python实现粒子滤波目标跟踪_室内定位系列（六）——目标跟踪（粒子滤波）

进行目标跟踪时，先验知识告诉我们定位轨迹是平滑的，目标当前时刻的状态与上一时刻的状态有关，滤波方法可以将这些先验知识考虑进来得到更准确的定位轨迹。本文简单介绍粒子滤波及其使用，接着卡尔曼滤波写，建议先阅读室内定位系列(五)——目标跟踪(卡尔曼滤波)。

原理

这里跟卡尔曼滤波进行对比来理解粒子滤波。

目标跟踪中的卡尔曼滤波的简化版解释：

定位跟踪时，可以通过某种定位技术(比如位置指纹法)得到一个位置估计(观测位置)，也可以根据我们的经验(运动目标常常是匀速运动的)由上一时刻的位置和速度来预测出当前位置(预测位置)。把这个观测结果和预测结果做一个加权平均作为定位结果，权值的大小取决于观测位置和预测位置的不确定性程度，在数学上可以证明在预测过程和观测过程都是线性高斯时，按照卡尔曼的方法做加权是最优的。

上面提到的“线性高斯”需要从概率上来理解。

预测过程中，预测的当前位置(或状态)\(\hat{x}_k^-\)与上一时刻的位置(或状态)是线性高斯关系，即所谓的运动方程：$$\hat{x}^-k = A\hat{x}{k-1} + u_k + \omega_k$$其中的外界输入\(u_k\)有时可以是零，预测不一定准确，因此存在一个高斯的误差\(\omega_k\)。从概率分布上来看，当前位置在预测点附近的概率较大，越远概越小。

观测过程中，观测值\(z_k\)与真实状态\(x_k\)之间也是线性高斯关系，即观测方程：$$z_k = H_k x_k + n_k$$目标跟踪中的观察矩阵\(H\)可能就是1，观察值也并不完全准确，因此也存在一个高斯误差\(n_k\)。从概率分布上来看，当前位置在观测点附近的概率较大，越远概越小。

预测过程和观测过程都有一个目标位置的概率分布，我们应该取一个联合概率最大的位置作为估计值。如果经验预测和实际观测满足这样的线性高斯，比如经验中目标是匀速运动的，那么直接使用卡尔曼滤波做加权就可以了。

然而，很多情况下并不是线性高斯的，比如以下这种情形：我们除了知道目标常常匀速运动，还知道地图信息，如果目标的前方有一堵墙，就不应该继续用匀速运动(加高斯噪声)来进行预测，应该有一个完全不一样的预测值的分布(比如反向，或者朝墙的同侧随机一个方向，或者沿着墙的边缘运动)，这个分布取决于我们经验是怎样的，它有可能是某个预测值附近的高斯分布，也可能是某些用公式无法描述的分布。

既然用公式无法描述，那就用蒙特卡洛方法来模拟：模拟大量的粒子，每个粒子都有一个状态(位置)和权重，所有这些粒子的状态分布和权值共同模拟了目标位置(或状态)的概率分布，可以直接把所有粒子的状态做加权平均得到估计值。在预测过程中，根据经验给粒子设置一些规则(进行状态转移)，比如让每个粒子匀速运动，遇到墙就反向，同时再加上一点随机性，这样就能完美地模拟各种经验和规则了。然后，用观察结果带来的概率分布去更新各个粒子的权重，更加匹配观测结果的粒子应该赋予更大的权重。

步骤

可以将粒子滤波理解成一个滤波的框架，框架内部应该根据实际问题具体实现。

t = 0时，粒子初始化。随机生成粒子集并设置权值。

t = 1, 2, ...， 重复以下步骤：

a. 预测。根据系统的预测过程预测各个粒子的状态。

b. 更新。根据观测值更新粒子权值。

c. 重采样。复制一部分权值高的粒子，同时去掉一部分权值低的粒子。

d. 输出：状态估计。使用粒子和权值估计当前的状态。

实践

使用python工具包filterpy来实现卡尔曼滤波和粒子滤波，对knn位置指纹法的定位结果进行滤波。数据来源说明

导入数据

# 导入数据

import numpy as np

import scipy.io as scio

offline_data = scio.loadmat('offline_data_random.mat')

online_data = scio.loadmat('online_data.mat')

offline_location, offline_rss = offline_data['offline_location'], offline_data['offline_rss']

trace, rss = online_data['trace'][0:1000, :], online_data['rss'][0:1000, :]

del offline_data

del online_data

# 定位精度

def accuracy(predictions, labels):

return np.mean(np.sqrt(np.sum((predictions - labels)**2, 1)))

KNN + Kalman Filter

# knn回归

from sklearn import neighbors

knn_reg = neighbors.KNeighborsRegressor(40, weights='uniform', metric='euclidean')

knn_reg.fit(offline_rss, offline_location)

knn_predictions = knn_reg.predict(rss)

acc = accuracy(knn_predictions, trace)

print "accuracy: ", acc/100, "m"

accuracy: 2.24421479398 m

# 对knn定位结果进行卡尔曼滤波

from filterpy.kalman import KalmanFilter

from scipy.linalg import block_diag

from filterpy.common import Q_discrete_white_noise

def kalman_tracker():

tracker = KalmanFilter(dim_x=4, dim_z=2)

dt = 1.

# 状态转移矩阵

tracker.F = np.array([[1, dt, 0, 0],

[0, 1, 0, 0],

[0, 0, 1, dt],

[0, 0, 0, 1]])

# 用filterpy计算Q矩阵

q = Q_discrete_white_noise(dim=2, dt=dt, var=0.001)

# tracker.Q = block_diag(q, q)

tracker.Q = np.eye(4) * 0.01

# tracker.B = 0

# 观测矩阵

tracker.H = np.array([[1., 0, 0, 0],

[0, 0, 1., 0]])

# R矩阵

tracker.R = np.array([[4., 0],

[0, 4.]])

# 初始状态和初始P

tracker.x = np.array([[7.4, 0, 3.3, 0]]).T

tracker.P = np.zeros([4, 4])

return tracker

tracker = kalman_tracker()

zs = np.array([np.array([i]).T / 100. for i in knn_predictions]) # 除以100，单位为m

mu, cov, _, _ = tracker.batch_filter(zs) # 这个函数对一串观测值滤波

knn_kf_predictions = mu[:, [0, 2], :].reshape(1000, 2)

acc = accuracy(knn_kf_predictions, trace / 100.)

print "accuracy: ", acc, "m"

accuracy: 1.76116239607 m

KNN + Particle Filter

# knn回归

from sklearn import neighbors

knn_reg = neighbors.KNeighborsRegressor(40, weights='uniform', metric='euclidean')

knn_reg.fit(offline_rss, offline_location)

knn_predictions = knn_reg.predict(rss)

acc = accuracy(knn_predictions, trace)

print "accuracy: ", acc/100, "m"

accuracy: 2.24421479398 m

# 设计粒子滤波中各个步骤的具体实现

from numpy.random import uniform, randn, random, seed

from filterpy.monte_carlo import multinomial_resample

import scipy.stats

seed(7)

def create_particles(x_range, y_range, v_mean, v_std, N):

"""这里的粒子状态设置为(坐标x，坐标y，运动方向，运动速度)"""

particles = np.empty((N, 4))

particles[:, 0] = uniform(x_range[0], x_range[1], size=N)

particles[:, 1] = uniform(y_range[0], y_range[1], size=N)

particles[:, 2] = uniform(0, 2 * np.pi, size=N)

particles[:, 3] = v_mean + (randn(N) * v_std)

return particles

def predict_particles(particles, std_heading, std_v, x_range, y_range):

"""这里的预测规则设置为：粒子根据各自的速度和方向(加噪声)进行运动，如果超出边界则随机改变方向再次尝试，"""

idx = np.array([True] * len(particles))

particles_last = np.copy(particles)

for i in range(100): # 最多尝试100次

if i == 0:

particles[idx, 2] = particles_last[idx, 2] + (randn(np.sum(idx)) * std_heading)

else:

particles[idx, 2] = uniform(0, 2 * np.pi, size=np.sum(idx)) # 随机改变方向

particles[idx, 3] = particles_last[idx, 3] + (randn(np.sum(idx)) * std_v)

particles[idx, 0] = particles_last[idx, 0] + np.cos(particles[idx, 2] ) * particles[idx, 3]

particles[idx, 1] = particles_last[idx, 1] + np.sin(particles[idx, 2] ) * particles[idx, 3]

# 判断超出边界的粒子

idx = ((particles[:, 0] < x_range[0])

| (particles[:, 0] > x_range[1])

| (particles[:, 1] < y_range[0])

| (particles[:, 1] > y_range[1]))

if np.sum(idx) == 0:

break

def update_particles(particles, weights, z, d_std):

"""粒子更新，根据观测结果中得到的位置pdf信息来更新权重，这里简单地假设是真实位置到观测位置的距离为高斯分布"""

# weights.fill(1.)

distances = np.linalg.norm(particles[:, 0:2] - z, axis=1)

weights *= scipy.stats.norm(0, d_std).pdf(distances)

weights += 1.e-300

weights /= sum(weights)

def estimate(particles, weights):

"""估计位置"""

return np.average(particles, weights=weights, axis=0)

def neff(weights):

"""用来判断当前要不要进行重采样"""

return 1. / np.sum(np.square(weights))

def resample_from_index(particles, weights, indexes):

"""根据指定的样本进行重采样"""

particles[:] = particles[indexes]

weights[:] = weights[indexes]

weights /= np.sum(weights)

def run_pf(particles, weights, z, x_range, y_range):

"""迭代一次粒子滤波，返回状态估计"""

x_range, y_range = [0, 20], [0, 15]

predict_particles(particles, 0.5, 0.01, x_range, y_range) # 1. 预测

update_particles(particles, weights, z, 4) # 2. 更新

if neff(weights) < len(particles) / 2: # 3. 重采样

indexes = multinomial_resample(weights)

resample_from_index(particles, weights, indexes)

return estimate(particles, weights) # 4. 状态估计

# 对knn定位结果进行粒子滤波

knn_pf_predictions = np.empty(knn_predictions.shape)

x_range, y_range = [0, 20], [0, 15]

n_particles = 50000

particles = create_particles(x_range, y_range, 0.6, 0.01, n_particles) # 初始化粒子

weights = np.ones(n_particles) / n_particles # 初始化权重

for i, pos in enumerate(knn_predictions):

pos = pos.copy() / 100.

state = run_pf(particles, weights, pos, x_range, y_range)

knn_pf_predictions[i, :] = state[0:2]

acc = accuracy(knn_pf_predictions, trace / 100.)

print "final state: ", state

print "accuracy: ", acc, "m"

final state: [ 8.16137026 12.49569879 4.06952385 0.54954716]

accuracy: 1.80881825483 m

轨迹对比

import matplotlib.pyplot as plt

%matplotlib inline

x_i = range(220, 280)

tr, = plt.plot(trace[x_i, 0] / 100., trace[x_i, 1] / 100., 'k-', linewidth=3)

pf, = plt.plot(knn_pf_predictions[x_i, 0], knn_pf_predictions[x_i, 1], 'r-')

kf, = plt.plot(knn_kf_predictions[x_i, 0], knn_kf_predictions[x_i, 1], 'b-')

knn_ = plt.scatter(knn_predictions[x_i, 0] / 100., knn_predictions[x_i, 1] / 100.)

plt.xlabel('x (m)')

plt.ylabel('y (m)')

plt.legend([tr, pf, kf, knn_], ["real trace", "pf", "kf", "knn"])

plt.show()

作者：[rubbninja](http://www.cnblogs.com/rubbninja/)

出处：[http://www.cnblogs.com/rubbninja/](http://www.cnblogs.com/rubbninja/)

关于作者：目前主要研究领域为机器学习与无线定位技术，欢迎讨论与指正！

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