TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 1, Janua ry 201 5, pp. 145 ~  150   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i1.671 2          145     Re cei v ed Se ptem ber 18, 2014; Revi se d Octob e r 26,  2014; Accept ed No vem b e r  20, 2014   A Breeding Estimated Particle Filter Research       Xiong Fang   Exp e rim ental  Center, Hu na n Internatio na l Econom ics Univ ersit y   Cha ngsh a , Chi na, postco de: 410 20 5   email: matl ab_ b y s j @com.co m         A b st r a ct   As the  nor ma l partic l e  filter  has  an  ex p ens iv co mpu t ation an d e gen eracy pro b le m, a   prop agati on- pr edicti on particl filter  is  prop osed. In  this s c he me,  particl es after tra n sfer are  pr opa g a t e d   und er the dist ributi on of  state noise, an d  then the pr o duce d  filia l pa rticles  are us ed to predict  the  corresp ond in g pare n t particle  referrin g  to me asure m en t, in w h ich step the  new est meas ure infor m ation  i s   add ed int o  esti mati on. T heref ore pre d icted  particl e w oul be clos er to the true st ate, which i m pr oves  the  precisi on of pa rticle filt er. Experi m e n t result s have prov ed  the e fficiency  of the algorith m  an d the gre a t   pred o m in anc e in little p a rticle s case.    Ke y w ords : state estimation, p a rticle filter, pa rtic le de gen era cy, importa nce  dens ity functio n   Copy right  ©  2015 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   Particle filter  method [1] th e optimal Ba ye s filtering  a nd Monte  Ca rlo samplin method evolved, the  core ide a  i s   to sp rea d  in  the  state  spa c e u s in g a  set of ran dom  sam p le s wit h   associated weights to ap proximate the  posteri o probabilitydensity, the mi nim u m  variance of t h e   sampl e  m ean  inste ad  of th e integ r al  op eration,   to o b t ain state  e s ti mates.  Du e t o  the  limitatio ns   of the pa rticle  filter is  not li near an d noi se  Ga u ssi an assumptio n s in  the  field of non-li nea r,  n on- Gau ssi an oc ca sion s su ch   as   t a r get tracking,  sig n a l  processing,  autom atic  control  ha b een   widely u s ed.  However, the stand ard p a rticle filt er  wide sp rea d  large a nd pa rticle deg rad a t ion  probl em, whi c h the particle de gradati on will largely impact t he estimation accuracy and  robu stne ss of  the pa rticle fi lter. In ord e r t o   solve th e p a rticle  deg ra d a tion proble m , the poste rio r   probability distribution cl oser  to the importance of the  probability density function.   Do ucet   et al  [3]  extended Ka lman filter  (EKF) to gen erate th im portan c de nsity functio n , however  EKF  introdu ce s m o re erro in  the  mod e li neari z at io n a nd n o ise G a ussian  a s su mptions,  so   th e   improvem ent  effect is not  very satisfa c tory.  Mer w e and  D oucet  [4 ] propo sed  u s ing u n sce n ted   Kalman filter (UKF ) in ste ad of the EK F pro d u c e s  t he imp o rtan ce den sity fun c tion, to o b ta in   highe r estim a tion accuracy , but also gre a tly increa se  the amount of  computatio n. In addition, the  method u s ed  to generate  the importan c e den sity  Gauss - the Hermitian filter method [5],  the  state pa ram e ter de co mpo s i t ion and a nne aling  coe fficie n t method [6] ,  nonlinea r int e ra ctive multi - model  app ro ach  [7], the  se con d -o rd er ce ntral  di fferen c e filte r in g metho d  [8]  and  qu adrature   Kalman filter  (QKF) [9]. In  varyi n g  de gr ee s ,  th es e me th o d s  impr o v e th e  pr ec is io n o f  th e   p a r t ic le   filter, but also redu ce the  real-time na ture of  the algorithm. In this pap er, the probl ems  of  existing p a rti c le filtere d  al gorithm  pro p o se d breedi n g  to improve  the estimate d  accuracy of  th e   particl e filter the e s timated   particl e filter  at the  sam e  t i me ta king  i n to a c count th e  re al-time,  an d   achi eved go o d  results.       2. Principles of Particle Filter  Con s id er the  gene ral no nli near  system,  the  state eq uation an d o b se rvation eq uation is  as  follows :     1 (, ) (, ) kk k k kk k k f h  xx u zx v       ( 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  145 –  150   146 Whe r e,  k x  is the system  stat e vector  k z  for the sy stem of  observation v e ctors,  k u  and   k v , res p ec tively, for s y s t em s t atus  tran sfe r  of noise an d obse r vation  noise,  () k f  and  () k h respe c tively, for the tran sfe r  of  the  state  of the syste m  and o b se rvat ion fun c tion s.The pu rp ose  o f   the filtered  i s  to  estim a te the  state i n format io can n o t be  di rectly o b tain ed by  ob serving  assumptio n to estim a te t he a m ount  o f  the fun c tion   0: () k g x  of th syst em  state.Du e  to the   gene ral no nli near  system s, the posterio r  pro bability  0: 1 : (| ) kk p xz  is not easy to see k  an ea sy  sampli ng a n d  with simil a r po sterio r p r obability dist ribution in stea d of  0: 1 : (| ) kk p xz  sampli ng  assumptio n   0: 1 : (| ) kk q xz 0: () k g x  by the following equ atione stimate:     0: 0 : 0: 0: (( ) ( ) ) [( ) ] (( ) ) kk k k kk Eg w Eg Ew xx x x       ( 2 )   1: 0 : 0 : 0: 0: 1 : (| ) ( ) () (| ) kk k kk kk pp w q zx x x xz     Estimates  using the Mo nte Ca rlo m e thod to  samp le from the  referen c dist ributio n   0: 1 : (| ) kk q xz 0: () k g x  mathemati c al expectatio n   () () 0: 0 : () () 1 0: 0 : 0: () 1 0: 1 1 () () ( ( ) ) () () 1 () N ii kk k N ii i k kk k N i i kk i gw N Eg g w w N  xx xx x x     ( 3 )   () () () 0: 0: 0: 1 () ( ) () N ii i k kk k k k i ww w xx x     Whe r e,  () 0: i k x  is the i-th sam p li ng parti cle s . If the state estimation p r o c e ss fo r opti m a l   estimation, th e refe ren c distrib u tion d epen ds  only on the p r ob a b ility density function  of  1 k x   and  k z , and therefore ca n ge t the right values  recursive  form:    () () () () () 1 0: 1 0 : 1 () () 11 : (| ) ( | ) () ( ) (| , ) ii i ii kk k k kk k k ii kk k pp ww q  zx x x xx xx z       ( 4 )     Whe r e,  () (| ) i kk p zx  calle d the likeliho od an d cha r a c teri zation  of  the i-th p a rti c le from  state  1 k x  to  k x  an d the  deg ree  of si milarity;  system atic o b se rvation  va lue  k z () () 1 (| ) ii kk p xx   transition probability of  the i-th particl e state  1 k x  to  k x     3. Particle Filter Problem   U n de r  no r m al c i rc u m s t a n ce s ,  a fte r  s t eps  ite r ative re cursio n, most  of the particles a r the right wei ght become s  very small, and only a fe w pa rticle s h a ve a gre a ter weight. Thi s  will  make  a larg e  numbe r of calcul ation s  wasted in the s e small  weig hts pa rticle are alm o st zero,  and its  co ntribution to th e app roximat i on po ster i o r prob ability distrib u tion.Usually effe ctive  sampl e  si ze  N eff  measure  of the degre e  of degrad atio n of the algori t hm.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Breeding E s tim a ted Particle Filter  Re search (Xio ng  Fang 147 * 1v a r ( ) eff i k N N w       ( 5 )   Whe r e,  *( ) ( ) ( ) 1 (| ) / (| , ) ii i i kk 1 : k k k k wp p xz xx z  is cal l ed "true weig ht".The effective sample  siz e  ca n not  be st ri ct ly  cal c ul ate d , but its estim a ted value:     2 1 1 () ef f N i k i N w         ( 6 )     Whe r e,  i k w  is the form ula  (4) defin es a  regul ar  wei ghts.  eff N  degra dation of the  smalle particl es mea n s m o re  seve rity. [3] prove d  that wi th th e pa ssage  of  time, the variance of  weig ht  will increa se,  therefo r e the  degr adatio n p henom ena  ca n not be avoi ded.       4. The Repr o ductiv e  Estimated Par t ic le Filter   Solve the de grad ation  pro b lems comm only used  re sampli ng  prin ciple, the  ba sic idea :   Whe n  the p a r ticle  set de g r adatio n bel o w  a  certai n thre shol d (su c h as  eff N ), the weight of the  particl es  ba sed on the im portan c of sampling  re sa mpling to ge nerate  a ne w set of su pp ort  points  ' 1 () iN ki x , to  the phase-out of the right value of  low particle, the  value of the right o f   retention  of  the hig h  p a rticle, the r eby  limiting the  deg rad a tion  phe nome n a .  Re sam p lin particl es, ho wever, is n o  longe r inde pe ndent, high -weight parti cle s  are  copi ed  many times, and   low weight particles gradually di sap pea r. After several iteration s , all parti cles  a r e collap s ed t o  a  point, resultin g in a dilution  of the sampl e T o   s e lec t  ap pr o p r i a t e   c l os e to  th e tr u e  d i s t ributio n of  the im porta nce of the   state  of the   system d e n s i t y function is  anothe r com m on meth od  to solve the d egra dation  problem s. Usu a lly  usin g EKF a nd  UKF be   update d  on   the current  particl e, but  becau se of i t s o w n filteri n g   estimation lin eari z ation of  nonlin ear  systems, and the r efore una ble  to get rid  of the limitations of  lineari z atio essentially. T he  same  time  to ma ke   u s of EKF an UKF ea ch  pa rticle, p r ofile, th us  greatly in crea sing th e amo unt of ca l c ul a t ion of the filtering  process,  is not cond u c ive to re al-ti m e   requi rem ents occa sio n s a pplication s Use oth e r m e thod s [5 -9]  to gen erate  the imp o rtan ce   den sity function will al so a ppea r the sa me pro b lem.   To  this end, this  pa per prese n ts  a ba sed  on th e th e estimate particl e filter  bree ding  method s. Pro posal di stribu tion due to th e tran sfer  of a prio ri a s  cu rre nt ob serva t ion inform ation   is mi ssi ng, the estimated  accuracy  of  t he standard particl filter.  This arti cle  will be transferred  into the l a te st ob se rvatio n information  get the  pa rticle  referen c e to the  ob served val ue  to   reproduce estimates, the  posteri or  probability  di stri bution of  the particle di stribution to better  reflect the tru e  situation, to  improve the  accu racy of the estimate of the particle  filter.  The  ne w al g o rithm to  re prod uce th particl es in st ead  of u s ing  a  normal  G aussia n   distrib u tion, b u t the state t r an si tion n o ise distri bution  stand ard  br e eding parti cle   distrib u tion. In   this ma nne is mo re i n  li ne  with the  actual  si tuati on, an d thu s  also can  achieve a  high er  accuracy  tha n  the  Ga ussi an di stri butio n. Particl e s (known a s  th mother pa rticl e s) after tra n s fer  to rep r o d u c e,  and  then  use the  estimat e , of the  pro p agation  of pa rticle s o n  the   mother pa rticl e can  be o b tain ed a n e w e s timate of the  mother  pa rtic l e s. Th ese Estimate parti cl es into  the lat e st  observation  i n formatio n, a nd the r efo r more  a c cu rat e ly refle c t th e true   state  of the  syste m Finally, using the estimat ed part icle estimate the  state will be  able to get  a more  accurate   estimate of th e state. Rep r odu ction e s ti mated pri n ci p l e is sh own in  Figure 1.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  145 –  150   148   Figure 1. The  i-th particl e p r opa gation fo recast p r o c e ss      From Fig u re  1, we ca n un derstand the  particl es fo r repro d u c tion, due to the di fferent  distan ce s a w ay from the real va lue of  each proge n y  particle s , so the weight  is not the  sa me.  After usin g p r oge ny parti cles  weighte d   estimate s obt ained m o ther particl es  clo s er to th e tru e   value. The particle s  multi p ly the number doe s not  h a ve to generally take 10 to 20 can a c h i eve  good results. Breedi ng e s timate parti cle  filter algorith m  step s are a s  follows:   Breedi ng e s timate parti cle  filtering algo ri thm:   1) Syste m  ini t ialization.  = 0,  a s  the  i n itial set of  p a rticle s ba se d on  the  wei ght of th e   initial importa nce d e n s ity sampling of N  particl es  {, 1 / } i k N  x 2) Parti c le up dates.L et k = k + 1, the p a rtic le s a c cording to the transfe r fun c tio n  of the  system  state is upd ated:     1 (, ) ii kk k k f xx u         ( 7 )     3) Pa rticle  propag ation.According  to th e syste m  to t r an sfer th e di stributio n of t he noi se  of the curre n t particle s  repro d u c tion, simult an eou sl y calculate t he weig ht of each proge ny  particl es a nd  is normali zed ,  i.e. on  1, 2 , , c cN   ic i kk k  xx u         ( 8 )       (| ) ic ic kk k wp zx 1 c N ic ic ic kk k c ww w       ( 9 )     4) Pa rticle  estimates.Bree ding p r og eny  parti cl es wei ghted e s timat e s of  cu rre nt  particl e,  the estimated  value of the curre n t particl e:    1 ˆ c N ii c i c kk k c w  xx         ( 1 0 )     5) After the e s timate of the  likeliho od val ue  cal c ul ation  according to  the observe d weig ht  of each p a rticle, and norma lization:     1 ˆ (| ) ii i kk k k ww p zx 1 i N ii k kk i ww w       ( 1 1 )     6) State esti mation.According to the estima te s of particle  wei ght estimatio n  system   status valu es:     1 ˆ ˆ N ii kk k i w xx         ( 1 2 )     7) Using Equ a tion (6 eff N .If  ef f th r e s NN the resamplin g, and the weights of all the   partic l es  is  res e t to 1 / N.  8) Re peat ste p s 2 to 7.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Breeding E s tim a ted Particle Filter  Re search (Xio ng  Fang 149 5. Algorithm Validation   In orde r to ve rify the effectiveness of the  al gorithm, th e stan dard p a rticle filter  (with re - sampli ng  ste p  estimate  particl e filter) and  the  bree ding of  this pap er,  a comp ara t ive   analysi s .Refe r en ce s a   cla ssi example  he re, th e  st ate eq uation  and  ob se rvation e quatio n,  r e spec tively:    1 1 2 1 25 0.5 8 c o s[ 1.2( 1 ) ] 1 k kk k k x x xk u x        ( 1 3 )   2 0.05 kk k zx v          ( 1 4 )     Among them , the state n o ise  2 ~( 0 , ) ku uN ,and o b s ervatio n  noi se 2 ~( 0 , ) kv vN , 22 1 uv   . Simulation  particl e n u mb er 5 0  is  sel e cted,  the num ber  of pa rticl e s of  pro pag ation   10, the  50  iteration s  of th e two  al gorit hms,  re spe c ti vely, to obtai n si mulatio n   results sho w n in  Figure  2.  Fi g u re 3 sho w s the  er ro cu rve of the t w o  algo rithm s . As  can be se en,  the stan d a rd   particl e filter  due to in suffi cient  simulati on samp le prod uced la rge erro rs , m any of the st ate's  estimated  ve ry accu rate.  The p r op ose d  algo rith can well e s tim a te the  state  of the sy stem,  althoug h the numbe r of pa rticle s is very  small,  but still  achieve d  a h i gh estimate  of effect.        Figure 2. State estimated e ffect of the two  algorith m Figure 3. Co mpari s o n  of two alg o rithm s   es timate error                             In this pape r, the filtering estimate the  root mean  squa re erro r (Root Mea n  Square   Error, referred to as  RMS E ) to measure  the accuracy of filtering its definition:     1/ 2 1 1 ˆˆ RM S E ( ) ) MC N ii kk k i MC N  x( x x       ( 1 5 )     RMSE value  is l o wer, th e hig her the   accuracy. T h e nu mbe r  of  pa rticle we re ta ke 50,100 ...... 4 00, breeding  the number  of particl es i s  still set to 10, two algorithms  simulati on  RMSE values were  cal c ulat ed in a differe nt numbe r of particl es.    As ca n be  seen from T a ble 1 the the  prop agation  estimate the  runni ng tim e  of the   particl e filter (PGPF) is  2 to 3 times of the st an dard p a rti c le  filter (PF). This i s  estim a ted   prop agatio due to the  pa rticle s, thereb y incre a si ng t he amo unt of  comp utation.  In comp ari s o n the EKF and  UKF filtering   algorith m  to  predi ct the  p a rticle  (respe ctively referre d  to as th e E P F   and UPF) wi ll  con s um e more co mput ing  re so urce s,  whil con s ide r abl a c curacy with the   prop osed  alg o rithm. T herefore,  bre edi ng e s timate   particl e filter  to improve fil t ering  a c cura cy  while al so ta king into acco unt the  real -time nature of the algorith m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  145 –  150   150 Table 1. Vari ous p a rticl e  filter algo rithm  runni ng time  comp ari ng (si m ulation len g t h 50)  Algorithm  Run time (unit: s e conds)  N =50  N =100   N =200   N =300   N =400   PF 0.0196   0.0239   0.0387   0.0584   0.0851   PGPF  0.0429   0.0686   0.1240   0.1862   0.2504   EPF 0.0534   0.0947   0.1703   0.2737   0.3735   UPF  0.0938   0.1736   0.3098   0.4892   0.6103           6. Conclusio n s and Ou tlo o k   In this paper, the proble m  of the degrad ation  of the pre s en ce  of particle filter the  estimated p a r ticle filter p r opo sed b r ee ding imp r ove d  at the sam e  time taking  into account  the   real -time filtering a c cu ra cy. Simulation results  sho w  that the f iltering p e rfo r man c of the  algorith m  wh en signifi cant  chang es in t he numb e of  particle s  is a l ways  stable.  The advanta g e   of breedi ng e s timate parti cle filter highe r filteri ng accura cy and co mputational e fficiency is al so  high, b a si call y to a c hieve  re al-time  re quire ment s with  fe we p a rticle s. Ho w e v e r, with  th increa se in th e numb e r of  state dime nsi on in t he  ca se of rep r od uction of pro g e n y particl es f e will affect the accuracy of the  filter; thi s   probl em has  not yet been  verified. Breeding in the hi gh- dimensional state the estim a ted parti cle filter  will be the next step in t he research  direction.       Referen ces   [1]  Che n  Z .  Ba y e s i an F ilteri ng F r om Kalma n  F ilter to Particle F i lt ers, and Be yo nd. 200 3.   [2]  Can d y  JV. N onli n e a r Statis tical Si gn al Pr ocessi ng - A   Particle F i lteri ng Ap pro a ch.   Im aging for  Detectio n an d I dentific atio n.  2007; 12 9-1 50.   [3]  Douc et A, Godsill S, Andri eu  C. On sequent ial Mont e Carl o sampli ng me thods for Ba ye sian filteri n g .   Statistics and  Co mp uting.  2 0 00; (10): 19 7–2 08.   [4]  Mer w e RVD, D oucet A. T he U n scente d  Parti c le F ilter. Cam b rid ge: Cambr i dge U n ivers i t y ,  2000.   [5]  Yuan Z e -Ji an,  Z heng Na nni ng, the Gu Xi nc hu n. Gaussi an - Hermitia n  particl e filte r Journal o f   Electron ics.  20 03; 31(7): 9 70- 973.   [6]  Du Z hen gco n g ,   T ang Bin, Lee  can. H y brid a n nea led  particl e filter . Physics.  200 6; 55(3): 99 9-10 04.   [7]  LU Na, Z u -R en  F eng. Non l i n e a r inte ractiv e p a rticle filter  alg o rithm.  Contro l  and D e cisi on.  200 7;  22(4) :   378- 383.   [8]  Shi Yon g , HA N Cho ng. Ce ntre secon d -or der diffe re ntia l  particle filter  algor ithm. Xi' an Jia o ton g   Univers i t y . 2 0 0 8 ; 42(4): 40 9-4 13.   [9]  W u  Chu n l i ng,  HAN C h o ng.  Quadratur e K a lman  partic l e f ilter a l g o rithm.  Xi' an J i a o ton g  Un iversit y .   200 9; 43(2): 26 -42.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.