Cubature Integration Methods in Non-Linear Kalman Filtering and Smoothing (valmiin työn esittely)

Samankaltaiset tiedostot
Gaussiset prosessit derivaattahavainnoilla regressio-ongelmassa (valmiin työn esittely)

Paikka- ja virhe-estimaatin laskenta-algoritmit Paikannusteknologiat nyt ja tulevaisuudessa

9. Tila-avaruusmallit

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

Estimointi Laajennettu Kalman-suodin. AS , Automaation signaalinkäsittelymenetelmät Laskuharjoitus 4

Dynaamiset regressiomallit

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

Epälineaarinen hinnoittelu: Diskreetin ja jatkuvan mallin vertailu

Kirjallisuuskatsaus sisäpistemenetelmiin ja niiden soveltamiseen eri optimointiluokille (valmiin työn esittely)

Dynaamiset regressiomallit

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

Päästölähteen ominaisuuksien määrittäminen Kalman-suodatuksen avulla. Nina Hänninen

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Laajennettujen Kalman-suotimien soveltaminen epäkoherentin sironnan spektritiheysfunktion estimoinnissa

Estimointi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Kimppu-suodatus-menetelmä

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Määrätty integraali. Markus Helén. Mäntän lukio

1 2 x2 + 1 dx. (2p) x + 2dx. Kummankin integraalin laskeminen oikein (vastaukset 12 ja 20 ) antaa erikseen (2p) (integraalifunktiot

Kirjoita jokaiseen koepaperiin nimesi, opiskelijanumerosi ym. tiedot! Laskin (yo-kirjoituksissa hyväksytty) on sallittu apuväline tässä kokeessa!

Matematiikan tukikurssi

Digitaalinen signaalinkäsittely Kuvankäsittely

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

3.6 Su-estimaattorien asymptotiikka

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 4: Derivaatta

Lineaaristen monitavoiteoptimointitehtävien ratkaiseminen Bensonin algoritmilla

Osakesalkun optimointi

Matematiikan tukikurssi

Pikajohdatus bayesilaiseen tilastoanalyysiin ja monimuuttuja-analyysiin

Tehtäväsarja I Tehtävät 1-5 perustuvat monisteen kappaleisiin ja tehtävä 6 kappaleeseen 2.8.

Cantorin joukko LUKU 8

origo III neljännes D

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

Opetusperiodi:I, suunnattu hakukohteille:

Työvuorosuunnittelun optimointi (valmiin työn esittely)

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Talousmatematiikan perusteet: Luento 16. Integraalin käsite Integraalifunktio Integrointisääntöjä

Opetusperiodi:I, suunnattu hakukohteille: Teknillinen fysiikka ja matematiikka

a) Sievennä lauseke 1+x , kun x 0jax 1. b) Aseta luvut 2, 5 suuruusjärjestykseen ja perustele vastauksesi. 3 3 ja

Luento 5: Suurten lineaaristen yhtälöryhmien ratkaiseminen iteratiivisilla menetelmillä

Optimaalisuusehdot. Yleinen minimointitehtävä (NLP): min f(x) kun g i (x) 0 h j (x) = 0

Osakesalkun optimointi. Anni Halkola Turun yliopisto 2016

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Matematiikan tukikurssi

Dierentiaaliyhtälöistä

1 Komparatiivinen statiikka ja implisiittifunktiolause

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

4.3.7 Epäoleellinen integraali

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II kevät 2018 Ratkaisut 1. välikokeen preppaustehtäviin. 1. a) Muodostetaan osasummien jono. S n =

Sisällysluettelo ESIPUHE 1. PAINOKSEEN... 3 ESIPUHE 2. PAINOKSEEN... 3 SISÄLLYSLUETTELO... 4

Numeerinen integrointi

Duaalisuus kokonaislukuoptimoinnissa. Mat , Sovelletun matematiikan tutkijaseminaari, kevät 2008, Janne Karimäki

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

Algebra I, Harjoitus 6, , Ratkaisut

Monte Carlo -menetelmä optioiden hinnoittelussa (valmiin työn esittely)

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

f(x, y) = x 2 y 2 f(0, t) = t 2 < 0 < t 2 = f(t, 0) kaikilla t 0.

Kopulafunktiot. Joonas Ollila 12. lokakuuta 2011

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

Digitaalinen signaalinkäsittely Desibeliasteikko, suotimen suunnittelu

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Lineaaristen monitavoiteoptimointitehtävien

Sallitut apuvälineet: MAOL-taulukot, kirjoitusvälineet, laskin sekä itse laadittu, A4-kokoinen lunttilappu. f(x, y) = k x y, kun 0 < y < x < 1,

Matemaattinen Analyysi

Ennustaminen ARMA malleilla ja Kalmanin suodin

Symmetriaryhmät ja niiden esitykset. Symmetriaryhmät, /26

2D piirrelaskennan alkeet, osa I

MATEMATIIKAN KOE, LYHYT OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Informaation leviäminen väkijoukossa matemaattinen mallinnus

Paikannuksen matematiikka MAT

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

A Lausekkeen 1,1 3 arvo on 1,13 3,3 1,331 B Tilavuus 0,5 m 3 on sama kuin 50 l 500 l l C Luvuista 2 3, 6 7

Väliestimointi (jatkoa) Heliövaara 1

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

LASKENNALLISEN TIETEEN OHJELMATYÖ: Diffuusion Monte Carlo -simulointi yksiulotteisessa systeemissä

Luodin massajakauman optimointi

Demo 1: Simplex-menetelmä

Matematiikan tukikurssi

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Insinöörimatematiikka D

Matematiikan peruskurssi 2

Numeeriset menetelmät

Luento 9: Newtonin iteraation sovellus: optimointiongelma

Numeerinen integrointi

Numeerinen integrointi ja derivointi

Numeeriset menetelmät

2. Jatkoa HT 4.5:teen ja edelliseen tehtavään: Määrää X:n kertymäfunktio F (x) ja laske sen avulla todennäköisyydet

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Kimmo Berg. Mat Optimointioppi. 9. harjoitus - ratkaisut

Luento 10: Optimointitehtävien numeerinen ratkaiseminen; optimointi ilman rajoitusehtoja

Vangin dilemma häiriöisessä ympäristössä Markov-prosessina (valmiin työn esittely) Lasse Lindqvist

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

Transkriptio:

Cubature Integration Methods in Non-Linear Kalman Filtering and Smoothing (valmiin työn esittely) Ohjaaja: Valvoja: TkT Simo Särkkä Prof. Harri Ehtamo 13.9.2010 Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 1 / 12 Kandidaattiseminaari 2010

Esityksen rakenne Työn tavoitteet Työn rakenne Suodatuksesta integraaleihin Gaussisten integraalien ratkaiseminen kubatuurisäännöillä Kaksi kubatuurimenetelmää Gaussiset approksimaatiot suodatuksessa Kubatuuri-Kalman-suodatus Havainnollistava esimerkki Yhteenveto Työ tehtiin Aalto-yliopiston Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitoksen Laskennallisten kompleksisten systeemien tutkimuksen huippuyksikössä. Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 2 / 12 Kandidaattiseminaari 2010

Työn tavoitteet i Toistaa alalla aiemmin saadut tulokset. ii Yhtenäistää erilaisten epälineaaristen suodatusmenetelmien esitystapa. iii Tarkastella kubatuuri-kalman-suodinta (CKF) hajustamattoman Kalman-suotimen (UKF) erikoistapauksena. Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 3 / 12 Kandidaattiseminaari 2010

Kalman-suodin pähkinänkuoressa Todellinen tila Kohinainen havainto Suotimen keskiarvo Suotimen varianssi Silottimen keskiarvo Silottimen varianssi Epälineaarinen tilayhtälömalli x k = f(x k 1 ) + q k 1 y k = h(x k ) + r k,. missä x k on tila ja y k on mittaus. q k 1 N (0, Q) ja r k N (0, R) ovat gaussisia kohinatermejä. Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 4 / 12 Kandidaattiseminaari 2010

Mihin niitä integrointimenetelmiä tarvitaan? Lineaarinen suodatusongelma voidaan ratkaista suljetussa muodossa. Epälineaarisen tila- tai mittausmallin tapauksessa joudutaan keksimään approksimatiivisia menetelmiä. Tarkastellaan tässä niin sanottua oletetun tiheyden (Assumed Density Form) muotoon kirjoitettua yleistystä epälineaarisesta suodatuksesta. Käytännössä laskeminen kaatuu tällöin muutaman gaussisen integraalin ratkaisemiseen. Toisin sanoen: m k k 1 = f(x k 1 ) N (x k 1 m k 1 k 1, P k 1 k 1 ) dx k 1 Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 5 / 12 Kandidaattiseminaari 2010

Gaussisten integraalien ratkaiseminen Kubatuurisäännöt yleistävät yksiulotteiset kvadratuurisäännöt moniulotteisiksi kubatuurisäännöiksi: m f(x) w(x) dx w i f(x i ) D Tulopohjainen kubatuurisääntö yksinkertaisesti monistaa pistehilan useaan ulottuvuuteen (tyhmää, paljon pisteitä). i=1 Toinen vaihtoehto on käyttää jotain fiksuja menetelmiä pisteiden määrän vähentämiseen. Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 6 / 12 Kandidaattiseminaari 2010

Kaksi kubatuuri-integrointimenetelmää Gauss Hermitekubatuurisääntö Perustuu Gauss Hermitekvadratuurisäännön yleistämiseen karteesisen tulon avulla. Vaatii p n evaluointipistettä, missä p on approksimaation aste ja n ulottuvuuksien määrä. Pallo säde-symmetrinen kubatuurisääntö Perustuu integraalin jakamiseen kahtia ja symmetrioiden hyödyntämiseen Sobolevin invarianssiteorian kautta. Vaatii 2n evaluointipistettä, missä n ulottuvuuksien määrä. n=2 Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 7 / 12 Kandidaattiseminaari 2010 n=2

Gaussiset approksimaatiot suodatuksessa EKF UKF Nojaa ensimmäisen asteen linearisointiin. Menetelmän antama approksimaatio Hyödyntää deterministisiä sigma-pisteitä. Tarkka normaaliapproksimaatio Todellinen jakauma GH 3 CKF Hyödyntää Gauss Hermite-sääntöä. Hyödyntää pallo säde-symmetristä kubatuurisääntöä. Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 8 / 12 Kandidaattiseminaari 2010

Kubatuuri-Kalman-suodatus Gauss Hermite-Kalman-suodin (GHKF) ja Gauss Hermite-Rauch Tung Striebel-silotin (GHRTS). Luotettava Hallittavissa Hidas (Pallo säde-symmetrinen) Kubatuuri-Kalman-suodin (CKF) ja Kubatuuri-Rauch Tung Striebel-silotin (CRTS). Luotettava Nopea Naamion alta paljastui hajustamaton Kalman-suodin (UKF) Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 9 / 12 Kandidaattiseminaari 2010

2 Havainnollistava esimerkki θ 1.5 1 0.5 θ 1 0.5 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 1 0.5 0 Paikka Nopeus Kääntymiskulma Funktio- Suodin Silotin Suodin Silotin Suodin Silotin evaluaatioita EKF 0.0696 0.0237 0.5099 0.1262 42.0297 22.1552 6 UKF 0.0669 0.0233 0.4939 0.1234 41.8408 22.1308 11 GHKF 0.0669 0.0233 0.4939 0.1234 41.8330 22.1266 243 CKF 0.0669 0.0233 0.4943 0.1235 41.8406 22.1263 10 Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 10 / 12 Kandidaattiseminaari 2010

Yhteenveto tuloksista Kumpikaan työssä tarkasteltu menetelmä ei vaadi derivaattojen laskemista suljetussa muodossa tai aseta jatkuvuus- tai derivoituvuusvaatimuksia funktioille. (Hyvä juttu!) Gauss Hermite-menetelmä kärsii dimensionaalisuuden kirouksesta; vaadittujen pisteiden määrä kasvaa eksponentiaalisesti ulottuvuuksien määrän mukaan. Pallo säde-syymetrisessä kubatuurisääännössä (CKF) pisteiden määrä kasvaa lineaarisesti ulottuvuuksien määrän mukaan. (Hyvä juttu!) CKF palautuu aiemmin tunnetun ja aivan toisin johdetun UKF-menetelmän erikoistapaukseksi. (Mielenkiintoista!) Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 11 / 12 Kandidaattiseminaari 2010

Kiitoksia. Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu 12 / 12 Kandidaattiseminaari 2010