交互式多模型IMM算法实现难点——模型维数不同(基于CVCTCA模型的IMM算法)

交互式多模型IMM算法实现难点——模型维数不同

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基于IMM机动目标跟踪算法设计最重要的核心部分主要包括:

  1. IMM框架
  2. 滤波器选择:(这里基于UKF)
  3. 目标运动模型:(这里基于CV CT)

1. 难点分析

针对机动目标跟踪问题,如果交互式多模型IMM框架、如模型转移概率、模型集合以及模型概率初始等确定时,IMM算法的实现(设计)主要存在两大难点:

1- 非线性滤波器的选择和集成

2- 模型集合多样、不统一
在IMM算法设计中,模型多样最直接的一个问题就是戈尔戈模型的状态维数不同,而IMM 的总体(混合)估计却只存在一个统一的状态维数,因此这就导致了很多模型组合不能直接适用于IMM 算法中。

以二维目标为例,CV模型的状态维数4,而CA模型的状态维数6,CT模型的状态维数存在两种情形4和5,singer模型状态维数为6,Jerk模型的状态维数为8,等等。这直接导致IMM滤波器状态失配。

2. 设计思路/解决方案

以典型组合
模型1:匀速运动CV(4维)
模型2:匀速转弯运动CT(4维)
模型3:匀加速运动CA(6维)
为例,进行分析。

其它不同维数的模型组合可以基于该思想,很容易的推广。哈哈哈哈哈哈啊哈哈哈,一学就会,…

2.1 CV模型: X = [ x , y , x ˙ , y ˙ ] T {X}=[x, y, dot{x}, dot{y}]^T X=[x,y,x˙,y˙]T

X k + 1 = [ 1 0 T 0 0 1 0 T 0 0 1 0 0 0 0 1 ] X k + W k X_{k+1}=begin{bmatrix}1&0&T&0\0&1&0&T\0&0&1&0\0&0&0&1 end{bmatrix}X_{k} + W_k Xk+1=10000100T0100T01Xk+Wk
其中 W k W_k Wk为零均值白噪声,其方差为:
Q k = q k 2 [ T 3 / 3 T 2 / 2 0 0 T 2 / 2 T 0 0 0 0 T 3 / 3 T 2 / 2 0 0 T 2 / 2 T ] Q_k=q_k^2begin{bmatrix}T^3/3&T^2/2&0&0 \T^2/2&T&0&0 \0&0&T^3/3&T^2/2 \0&0& T^2/2&Tend{bmatrix} Qk=qk2T3/3T2/200T2/2T0000T3/3T2/200T2/2T
定义矩阵
F k 1 = [ 1 0 T 0 0 1 0 T 0 0 1 0 0 0 0 1 ] Fk_1=begin{bmatrix}1&0&T&0\0&1&0&T\0&0&1&0\0&0&0&1 end{bmatrix} Fk1=10000100T0100T01, F k c v = [ F k 1 0 2 ] Fk_{cv}=begin{bmatrix}Fk_1& \& 0_2 end{bmatrix} Fkcv=[Fk102]

2.2 CT模型: X = [ x , y , x ˙ , y ˙ ] T {X}=[x, y, dot{x}, dot{y}]^T X=[x,y,x˙,y˙]T

X k + 1 = [ 1 sin ⁡ ( ω T ) ω 0 − 1 − cos ⁡ ( ω T ) ω 0 cos ⁡ ( ω T ) 0 − sin ⁡ ( ω T ) 0 1 − cos ⁡ ( ω T ) ω 1 sin ⁡ ( ω T ) ω 0 sin ⁡ ( ω T ) 0 cos ⁡ ( ω T ) ] X k + W k X_{k+1}=begin{bmatrix}1&frac{sin(omega T)}{omega}&0&-frac{1-cos(omega T)}{omega}\0&cos(omega T)&0&-sin(omega T)\0&frac{1-cos(omega T)}{omega}&1&frac{sin(omega T)}{omega}\0&sin(omega T)&0&cos(omega T)end{bmatrix}X_{k} + W_k Xk+1=1000ωsin(ωT)cos(ωT)ω1cos(ωT)sin(ωT)0010ω1cos(ωT)sin(ωT)ωsin(ωT)cos(ωT)Xk+Wk
其中 W k W_k Wk为零均值白噪声,其方差为:
Q k = q k 2 [ T 3 / 3 T 2 / 2 0 0 T 2 / 2 T 0 0 0 0 T 3 / 3 T 2 / 2 0 0 T 2 / 2 T ] Q_k=q_k^2begin{bmatrix}T^3/3&T^2/2&0&0 \T^2/2&T&0&0 \0&0&T^3/3&T^2/2 \0&0& T^2/2&Tend{bmatrix} Qk=qk2T3/3T2/200T2/2T0000T3/3T2/200T2/2T
或者为(两种形式都可以用,下面一代码形式给出)

Qk= q2*[2*(w1*T-sin(w1*T))/w1^3     0        (1-cos(w1*T))/w1^2                 (w1*T-sin(w1*T))/w1^2     ;
         0        2*(w1*T-sin(w1*T))/w1^3         -(w1*T-sin(w1*T))/w1^2                 (1-cos(w1*T))/w1^2  ;
         (1-cos(w1*T))/w1^2              -(w1*T-sin(w1*T))/w1^2   T                   0        ;
         (w1*T-sin(w1*T))/w1^2           (1-cos(w1*T))/w1^2     0                T;];

定义矩阵

F k 2 = [ 1 sin ⁡ ( ω T ) ω 0 − 1 − cos ⁡ ( ω T ) ω 0 cos ⁡ ( ω T ) 0 − sin ⁡ ( ω T ) 0 1 − cos ⁡ ( ω T ) ω 1 sin ⁡ ( ω T ) ω 0 sin ⁡ ( ω T ) 0 cos ⁡ ( ω T ) ] Fk_2=begin{bmatrix}1&frac{sin(omega T)}{omega}&0&-frac{1-cos(omega T)}{omega}\0&cos(omega T)&0&-sin(omega T)\0&frac{1-cos(omega T)}{omega}&1&frac{sin(omega T)}{omega}\0&sin(omega T)&0&cos(omega T)end{bmatrix} Fk2=1000ωsin(ωT)cos(ωT)ω1cos(ωT)sin(ωT)0010ω1cos(ωT)sin(ωT)ωsin(ωT)cos(ωT), F k c t = [ F k 2 0 2 ] Fk_{ct}=begin{bmatrix}Fk_2& \& 0_2 end{bmatrix} Fkct=[Fk202]

2.3 CA模型 : X = [ x , x , x ˙ , y ˙ , x ¨ , y ¨ ] T {X}=[x, x, dot{x},dot{y},ddot{x}, ddot{y}]^T X=[x,x,x˙,y˙,x¨,y¨]T

X k + 1 = [ 1 0 T 0 T 2 / 2 0 0 1 0 T 0 T 2 / 2 0 0 1 0 T 0 0 0 0 1 0 T 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 ] X k + W k X_{k+1}=begin{bmatrix}1&0&T&0&T^2/2&0\0&1&0&T&0&T^2/2\0&0&1&0&T&0 \0&0&0&1&0&T \0&0&0&0&1&0 \0&0&0&0&0&1 end{bmatrix}X_{k} + W_k Xk+1=100000010000T010000T0100T2/20T0100T2/20T01Xk+Wk
其中 W k W_k Wk为零均值白噪声,其方差为:

Qk3=q3^2*[T^5/20   0      T^4/8  0       T^3/6   0;
          0       T^5/20  0      T^4/8   0       T^3/6;
          T^4/8   0       T^3/3  0       T^2/2   0;
          0       T^4/8   0      T^3/3   0       T^2/2;
          T^3/6   0       T^2/2  0       T       0
          0       T^3/6   0      T^2/2   0       T];

定义矩阵
F k 3 = [ 1 0 T 0 T 2 / 2 0 0 1 0 T 0 T 2 / 2 0 0 1 0 T 0 0 0 0 1 0 T 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 ] Fk_3=begin{bmatrix}1&0&T&0&T^2/2&0\0&1&0&T&0&T^2/2\0&0&1&0&T&0 \0&0&0&1&0&T \0&0&0&0&1&0 \0&0&0&0&0&1 end{bmatrix} Fk3=100000010000T010000T0100T2/20T0100T2/20T01, F k c a = F k 3 Fk_{ca}=Fk_3 Fkca=Fk3

2.4 IMM滤波器状态维数设计

滤波状态设计为:
X = [ x , x , x ˙ , y ˙ , x ¨ , y ¨ ] T {X}=[x, x, dot{x},dot{y},ddot{x}, ddot{y}]^T X=[x,x,x˙,y˙,x¨,y¨]T

目标真实航迹生成方程:
第一阶段:
X k + 1 = F k c v X k + W k X_{k+1}=Fk_{cv}X_{k} + W_k Xk+1=FkcvXk+Wk
第二阶段:
X k + 1 = F k c t X k + W k X_{k+1}=Fk_{ct}X_{k} + W_k Xk+1=FkctXk+Wk
第三阶段:
X k + 1 = F k c a X k + W k X_{k+1}=Fk_{ca}X_{k} + W_k Xk+1=FkcaXk+Wk
代码:

%% 产生真实轨迹
    for k=1:t1
        X=Fk_cv*X+Gk_cv*sqrtm(Qk1)*randn(4,1);     %产生真实轨迹
        X_true(:,k,index)=X;
    end
    for k=t1+1:t2
        X=Fk_ct*X+Gk_ct*sqrtm(Qk2)*randn(4,1);
        X_true(:,k,index)=X;
    end
    for  k=t2+1:steps
        X=Fk3*X+Gk_ca*sqrtm(Qk3)*randn(6,1);
        X_true(:,k,index)=X;
    end

这样目标状态统一为 X = [ x , x , x ˙ , y ˙ , x ¨ , y ¨ ] T {X}=[x, x, dot{x},dot{y},ddot{x}, ddot{y}]^T X=[x,x,x˙,y˙,x¨,y¨]T 6维,实际上在CV和CT运动模型中, F k c t Fk_{ct} Fkct F k c v Fk_{cv} Fkcv最后两行均为0,因此CVCT模型对加速并没有产生任何作用,加速度的引入只是为了满足状态维数。

同样, G k c t Gk_{ct} Gkct G k c v Gk_{cv} Gkcv最后两行均为0,为6x4的矩阵,为了让CVCT的4路噪声满足6维状态。

存在的问题:这样用0对齐维数,直接导致CV和CT的过程噪声方差奇异、进而导致滤波估计协方差奇异,使得矩阵分解失败、没办法产生采样点。(目标大多数非线性滤波器都是基于矩近似的采样滤波,e.g.,UKF,CKF,DDF,QKF…)

2.5 IMM各模型滤波器设计

思路:采用变维思想。针对不同模型的局部滤波器,只对该模型真实包含的状态进行滤波更新,其余状态保持不变。

CV模型局部滤波: x ^ k ∣ k c v = [ x ^ k ∣ k ( 1 ) , x ^ k ∣ k ( 2 ) , x ^ k ∣ k ( 3 ) , x ^ k ∣ k ( 4 ) ] T hat{x}_{k|k}^{cv}=[hat{x}_{k|k}(1), hat{x}_{k|k}(2), hat{x}_{k|k}(3),hat{x}_{k|k}(4)]^T x^kkcv=[x^kk(1),x^kk(2),x^kk(3),x^kk(4)]T
x ^ k ∣ k c v = x ^ k ∣ k − 1 c v + K z ( z k − z ^ k ∣ k − 1 ) P k ∣ k c v = P k ∣ k − 1 − K k S k K k ′ (5) textcolor{#FF0000}{ begin{aligned} hat{x}_{k|k}^{cv}&=hat{x}_{k|k-1}^{cv}+K_zleft(z_k-hat{z}_{k|k-1}right)\ P_{kmid k}^{cv}&=P_{kmid k-1}-K_kS_kK_k' end{aligned}} tag{5} x^kkcvPkkcv=x^kk1cv+Kz(zkz^kk1)=Pkk1KkSkKk(5)
注意:滤波中采用的参数矩阵为 F k 1 ∈ R 4 Fk1inmathbb{R}^4 Fk1R4 Q k 1 ∈ R 4 Qk1inmathbb{R}^4 Qk1R4,上面右定义并给出。

CT模型局部滤波: x ^ k ∣ k c t = [ x ^ k ∣ k ( 1 ) , x ^ k ∣ k ( 2 ) , x ^ k ∣ k ( 3 ) , x ^ k ∣ k ( 4 ) ] T hat{x}_{k|k}^{ct}=[hat{x}_{k|k}(1), hat{x}_{k|k}(2), hat{x}_{k|k}(3),hat{x}_{k|k}(4)]^T x^kkct=[x^kk(1),x^kk(2),x^kk(3),x^kk(4)]T
x ^ k ∣ k c t = x ^ k ∣ k − 1 c t + K z ( z k − z ^ k ∣ k − 1 ) P k ∣ k c t = P k ∣ k − 1 − K k S k K k ′ (5) textcolor{#FF0000}{ begin{aligned} hat{x}_{k|k}^{ct}&=hat{x}_{k|k-1}^{ct}+K_zleft(z_k-hat{z}_{k|k-1}right)\ P_{kmid k}^{ct}&=P_{kmid k-1}-K_kS_kK_k' end{aligned}} tag{5} x^kkctPkkct=x^kk1ct+Kz(zkz^kk1)=Pkk1KkSkKk(5)
注意:滤波中采用的参数矩阵为 F k 2 ∈ R 4 Fk2inmathbb{R}^4 Fk2R4 Q k 2 ∈ R 4 Qk2inmathbb{R}^4 Qk2R4,上面右定义并给出。

CA模型局部滤波: x ^ k ∣ k c a = x ^ k ∣ k hat{x}_{k|k}^{ca}=hat{x}_{k|k} x^kkca=x^kk
x ^ k ∣ k c a = x ^ k ∣ k − 1 c a + K z ( z k − z ^ k ∣ k − 1 ) P k ∣ k c a = P k ∣ k − 1 − K k S k K k ′ (5) textcolor{#FF0000}{ begin{aligned} hat{x}_{k|k}^{ca}&=hat{x}_{k|k-1}^{ca}+K_zleft(z_k-hat{z}_{k|k-1}right)\ P_{kmid k}^{ca}&=P_{kmid k-1}-K_kS_kK_k' end{aligned}} tag{5} x^kkcaPkkca=x^kk1ca+Kz(zkz^kk1)=Pkk1KkSkKk(5)
注意:滤波中采用的参数矩阵为 F k 3 ∈ R 4 Fk3inmathbb{R}^4 Fk3R4 Q k 3 ∈ R 4 Qk3inmathbb{R}^4 Qk3R4,上面右定义并给出。

代码实现:

%filer1
[xk_UKF1,Pk_UKF1,A_UKF1] = fun_2UKF_cvct(X_update_hat1,P_update_hat1,Fk1,Gk1,Z_true(:,k,index),Qk1,sigma_r,sigma_b,xp(:,1));


%filer2
[xk_UKF2,Pk_UKF2,A_UKF2] = fun_2UKF_cvct(X_update_hat2,P_update_hat2,Fk2,Gk2,Z_true(:,k,index),Qk2,sigma_r,sigma_b,xp(:,1));


%filer3
[xk_UKF3,Pk_UKF3,A_UKF3] = fun_2UKF(X_update_hat3,P_update_hat3,Fk3,Gk3,Z_true(:,k,index),Qk3,sigma_r,sigma_b,xp(:,1));

        

3. IMM-UKF仿真实现

3.1. 仿真参数

一、目标模型:CV CT CA
第一阶段:1:39s,匀速运动CV
第二阶段:40:91s,匀速圆周运动CT,角速度: 5 ∗ π / 180 ; 5*pi/180; 5π/180;
第三阶段:92:150s,匀加速运动CA

t1=39; t2=91; t3=steps;
    %% 产生真实轨迹
    for k=1:t1
        X=Fk_cv*X+Gk_cv*sqrtm(Qk1)*randn(4,1);     %产生真实轨迹
        X_true(:,k,index)=X;
    end
    for k=t1+1:t2
        X=Fk_ct*X+Gk_ct*sqrtm(Qk2)*randn(4,1);
        X_true(:,k,index)=X;
    end
    for  k=t2+1:steps
        X=Fk3*X+Gk_ca*sqrtm(Qk3)*randn(6,1);
        X_true(:,k,index)=X;
    end

二、测量模型:2D主动雷达
在二维情况下,雷达量测为距离和角度
r k m = r k + r ~ k b k m = b k + b ~ k {r}_k^m=r_k+tilde{r}_k\ b^m_k=b_k+tilde{b}_k rkm=rk+r~kbkm=bk+b~k
其中
r k = ( x k − x 0 ) + ( y k − y 0 ) 2 ) b k = tan ⁡ − 1 y k − y 0 x k − x 0 r_k=sqrt{(x_k-x_0)^+(y_k-y_0)^2)}\ b_k=tan^{-1}{frac{y_k-y_0}{x_k-x_0}}\ rk=(xkx0)+(yky0)2) bk=tan1xkx0yky0
[ x 0 , y 0 ] [x_0,y_0] [x0,y0]为雷达坐标,一般情况为0。雷达量测为 z k = [ r k , b k ] ′ z_k=[r_k,b_k]' zk=[rk,bk]。雷达量测方差为
R k = cov ( v k ) = [ σ r 2 0 0 σ b 2 ] R_k=text{cov}(v_k)=begin{bmatrix}sigma_r^2 & 0 \0 & sigma_b^2 end{bmatrix} Rk=cov(vk)=[σr200σb2] σ r = 70 m sigma_r=70m σr=70m σ b = 0. 3 o sigma_b=0.3^o σb=0.3o

三、性能评估
RMSE(Root mean-squared error):蒙塔卡罗次数 M = 500 M=500 M=500 x ^ k ∣ k i hat{x}_{k|k}^i x^kki为第 i i i次仿真得到的估计。
RMSE ( x ^ ) = 1 M ∑ i = 1 M ( x k − x ^ k ∣ k i ) ( x k − x ^ k ∣ k i ) ′ text{RMSE}(hat{x})=sqrt{frac{1}{M}sum_{i=1}^{M}(mathbf{x}_k-hat{mathbf{x}}_{k|k}^i)(mathbf{x}_k-hat{mathbf{x}}_{k|k}^i)'} RMSE(x^)=M1i=1M(xkx^kki)(xkx^kki)
Position RMSE ( x ^ ) = 1 M ∑ i = 1 M ( x k − x ^ k ∣ k i ) 2 + ( y k − y ^ k ∣ k i ) 2 text{Position RMSE}(hat{x})=sqrt{frac{1}{M}sum_{i=1}^{M}(x_k-hat{x}_{k|k}^i)^2+(y_k-hat{y}_{k|k}^i)^2} Position RMSE(x^)=M1i=1M(xkx^kki)2+(yky^kki)2
Velocity RMSE ( x ^ ) = 1 M ∑ i = 1 M ( x ˙ k − x ˙ ^ k ∣ k i ) 2 + ( y ˙ k − y ˙ ^ k ∣ k i ) 2 text{Velocity RMSE}(hat{x})=sqrt{frac{1}{M}sum_{i=1}^{M}(dot{x}_k-hat{dot{x}}_{k|k}^i)^2+(dot{y}_k-hat{dot{y}}_{k|k}^i)^2} Velocity RMSE(x^)=M1i=1M(x˙kx˙^kki)2+(y˙ky˙^kki)2
ANEES(average normalized estimation error square), n n n 为状态维数, P k ∣ k i mathbf{P}_{k|k}^i Pkki为第 i i i次仿真滤波器输出的估计协方差

3.2. 跟踪轨迹

在这里插入图片描述

3.3. 位置/速度RMSE

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

4.4. 模型概率

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

4.5. 部分代码

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