基于高阶统计量滤波器的磁导航信号的野点识别_黄卓群.pdf

2023 年第 3 期计算机与数字工程收稿日期：2022年8月2日，修回日期：2022年9月4日基金项目：国家自然科学基金项目（编号：61761049，61261022）；云南省专业学位研究生教学案例库及研究生优质课程项目资助。作者简介：黄卓群，女，硕士研究生，研究方向：信号处理，智能控制。杨光永，男，博士，副教授，研究方向：传感器技术、嵌入式系统设计。程满，男，硕士研究生，研究方向：AGV路径规划，轮式搬运机器人。于元滐，男，硕士研究生，研究方向：信号盲提取。徐天奇，男，博士，教授，研究方向：自动控制。1引言自 动 导 引 车 辆（Automatic Guided Vehicle，AGV）是轮式移动机器人的一种，又称为无人驾驶车，它是一种高度集成先进技术的自动化智能设备，是当前柔性制造系统中物流搬运设备的最佳选择。AGV常见的导航方式比较如表1。国内应用较广泛的导航方式是磁导航方式，磁导航方式是在地面铺设磁条，通过对磁条磁场的感知来进行导航。野点12的形成是因为在工业作业环境中，实际的工作环境较为复杂，在磁条周围常常会存在影响磁条磁场的物质，其环境并不能达到AGV 磁条导航的作业条件，并且通常情况下的AGV 磁导引小车并没有自动清障的功能，这就会使AGV 磁导引系统的精度受到严重影响，大大降低了AGV 的运行平稳性。为了识别对AGV行驶产生影响的野点，对非平稳信号进行检测和处理，传统的方法是采用低阶统计量信号处理方法或阈值门限检测方法，但是由于其低阶统计量算法不能全面地反映出所观测信号的全部统计特性，从而不能较为准确地检测出所有信号类型，并且收敛速度慢，信噪比较低。而高阶统计量3自适应滤波器在处理高斯噪基于高阶统计量滤波器的磁导航信号的野点识别黄卓群杨光永程满于元滐徐天奇（云南民族大学电气信息工程学院昆明650500）摘要在轮式搬运机器人（AGV）工作的过程中，采集磁导航信号时，由于杂质产生的干扰，会使采集到的信号中包含野点分量。野点作为一种非平稳分布的随机过程，会对AGV的行驶产生较大的影响。为了提高信号的信噪比和收敛速度，使AGV平稳运行，采用四阶累积量均方误差准则的高阶统计量自适应滤波器算法。仿真结果说明，相比于传统的FastICA方法，高阶统计量自适应滤波器算法拥有较高的信噪比和较好的滤波效果。关键词轮式搬运机器人；野点；四阶累积量；高阶统计量；FastICA中图分类号TN912DOI：10.3969/j.issn.1672-9722.2023.03.036Outlier Recognition of Magnetic Navigation Signal Based onHigh Order Statistics FilterHUANG ZhuoqunYANG GuangyongCHEN ManYU YuanjieXU Tianqi（College of Electronics and Information，Yunnan Minzu University，Kunming650500）AbstractIn the process of AGV working，when collecting the magnetic navigation signal，due to the interference of impurities，the collected signal contains the wild point component.As a non-stationary random process，outliers have great influence onAGV.In order to improve the signal-to-noise ratio（SNR）and convergence speed of the signal and make AGV run smoothly，ahigh-order statistics adaptive filter algorithm based on fourth-order cumulant mean square error criterion is adopted.The simulationresults show that compared with the traditional FastICA method，the high-order statistics adaptive filter algorithm has higher signal-to-noise ratio and better filtering effect.Key WordsAGV，outlier，fourth order cumulant，higher order statistics，FastICAClass NumberTN912总第 401期2023 年第 3期计算机与数字工程Computer&Digital EngineeringVol.51No.3731第 51 卷声，非高斯性噪声4或盲信号处理问题中应用非常广泛，在未知信号和未知噪声相关信息的情况下，利用现有的已存的滤波器参数，自动的实时调节当前时刻的滤波器参数，进而使滤波器能够很好地适应信号变化统计特性，从而实现实时最优滤波。文献 56 提出了基于四阶累积量的自适应参数型时间延时估计方法和一维切片LMS算法，能有效地抑制相关高斯噪声的影响。文献 710 研究的是基于三阶累积量噪声的信号检测和自适应滤波算法。文献 1113 在卷积混合模型下提出了一种基于二阶累积量的盲源分离算法。由于高阶统计量的广泛应用和良好性能，因此本文拟采用这种方法对磁导航信号中的野点进行识别，并对该算法与FastICA算法1416进行对比分析验证。表1AGV常用导航方式比较导航方式路径设定安装成本运行速度抗干扰性导航精度运行环境整洁度技术成熟度光学导航固定路径低快低10mm要求高成熟激光导航自由路径高快高2mm不需要成熟磁导航固定路径低快高10mm不需要成熟视觉导航固定路径低慢低5mm非常高不成熟惯性导航自由路径高慢高10mm不需要不成熟2磁导航信息采集在AGV运行过程中，八位磁导航传感器采集AGV运动过程中的位置信息，设磁导航传感器中心位置的权值Smid，每个位置磁导航传感器的权值为Si，M是触发磁导航传感器的个数，是偏移距离。则偏移距离可以表示为=i=0MSiM-Smid（1）3高阶统计自适应滤波器将采集到的观测信号表示为x(n)，则磁导航信号采集系统的输出过程表示为x(n)=h(k)e(n-k)（2）其中，激励噪声序列e(n-k)是零均值分布的随机过程，h(n)是冲击响应。将有限维的观测模型表示为h(n)=s，则均方误差函数可以表示为V=J,x(n)=E2x,(n)（3）其中，2x,(n)是x(n)经过滤波器后的输出结果，即：2x,(n)=id(i)x(n-i)（4）当目标函数J,x(n)取得最小值时，能获得最优值0，表示为0=argminJ,x(n)（5）二阶统计量的均方误差代价函数可以表示为V=k=-+Ey(n+k)2y,(n)（6）并且有-V=-1V，根据一二阶均方误差函数，我们得到了四阶均方误差函数为-V=k1=-k2=-ej0(k1-k2)Ey(n+k1)y(n+k2)2y,(n)-2Ey(n+k1)y,(n)Ey(n+k2)y,(n)-Ey(n+k1)y(n+k2)E2y,(n)（7）根据-V=-1V，可以得出二阶统计量的均方误差代价函数V和四阶统计量的均方误差代价函数-V之间的比例关系为-V=-1V（8）即 两 者 之 间 相 差 一 个 标 量 因 子-1，=2e4e|H(0)2，2e和4e分别是误差信号e(n)的二阶、四阶累积量。通过四阶累均方误差函数准则，我们可以由自相关矩阵估计和自相关变量估计(N)=(N-1)+sy(N)y(N+1)y(N)求解出一个新的估计器为w(n)=-1(N)(N)（9）其中，是常数，它的取值接近于1，w是滤波器在n时 刻 的 抽 头 权 向 量，w(n)=w0(n),w1(n),wM-1(n)T。式（9）满足：(N)=(N-1)+sy(N)y(N)yT(N)(N)=(N-1)+sy(N)y(N)yT(N)（10）式中：sy(N)=k=-MM*(k)y(N+k)，*(k)是一个M+1的窗函数，它的目的是对每一个混合噪声的输入信号序列进行加窗。黄卓群等：基于高阶统计量滤波器的磁导航信号的野点识别7322023 年第 3 期计算机与数字工程4算法仿真本次实验使用的是八位磁导航传感器的AGV，实验平台如图1所示。小车在既定轨道上运行，磁导航传感器采集运行过程中的包含野点的信号，通过模拟前端输出位置偏移量的信息从而差速控制电机，驱动AGV无偏行驶。图1磁导航野点识别实验平台为了验证所提出算法对磁导航信号的野点识别的性能，仿真数据由布莱克曼哈里斯函数和噪声函数CN()两部分组成：xk=i(-1)iaicos2itN-1+CN()（11）其中，t0,N-1，ai为Matlab中调用布莱克曼哈里斯窗时自带的系数值。在本次实验中，设计两帧观测序列，每帧包含1200个点，噪声函数CN()由瑞利分布R(B)，高斯正态分布N(,2)，指数分布E()混合叠加而成，即CN()=R(B)+N(,2)+E()（12）选择这三种噪声是因为要模拟的信号是非平稳的，其中，瑞利分布噪声是非平稳的信号，高斯正态分布噪声是平稳信号，指数分布噪声是非平稳的信号，当这三种噪声叠加之后的噪声信号就是具有亚高斯性，超高斯性和高斯性的噪声。叠加而成的噪声函数更接近于AGV运动过程中所采集到的信号。4.1高阶统计自适应滤波器算法仿真算法的框图如图2所示，叠加噪声的混合观测信号通过高阶统计自适应滤波器算法模块，再进行信号提取。设置算法的迭代次数为20次，FIR滤波器的单位抽样数为30，采样周期为5。运用算法对单波峰混合信号和双波峰混合信号分别进行仿真实验，将高阶统计量自适应滤波器输出的信号与混合观测信号进行对比，其单波峰混合信号仿真结果与双波峰混合信号的仿真结果如图3和图4所示。在图3和图4中，直线是输入信号，点线表示的是输出信号。图3表示单波峰混合信号的输出结果，可以看出，滤波器的滤波效果是比较理想的。图2高阶统计自适应滤波算法框图图3单波峰输入信号与输出信号图4表示双波峰混合信号的输出结果，根据图4可看出在第一个波峰到第二个波峰之间的地方去除噪声后恢复的信号有一定的影响。而单波峰混合信号恢复的信号并没有，因此单波峰的恢复效果会更好一点。图4双波峰输入信号与输出信号在仿真实验的基础上我们设定了理想的输出结果，再对其进行仿真实验，实验结果表明，高阶统计量自适应滤波器算法的信噪比非常高，单波峰混合信号盲提取的信噪比为24.0762dB，双波峰混合信号盲提取的信噪比为20.2626dB。盲提取信号与设定的模型很相近。4.2FastICA算法仿真FastICA 的迭代终止条件设为=110-4，设置最大迭代次数为 100，在 FastICA 算法的模拟数733第 51 卷据与高阶统计自适应滤波器算法相同的情况下，对单波峰混合信号和双波峰混合信号进行实验仿真，结果如图5和图6所示。图5FastICA算法对单波峰混合信号提取图6FastICA算法对双波峰混合信号提取FastICA 算法的仿真结果如上图所示，从图 5和图6可以看出算法成功地分离了混合信号中的噪声分量，而且FastICA算法对单个波峰的混合信号盲提取的结果比双波峰混合信号的效果好，单波峰输出信噪比为0.3063dB，双波峰混合信号输出信噪比为0.2596dB，在两种实验情况下，信噪比都远远低于高阶统计量自适应滤波器算法。另外，FastICA算法在对双波峰进行去噪时会受到一定的影响，所以FastICA算法对单波峰混合信号盲提取的结果优于双波峰混合信号盲提取的结果。4.3算法对比对于两种算法的仿真结果，在相同的模拟数据下，首先先分析单个波峰混合信号的实验结果，从信噪比来看，HOSRLS 算法最高，为 24.0762dB，其次是FastICA算法。对于处理双波峰混信号的实验结果来说，HOSRLS算法的信噪比为20.2626dB，虽然低于处理单波峰混合信号的信噪比，但是依滤除噪声的效果依然较好。其性能仿真结果如表2所示。表2比较两种算法的信噪比算法HOSRLSFastICA单波峰信噪比24.0762dB0.3063dB双波峰信噪比20.2626dB0.2596dB5结语在对磁导航信号野点识别的过程中，我们使用了高阶统计自适应滤波器算法和FastICA算法。根据仿真结果可以看出，相较于FastICA算法，高阶统计自适应滤波器算法在处理信号时，无论是在处理单波峰信号还是双波峰信号时的信噪比都是非常高的，但是对单波峰的处理效果会更好，算法适合在文中这种既定的平台上处理信号，它有着很好的滤除噪声的效果。但是根据仿真结果和性能分析，也可以看出，高阶统计自适应滤波器的迭代次数较高，且针对没有参考模型的信号时用该算法处理会产生较大的误差，这对恢复源信号会有一定的影响。参 考 文 献1张贤达.时间序列高阶统计量方法 M.北京：清华大学出版社，1996.ZHANG Xianda.Time series high order statistics methodM.Beijing：Tsinghua University Press，1996.2戴海发，卞鸿巍，马恒，等.基于SVR的导航传感器自适应野值检测方法 J.导航定位与授时，2020，7（05）：141-146.DAI Haifa，BIAN Hongwei，MA Heng，et al.Adaptiveoutlier detection method of navigation sensor based onSVRJ.Navigation Positioning and Timing，2020，7（05）：141-146.3孙继堂.基于高阶累积量的盲源分离的理论研究及其在旋转机械中的应用 D.武汉：武汉科技大学，2011.SUN Jitang.Theoretical research on blind source separation based on higher order cumulants and its application inrotating machineryD.Wuhan：Wuhan University of Science and Technology，20114Yang G Y，Hu G Q，Guo B.Multiple Reflection Cancellation Using High Order Statistics Adaptive Filter for Scattered Triangulation Laser Displacement SensorJ.Advanced Materials Research，2013，774-776：1613-1616.5刘颖，王树勋，王本平.基于四阶累积量的自适应参数型 多 径 时 延 估 计J.系 统 仿 真 学 报，2002（06）：700-703.LIU Ying，WANG Shuxun，WANG Benping.Adaptiveparametric multipath time delay estimation based onfourth order cumulantJ.Journal of System Simulation，2002（06）：700-7036陶然，张卫强，马永锋.一种基于四阶统计量的递推LMS算法 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