H-,∞-濾波理論在多傳感器信息融合狀態(tài)估計中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、并行計算軟件和硬件技術(shù)的快速發(fā)展以及新型傳感器的不斷出現(xiàn)，多傳感器信息融合將成為我國未來大量軍用和民用高科技系統(tǒng)的重要技術(shù)手段。多傳感器信息融合有著廣泛的研究領(lǐng)域和分支，信息融合狀態(tài)估計就是其中非常重要的一個。多傳感器目標跟蹤、多傳感器信號濾波與反卷積等問題均可歸結(jié)為信息融合狀態(tài)估計問題?，F(xiàn)有的多傳感器信息融合狀態(tài)估計方法主要是基于傳統(tǒng)的Kalman濾波，其算法是建立在H2估

2、計準則基礎(chǔ)之上，它要求準確的系統(tǒng)模型和確切已知外部干擾信號的統(tǒng)計特性，對于多傳感器信息融合狀態(tài)估計中系統(tǒng)模型存在不確定、時滯及非線性條件等情況時，Kalman融合濾波存在不足之處。而H∞濾波理論是現(xiàn)代魯棒控制理論發(fā)展的一種重要分支，是針對系統(tǒng)中模型不確定性和外部干擾不確定性而發(fā)展起來的一門濾波技術(shù)，將H∞濾波思想引入多傳感器信息融合狀態(tài)估計中具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。
　　 本論文系統(tǒng)地綜述了多傳感器信息融合狀態(tài)估計技術(shù)

3、的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀和相關(guān)經(jīng)典算法，深入分析了算法的優(yōu)缺點，歸納現(xiàn)有狀態(tài)融合估計方法存在的問題，介紹H∞濾波基礎(chǔ)理論和分析方法，總結(jié)隨機連續(xù)、離散線性系統(tǒng)H∞濾波器的設(shè)計方法和思路，對比Kalman濾波器與基本H∞濾波器的實現(xiàn)方法，討論了兩種濾波器在實現(xiàn)思路上的主要異同。論文重點研究如何將H∞濾波理論與多傳感器信息融合狀態(tài)估計技術(shù)進行結(jié)合，利用H∞濾波理論及方法解決多傳感器融合估計中的系統(tǒng)參數(shù)存在不確定、融合系統(tǒng)狀態(tài)存在時滯、融合過程存

4、在穩(wěn)定度約束及系統(tǒng)描述存在非線性條件等問題，建立起將H∞濾波理論應(yīng)用于多傳感器信息融合狀態(tài)估計中的方法框架。
　　 論文的主要研究成果為：
　　 1.針對一類隨機不確定多傳感器信息融合系統(tǒng)，提出了集中式和分布式H∞融合濾波器的設(shè)計方法。論文給出了隨機不確定多傳感器融合系統(tǒng)數(shù)學模型描述，根據(jù)離散系統(tǒng)有界實引理、Schur補定理及線性矩陣不等式求解技術(shù)得到了一個針對該類多傳感器系統(tǒng)H∞融合濾波器的存在性定理，在該定理基礎(chǔ)上分

5、別得到基于H∞濾波理論和方法的集中式和分布式多傳感器信息融合濾波器。結(jié)合一個不確定多傳感器目標跟蹤系統(tǒng)融合濾波器的設(shè)計實例，對比Kalman融合濾波的性能和效果，驗證了所得結(jié)論的正確性和有效性。
　　 2.針對實際融合系統(tǒng)中抽象出來的系統(tǒng)模型狀態(tài)存在時滯及系統(tǒng)參數(shù)存在隨機攝動問題，提出了一類狀態(tài)依賴于噪聲的時滯多傳感器融合系統(tǒng)H∞濾波器的設(shè)計方法。論文給出了該類型多傳感器融合系統(tǒng)的數(shù)學模型描述，定義了系統(tǒng)H∞融合濾波器設(shè)計問題的

6、性能指標。利用Lyapunov函數(shù)法得到了一個狀態(tài)依賴于噪聲的時滯融合系統(tǒng)H∞濾波器穩(wěn)定性定理，在該定理的基礎(chǔ)上，為滿足濾波器的性能指標，結(jié)合線性矩陣不等式求解技術(shù)得到了該類融合系統(tǒng)的H∞濾波器。為說明所得結(jié)論的正確性，論文結(jié)合一個狀態(tài)依賴于噪聲的時滯融合估計問題實例，設(shè)計了系統(tǒng)的H∞融合濾波器，仿真結(jié)果表明其具有較好的狀態(tài)融合估計性能。
　　 3.針對狀態(tài)依賴于噪聲的多傳感器信息融合系統(tǒng)，提出了一種具有穩(wěn)定度約束條件的H∞融合

7、濾波器設(shè)計方法。對于系統(tǒng)模型中存在隨機攝動的多傳感器系統(tǒng)狀態(tài)融合估計，除了關(guān)注估計精度及約束指標等性能外，還應(yīng)考慮所設(shè)計的融合濾波器在保證穩(wěn)定的前提下跟蹤收斂的速率問題。論文在已有的H∞融合濾波器設(shè)計框架的基礎(chǔ)上，進一步考慮具有穩(wěn)定度約束條件的融合濾波器的設(shè)計問題，給出該類系統(tǒng)的數(shù)學模型，利用連續(xù)系統(tǒng)有界實引理及系統(tǒng)衰減速率控制引理，得到H∞融合濾波器的存在性定理，利用該定理給出了濾波器的設(shè)計思路和方法。實例仿真結(jié)果表明，穩(wěn)定性約束達到

8、了調(diào)整濾波器跟蹤收斂速率的目的。
　　 4.針對一類具有非線性條件約束的多傳感器信息融合系統(tǒng)，提出了一種基于線性矩陣不等式轉(zhuǎn)換和求解技術(shù)的H∞融合濾波器設(shè)計方法。對于線性多傳感器信息融合系統(tǒng)的狀態(tài)估計，現(xiàn)有的理論及方法均己趨于完善，框架體系較為成熟。將線性系統(tǒng)融合估計的處理方法進一步推廣到非線性系統(tǒng)中具有重要實際意義和理論研究價值。論文總結(jié)了在非線性系統(tǒng)狀態(tài)融合估計中存在問題及現(xiàn)有的解決思路，結(jié)合論文中已討論的不同類型融合系統(tǒng)H

9、∞濾波器的設(shè)計方法，利用非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性引理及線性矩陣不等式轉(zhuǎn)換和求解技術(shù)，針對一類狀態(tài)依賴于噪聲的非線性多傳感器系統(tǒng)設(shè)計融合濾波器，推導并得到該類系統(tǒng)的H∞濾波器存在性定理，利用該定理可得到融合濾波器的設(shè)計步驟和方法。仿真結(jié)果表明，論文所得結(jié)論和方法是有效的。
　　 綜上所述，本論文針對多傳感器信息融合狀態(tài)估計中的系統(tǒng)參數(shù)存在不確定、融合系統(tǒng)狀態(tài)存在時滯等問題利用H∞濾波理論及相關(guān)技術(shù)進行研究，得到了一些在多傳感器信息融合狀態(tài)