基于System Generator的簡化粒子濾波算法設計及硬件實現

王佳輝， 王義平， 薛雅麗

(南京航空航天大學，南京 210016)

0 引言

粒子濾波算法[1]在處理非線性、非高斯系統的狀態估計方面有明顯的優勢，可有效克服擴展卡爾曼濾波等方法在處理非線性問題上的缺點。目前國內外對粒子濾波的理論研究已較為成熟，如文獻[2]提出的復合粒子濾波，文獻[3]提出的自適應粒子濾波，文獻[4]提出的智能粒子濾波，都具有很好的性能，但這些文獻主要集中在粒子濾波算法仿真方面，而對算法硬件實現方面的研究較少，一定程度上限制了粒子濾波在工程方面的應用。文獻[5]中采用DSP實現粒子濾波，文獻[6]在ARM平臺實現粒子濾波目標跟蹤算法，但由于每個粒子所需的數學運算相同，因而粒子濾波更適合在具有并行能力的FPGA上運行。在FPGA上設計濾波算法具有較好的實時性，但對非專業人士來說，在FPGA上實現算法設計具有較大難度。美國Xilinx公司提供了設計工具System Generator[7](SysGen)，使用者能在Simulink下通過SysGen提供的各個模塊完成整個FPGA的設計。文獻[8]給出了使用SysGen設計粒子濾波一個周期的迭代過程，本文將針對純方位跟蹤問題，對通用粒子濾波進行適當簡化，通過SysGen設計完整的粒子濾波過程，并對FPGA上設計實現的硬件結構進行分析和仿真。硬件仿真表明， SysGen上設計簡化后的粒子濾波并在FPGA上實現是完全可行的，且具有較好的跟蹤精度和運算速度。

1 純方位跟蹤數學模型

純方位跟蹤問題通過測量傳感器與目標間的方位角zk估計當前時刻目標的位置及速度，圖1所示為在直角坐標系下，時刻k以及時刻k+1的位置和觀測值。……