TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4206 ~ 4 2 1 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.505 9          4206     Re cei v ed  No vem ber 4, 20 13; Re vised  De cem ber 3 0 ,  2013; Accep t ed Jan uary 1 9 , 2014   An SLAM Algorithm Based on Square-root Cubature  Particle Filter       Xuefen g Dai,  Zuguo Ch en *, Chao Yan g , Laihao Jia ng, Biao Cai   Coll eg e of Co mputer an d Co ntro l Eng i n eeri ng, Qiqih a r Uni v ersit y , No. 42  of W enhua Str eet, Jianh an  District, Qiqiha r, Heilo ngj ian g ,  1610 06, Ch ina ,   T e l (+ 86)0452 -273 817 3   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : boss88 8 .coo l @ 16 3.com       A b st r a ct  T he lack of th e latest meas u r ement infor m ation  a nd th e Particle ser i ou s degra dati on  cause l o w   estimatio n  pr ec ision  in  the tra d itio n p a rticle  fi lter  SLAM (s imultan e o u s loc a l i z a t i o n  a nd  ma ppi ng). F o r so l v e   this prob le m, a SRCPF - SLA M  (square cu b a ture partic l e filter si multa n e ous loc a li z a t i o n  and  ma ppi n g ) is   prop osed  in  thi s  pa per. T h e  a l gorit hm fuses   the l a te st mea s ure m e n infor m ati on  in  the s t age  of the  pri o r   distrib u tion  up dated  of th e p a r ticle filter  SLA M . It  desig ns i m p o rtanc e d e n s ity functio n  by  SRCKF  (Sq u a r e - root Cub a ture  kal m a n  filter) that is mor e  clo s e to t he posterior d ensity, a nd it  sprea d s the squ a re root  of  state covar i a n c e. So, th e a l gorith m  ens ur es the  sy mm e t ry and  the  p o sitive  se mi- d efinite ness  of  the  covari ance  ma trix and i m prov es nu meric a l e s timati on pr eci s ion a nd stabi li ty. T he simulat i on res u lts sho w   that the pr op os ed a l g o rith m h a s hi gh er accu racy of  the stat e esti mati on w hen c o mp ared  w i th the the P F - SLAM (partic l e  filter si multan eous  loc a li z a t i on a n d   map p i ng) a l g o rith m,  EPF -SLAM (ex t end  particl e fil t er   simulta neo us local i z a ti on a nd ma pp ing)   alg o rith a nd th e UPF - SLAM (u nsce nted  particl e  filter   simulta neo us l o cali z a tio n  an d  map p i ng) al go rithm.     Ke y w ords :   particl e filter,  squar e-root cu bature k a l m a n  f ilter, simulta neo us loc a l i z a tion a nd  map p in g,   m o bile robot                               Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The mo bile robot SLAM is that the rob o t   does l o calization an d buil d s in creme n tal map   on the  ba si of the  po sition e s timation   and th o b se rvation data of  the se nor in  the   un kno w n   environ ment.  It is the ba si s that the robo t finish e s  Env i ronm ent det ection, n a vig a tion an d target  tracking. Th e  SLAM is se en as the  ke y that  the robot reali z e completely aut onomy. So, the   mobile robot  has be en the most po p u lar p r oj e c t, the most ab unda nt proje c t and the  most  pione erin g project in the ro bot resea r ch field [1].  The extend kalman filter was first p r opo sed  by smith  and chee sem an [2]. This algorith m   is  widely  used in the SLA M . It estimat e s the po sterior probability   density  of the pose and t h e   environ ment feature of ro b o t. The major disadvant a g e  is that this algorith m  has more amou n t s   of com putatio ns. And th e a l gorithm  mu st assu re  that t he inp u t noi se and th e o b s ervatio n  noi se  of system  sh ould o bey a  g aussia n  di stri bution [3]. In   recent yea r s,  the pa rticle fil t er was u s ed  as  a ne w m e tho d  to d eal  with the SLAM   probl em  by Murp hy an dou cent [4].  The al go rith m ca build featu r map a nd g r id  map a c co rdi ng to the  nee ds. And thi s   algorith m  can  effectively so lve  the proble m  o f  data  co rrel a tion. But the  choice of  im po rtance d e n s ity function  affects the  pa rticl e   filter perfo rm ance be ca use the pa rticl e  need  be ex tracted f r om th e impo rtan ce  den sity funct i on  [4]. However, the state  tran sition  prio r di st rib u t ion which   doe s n o t contain th e l a test  measurement  data is a s  the importa nce  density funct i on in the tra d itional pa rticle filter. So, the  algorith m  introdu ce s larg e r  weig ht variance and  it can’t approximate poste rior  prob ability very  well [5-6]. Espe cially, wh en the me asurem ent dat a app ear i n   the tail end  of the tran sition  probability distribution or  the likelihood function excessive   concentration, compared with  transition probability  di stribution,  the particle filter may  failure.  For  solving the above probl ems in  the traditional  particle filter  very well, a lot of  resea r ch  schola r s h a ve done la rge  amount of wo rk  in term s of the ch oice of importa nce sa mpli ng fun c ti on. The  UKF  has b een  used to de sign  the  importa nce d ensity fun c tio n  of th e p a rt icle  by [7], a nd they  hav e p r op osed t he  UPF-SLA M   algorith m . When the ro bot  builds ma p, the algo ri thm redu ce s the n eede d parti cl e numbe r. But, it   need s to ascertain the three un kno w para m eter s i n  scaled u n scente d  tran sf ormatio n  (SUT)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An SLAM Algorithm  Based  on Square-ro ot  Cubatu r Particle Filte r  (Xuefen g Dai )   4207 according to  experie nce. The ch oice of para m eter  di rectly affects the accu ra cy of the SLAM [8- 9].  In ord e r to  m a ke  up fo r th e defe c ts  of the SLAM al g o rithm a nd to  improve  the  pre c isi on  of the mobil e  robot SLAM  algorith m , the  SRPF-S LAM  algorith m  is  prop osed in t h is p ape r. Th algorith m  ba sic id ea is t hat the parti cle filt ering f r ame w o r k int r odu ce s the  latest SRCKF   nonlin ear filtering  algo rith m an d fu se the late st  o b s ervatio n   dat a. It gen erate s  the  imp o rta n ce   den sity functi on of  parti cle  filter by u s ing  the  S RCKF   algorith m . Th e impo rtan ce   den sity functi on  is more cl ose to the  sy stem posteri o r probability dist ribution ac cording to giving  consi deration to  nonlin earity a nd non -ga u ssian ch ara c te ri stics. And,  the algorith m  h a s spread th e squ a re  root  o f   state cova ria n ce. So, it ascertai ns th e sy mmetry  and the h a lf posit ive definitivene ss of  covari an ce  matrix. It greatly improv es th e pe rfo r man c of the  standa rd  parti cle filte r , and   improve s  the  pre c isi on an d  the stability  of the mobile robot SLAM algorithm.       2.  Square-root Cubature  Particle Filter  2.1. Cuba tur e  Rules   To calculate t he nonlinear tran sfer probability density  of the Gaussi an di stribution is the  most im porta nt step th at it Implement B a yesia n  filt eri ng un de r ga u ssi an field.  T hat is to  say, it  will cal c ul ate  the gaussia n  weig hted i n tegral  of th e nonlin ear f unctio n  [10]. The gau ssi a n   weig hted inte gral of the no nlinea r functi on ca n be giv en by:    () ( ; , ) R I fx N x d x                                                            (1)    H e re, x spec ifies  n x dimen s i onal ve ctor.  f ( ) spe c ifie s t he no nline a function.  N (: specifies  the Ga ussia n  dist ribution.   spe c ifie s t he d o main   of   integ r ation. The analytic value  of  i n te gral  function i s   o b tained  difficultly above t he integ r al f unctio n . Usin g equ al  wei ghts 2 n x point  nume r ical integral  re sults  are cl ose to t he gau ssian  weig hted inte gral in cubatu r e.     2 11 2 1 () ( [ 1 ] ) ( ) 22 xx x nn x Ni i i ii x n If f w f n                                           (2)    There, n is the state dimen s ion.  i and i w can  be obtain ed b y   x i i x i n w n 2 1 ] 1 [ 2 2          i= 1 2n x                                            (3)    The sq ua re-root cub a ture  kalma n  filter doe s not nee d to calculate  the Jacobia n  matrix.  It calculate s  the con d itional tran sition  prob ab ility den sity by using the  cub a ture. So, this  algorith m   can  be  clo s e to  the third o r de r accu ra cy . Th e a c cura cy of  the al gorithm  is  highe r th a n   the extend  kalman filter.  The p ape r [1 1] gives  det ai led the  cal c ul ation ste p s of  the squa re -root  cub a ture  kal m an filter. Th e main cal c ul ation formul a is as follo ws.    2.2. Square-r oot Cu batu re Particle Filter  The  parti cle f ilter is that th e integ r al  op erat ion  tra n sl ates i n to the   summ ation  of sa mple   points  by usi ng the Mo nte  Carl o metho d . Thereby,  it obtain s  the recu rsive B a yesia n  e s timation   whi c h h a s th e State mini mum vari ance. The al gorit hm ne eds ob tain dire ctly sample p o int f r om   the po steri o r pro bability  den sity of st ate. But,  the analytic fo rm of the p o sterio r p r o b a b ility  den sity can  not be obtai ned. So, it is difficult to  sampl e  for p a rticle. It req u ire s  u s ually  an  importa nce d ensity fun c tio n   (0 , 1 ) ( 1 , ) (/ , ) ii i kk k xx y which i s   si milar to t he posterior  probability  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4206 – 4 214   4208 distrib u tion  a nd it i s   sampl ed. The  imp o r tance d e n s ity function  is  easy to  samp le. But it doe s not  u s e th e  la te s t  me as ur e m en ts  da ta . O n ly a few min o r ities of p a rticles  have l a rg er  weig hts after  several time s iteration s and m o st  of the p a rt icl e s di e rapidly .  Thereby, this  exist g r e a differen c e s  b e twee n the  collectio n of t he p a rticl e and th e real  po sterio r p r obability fun c tion   gene rated  sample s. In o r de r to ma ke the im po rtance den sity function m o re cl ose to the  poste rio r  pro bability densit y, the importance den sity  function n eed s to con s id er  the influen ce  of  the latest me asu r em ent value. It makes more parti cl e moves into  the higher li kelih ood fun c tio n   value area [1 2]. So, the state estimatio n  inco rp orate s  the late st measurement  value to de sign  the importa nce den sity function by usi n g the S RCKF  algorithm. A SRCPF al gori t hm is propo sed   in this pap er.   The SRCPF  algorithm calcul ates the  m ean and  the variance of the importan c e   probability density function by  using t he SRCPF  algorithm,  and produces  new posterior  prob ability density distrib u tion. Mean whi l e the  algorit hm gene rate s new p a rticl e s by the new  poste rio r  pro bability den si ty distributio n and  comp l e tes the  state estimatio n . Each pa rticl e   sampli ng p o ints have diff erent G a u ssi an dist ri butio n. However,  any non -ga u ssi an di strib u t ion   can b e  co mp ose d  of a se ri es of differe nt Gaus sia n  distribution com b ination s . It is re asonabl e to  assume  the   importa nce d ensity fun c tio n  is Ga ussia n  di stributio n  [13]. The  n e w im po rtan ce  probability density functi on  can be defined as:      / 0, 1 1 . / (/ , ) ( , ) i ii i i kk kk k k k x xy x s                                              (4)    The detail ste p  of the SRCPF algorithm  is as follo ws:    Step 1:              Whe n   k=0, the al gorith m  Ch oo se th e  initial p a rticl e  set 0 i X from the prior probability  distrib u tion P(X 0 ). And comp ute their expe ctation s  and  covari an ce.     () 0 0 [] i i X EX                                                             (5)    00 00 0 [( )( ) ] ii ii i T P E XX XX                                         (6)    Here, i=1, 2, …, m  Step 2:  Whe n  K>0, the alg o rithm   desi g n s  the  sampling   den sity function of  the pa rticle  filter by  usin g the S R CPF alg o rith m. Each  pa rticle i s  u pdat ed by u s in the SRCPF  algorith m  in t he  particl e set at  the importan c e pa rticle  sa mpling.   Comp uting cubature point:     () () 1/ 1 1 / 1 ˆ ii kk k k XX                                                        (7)    () () () , 1 /1 1 / 1 1 /1 ˆ ii i nk k k k n k k XS X                                            (8)       Whe r e n is th e state dimen s ion   Time upd atin g:    () () ,/ 1 , 1 / 1 () ii nk k n k k Xf X                                                   (9)    () () * /1 , / 1 1 1 ˆ m ii kk n k k i XX m                                                      (10)    () () * /1 , / 1 ([ ]) ii kk n k k k ST r i a X Q                                              (11)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An SLAM Algorithm  Based  on Square-ro ot  Cubatu r Particle Filte r  (Xuefen g Dai )   4209 () * ( ) * () () * ( ) ( ) * () /1 1 , /1 /1 2 , /1 /1 , / 1 / 1 1 ˆˆ ˆ [] ii i i i i i kk k k kk k k kk m k k k k XX X X X X X m                 (12)    Measure upd ating:  The latest ob servatio n info rmation i s  ble nded into the  algorith m     ( ) () () ,/ 1 / 1 / 1 ˆ ii i nk k k k i k k XS X                                                   (13)             () () ,/ 1 , / 1 () ii nk k n k k Zh X                                                        (14)    () () /1 , / 1 1 1 ˆ m ii kk n k k i ZZ m                                                      (15)  () () () () /1 1 , /1 /1 2 , / 1 /1 , / 1 / 1 1 ˆ ˆˆ [] ii i i kk k k kk kk k k m k k k k ZZ Z Z Z Z m                          (16)    () () ,/ 1 / 1 {[ ] } ii z z kk kk k Sq r R                                                  (17)    () () () () () () () /1 1 , /1 /1 2 , /1 /1 , / 1 / 1 1 ˆ ˆˆ [] ii i i i i i kk k k kk k k kk m k k k k XX X X X X X m                     (18)    2.1.3. State  Upda ting     () () () ,/ 1 / 1 / 1 ii T i x zk k k k k k PX                                                         (19)    () () ( ) ( ) /1 , / 1 , /1 , / 1 () / ii T i i kk x z kk z z k k z z k k KP s s                                         (20)    () () () () () // 1 / 1 ˆˆ () ii i i i kk kk k k kk XX K Z Z                                            (21)    () () () ,/ 1 ii i kz z k k UK S                                                           (22)    () () () // 1 {, , 1 } ii i kk k k S c hol updat e S U                                           (23)    The algo rith m rege nerates the pa rticle  set ba sed  on the state estimation  and the   covari an ce  matrix of the  SRCKF  alg o rithm, an cal c ulate s  th e impo rtan ce  weig hts of  each   particl e in the  particle  set.   The impo rtan ce weight s are norm a lized.        () () () () () 1/ ˆ ˆ ~( / , ) ( , ) ii i i i kk k k k k k XX X Y N X S                                (24)    () () () 1 () () 1 ˆˆ (/ ) ( / ) ˆ (/ , ) ii i i kk k k k ii kk k pY X P X X XX Y                                            (25)    () () 1 / m ii i kk k j                                                              (26)    Step 3: Particle re-sam plin Firstly, determine wh ether it  needs sa mples a c co rd ing to the effective parti cl e numbe r.  If it needs sa mples, th e al gorithm  re -sa m pled  parti cl es  by usi ng t he pa rticl e  co mbination  me thod   [14]. The re-sampled p a rti c les are 1 , m j sj j xn . Otherwise the alg o rithm do  state estimation.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4206 – 4 214   4210 Comp uting State estimatio n   () 11 1 mm j j j kj k s jj n X nX X NN                                            (27)                                                            // / 1 1 () ( ) N j jT kk k k k k kk j PX X X X N                            (28 )     Accordi ng to t he new pa rticle state estim a tion, vari ance  matrix  and t he  above probability  model, re peat  the steps a b o ve for the ne xt filter.      3. An SLAM  Algorithm Based on Squ a re-r oot  Cub a ture Par t icl e  Filter   In ord e r to  overcome  problem whi c h the SLAM  algo rithm b a se d o n   con v entional   particl e filter  have large r  calcul ated am ount an pa rticle d egradati on, the thou g h t of the SRCKF  algorith m  lea d  in the pa rticle filter to i m pr ove the  sampli ng p r o c e ss. It enri c hes th e pa rticle   sampl e s in t he process  of parti cl e filter re sam p li ng. The alg o rithm integ r ates the lat e st  observation  data at the prio r distri but ion  update  stage and de sign s the im portan c e d e n s ity  function  by the SRCKF al gorithm.  It make state e s timation clo s er to the p o sterior  pro babi lity  den sity of the sy stem  state.  The alg o rithm also  has  spre ad  t he  squa re  root of the  st ate  covari an ce. It can insure t he symmetry  and the  positive semi-def initene ss of the cova rian ce   matrix. Thus,  it can improve the numerical accu racy and the stabilit y of the SLAM algorithm.   The state ve ctor k X  sho u ld i n clu de the p o sition info rm ation s G and the  environ menta l   information N P of  the mobile ro bot in the mobile rob o t SLAM algorithm    T N s k P G X ,                                                       (29)            Her e ,, s kk k Gx y spe c ifie s the po sition  coordinate  a nd the angl e coo r din a te of the  mobile  un der global coo r di nate.  N P is N env ironm ent co ordinate set.  The b a si c th o ught of th e S L AM alg o rith m ba sed   on  square-root  cu bature   pa rticl e  filter i s   to estimate the mobile  ro bot trajecto ry  and the  po sterio r pro babil i ty density of  the environ m ent  map on the b a si s of the perceptual info rmation  of the robot in the  environme n t and the upd ate  informatio n of the robot po se. The sp ecifi c  step s of the  algorithm s are as follo ws:   1)  The alg o rith m pro d u c randomly the  parti cle  set  whi c h i s  con s tituted by the N  particl e and t he parti cle weight is 0 W . Then, this particle i s  initialized b y  using (5 )-(6 ) equatio ns.   2)  Particle s Pre d icted: The a l gorithm  cal c ul ates the inf o rmatio n vector and matri x  of  the particl es  according to  control input  k u and the ro bot  position di stri bution at K time.  3)  Observation  and Data  Correlatio n :  T he algo rithm cal c ul ates the p a rticle   corre s p ondin g  feature  poi nt coo r din a te s an d ma ke s it to asso ci ation with a  landma r k in the  environ ment l andma r k set. Then, it ma ke s the  ob se rva t ion ne w info rmation to  associate  with th estimation  m ap at th e K-1 time by  u s ing  the  dat a a s soci ation  method  of t he mini mizati on   observation probability function.   4)  Particle Up d a ted: When  the  robot  obt ai ns the  ne w ob servatio feature  point s o r   the ro bot p r e d icted  po se  at K-1 time  compa r i ng  wit h  one  at K ti me have  gre a t ch ange s, t h e   SRCPF al gorithm update s  particl e by u s ing  (7)-(1 3 )  equatio ns. It will cal c ul ate  the informati on  vector a nd m a trix and the  importan c weig ht of  the each p a rti c le at K time  and the pa rti c le  importance weights  will be   norm a lized.   5)  The al gorith m  re sam p le  parti cle in   the pa rticle   set a c cordin g to the  pa rticle  importa nce weights  j k  and  removes the  small wei ghts  particl e in th e  parti cle  set a nd reserve s   the big wei g h t s parti cle in the parti cle se t.  6)  The al gorith m  upd ates fe ature i n form a t i on in the  m ap by u s in g (27)-(2 8)  equ a t ions  and ma ke s th e co rrelation  failure o b serv ation in format ion a s  the ne w feature info rmation  adde to the map.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An SLAM Algorithm  Based  on Square-ro ot  Cubatu r Particle Filte r  (Xuefen g Dai )   4211 4.  The Experimental Con c lusion and  Analy s is   4.1. Experiment Mod e ling  Before th e S L AM sim u lati on exp e rime nt, we  need  to build  a  system mo del  for the   mobile  rob o t. The e s tabli s he d mo del s mainly in clu de sy stem  model, robot  locatio n  mo del,  control co m m and mod e l, environme n t map model,  robot motion  model, sen s or mea s u r em ent  model an d sy stem noi se m odel. In this p aper, the Bail ey SLAM model is u s ed [1 5].  (1) T he motio n  model can  be obtain ed b y   ,1 , 1 , 1 ,1 , 1 , 1 ,1 ,1 1 1 , co s ( )  =   =  c o s ( ) sin Vx k V x k k V k k Vy k V y k k V k k Vk Vk k k Vk xx T V x xx T V x xT V x B x                                         (30)    Input:  , Vk x   spe c ifies th e p o se  o f  the robot  at  time k.  T  spe c i f ies the   samp ling time  of  the dead  re ckoni ng sen s o r s.  k V  specifie the velocity of the robot.  k is rudd er an gle .  B is tw o   interaxial wheelbas es . Output:  ,1 Vk x spe c ifies  the pose of t he robot at time k+1.  (2) O b servati on model  ca n  be obtaine d by [16]:    22 ,, , , , () ( )  =    ar ct an iV x k iV y k i k iV y k Vk iV x k xx y x r yx i x xx z                                    (31)    Input:   , ii x y sp ecifi e s th e p o sitio n  coordinate s  of dete c ted  the  i  th landmark features Output:  i r  and  i  respe c tively spe c ifie s the  rang e of the  th landma r feature  relate d to the  robot an d an gle of the  th  landma r k feature related to  the robot direction.     4.2. Experimental Analy s es   In this pape r, it adopts resp ectively the  PF algori t hm, the EPF algorithm,  the UPF   algorith m  an d the SRCPF  algorithm in  the SL AM experim ent, an d comp ares t he experi m e n ta results of fou r  kin d s of alg o rithm. It co mpares  m a inl y  the deviation of the state  estimation  with   the re al path  value, the  sta t e estimatio n   covari an ce, t he po ste r ior  prob ability distribution  and t he  runni ng tim e   and  so  on. I n  orde r to m a ke  the  ex pe rimental  re su lts have  mo re unive rsality, it  take s the av erag e re sult  of the 20 time rep eat ed th e experim ent s final re sult  were compa r i n g   analyzed.         Figure 1. Re sults of the PF-SLAM Algori t hm, the EPF -SLAM Algori t hm, the UPF-SLAM  Algorithm an d the SRCPF - SLAM Algori t hm unde r the Gau ssi an Noise   0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 Ti m e F i lte r  e s tim a te s  vs  T r u e  s t a t e     l a ndm ar k T r ue x P F  e s ti m a te E K F - PF  e s ti m a te U K F - PF  e s ti m a te S R C K F - PF  e s ti m a te Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4206 – 4 214   4212 Figure 1 i s  th e chart  betwe en  state e s timation a nd th e re al p a th va lue deviatio n   that the  PF algo rithm,  the EPF al g o rithm, the  UPF algo rithm  and th e SRCPF algo rithm  are  used i n  t h e   mobile  ro bot  SLAM. Fro m  Figu re  1  sho w n, th e d e viation of th e PF  algo rith m an d the  UPF  algorith m  bet wee n  the  state estim a tion  and the  re al va lue i s  g r eate r  du ring th e fi rst h a lf pe riod  of  the mobile ro bot SLAM. The deviation  of the PF  algorithm bet we en the state  estimation a n d  the   real valu e is the gre a test . The deviati on of  the E P F algorith m  and the S R CPF alg o rith betwe en the state estimati on and the re al value is  rel a tively less. Among then, the deviation of   the SRCPF a l gorithm  bet ween th state  estimatio n   a nd the  re al v a lue i s  the  mi nimum. So, t h e   estimation  a c curacy  of the  SRCPF  algo ri thm is th e hi g hest. T he e s ti mation a c cu racy of th e EPF   algorith m  i s   slightly poo rer  than  that of  the  SRCPF al gorithm, but  t he e s timation  accu ra cy of t h e   EPF algo rith m is  high er t han th at of the  UPF alg o rithm and  the  PF algo rith m. The  estim a tion  accuracy  of the  UKF alg o rithm is  nea r t o  that of  the   EPF algo rith m, but the  estimation a c cu racy  of the UKF  al gorithm i s  hi g her th an that  of the  PF alg o rithm. Th e e s timation  accura cy of the  PF   algorith m  is the wo rst.    The d e viation  of the fo ur  ki nds of alg o rit h ms  between  the  state e s t i mation a nd t he real  value sh ows  a trend of de cre a si ng du ri ng the se co n d  half peri o d  of the mobile rob o t SLAM.  Among th en,  the d e crea sing rate of t he d e viation  of the EPF  algo rithm  b e twee n the   state   estimation a n d  the real value is larger.  It can  be see n  from Figure 1, the deviation of the PF   algorith m  bet wee n  the stat e estimation  and the re al  value is big g e r than that o f  the other three  kind s of algo rithms. The de viation of the SRCP F alg o ri thm betwee n  the state esti mation and th real val ue i s  t he minim u m.  The d e viation  of t he  UPF a l gorithm  between the  state   estimation  an d   the real value  is relatively smaller tha n  that of the EPF  algorith m s.    Hen c e, the e s timation a ccura cy of the SRCP F al gorithm is the hi ghe st. The e s timation   accuracy of t he UPF al go rithm is  sligh t ly poor er th an that of the SRCPF  al gorithm, b u t the  estimation a c curacy of the  UPF algorith m  is hi ghe r than that of the EPF algorithm and the  PF   algorith m . The estimation  accuracy of the EPF al gori t hm is poo r, but the estim a tion accu ra cy of  the EPF algorithm is high er than that of the PF  algorithm. The e s timation a c cura cy of the  PF  algorith m  is t he worst. Th e deviation  of the SR CPF  algorith m  bet wee n  the  state estimatio n   and  the real valu e is always  the minimum  during  all the pro c e s se s of the mo bile rob o t SLAM.  Accordi ng on this, It may obtai ns that  the state estimation  and the stabilit y of the SRCPF  algorith m  is b e tter than tha t  of the other three ki nd s of algorithm s.         Figure 2. The  State Estimates Cova rian ce of t he SRCPF Algorithm  on the X, Y Coordi nate s  of  the Mobile Robot Position  with the State Estima tes Covarian ce of the Late s t UPF Algorithm o n   the X, Y Coordinate s  of the Mobile  Ro bo t Position und er the Ga ussi an Noi s e       It compa r e s   the state  e s timates  cova riance of the  SRCPF  alg o rithm  on th e X, Y   coo r din a tes o f  the mobile robot po sition  with t he stat e estimate s covarian ce of  the latest UP algorith m  on  the X, Y coordi nate s  of  the mobile   robot p o sitio n  in Figu re  2. As Figu re  2   experim ental  re sults, it  shows the  foll owin g an alysis results. From the al go rithm estimati on   pre c isi on an alysis, the state estimate s cova ri an ce  of the SRCPF algo rith m for the X,  coo r din a tes o f  the mobile robot po sition  is relati vely smaller tha n  that of the UPF algorithm. T he  state e s timat e cova ria n ce of th e S R CPF algo rithm  for th e X  co ordin a tes of t he m obile  ro bot  positio n is 0. 5m aro und  smaller tha n  that of  the UPF algorithm.  The state e s ti mates  covari ance   of the SRCP F algo rithm f o r the  Y coo r dinate s   of the mo bile  ro bot po sition i s  0.1m  arou nd  smalle r than t hat of the UP F algo rithm. The e s ti matio n  accu ra cy of the  SRCPF algorith m   for the  10 0 10 1 10 2 0 0. 5 1 1. 5 2 ti m e va r ( x)  c o v a r i a n c e   o f  th e   X - a x i s  s t a t e  e s ti m a te s       S RCP F UP F 10 0 10 1 10 2 0. 5 1 1. 5 2 ti m e va r( y) c o v a r i a n c e  of  t h Y - a x i s  st at est i m a t e     S RCP F UP F Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An SLAM Algorithm  Based  on Square-ro ot  Cubatu r Particle Filte r  (Xuefen g Dai )   4213 coo r din a tes o f  the mobile robot po sition is highe than  that of  the UPF algorithm.  The estimati on   accuracy  of the SRCPF  al gorithm   for th e X coordinat es  of the m o bile robot  po sition i s  hi gh er  than the esti mation a c curacy of the SRCPF al go ri thm for the Y coo r din a tes o f  the mobile robot   positio n.  From the alg o rithm e s tima tion stability analysi s , the stability of th e SRCPF alg o rithm is  better than that of the  UPF  algorithm. Fi gure 3 i s  the  posterior probability dist ribution map of t h e   SRCPF al go rithm and the  UPF alg o rith m. It can be  see n  from  Fi gure 3 , the po sterio r p r ob a b ility  distrib u tion  map of the  SRCPF al gorithm is gentl e r than that  of  the UPF algorith m . Th is is  equivalent to  increa sin g  the pa rticl e  filter di stributio n ra nge i n  th e sa mplin g p r ocess. So, t h e   gene rating  p a rticle  sampl e  by u s ing t he SRCP algorith m  is  clo s er to the  true  po steri o prob ability de nsity dist ribut ion than th at by usin g th e UPF al gori t hm duri ng t he mobil e  ro bot  SLAM.         Figure 3. The Posterior Probab ility Distri bution Map of  the  SRCPF  Algorithm and the UPF  Algorithm un der the G aussian  Noi s e       The data  con t rast s of the system n o ise  and  the ob servation noi se unde r the Gau ssi an   white noi se condition is  sh own in the Ta ble 1. From the run n ing time cont ra st the runni ng time   of the UPF algorith m  is the longe st. The ru nnin g  time of the  SRCPF alg o rithm is relati vely  sho r ter th an  that of the UPF algorith m . The ru nnin g  time of the  EPF algorit hm is  relativ e ly  sho r ter th an t hat of the SRCPF alg o rith m. The ru nni ng time of th e PF algo rith m is the  sho r test.  Becau s e th e SRCPF al gorithm, the UPF algorith m   a nd the EPF a l gorithm joi n  respe c tively the  SRCKF alg o r ithm, the UKF algorithm  and the EKF  algorithm i n  the pro c e s s of gene rati ng   importa nt de nsity functio n .  Duri ng the  pro c e s s of  th estim a tion error co ntra st,  the  error of the   PF algo rithm   is the  big g e s t. The  erro r of  the S RCPF   algorith m  i s   smaller than  that of th UPF  algorith m . The error of the UPF algo ri thm is sm all e r than that of the EKF a l gorithm. So, the  validity of the  SRCPF - SLA M  algorithm i s  verified.       Table 1. The  Data Contra st of the Syste m  No ise and  the Observati on Noi s e u n d e r the Ga ussi an  White Noise Condition  SLAM Run  time  precision    Gm/t   PF  1.3125s  First-Order Accur a te   5.2356   EPF  2.0741s  First-Order Accur a te   4.2651   UPF  4.8643s  Second-Order  A ccurate  3.6952   RCPF  3.5271s  Second-Order  A ccurate  3.1256       Here, Gm/t is  the root mean s q uare er ro r of the map estimation  re spe c tively.      5. Conclusio n   In this  pap e r , the S RCP F-SLAM  alg o rithm i s   propo sed.  This algo rithm  whi c h i s   estimating  th e robot  po sition a nd  upd ating the  la n d m ark info rma t ion ha s th more  effect than   the PF al gorit hm, the EPF  algorith m  a n d  the  UPF  al g o rithm. T he i m porta nce d ensity fun c tio n  is  0 5 10 0 10 20 0 0. 5 1 P a r t i c l e   F i l t er  ( U K F  pr opo sal ) y t Ti m e  ( t ) p( y t |y t- 1 ) 0 5 10 0 10 20 0 0. 5 1 x t Ti m e  ( t ) p( x t |x t- 1 ) 0 5 10 0 10 20 0 0. 5 1 P a r t i c l e   F i l t er  ( S R C K F  p r o posal ) y t Ti m e  ( t ) p( y t |y t- 1 ) 0 5 10 0 10 20 0 0. 5 1 x t Ti m e  ( t ) p( x t |x t- 1 ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4206 – 4 214   4214 the impo rtan t factor  of the pa rticl e  filter s re sam p l e Wh ether can   de sign  rea s on ably  t h e   importa nt de nsity fun c tion , it impact s  di rectly o n  the  perfo rman ce   of parti cle filt er. Th e alg o ri thm  fuse th e late st mea s u r em ent informati on in th sta ge of the  pri o r di strib u tio n  upd ated  of the  particl e filter  SLAM. It designs im po rta n ce  den si ty func tion by SRCKF  (Squ a r e-root Cub a ture  Kalman Filter) that is mo re  close to the  poste rio r  den sity, and it sp read s t he  squ a re root of st ate  covari an ce.  So, the algo ri thm en sures  the symme t r y and the  po si tive semi-defi n itene ss  of the  covari an ce  matrix and improve s  nu meri cal e s ti mation preci s ion a nd sta b ility. And th at the  SRCKF al gorithm decrea s es the mo bil e  rob o SLAM algorith m  runni ng time  whe n  co mpa r ed   with the UPF  algorith m . So, the algorith m  has  more  real-time  com parin g with th e UPF alg o rit h m.   The paper  consi ders t he operational  efficiency, the accu racy  and the  st ability of these   algorith m s. T he SRCPF a l gorithm i s  a  better way  that can imp r ove pa rticle  filter algorit hm  related to the  PF algorithm,  the EPF algorithm and the  UPF algo rith m.      Ackn o w l e dg ements    This  wo rk i s   sup porte d by  the Postg r ad uat e technol o g y innovation  proje c t Fu nd s of the  Qiqiha r University, Heilon g jiang P r ovin ce G o ve rnme nt, China, u n der  Gra n t YJSCX201 3-0 3 0 X.  The  autho rs also  gratef ully ackn owl edge  the  he lpful comme nts a n d  sug gestio n s of  the   reviewers, wh ich have im p r oved the pre s entation.       Referen ces   [1]  Bailey  T ,  Durrant-Why te  HF. Si multaneous localiz ation and mapping (SLAM):  Part II, Sta t e of the art .   IEEE Robotics  and Auto matio n  Maga z i ne.  2 006; 13( 3): 108 -117.   [2]  T h run S, Liu  YF , Koller  D, et al. Sim u lta neo us l o cal i za tion a nd m a p p in w i t h  sp arse e x te nd e d   information filters.  Internation a l  Journ a l of Ro botics Res earc h .  2004; 2 3 (7/8 ): 693-71 6.  [3]  Dissan a y ak e MW MG, Ne w m an P, Clark S, et aI.  A solution to the si mu ltan eous l o cation a nd  ma p   buil d i ng (SLAM )  probl e m T he Univers i t y   of Syd n e y . 20 06.   [4]  Douc et A de F r eitas N, Murph y  KP, Russ ell SJ.  Rao-B l ack w e llise d  p a rticle filter ing  for dyna mi c   Bayesi an net- w orks . Proceedin g s of the 16th Confer enc e on Un c e rtai nt y  in Artifici al  Intellig enc e .   Stanford, USA: Morgan Ka uf mann Pu blis he rs. 2000: 17 6 183.   [5]  Montemer lo M,  T h run S, Koll er D, W e g b reit  B.  F a st SLA M : a factored   soluti on to  the  simulta n e ous   local i z a ti on a n d  mapp in g pr obl e m . Proceedings of the AAAI Nation al Conference on Artificial  Intelli genc e. Edmonto n , Can ada: Spri ng er. 200 2: 1 6.  [6]  Montemer lo M,  T h run S, Kolle r D, W egbreit B.  F a st SLAM  2.0: an i m pr ov ed  partic l e filte r ing a l gor it h m   for simu ltan eo us local i z a ti on  and  map p in g that provab ly conver ges .  Proceed ings  of the 16t h   Internatio na l Joint Co nfere n c e  on Artificia l  Intelli ge nce. Ac apu lco, Me xico : Springer. 20 0 3 : 1151 11 56 [7]  Vand er Mer w e  R, W an EA.   T he so nare-r oot u n scente d  Kal m a n   filter  for state a n d  para m eter- estimation . Proceedings of t he IEEE In ter national Conference  on Ac ou stics. Speech and Signal  Processing, Piscat a w ay , NJ, USA IEEE. 2001: 346 1-3 464.   [8]  Ito K, Xion g K .  Gaussia n  filt ers for  non lin e a r filteri n g  pro b lems.  IEEE  Transactions on Automat i c   Contro l.  200 0; 45(5): 91 0 9 27.  [9]  Hon g ji an W a n g , Guixia F u , Xi nq ian Bi an,  Juan L i . SRC K F  Based Si multan eous  Lo calizati on a n d   Mapp ing of Mo bile R o b o ts.  Robot . 20 13; 35( 2): 200-2 07.   [10]  Arasaratn a m I, Ha ykin  S. C u bature K a lma n  filter.  IEEE Trans, on A u tom a tic c ontrol.  200 9; 54(6):   125 4-12 69.   [11]  Jin Mu,  Yua n li   Cai.  S quar e R oot C ubat ure K a l m a n  F ilter  Al gorith m  an d A p plicati o n . Ordnance Industr y   Automatio n . 20 11; 30(6): 1 1 -1 4.  [12]  Kang  L,  Xi e W X , H u a ng J X T r acking of i n frared  sm all  tar get b a sed  o n   unsce nted  part i cle fi lterin g.   Systems En gin eeri ng an d Ele c tonics.  200 7; 29(1): 1-4.   [13]  F eng S un, L iju n T ang.  Cu bat ure p a rticl e  filt er.  Systems  E ngi neer in g a n d  Electron ics . 2 011;  33(1 1 ):   255 4-25 57.   [14]  Z O U Guo hui,  JING Z hong  lian g HU H o n g -tao. A Partic le F ilter Al gori t hm Based  on  Optimizin g   Combi nati on R e samp lin g.  Jou r nal of Sha n g h a i Jia o  tong U n iversity.  200 6; 50(7): 11 35- 11 39.   [15] Z uguo   Ch en,  Xu efen Dai,  Lai hao  Ji ang,   Cha o  Ya ng, B i ao  Ca i. Ad ap tive Iterated  S quar e-Ro o t   Cub a ture K a l m an F ilter  an d  Its Applicati o n to SLAM  of a Mob ile  Ro bo t.  T E LKOMNIKA Indon esi a n   Journ a l of Elec trical Eng i ne eri ng.  201 3; 11(1 2 ): 7213 –  722 1.  [16]  Mei W u , F u jun  Pei. Improved   Distributed Pa rticle F ilter for Simu lta neo us Loca lizati on a n d Mappi ng.   T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri ng.  2013; 1 1 (12):  761 7 – 76 26.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.