基于fpga的樣本重要性重采樣粒子濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種基于FPGA的樣本重要性重采樣粒子濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)方法，所述方法如下：(1)粒子生成模塊用于接收輸入向量生成粒子后分別輸出至粒子更新模塊、重采樣模塊；(2)粒子更新模塊用于對(duì)步驟(1)生成的粒子進(jìn)行更新即權(quán)值計(jì)算和權(quán)值歸一化后輸出至重采樣模塊；(3)重采樣模塊用于對(duì)步驟(2)所述更新后的粒子或者步驟(1)生成的粒子進(jìn)行重采樣過(guò)程和狀態(tài)更新后反饋至步驟(1)粒子生成模塊；(4)輸出生成模塊用于對(duì)步驟(2)所述更新后的粒子或者步驟(1)生成的粒子進(jìn)行數(shù)據(jù)生成輸出。
【專利說(shuō)明】基于FPGA的樣本重要性重采樣粒子濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)的粒子濾波算法的硬件實(shí)現(xiàn)方法，采用數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的模塊級(jí)流水線設(shè)計(jì)方法，屬于非線性系統(tǒng)濾波和電子【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]粒子濾波是一種基于蒙特卡羅方法和遞推貝葉斯估計(jì)的統(tǒng)計(jì)濾波方法，適用于任何能用狀態(tài)空間模型以及傳統(tǒng)的卡爾曼濾波表示的非高斯背景的非線性隨機(jī)系統(tǒng)。
[0003]但是粒子濾波存在粒子退化、粒子多樣性喪失、粒子數(shù)與計(jì)算復(fù)雜度同比增長(zhǎng)等問(wèn)題。另一方面，粒子濾波算法比較復(fù)雜，運(yùn)算量比較大，從而使得粒子濾波的實(shí)時(shí)性很差，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用?？紤]到各粒子的獨(dú)立性及其操作的并行性，硬件實(shí)現(xiàn)不失為提高粒子濾波實(shí)時(shí)性的有效途徑之一。目前，絕大部分粒子濾波文獻(xiàn)是關(guān)于其理論研究和算法仿真的，而關(guān)于其硬件實(shí)現(xiàn)的則很少。粒子濾波器在硬件系統(tǒng)上的應(yīng)用還只是初級(jí)階段，而粒子濾波器從理論、算法研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的過(guò)程中，硬件實(shí)現(xiàn)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著粒子濾波算法的深入研究和嵌入式微處理器技術(shù)的發(fā)展，使粒子濾波算法的硬件實(shí)現(xiàn)成為可能。
[0004]可重構(gòu)計(jì)算最早由加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的Estrin教授于1962年提出?？芍貥?gòu)計(jì)算是指使用集成了可編程硬件的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，并且可編程硬件的功能可由一系列定時(shí)變化的物理可控點(diǎn)來(lái)定義，其計(jì)算硬件結(jié)構(gòu)可以改變(可重構(gòu))。上世紀(jì)70年代末，Suetlana P.等人提出了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)的概念，研究在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)的局部進(jìn)行重構(gòu)，改變其配置，提高了系統(tǒng)性能和資源利用率。20世紀(jì)90年代末，隨著FPGA技術(shù)的進(jìn)一步成熟，F(xiàn)PGA成為可重構(gòu)計(jì)算的主流硬件平臺(tái)，很多算法(如卡爾曼濾波算法)都出現(xiàn)了基于FPGA的硬件計(jì)算方法。目前，F(xiàn)PGA器件已支持更加先進(jìn)靈活的動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了提高硬件實(shí)現(xiàn)粒子濾波算法的計(jì)算效率和精度，提出一種基于FPGA的樣本重要性重采樣粒子濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)方法，應(yīng)用FPGA設(shè)計(jì)粒子濾波算法的各個(gè)模塊，從而為工程應(yīng)用中復(fù)雜粒子濾波算法的高效計(jì)算和硬件實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，提供一種新穎的解決思路。
[0006]本發(fā)明基于FPGA的樣本重要性重采樣粒子濾波器(Samples ImportanceResampling Particle Filter一SIRF)的硬件實(shí)現(xiàn)方法,所述粒子濾波器包括粒子生成模塊、粒子更新模塊、重采樣模塊和輸出生成模塊，其中:
[0007](I)粒子生成模塊用于接收輸入向量生成粒子后分別輸出至粒子更新模塊、重采樣模塊；
[0008](2)粒子更新模塊用于對(duì)步驟(I)生成的粒子進(jìn)行更新即權(quán)值計(jì)算和權(quán)值歸一化后輸出至重采樣模塊；
[0009](3)重采樣模塊用于對(duì)步驟(2)所述更新后的粒子或者步驟(I)生成的粒子進(jìn)行重采樣過(guò)程和狀態(tài)更新后反饋至步驟(1)粒子生成模塊；
[0010](4)輸出生成模塊用于對(duì)步驟(2)所述更新后的粒子或者步驟(1)生成的粒子進(jìn)行數(shù)據(jù)生成輸出。
[0011]步驟(1)所述粒子生成模塊所有輸入輸出都是M維(M = 4)向量，且緩沖控制器的參數(shù)相同。
[0012]所述重采樣模塊所有的輸入輸出數(shù)據(jù)都是M維的。
[0013]步驟(2)所述的粒子更新模塊分成三個(gè)處理模塊:PU1、PU2和PU3 ；
[0014]PUl處理模塊接收來(lái)自粒子生成模塊的輸入，將輸出M維臨時(shí)數(shù)據(jù)tPU1輸送到PU2處理模塊；
[0015]PU2模塊接收來(lái)自PUl處理模塊的M維臨時(shí)數(shù)據(jù)七^(guò)和外部觀測(cè)輸入(z(n))進(jìn)行權(quán)值計(jì)算形成輸出流tPU2,同時(shí)生成權(quán)值累加值sum ；
[0016]PU3處理模塊接收來(lái)自PU2處理模塊的輸出流tPU2和權(quán)值累加值sum進(jìn)行權(quán)值歸一化，然后將標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重w存儲(chǔ)在輸出緩沖區(qū)，并輸出至重采樣模塊以及粒子生成模塊。
[0017]步驟(4)所述的輸出生成模塊標(biāo)準(zhǔn)化輸出為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于FPGA的樣本重要性重采樣粒子濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述粒子濾波器包括粒子生成模塊、粒子更新模塊、重采樣模塊和輸出生成模塊，其中: (1)粒子生成模塊用于接收輸入向量生成粒子后分別輸出至粒子更新模塊、重采樣模塊； (2)粒子更新模塊用于對(duì)步驟(1)生成的粒子進(jìn)行更新即權(quán)值計(jì)算和權(quán)值歸一化后輸出至重采樣模塊； (3)重采樣模塊用于對(duì)步驟(2)所述更新后的粒子或者步驟(1)生成的粒子進(jìn)行重采樣過(guò)程和狀態(tài)更新后反饋至步驟(1)粒子生成模塊； (4)輸出生成模塊用于對(duì)步驟(2) 所述更新后的粒子或者步驟(1)生成的粒子進(jìn)行數(shù)據(jù)生成輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的樣本重要性重采樣粒子濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于步驟(1)所述粒子生成模塊所有輸入輸出都是M(M = 4)維向量，且緩沖控制器的參數(shù)相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的樣本重要性重采樣粒子濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述重采樣模塊所有的輸入輸出數(shù)據(jù)都是M(M = 4)維的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的樣本重要性重采樣粒子濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于步驟(2)所述的粒子更新模塊分成三個(gè)處理模塊:PU1、PU2和PU3 ； PUl處理模塊接收來(lái)自粒子生成模塊的輸入，將輸出M維臨時(shí)數(shù)據(jù)tPU1輸送到PU2處理模塊； PU2模塊接收來(lái)自PUl處理模塊的M維臨時(shí)數(shù)據(jù)tPU1和外部觀測(cè)輸入(z (η))進(jìn)行權(quán)值計(jì)算形成輸出流tpffi，同時(shí)生成權(quán)值累加值sum ； PU3處理模塊接收來(lái)自PU2處理模塊的輸出流tPU2和權(quán)值累加值sum進(jìn)行權(quán)值歸一化，然后將標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重w存儲(chǔ)在輸出緩沖區(qū)，并輸出至重采樣模塊以及粒子生成模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的樣本重要性重采樣粒子濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于步驟(4)所述的輸出生成模塊標(biāo)準(zhǔn)化輸出為:
M 凡=1/眉 Σ.ν (噸V ]("0 其中:ux為輸出生成模塊的輸出變量；sum為權(quán)值和；tPU2為PU2模塊的輸出。
【文檔編號(hào)】H03H17/02GK104009733SQ201410211522
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】朱志宇, 吳將, 王彪, 李陽(yáng), 沈舒, 陳迅, 薛文濤, 黃巧亮, 戴曉強(qiáng) 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)