估计,即要求信号或者状态的最优估值与相应的真实值的误差方差最小l经典最优滤波理论 Wiener滤波和kalman滤波lWiener滤波(1949-研究火炮控制系统)频域方法,局限于处理平稳随机过程,利用谱分解和平稳随机过程的谱展开式解决最优滤波问题,难以在工程上实现,限制了其应用lkalman滤波(60s,20 centu
8、ry)要求处理复杂的多变量、时变系统以及非平稳随机过程kalman滤波器lKalman提出了时域上的状态空间法时域上的状态空间法,引入了系统的状态变量和状态空间的概念l状态空间法的基本特征利用状态方程状态方程描述动态系统动态系统,利用观测方程观测方程提供对状态的观测信息将状态视为抽象空间中的“点”,从而利用Hilbert空间中的射影理论解决最优状态估计问题该状态空间法也称为kalman滤波法l优点状态信号的比较更适合处理多变量系统和信号估计问题(信号可以视为状态或者状态的分量)lKalman滤波的应用 通信、信号处理、石油地震勘探、制导、跟踪、故障诊断、图像处理、经济和机器人等领域lKalma
9、n滤波方法的关键技术(1)状态变量和状态空间概念的引入(2)建立状态和观测方程(3)利用Hilbert空间射影理论求得最优滤波器lKalman滤波方法的局限性基本工具:Riccati方程对于状态维数的较高时,需要较大的计算量和存储量要求精确已知系统的数学模型和噪声统计 当其未知、部分已知和带有误差时,产生了自适应、自校正和鲁棒kalman滤波lKalman滤波定义(考虑线性离散定常随机系统))t(V)t(HX)t(Y )t(GW)t(u)t(X)1t(X 观测方程状态方程假设(1)W(t)、V(t)是带有0均值、方差各为Q、R的不相关 白噪声(2)初始状态X(0)不相关于W(t)和V(t)(3
10、)u(t)是已知确定的(非随机控制量)lKalman滤波问题预报器为称,平滑器为称,滤波器为称对,它极小化性能指标最小方差估值的线性,求状态基于观测kalmant)|(jx tj kalmant)|(jx tj kalmant)|(jx t,jt)|(jx)j(xt)|(jx)j(xEJ)t|j(x)j(x)1(y,),1t(y),t(yTlKalman滤波与MSDF的关系(1)MSDF的主要任务之一,是利用多传感器数据进行目标的状态估计,寻求与观测数据最佳拟合的状态向量(例如:利用多传感器组合数据确定运动目标的当前(未来)位置、速度、固有特征或者特征参数)(2)状态估计主要是指位置与速度估计
11、位置估计:距离、方位、高度或仰角的估计速度估计:速度和加速度的估计二、一维标量信号的递推滤波二、一维标量信号的递推滤波lKalman滤波理论前提 对研究的系统:信号/观测模型及其参量的统计特性予以确定的规定和符合实际的表述,在此基础上按照最小方差准则进行滤波1、系统定义2、随机信号模型l分析三、稳态三、稳态kalman滤波滤波l带常增益阵的kalman滤波器lKalman滤波器时变递推滤波器时变:kalman滤波器的增益是时变的l从工程应用角度,将其增益阵用其稳态值近似代替,可得稳态kalman滤波器是简单、次优的kalman滤波器简单:增益阵是非时变的,可以大大减少计算负担;次优:是最优ka
12、lman滤波器的近似问题问题l问题1 说明l问题2 证明由于是递推滤波器,初值x(0|0)对x(t|t)有何影响?1、稳态、稳态kalman滤波器及其渐进稳定滤波器及其渐进稳定性性l考虑不带控制项的系统)()()()()()1(tvtHxtytwtxtx0000mrmnP)0(x)()0(x(E,Ex(0)t(v)t(w)0(x20R,0Q0)t(v)t(w1,H,R)t(v,R)t(w,R)t(y,R)t(x且和独立于:初始状态假设的独立白噪声均值,方差各为是、:假设均为常阵过程噪声分布矩阵其中相关定义相关定义l完全可观可观性指数然数是使上式成立的最小自其中是完全可观对,如果设n)H(,)H
13、(,Hrank)H,(1完全可检测完全可检测l(,H)是完全可观对引出(,H)为完全可检测对圆内及其特征值均位于单位为稳定矩阵使存在某一矩阵是完全可检测对,如果设)LH(L)H,(n,rank),(1n是完全可控对,如果设l完全能稳l(,)是完全可控对引出(,)为完全能稳对为稳定矩阵使存在某一矩阵是完全能稳对,如果设)L(L),(l完全可控l假设3QQQ)Q,()H,(3),()H,(21完全能稳对,其中是完全可检测对,)(则为完全可控对是完全可观对,)(是稳定的矩阵)(之一系统满足如下三个条件l稳态kalman滤波器定理lExample 1l稳态kalman预报器l稳态kalman预报器定理
14、lExample 2第六节、联合概率数据关联第六节、联合概率数据关联一、基本概念1、多目标跟踪(1)为维护对多个目标当前状态的估计,而对所接收到的量测信息进行处理的过程 核心:数据关联(数据互联)(2)包括机动目标模型自适应跟踪算法跟踪门的形成、数据互联、跟踪维持、起始与终结2、多传感器多目标数据关联的关系模糊性原因:传感器观测过程和多目标跟踪环境的不确定性(1)量测误差、缺乏跟踪环境的先验知识、不确知目标个数(2)难以判断观测是由真实目标/虚假目标产生3、数据关联的目的利用测量的相似性特征,判决这些特征不完全相同的量测数据是否源于一个目标解释相似性特征不完全相同4、数据关联数据关联存在于多目
15、标跟踪的各个过程(1)跟踪过程的新目标产生需要在多个采样周期间进行“观测-观测”数据关联,以为新目标建立起始航迹提供充分的初始化信息(2)稳定航迹生存周期观测数据的直接融合需要“观测-观测”关联(3)更新航迹、维持跟踪的连续性需要进行“观测-航迹”关联,以确定用于航迹修正的新观测数据5、数据关联的任务建立每个测量与大量的可能数据集合(说明一观测源的假设)的关系,可分为:(1)对前面已检测到的每个目标都有一个集合,当前一单目标检测量与其中之一有同一个源(2)新目标集合:表示该目标是真实的,且以前没有其量测(3)虚警集合表示该量测不是真实的,可能为噪声、干扰或杂波产生的(在某些条件下可以消除)6、
16、多传感器数据关联的形式(1)观测-观测关联最终形成航迹或者进行航迹初始化(2)观测-航迹关联对已有航迹进行保持或对状态进行更新(3)航迹-航迹关联航迹融合,需要重新计算关联后的全局航迹的状态估计和协方差矩阵,以实现状态更新l数据关联方式与融合结构有关数据关联方式与融合结构有关集中式融合结构:一般采用点迹融合,关联方法(1)(2)分布式融合结构:采用航迹-航迹关联7、数据关联过程例1:稳定目标观测与观测的关联解释l数据关联的基本思路例2:运动目标的观测-航迹关联l总结:数据关联过程门限设置形成关联矩阵赋值策略观测可行对关联度量最后赋值8、基本概念、基本概念l回波:量测数据l跟踪门:用来粗略确定量
展开阅读全文