本书主要介绍粒子滤波的基本原理及其在非线性系统中的应用。为方便读者快速掌握粒子滤波的精髓,本 书采用原理介绍+实例应用+MATLAB 程序仿真+中文注释相结合的方式,向读者介绍滤波的原理和实现过程。 本书共 9章,第 1章绪论,介绍粒子滤波的发展状况;第 2章简略地介绍 MATLAB 算法仿真编程基础,便于零 基础的读者学习后续章节介绍的原理;第3章介绍与粒子滤波相关的概率论基础;第4章介绍蒙特卡洛的基本原 理;第 5章介绍粒子滤波的基本原理;第 6章介绍粒子滤波的改进算法,主要是 EPF 算法和 UPF 算法。第 7章 和第 8章为粒子滤波在目标跟踪、电池参数估计中的应用;第 9章为 Simulink 环境下粒子滤波器的设计。
黄小平,男,1984年6月生,江西省上饶县人,北京交通大学自动化本科,北京航空航天大学控制科学与工程硕士,博士就读于中国科学技术大学计算机应用专业,主要研究信号与信息处理。著有《卡尔曼滤波原理及应用――MATLAB仿真》、《粒子滤波原理及应用――MATLAB仿》。
第1章 绪论 1
1.1 粒子滤波的发展历史 1
1.2 粒子滤波的现状及趋势 2
1.3 粒子滤波的特点 2
1.4 粒子滤波的应用领域 3
1.5 小结 7
1.6 参考文献 7
第2章 编程基础 11
2.1 MATLAB简介 11
2.1.1 MATLAB发展历史 11
2.1.2 MATLAB 7.10的系统简介 12
2.1.3 M-File编辑器的使用 14
2.2 数据类型和数组 15
2.2.1 数据类型概述 16
2.2.2 数组的创建 17
2.2.3 数组的属性 18
2.2.4 数组的操作 19
2.2.5 结构体和元胞数组 22
2.3 程序设计 23
2.3.1 条件语句 24
2.3.2 循环语句 25
2.3.3 函数 26
2.3.4 画图 28
2.4 常用的数学函数 30
2.5 编程基础实践 33
2.6 小结 34
第3章 概率论与数理统计基础 35
3.1 基本概念 35
3.1.1 随机现象 35
3.1.2 随机试验 35
3.1.3 样本空间 36
3.1.4 随机事件、随机变量 36
3.2 概率与频率 37
3.2.1 相关定义 37
3.2.2 大数定律 38
3.2.3 中心极限定律 39
3.3 条件概率 39
3.3.1 相关概念 39
3.3.2 全概率公式和贝叶斯公式 40
3.4 数字特征 41
3.5 几个重要的概率密度函数 44
3.5.1 均匀分布 44
3.5.2 指数分布 47
3.5.3 高斯分布 47
3.5.4 伽马分布 49
3.6 白噪声和有色噪声 52
3.6.1 白噪声和有色噪声的定义 52
3.6.2 白噪声和有色噪声的比较 53
3.7 小结 59
第4章 蒙特卡洛原理 60
4.1 蒙特卡洛概述 60
4.1.1 历史及发展 60
4.1.2 算法引例 60
4.2 蒙特卡洛方法 61
4.2.1 主要步骤 61
4.2.2 随机数的产生 62
4.2.3 Monte Carlo方法的收敛性 63
4.2.4 Monte Carlo的应用特征 65
4.3 模拟 65
4.3.1 物理模拟 66
4.3.2 计算机模拟 67
4.4 蒙特卡洛的应用 76
4.4.1 蒲丰针实验 76
4.4.2 定积分的计算 78
4.5 小结 85
第5章 粒子滤波原理 86
5.1 算法引例 86
5.2 系统建模 87
5.2.1 状态方程和过程噪声 87
5.2.2 观测方程和测量噪声 88
5.3 核心思想 89
5.3.1 均值思想 89
5.3.2 权重计算 90
5.4 优胜劣汰 92
5.4.1 随机重采样 93
5.4.2 多项式重采样 96
5.4.3 系统重采样 98
5.4.4 残差重采样 101
5.5 粒子滤波器 103
5.5.1 蒙特卡洛采样 103
5.5.2 贝叶斯重要性采样 103
5.5.3 SIS滤波器 104
5.5.4 Bootstrap/SIR滤波器 105
5.5.5 粒子滤波算法通用流程 107
5.6 粒子滤波仿真实例 108
5.6.1 一维系统建模 108
5.6.2 一维系统仿真 108
5.6.3 数据分析 112
5.7 小结 118
5.8 参考文献 118
第6章 改进粒子滤波算法 119
6.1 基本粒子滤波存在的问题 119
6.2 建议密度函数 120
6.3 EPF算法 120
6.4 UPF算法 122
6.5 PF、EPF、UPF综合仿真对比 124
6.6 小结 137
6.7 参考文献 138
第7章 粒子滤波在目标跟踪中的应用 139
7.1 目标跟踪过程描述 139
7.2 单站单目标跟踪系统建模 140
7.3 单站单目标观测距离的系统及仿真程序 142
7.3.1 基于距离的系统模型 142
7.3.2 基于距离的跟踪系统仿真程序 143
7.4 单站单目标纯方位角度观测系统及仿真程序 149
7.4.1 纯方位目标跟踪系统模型 149
7.4.2 纯方位跟踪系统仿真程序 150
7.5 多站单目标纯方位角度观测系统及仿真程序 153
7.5.1 多站纯方位目标跟踪系统模型 153
7.5.2 多站纯方位跟踪系统仿真程序 155
7.6 非高斯模型下粒子滤波跟踪仿真 160
7.7 小结 166
第8章 粒子滤波在电池寿命估计中的应用 167
8.1 电池寿命课题背景 167
8.2 电池寿命预测模型 169
8.2.1 以容量衰减为基础的储存寿命模型 169
8.2.2 以阻抗增加、功率衰退为基础的储存寿命模型 171
8.2.3 以阻抗增加、功率衰退为基础的循环寿命模型 171
8.2.4 以容量衰减为基础的循环寿命模型 172
8.3 基于粒子滤波的电池寿命预测仿真程序 172
8.4 小结 179
8.5 参考文献 179
第9章 Simulink仿真 180
9.1 Simulink概述 180
9.1.1 Simulink启动 180
9.1.2 Simulink仿真设置 181
9.1.3 Simulink模块库简介 186
9.2 S函数 190
9.2.1 S函数原理 190
9.2.2 S函数的控制流程 193
9.3 目标跟踪的Simulink仿真 194
9.3.1 状态方程和观测方程的Simulink建模 194
9.3.2 基于S函数的粒子滤波器设计及其在跟踪中的应用 197
9.4 小结 204
粒子滤波,又名贯序的蒙特卡洛方法。它不像卡尔曼滤波那样从提出到成名基本都是由数学家鲁道夫卡尔曼(Rudolf Emil Kálmán,1930.5—2016.7)主导的,粒子滤波则是由一群又一群的学者推动并发展壮大的。1996年,Del Moral在《非线性滤波:相互作用粒子解》一文中提出“粒子滤波”这一术语;刘军(北大数学系本科毕业,统计学领域的“大牛”,年仅35岁便成为哈弗大学终身正教授)在1998年提出“贯序的蒙特卡洛方法”;2000年,俄勒冈研究生院的鲁道夫范德莫维(Rudolph van der Merwe)、剑桥大学的阿尔诺(Arnaud Doucet)、加州大学伯克利分校的南多弗雷塔斯(Nando de Freitas)等提出“无迹粒子滤波”。粒子滤波是一个很新的算法并深受国内外研究者追捧。
本书主要介绍粒子滤波的基本原理及其在非线性系统中的应用。粒子滤波是基于概率统计的,因此在介绍粒子滤波之前重点介绍了蒙特卡洛原理,在深入了解蒙特卡洛的统计学原理之后,读者可以较轻松地理解粒子滤波的原理和方法。粒子滤波是近年来发展比较迅速的滤波算法,它在处理噪声方面有着任何滤波器都无法比拟的优点,即任何线性或非线性的系统模型、高斯或非高斯的噪声模型,粒子滤波都能有效地应用和处理。
本书主要由两部分构成:粒子滤波的原理和粒子滤波在非线性系统中的应用。在介绍原理的同时也给出了算法的程序代码,方便读者对照公式理解程序,同时也能从程序代码和注释中反过来理解算法原理。因此,它是粒子滤波方面的研究者快速上手并进入相关研究领域的快捷工具。对于有一定基础的研究者,可以在本书提供代码的基础上,做算法的进一步改进和优化。
与任何滤波器一样,粒子滤波最主要的用途在于处理噪声,降低噪声带来的干扰。所有传感器测量的数据都是受到噪声污染的,噪声不能消除,只能最大限度地降低。例如,在目标跟踪中,传感器一般都采集观测站与目标之间的距离、角度等信息,这些信息往往会受到高斯噪声或非高斯噪声的干扰,导致观测站不能准确地估计目标的状态。常用的补偿措施就是滤波。
在现代时间序列里,常用的滤波算法有最小二乘估计、卡尔曼滤波、粒子滤波等。这些经典的算法已经广泛应用在雷达、声呐、无线传感器网络等领域中。本书主要结合实际中的应用,如单观测站、多观测站情况下,对目标进行状态估计研究,希望对相关领域的研究者有所帮助。
写作本书其实是很偶然的,这要从我研究生毕业那一刻说起。毕业之初在MATLAB中文论坛上发表过几篇关于卡尔曼滤波和粒子滤波的帖子,后来很多人找我,向我发邮件求助。再后来工作逐渐繁忙,我没有时间一一回复大家,于是萌生了写一本教程的想法,让大家看教程多省事啊。于是,我将自己在研究生阶段如何在“黑暗”中摸索的痛苦经历和学习内容,用通俗易懂的学生语言写出来。在写教程的过程中,感觉越写内容越多,无奈只好整理成两本,将卡尔曼滤波和粒子滤波分开了。目前《卡尔曼滤波原理及应用》已经于2015年7月在电子工业出版社出版,作为一本学术性强的科研参考书销量已经突破8500册,这算是一个小成功了。本书是前一本书的姊妹篇,写作风格也沿袭了上一本书,期望能得到广大读者的认同。
本书能得以撰写,在很大程度上要感谢我的导师王岩老师,她给了我一个很好的研究课题,并给了我学术上的指导,让我少走了很多弯路。本书的编写中,在核心原理推导、章节内容的编排等方面都得到了王老师的参与及支持,再次表示特别的谢意!参与本书编辑和撰写工作的还有缪鹏程、聂金平、闫芬菲、陈冰洁、田龙飞、李超、王夏静、杨刚、钱琛、罗伟、许蓓蓓、汪本干、陈冬杰、丁成祥和杨振新。本书的编辑和勘误,得到了北航同课题组的实验室学弟学妹的帮助,还得到了广大网友的支持和鼓励。最后感谢我的妻子许蓓蓓的理解和支持,感谢可爱女儿黄悦昕给我写作的精神动力!
希望本书对相关领域的研究者有所帮助。由于作者水平有限,其中难免有疏忽及错误之处,恳请读者提出宝贵意见。
黄小平
2017年2月写于上饶
最近对金融建模中的一些高阶统计方法产生了浓厚的兴趣,尤其是那些能够处理非线性、非高斯分布的随机过程。在阅读了大量相关文献后,我注意到粒子滤波在资产价格建模、风险管理等方面的重要性,尤其是在估计一些难以解析的隐藏状态时。这本书的出现,仿佛为我打开了一扇新的窗口。尽管我尚未有时间详细阅读其理论部分,但从其“应用”二字以及“MATLAB仿真”的字样,我能感受到它不仅仅停留在理论层面,而是提供了解决实际问题的工具。我推测,书中对于粒子滤波在金融领域的具体应用案例的讲解,将会非常精彩。例如,如何利用粒子滤波来估计隐藏的宏观经济因子对股票市场的影响,或者如何在高频交易中进行实时的状态跟踪。这些都是我非常感兴趣的课题。单凭对算法原理的粗浅了解,我便知道粒子滤波的计算复杂度可能是一个挑战,因此,书中提供的MATLAB仿真,不仅能帮助验证理论,更能为优化算法、提高效率提供思路。我希望这本书能够帮助我更深入地理解粒子滤波在金融领域的强大能力,并将其应用于我的研究和投资实践中。
评分我是一名软件工程师,日常工作中涉及到大量的数据处理和系统优化。最近在接触一些涉及复杂系统状态估计的模块,比如物联网设备的状态预测、传感器网络的异常检测等,而这些问题往往存在着噪声大、模型不确定等特点。在同事的推荐下,我了解到了这本书。虽然我对“粒子滤波”这个概念并不陌生,也大致知道其在贝叶斯估计中的作用,但之前接触的资料往往过于偏向理论,缺乏清晰的实现细节和实践指导。而这本书的副标题“MATLAB仿真”,立刻引起了我的注意。我知道,对于工程师来说,能够将理论转化为可执行的代码,是多么的重要。我期待这本书能够提供清晰的算法流程图、详细的MATLAB代码示例,以及不同场景下的仿真结果分析。我希望它能够帮助我理解粒子滤波的每一步操作,例如粒子生成、权重更新、重采样等,并掌握如何在实际项目中应用这些技术。如果书中能提供一些关于性能优化、参数选择的建议,那就更好了。我相信,有了这本书的指导,我将能更高效地解决我在工作中遇到的实际问题,并为我的系统引入更强大的状态估计能力。
评分作为一名对机器学习和信号处理交叉领域充满好奇的在校学生,我一直渴望找到一本能够清晰解释复杂算法,并提供实践指导的书籍。偶然间发现了这本《粒子滤波原理及应用――MATLAB仿真》,虽然我目前还没有机会深入研究粒子滤波,但仅从目录和前言来看,我就被其系统性和实用性深深吸引。它似乎能将那些抽象的数学概念,通过MATLAB仿真的方式,变得可视化、可理解。我了解到粒子滤波在目标跟踪、状态估计等领域有着广泛的应用,这正是我在学习中经常遇到的挑战。很多时候,理论知识的学习总会遇到“纸上谈兵”的困境,而这本书恰恰弥补了这一点。作者显然花了很多心思去设计仿真案例,这对于我这种需要通过动手实践来加深理解的学生来说,简直是福音。我甚至可以想象,在未来的课程设计或毕业设计中,这本书将成为我不可或缺的参考资料。它不仅仅是提供知识,更是提供了一种解决问题的思路和方法,这对于培养独立思考和解决实际问题的能力至关重要。我非常期待能够跟随这本书,一步步探索粒子滤波的奥秘,并在MATLAB中看到那些理论转化为生动的仿真。
评分作为一个对图像处理领域充满热情的业余爱好者,我一直对如何让计算机“看懂”和“理解”图像感到着迷。在学习图像识别和目标跟踪的过程中,我常常被那些需要从模糊、噪声干扰的数据中提取出有用信息的技术所吸引。偶然间,我翻阅到了这本书的介绍。虽然我还没有机会细读,但“粒子滤波”和“MATLAB仿真”这两个关键词,已经在我心中勾勒出了一幅充满想象的画面。我能够想象,这本书将引导我如何利用粒子滤波来跟踪视频中的运动目标,如何在复杂的背景下提取出我们感兴趣的物体,甚至可能在图像增强、去噪方面也有所涉及。我一直认为,理论的学习如果没有实践的支撑,会显得苍白无力。而这本书提供的MATLAB仿真,恰恰解决了这个问题。我期待它能提供清晰易懂的图示,逐步讲解如何用代码实现粒子滤波的每一步,并展示出仿真过程中精彩纷呈的视觉效果。这对我来说,不仅仅是学习一门技术,更是一种探索未知、激发创造力的过程。我希望这本书能成为我打开图像处理新世界的一把钥匙,让我能够用代码和算法,赋予图像更深的含义。
评分这本书的光辉,即便我才翻了几页,已经隐隐约约能感受到作者深厚的功底。标题中的“粒子滤波”几个字,本身就带着一种神秘而强大的吸引力,仿佛能瞬间打开一个全新的认知领域。我本身从事的是机器人导航的研究,在SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)算法的开发中,常常会遇到传感器数据的不确定性问题,而粒子滤波正是解决这类问题的一把利器。虽然这本书还没有深入到我的具体应用场景,但仅仅是其原理的阐述,就让我窥见了解决之道。那种从贝叶斯滤波的理论基础出发,层层递进,直至粒子滤波的独特思想,让我觉得豁然开朗。书中对粒子退化、重采样等核心概念的讲解,虽然我还没来得及细细体会,但字里行间流露出的严谨与清晰,足以让我对其后续内容的期待值直线飙升。尤其是“MATLAB仿真”的副标题,更是为我这样的实践者提供了极大的便利,我知道,未来我将能把书中的理论直接转化为可运行的代码,去验证、去优化。这对于一个希望将理论付诸实践的研究者来说,是多么宝贵的财富。我预感,这本书将成为我案头的常客,随时翻阅,并在我的研究道路上给予我重要的指引。
评分书的质量不错,就是前面基础部分介绍太多
评分一次性买了很多本,速度快。
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评分非常好的一本书,适合初学者
评分好书
评分一般
评分看起来非常不错的一本书
评分有用
评分一般
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