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基于无迹卡尔曼滤波器的Sub Thalamic Nucleus神经元关键参数及变量获取

生物医学工程研究 2016年第4期35卷 250-254,269页

作者：王海洋王江陈颖源白城师范学院机械工程学院吉林白城137000 天津大学电气工程学院天津300072

为了获取脑部神经一些不可测量的关键参数和变量。本研究提出以可测量的神经元膜电位为基础,通过无迹卡尔曼滤波(Unscented kalman filter,UKF)实时估计,实现关键参数和关键变量的获取。本研究以Sub Thalamic Nucleus(STN)神经元为研究... 详细信息

为了获取脑部神经一些不可测量的关键参数和变量。本研究提出以可测量的神经元膜电位为基础,通过无迹卡尔曼滤波(Unscented kalman filter,UKF)实时估计,实现关键参数和关键变量的获取。本研究以Sub Thalamic Nucleus(STN)神经元为研究对象,应用以上的方法分别实现了单个参数(钠离子通道电导gNa)的估计、多个参数(钠离子通道电导gNa,钾离子通道电导gk)的同时估计,以及多个变量(r、n、h及Ca离子浓度)的同时估计,证明了该方法的可行性。本研究还给出了UKF方法和自适应同步方法的对比,进一步证明了UKF方法的有效性。本研究提出的方法可以正确的估计出所需的关键参数和变量,对神经活动的外部电磁控制成为可能,对临床神经疾病的诊断和治疗具有重要的意义。

关键词：深度脑刺激无迹卡尔曼滤波器关键参数帕金森自适应同步状态变量离子通道

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无迹卡尔曼滤波器在惯导初始对准中的应用研究

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海军航空工程学院学报 2009年第5期24卷 533-536,542页

作者：史国荣丛源材戴洪德海军驻西安东郊航空设备军事代表室西安710065 海军航空工程学院控制工程系山东烟台264001

滤波技术在惯导系统初始对准中的应用是一项重要的研究内容，随着非线性滤波技术的发展，如何通过新的滤波技术来提高初始对准的性能近年来得到了广泛关注。文章针对可扩展卡尔曼滤波器存在着计算复杂和滤波不稳定的缺点，尝试了一种新... 详细信息

滤波技术在惯导系统初始对准中的应用是一项重要的研究内容，随着非线性滤波技术的发展，如何通过新的滤波技术来提高初始对准的性能近年来得到了广泛关注。文章针对可扩展卡尔曼滤波器存在着计算复杂和滤波不稳定的缺点，尝试了一种新的非线性滤波器——无迹卡尔曼滤波器。针对所采用的非线性初始对准模型的特点，对无迹卡尔曼滤波器进行了简化，将简化后的无迹卡尔曼滤波器应用于非线性初始对准中，得到了较好的对准效果。

关键词：无迹卡尔曼滤波器惯导系统初始对准

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基于无迹卡尔曼滤波器的动力电池SOC估算研究

基于无迹卡尔曼滤波器的动力电池SOC估算研究

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作者：李世界山东理工大学

学位级别：硕士

在国际和国内大环境下,新能源汽车成为了汽车行业的新宠,作为其代表的电动汽车占据着主要的市场份额,也是其发展的重中之重。电动汽车中动力电池管理系统是整车高效、安全运行的核心保障,而荷电状态(SOC)又是动力电池管理系统对动力电... 详细信息

在国际和国内大环境下,新能源汽车成为了汽车行业的新宠,作为其代表的电动汽车占据着主要的市场份额,也是其发展的重中之重。电动汽车中动力电池管理系统是整车高效、安全运行的核心保障,而荷电状态(SOC)又是动力电池管理系统对动力电池进行管理和控制的关键变量之一,准确的SOC估算将有利于提升汽车的性能和安全性。本文的工作重心即是围绕动力电池SOC的估算开展的,针对动力电池的非线性特点,选择无迹卡尔曼滤波(UKF)算法估算SOC。首先,将IFR26650-33A磷酸铁锂动力电池放入温度可控的试验箱中,通过BTS20电芯测试系统分别进行了可用容量测试、开路电压测试、混合脉冲功率特性测试(HPPC)、动态应力测试(DST)和美国联邦城市运行工况(FUDS)等电性能测试,为后面等效电路模型参数辨识以及SOC估算做准备。其次,基于估算精度和计算量选择了等效电路模型中的Thevenin模型作为动力电池模型。先是采用遗忘因子递推最小二乘法对该模型进行了在线参数辨识,辨识结果显示,仿真电压与实际电压的误差最大不超过0.02V。而后搭建动力电池的Simulink等效电路模型和Simscape等效电路模型,对比之后选择了容易创建、理解和维护的Simscape模型,并基于该模型,采用Simulink参数估计工具箱Parameter Estimator对其进行了离线参数辨识;辨识结果显示,仿真电压曲线与实验电压曲线重合度较高,说明离线参数估计工具箱Parameter Estimator的可靠性。再次,以动力电池Simscape模型为基础,通过分析电池模型的状态转换方程和观测方程,离散化之后分别定义Simulink函数,插入无迹卡尔曼滤波器模块,并完成其参数配置。分别导入HPPC测试、DST和FUDS动态工况的电流信号进行仿真。最后,仿真结果显示,在SOC初值偏差10%情况下,曲线收敛之后,HPPC测试、DST和FUDS动态工况的SOC估计值与实际值的偏差基本保持在2%以内。为了验证无迹卡尔曼滤波器模块的鲁棒性,在FUDS工况下,人为的将SOC初值偏差从10%增加到20%、30%,发现随着SOC初值偏差的增大,开始时间段SOC估算误差有增大的趋势,但误差收敛之后,SOC的估算误差仍然能维持在2%以内。

关键词：动力电池 SOC Simscape模型参数辨识无迹卡尔曼滤波器

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基于无迹卡尔曼滤波器的实时相位解包算法研究

基于无迹卡尔曼滤波器的实时相位解包算法研究

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作者：钱婕妤南京理工大学

学位级别：硕士

相位解包算法是干涉测量中的关键技术,目前被广泛应用于光干涉测量、合成孔径雷达、反射测量等领域。当前对相位解包算法的研究众多,各类算法在不同噪声条件下有不同的性能表现,因而具有不同的适应能力。一般地讲,整体性能较好的算法具... 详细信息

相位解包算法是干涉测量中的关键技术,目前被广泛应用于光干涉测量、合成孔径雷达、反射测量等领域。当前对相位解包算法的研究众多,各类算法在不同噪声条件下有不同的性能表现,因而具有不同的适应能力。一般地讲,整体性能较好的算法具有较高的实现复杂度和成本,会成为实时干涉系统中的带宽瓶颈。本论文研究了一种基于无迹卡尔曼滤波器的相位解包算法,重点研究了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)平台高吞吐率实现算法架构。针对目前几类相位解包算法存在的不足,本文采用了一种基于无迹卡尔曼滤波器的相位解包算法。一方面根据卡尔曼滤波算法特性,将相位展开过程和相位去噪声过程同时进行,免去了相位展开之前的噪声预处理过程,保证相位展开过程不会引入其他噪声。另一方面无迹卡尔曼滤波是基于卡尔曼滤波的改进型算法,以无迹变换(Unscented Transform,UT)为基础,摒弃了将非线性过程线性化的做法,使得结果更接近真实值。其中,本文主要研究了适用于相位解包的无迹卡尔曼滤波算法并且重点解决了强噪声条件下相位恢复易失真问题,对于相位梯度估计值过大的点进行滤波处理。本文提出在FPGA平台实现无迹卡尔曼滤波相位解包算法的硬件架构,提升相位解包算法速度。首先根据软件解包算法,设计定点仿真函数,根据不同定点下相位曲线恢复的信噪比确定在FPGA平台选用的最佳字长与小数点位数。然后在modelsim仿真软件中,实现无迹卡尔曼滤波算法。主要分成以下几个模块具体实现:系统状态模块、sigma点生成模块、状态预测模块和状态更新模块。最后基于QuartusⅡ平台,完成逻辑综合、引脚约束等操作,在FPGA芯片平台完成数据解包处理。将本算法应用于相位调制型光纤传感系统的相位解包单元,搭建了基于Michelson型的干涉型光纤传感实验系统,采用了矩形脉冲二元相位调制解调技术获取包裹相位,采用了Altera公司的EP3SE110F1152I3 FPGA作为系统实时控制与处理的核心,采用32Q16的定点格式,获得信号信噪比为31.7478d B,速度相对于PC端提升30～40倍,实现了大规模数据的实时吞吐运算。无迹卡尔曼滤波相位解包算法提升了相位解包算法精度以及利用FPGA硬件电路板实现加快相位解包速度,在各干涉测量领域都有重要应用价值。

关键词：相位解包无迹卡尔曼滤波器 FPGA 相位型光纤传感

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短距离相干光通信系统中基于无迹卡尔曼滤波器的载波相位恢复算法研究

短距离相干光通信系统中基于无迹卡尔曼滤波器的载波相位恢复算法...

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作者：刘斯琦北京邮电大学

学位级别：硕士

随着大数据、物联网以及云计算等技术的迅猛发展,数据流量快速增长,短距离数据中心光互联网络面临着严峻的扩容压力。与强度调制/直接检测的系统相比,相干光通信传输系统凭借频谱效率高、接收灵敏度高等优点,为数据中心光互联提供了可... 详细信息

随着大数据、物联网以及云计算等技术的迅猛发展,数据流量快速增长,短距离数据中心光互联网络面临着严峻的扩容压力。与强度调制/直接检测的系统相比,相干光通信传输系统凭借频谱效率高、接收灵敏度高等优点,为数据中心光互联提供了可行的扩容方案。然而,相干光通信系统由于其高成本、高功耗等特点,很难直接应用于成本和功耗敏感的短距离传输系统中。为降低相干光通信系统成本,一方面,可以采用低成本的电吸收调制激光器(EML)来替代相干系统中常用的价格高昂的窄线宽激光器(百kHz量级)。但是,低成本的EML线宽较大(MHz量级),导致信号受到严重的相位噪声影响。另一方面,可以采用低成本低功耗的小型光电器件来降低系统的成本与功耗,通过提升调制格式的阶数来降低小型光电器件带宽的限制。但随着调制格式阶数的增加,信号对相位噪声更加敏感。因此,针对短距离相干光通信系统,本论文对具有高线宽容忍度的载波相位恢复算法和适用于高阶调制格式的低复杂度载波相位恢复算法进行了深入地研究。具体研究内容如下:(1)针对低成本大线宽的相干光通信系统,提出了基于数据辅助的无迹卡尔曼滤波器(UKF)的载波相位恢复算法。采用数据辅助估计的相位噪声作为UKF估计的初始值,利用基于UKF的载波相位恢复算法完成相位噪声的估计。该方案提高了 UKF算法的收敛速度,消除了由累积相位噪声导致的跳周现象,阻止了误码传播。论文通过搭建56 GBaud的双偏振16QAM的相干光通信系统传输20 km的标准单模光纤,对所提算法性能进行了研究。研究结果表明,基于数据辅助的UKF算法具有良好的相位噪声追踪能力。在满足7%前向纠错门限,容忍1 dB光信噪比代价的情况下,所提算法的线宽容忍度为6.44MHz,优于基于扩展的卡尔曼滤波器的载波相位恢复算法和无数据辅助的UKF的载波相位恢复算法。(2)针对高阶调制格式的相干光通信系统,对UKF的观测方程进行修正,提出了改进的基于UKF的载波相位恢复算法。针对基于半径的观测方程在高阶调制格式中部分信号不适用的问题,提出基于星座点的观测方程,使UKF算法适用于高阶调制格式的载波相位恢复。本文通过搭建28 GBaud双偏振16QAM和64QAM的相干光通信系统,对所提算法性能进行研究。研究结果表明,所提算法在与盲相位搜索算法的性能保持一致的情况下具有更低的计算复杂度,计算复杂度降低了61%。综上所述,本论文针对相干光通信系统应用到短距离数据中心光互联所面临的线宽容忍度限制和复杂度高的问题,提出了高线宽容忍度的基于数据辅助的UKF的载波相位恢复算法和低复杂度的改进的基于UKF的载波相位恢复算法,并通过仿真验证了算法的有效性。研究结果为短距离相干光通信系统中的载波相位恢复算法提供了可行方案。

关键词：短距离相干光通信系统载波相位恢复算法数据辅助算法高阶调制格式无迹卡尔曼滤波器

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基于无迹卡尔曼滤波器的电磁微镜的故障诊断研究

基于无迹卡尔曼滤波器的电磁微镜的故障诊断研究

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作者：赵光宇东华大学

学位级别：硕士

MEMS(Micro Electromechanical System)电磁式微镜属于微光机电系统。由于其具有体积小、功耗低、精度高、响应速度快等诸多优点,在光通信、生物化学、医学成像以及消费电子产品方面有着广泛的应用。但是微镜系统在实际中容易出现不可... 详细信息

MEMS(Micro Electromechanical System)电磁式微镜属于微光机电系统。由于其具有体积小、功耗低、精度高、响应速度快等诸多优点,在光通信、生物化学、医学成像以及消费电子产品方面有着广泛的应用。但是微镜系统在实际中容易出现不可逆的故障,严重影响相关产品的生命周期,因此研究MEMS电磁式微镜的故障模式及诊断方法,预测其生命周期,提前更换相关部件,对MEMS电磁式微镜的推广及应用具有很大的现实意义。本学位论文以MEMS电磁式微镜作为研究对象,同时考虑到电磁式微镜系统在工作过程中可能受到过程噪声与测量噪声的干扰,通过对电磁式微镜系统的分析研究,建立合适的模型,根据所建立的模型,通过滤波的方式实现系统的状态估计与故障诊断研究。该论文的主要研究工作如下:(1)通过对现有资料及实验数据的研究发现电磁式微镜系统中存在非线性迟滞环节,结合块模型的建模思路,采用带迟滞的Hammerstein模型描述电磁式微镜系统,并进行参数辨识。考虑到算法复杂度以及工程上是否易于实现的问题,在保证模型准确度的情况下,系统中的迟滞环节使用Duhem模型进行描述。仿真及实验结果验证了系统模型的准确性,同时给出了电磁式微镜系统完整的状态空间表达式为后续的滤波器设计以及故障诊断研究奠定了基础。(2)由于带迟滞的Hammerstein模型是一个迟滞环节与一个线性环节串联的结构,所以这导致迟滞环节与线性环节的中间变量不可测,同时也导致难以实现对整个系统进行状态估计。在此基础上,本文构造了针对于实验用MEMS电磁式微镜的无迹卡尔曼滤波器实现对系统的状态估计,并通过与传统的卡尔曼滤波器进行对比,表明本文所构造的无迹卡尔曼滤波器能够更好地跟随系统状态,具有更大的应用价值。(3)基于之前针对电磁式微镜系统构造的无迹卡尔曼滤波器,设计了电磁式微镜系统的故障诊断模块。通过查阅资料以及对实验数据的分析,将实验用电磁式微镜的故障分为转动轴断裂、材料疲劳与电磁线圈故障。并针对不同的故障模型模式,分析故障诊断模块输出信号的时频特征,通过其时频特征和均方误差与正常工作的电磁微镜系统相应的值进行比较,确定故障类型。实验结果表明所设计的故障诊断模块能够准确地对微镜不同故障进行诊断,符合设计要求。

关键词： MEMS电磁式微镜迟滞Hammerstein模型无迹卡尔曼滤波器故障诊断

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针对周期运动目标的自适应无迹卡尔曼滤波器设计方法

针对周期运动目标的自适应无迹卡尔曼滤波器设计方法

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作者：包启亮孙敏行缪礼申庆瑜毛耀 610209 四川省成都市双流350信箱

本发明公开了一种针对周期运动目标的自适应无迹卡尔曼滤波器设计方法，用于改善滤波器对周期运动目标进行状态估计时的估计误差和滤波曲线平滑性，以满足更高精度的滤波需求。本发明提出一种针对周期运动目标的自适应无迹卡尔曼滤波器... 详细信息

标准号: CN115859626A

本发明公开了一种针对周期运动目标的自适应无迹卡尔曼滤波器设计方法，用于改善滤波器对周期运动目标进行状态估计时的估计误差和滤波曲线平滑性，以满足更高精度的滤波需求。本发明提出一种针对周期运动目标的自适应无迹卡尔曼滤波器设计方法，可以在被跟踪目标运动方程不完全已知，控制器受采样周期和滤波算法运算时间影响的情况下，有效改善无迹卡尔曼滤波器的滤波效果，同时保证较高的运算效率。本发明突破了传统无迹卡尔曼滤波方法的局限，利用巧妙的被估计状态量设计和公式设计，有效提升无迹滤波器的滤波精度和滤波曲线平滑性，优化滤波器的估计效果。

关键词：无迹卡尔曼滤波器周期运动滤波器滤波曲线平滑性自适应滤波无迹卡尔曼滤波被跟踪目标优化滤波器采样周期公式设计估计误差估计状态滤波算法滤波效果时间影响运动方程运算效率状态估计控制器无迹运算局限保证

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基于改进自适应双无迹卡尔曼滤波器的锂离子动力电池SoC估计方法

基于改进自适应双无迹卡尔曼滤波器的锂离子动力电池SoC估计方法

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作者：余传祥谢延敏桑曌宇杨诗雅刘和平黄鹏黄远胜董治平游逍遥杨生博 400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号

本发明公开了基于改进自适应双无迹卡尔曼滤波器的锂离子动力电池SoC估计方法，主要步骤为：1)建立锂离子动力电池基于等效电路模型的状态滤波器和参数滤波器。2)耦合锂离子动力电池基于等效电路模型的状态滤波器和参数滤波器，建立双... 详细信息

标准号: CN110398691A

本发明公开了基于改进自适应双无迹卡尔曼滤波器的锂离子动力电池SoC估计方法，主要步骤为：1)建立锂离子动力电池基于等效电路模型的状态滤波器和参数滤波器。2)耦合锂离子动力电池基于等效电路模型的状态滤波器和参数滤波器，建立双无迹卡尔曼滤波器。3)将待检测锂离子动力电池的运行参数输入到双无迹卡尔曼滤波器中，进行锂离子动力电池等效电路模型的参数校正和荷电状态SoC估计。本发明保证了cholesky分解的有效性，克服了由于初值误差、噪声扰动、计算模块浮点误差等原因造成的协方差矩阵非正定从而导致迭代停止的问题，增强了滤波过程的数值稳定性和算法的鲁棒性。

关键词：锂离子动力电池无迹卡尔曼滤波器等效电路模型参数滤波器状态滤波器数值稳定性协方差矩阵参数校正迭代停止荷电状态计算模块滤波过程运行参数扰动耦合鲁棒性自适应浮点算法噪声检测改进保证

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一种基于无迹卡尔曼滤波器的VSR电流估计的方法

一种基于无迹卡尔曼滤波器的VSR电流估计的方法

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作者：费亚龙王山斌崔乃东刘威曾定军庞庆李勇 430000 湖北省武汉市江夏区凤凰产业园藏龙北路1号

本发明公开了一种基于无迹卡尔曼滤波器的VSR电流估计的方法，包括：建立三相电压型PWM整流器的状态模型；利用无迹卡尔曼滤波器估计三相电压型PWM整流器的输入电流。本发明通过构建三相电压PWM整流器的状态模型，并利用无迹卡尔曼滤波... 详细信息

标准号: CN117639447A

本发明公开了一种基于无迹卡尔曼滤波器的VSR电流估计的方法，包括：建立三相电压型PWM整流器的状态模型；利用无迹卡尔曼滤波器估计三相电压型PWM整流器的输入电流。本发明通过构建三相电压PWM整流器的状态模型，并利用无迹卡尔曼滤波器预测三相电压型PWM整流器的输入电流。本发明基于三相电压型PWM整流器具有强耦合、非线性等特点，将无迹卡尔曼滤波器耦合在一起，进而通过无迹卡尔曼滤波器对于三相电压型PWM整流器的输入电流进行预测，通过三相电压型PWM整流器非线性特点，以实现对于非线性系统的准确测量。

关键词：三相电压型PWM整流器无迹卡尔曼滤波器输入电流状态模型非线性特点非线性系统电流估计三相电压准确测量耦合强耦合构建预测

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一种基于无迹卡尔曼滤波器的路感反馈力矩估算方法

一种基于无迹卡尔曼滤波器的路感反馈力矩估算方法

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作者：黄炜夏伟黄起鹏 350108 福建省福州市闽侯县福州大学城乌龙江北大道2号福州大学

本发明提出一种基于无迹卡尔曼滤波器的路感反馈力矩估算方法，包括以下步骤：获取无刷直流电机的三相电流、转子转角及汽车状态参数；通过汽车二自由度模型、Dugoff轮胎模型以及电流转矩转换方程构建无迹卡尔曼滤波器，根据电机的三相... 详细信息

标准号: CN118205614A

本发明提出一种基于无迹卡尔曼滤波器的路感反馈力矩估算方法，包括以下步骤：获取无刷直流电机的三相电流、转子转角及汽车状态参数；通过汽车二自由度模型、Dugoff轮胎模型以及电流转矩转换方程构建无迹卡尔曼滤波器，根据电机的三相电流、转子转角以及汽车状态参数确定齿条力矩；根据汽车状态参数计算转向系统的惯性力矩、阻尼力矩、摩擦力矩以及EPS助力矩；通过无迹卡尔曼滤波器计算的齿条力矩，与所计算的惯性力矩、阻尼力矩、摩擦力矩以及EPS助力矩，计算路感反馈力矩；与现有技术相比，本发明具有路感反馈更准确的优点。

关键词：无迹卡尔曼滤波器汽车状态反馈力矩惯性力矩摩擦力矩三相电流转子转角阻尼力矩齿条无刷直流电机参数计算参数确定电流转矩二自由度轮胎模型转向系统构建电机估算反馈转换汽车

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