Python和MATLAB及C++和Fortran胶体粒子数学材料学显微镜学微观流变学及光学计算

🎯要点

1. 二维成像拥挤胶体粒子检测算法
2. 粒子的局部结构和动力学分析
3. 椭圆粒子成链动态过程定量分析算法
4. 小颗粒的光散射和吸收
5. 活跃物质模拟群体行为
6. 提取粒子轨迹粘弹性，计算剪切模量
7. 计算悬浮液球形粒子多体流体动力学
8. 概率规划全息图跟踪和表征粒子位置、大小和折射率
   

Python粒子滤波器算法

为了简化，我们给出已经推导出的线性状态空间模型的粒子滤波器算法。粒子滤波器是针对以下状态空间模型推导出来的：
$$\begin{array}{rl}& x_k=A{x}_{k-1}+B{u}_{k-1}+w_{k-1}\\ & y_k=C{x}_k+v_k\end{array}(1)$$
其中 $x_k\in R^n$ 是离散时间步长 $k$ 的状态向量，$u_{k-1}\in R^{m_1}$ 是时间步长 $k-1$ 的控制输入向量，$w_{k-1}\in R^{m_2}$ 是时间步长 $k-1$ 处的过程扰动向量（过程噪声向量），$y_k\in R^r$ 是时间步长 $k$ 处观测到的输出矢量，$v_k\in R^r$ 是离散时间步长 $k$ 处的测量噪声向量，$A$，$B$和$C$是系统矩阵。

假设过程扰动向量 $w_k$ 服从正态分布，具有零均值和规定的协方差矩阵，即
$$w_k\sim N(0,Q)(2)$$
其中 $Q$ 是过程扰动向量的协方差矩阵。另外，假设测量噪声向量 $v_k$ 服从正态分布，具有零均值和规定的协方差矩阵，即
$$v_k\sim N(0,R)(3)$$
其中 $R$ 是测量噪声向量的协方差矩阵。状态转移密度是以下正态分布的密度
$$N\left(A{x}_{k-1}+B{u}_{k-1},Q\right)(4)$$
此外，我们还证明了测量密度（测量概率密度函数），表示为 $p\left(y_k\mid x_k\right)$，是一个正态分布，其平均值为 $C{x}_k$，协方差矩阵等于测量噪声向量 $v_k$ 的协方差矩阵。也就是说，测量密度是以下正态分布的密度
$$N\left(C{x}_k,R\right)(5)$$
为了实现粒子滤波器，我们需要从状态转换概率 (4) 中抽取 $x_k$ 的样本。有两种方法可用于生成这些样本。第一种方法（我们在 Python 实现中使用）是从 (2) 中给出的分布中抽取过程扰动向量的随机样本。

在每个离散时间点 $k$，粒子滤波器计算以下一组粒子
$$\left\{\left(x_k^{(i)},w_k^{(i)}\right)\mid i=1,2,3,\dots ,N\right\}(6)$$
索引为 $i$ 的粒子由元组 $\left(x_k^{(i)},w_k^{(i)}\right)$ 组成，其中 $x_k^{(i)}$ 是状态样本，$w_k^{(i)}$ 是重要性权重。粒子集近似后验密度 $p\left(x_k\mid y_{0:k},u_{0:k-1}\right)$，如下所示
$$p\left(x_k\mid y_{0:k},u_{0:k-1}\right)\approx \sum _{i=1}^N{w}_k^{(i)}\delta \left(x_k-x_k^{(i)}\right)(7)$$
粒子滤波算法的说明：对于初始粒子集
$$\left\{\left(x_0^{(i)},w_0^{(i)}\right)\mid i=1,2,3,\dots ,N\right\}$$

Python过滤实现(片段)

import time
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.stats import multivariate_normal

def systematicResampling(weightArray):
    N=len(weightArray)
    cValues=[]
    cValues.append(weightArray[0])

    for i in range(N-1):
        cValues.append(cValues[i]+weightArray[i+1])
    startingPoint=np.random.uniform(low=0.0, high=1/(N))
    resampledIndex=[]
    for j in range(N):
        currentPoint=startingPoint+(1/N)*(j)
        s=0
        while (currentPoint>cValues[s]):
            s=s+1
            
        resampledIndex.append(s)

    return resampledIndex

meanProcess=np.array([0,0])
covarianceProcess=np.array([[0.002, 0],[0, 0.002]])

meanNoise=np.array([0])
covarianceNoise=np.array([[0.001]])

processDistribution=multivariate_normal(mean=meanProcess,cov=covarianceProcess)
noiseDistribution=multivariate_normal(mean=meanNoise,cov=covarianceNoise)

m=5
ks=200
kd=30

Ac=np.array([[0,1],[-ks/m, -kd/m]])
Cc=np.array([[1,0]])
Bc=np.array([[0],[1/m]])

h=0.01

A=np.linalg.inv(np.eye(2)-h*Ac)
B=h*np.matmul(A,Bc)
C=Cc

simTime=1000
x0=np.array([[0.1],[0.01]])

stateDim,tmp11=x0.shape
controlInput=100*np.ones((1,simTime))

stateTrajectory=np.zeros(shape=(stateDim,simTime+1))
output=np.zeros(shape=(1,simTime))

stateTrajectory[:,[0]]=x0

for i in range(simTime):
    stateTrajectory[:,[i+1]]=np.matmul(A,stateTrajectory[:,[i]])+np.matmul(B,controlInput[:,[i]])+processDistribution.rvs(size=1).reshape(stateDim,1)
    output[:,[i]]=np.matmul(C,stateTrajectory[:,[i]])+noiseDistribution.rvs(size=1).reshape(1,1)

x0Guess=x0+np.array([[0.7],[-0.6]])
pointsX, pointsY = np.mgrid[x0Guess[0,0]-0.8:x0Guess[0,0]+0.8:0.1, x0Guess[1,0]-0.5:x0Guess[1,0]+0.5:0.1]
xVec=pointsX.reshape((-1, 1), order="C")
yVec=pointsY.reshape((-1, 1), order="C")

states=np.hstack((xVec,yVec)).transpose()

dim1,numberParticle=states.shape

weights=(1/numberParticle)*np.ones((1,numberParticle))
numberIterations=1000

stateList=[]
stateList.append(states)
weightList=[]
weightList.append(weights)

for i in range(numberIterations):
    controlInputBatch=controlInput[0,i]*np.ones((1,numberParticle))
    newStates=np.matmul(A,states)+np.matmul(B,controlInputBatch)+processDistribution.rvs(size=numberParticle).transpose()
    newWeights=np.zeros(shape=(1,numberParticle))
    for j in range(numberParticle):
        meanDis=np.matmul(C,newStates[:,[j]])
        distributionO=multivariate_normal(mean=meanDis[0],cov=covarianceNoise)
        newWeights[:,j]=distributionO.pdf(output[:,i])*weights[:,[j]]
    weightsStandardized=newWeights/(newWeights.sum())
    tmp1=[val**2 for val in weightsStandardized]
    Neff=1/(np.array(tmp1).sum())
    if Neff<(numberParticle//3):
        resampledStateIndex=np.random.choice(np.arange(numberParticle), numberParticle, p=weightsStandardized[0,:])        
        newStates=newStates[:,resampledStateIndex]
        weightsStandardized=(1/numberParticle)*np.ones((1,numberParticle))

    states=newStates
    weights=weightsStandardized
    stateList.append(states)
    weightList.append(weights)

meanStateSequence=np.zeros(shape=(stateDim,numberIterations))
for i in range(numberIterations):
    meanState=np.zeros(shape=(stateDim,1))
    for j in range(numberParticle):
        meanState=meanState+weightList[i][:,j]*stateList[i][:,j].reshape(2,1)
        
    meanStateSequence[:,[i]]=meanState

👉更新：亚图跨际

原文地址：https://blog.csdn.net/jiyotin/article/details/142762632

免责声明：本站文章内容转载自网络资源，如本站内容侵犯了原著者的合法权益，可联系本站删除。更多内容请关注自学内容网（zxcms.com）！