Estimation of State Space Models and Stochastic Volatility

Ma thèse est composée de trois chapitres reliés à l'estimation des modèles espace-état et volatilité stochastique. Dans le première article, nous développons une procédure de lissage de l'état, avec efficacité computationnelle, dans un modèle espace-état linéaire et gaussien. Nous montrons comment exploiter la structure particulière des modèles espace-état pour tirer les états latents efficacement. Nous analysons l'efficacité computationnelle des méthodes basées sur le filtre de Kalman, l'algorithme facteur de Cholesky et notre nouvelle méthode utilisant le compte d'opérations et d'expériences de calcul. Nous montrons que pour de nombreux cas importants, notre méthode est plus efficace. Les gains sont particulièrement grands pour les cas où la dimension des variables observées est grande ou dans les cas où il faut faire des tirages répétés des états pour les mêmes valeurs de paramètres. Comme application, on considère un modèle multivarié de Poisson avec le temps des intensités variables, lequel est utilisé pour analyser le compte de données des transactions sur les marchés financières. Dans le deuxième chapitre, nous proposons une nouvelle technique pour analyser des modèles multivariés à volatilité stochastique. La méthode proposée est basée sur le tirage efficace de la volatilité de son densité conditionnelle sachant les paramètres et les données. Notre méthodologie s'applique aux modèles avec plusieurs types de dépendance dans la coupe transversale. Nous pouvons modeler des matrices de corrélation conditionnelles variant dans le temps en incorporant des facteurs dans l'équation de rendements, où les facteurs sont des processus de volatilité stochastique indépendants. Nous pouvons incorporer des copules pour permettre la dépendance conditionnelle des rendements sachant la volatilité, permettant avoir différent lois marginaux de Student avec des degrés de liberté spécifiques pour capturer l'hétérogénéité des rendements. On tire la volatilité comme un bloc dans la dimension du temps et un à la fois dans la dimension de la coupe transversale. Nous appliquons la méthode introduite par McCausland (2012) pour obtenir une bonne approximation de la distribution conditionnelle à posteriori de la volatilité d'un rendement sachant les volatilités d'autres rendements, les paramètres et les corrélations dynamiques. Le modèle est évalué en utilisant des données réelles pour dix taux de change. Nous rapportons des résultats pour des modèles univariés de volatilité stochastique et deux modèles multivariés. Dans le troisième chapitre, nous évaluons l'information contribuée par des variations de volatilite réalisée à l'évaluation et prévision de la volatilité quand des prix sont mesurés avec et sans erreur. Nous utilisons de modèles de volatilité stochastique. Nous considérons le point de vue d'un investisseur pour qui la volatilité est une variable latent inconnu et la volatilité réalisée est une quantité d'échantillon qui contient des informations sur lui. Nous employons des méthodes bayésiennes de Monte Carlo par chaîne de Markov pour estimer les modèles, qui permettent la formulation, non seulement des densités a posteriori de la volatilité, mais aussi les densités prédictives de la volatilité future. Nous comparons les prévisions de volatilité et les taux de succès des prévisions qui emploient et n'emploient pas l'information contenue dans la volatilité réalisée. Cette approche se distingue de celles existantes dans la littérature empirique en ce sens que ces dernières se limitent le plus souvent à documenter la capacité de la volatilité réalisée à se prévoir à elle-même. Nous présentons des applications empiriques en utilisant les rendements journaliers des indices et de taux de change. Les différents modèles concurrents sont appliqués à la seconde moitié de 2008, une période marquante dans la récente crise financière.

Développement et validation d'un modèle de simulation numérique personnalisé à une athlète de plongeon

Les entraîneurs en sports acrobatiques disposent de peu d’outils permettant d’améliorer leur compréhension des saltos vrillés et la performance des athlètes. L’objectif de ce mémoire était de développer un environnement graphique de simulation numérique réaliste et utile des acrobaties aériennes. Un modèle composé de 17 segments et de 42 degrés de liberté a été développé et personnalisé à une athlète de plongeon. Un système optoélectronique échantillonné à 300 Hz a permis l’acquisition de huit plongeons en situation réelle d’entraînement. La cinématique articulaire reconstruite avec un filtre de Kalman étendu a été utilisée comme entrée du modèle. Des erreurs quadratiques moyennes de 20° (salto) et de 9° (vrille) entre les performances simulées et réelles ont permis de valider le modèle. Enfin, une formation basée sur le simulateur a été offerte à 14 entraîneurs en sports acrobatiques. Une augmentation moyenne de 11 % des résultats aux questionnaires post-test a permis de constater le potentiel pédagogique de l’outil pour la formation.

Analyse cinématique 3D de la coordination des articulations de l'épaule par l'entremise du rythme scapulo-huméral

L'épaule est souvent affectée par des troubles musculo-squelettiques. Toutefois, leur évaluation est limitée à des mesures qualitatives qui nuisent à la spécificité et justesse du diagnostic. L'analyse de mouvement tridimensionnel pourrait complémenter le traitement conventionnel à l'aide de mesures quantitatives fonctionnelles. L'interaction entre les articulations de l'épaule est estimée par le rythme scapulo-huméral, mais la variabilité prononcée qu'il affiche nuit à son utilisation clinique. Ainsi, l'objectif général de cette thèse était de réduire la variabilité de la mesure du rythme scapulo-huméral. L'effet de la méthode de calcul du rythme scapulo-huméral et des conditions d'exécution du mouvement (rotation axiale du bras, charge, vitesse, activité musculaire) ont été testées. La cinématique des articulations de l'épaule a été calculé par chaîne cinématique et filtre de Kalman étendu sur des sujets sains avec un système optoélectronique. La méthode usuelle de calcul du rythme scapulo-huméral extrait les angles d'élévation gléno-humérale et de rotation latérale scapulo-thoracique. Puisque ces angles ne sont pas co-planaires au thorax, leur somme ne correspond pas à l'angle d'élévation du bras. Une nouvelle approche de contribution articulaire incluant toutes les rotations de chaque articulation est proposée et comparée à la méthode usuelle. La méthode usuelle surestimait systématiquement la contribution gléno-humérale par rapport à la méthode proposée. Ce nouveau calcul du rythme scapulo-huméral permet une évaluation fonctionnelle dynamique de l'épaule et réduit la variabilité inter-sujets. La comparaison d'exercices de réadaptation du supra-épineux contrastant la rotation axiale du bras a été réalisée, ainsi que l'effet d'ajouter une charge externe. L'exercice «full-can» augmentait le rythme scapulo-huméral et la contribution gléno-humérale ce qui concorde avec la fonction du supra-épineux. Au contraire, l'exercice «empty-can» augmentait la contribution scapulo-thoracique ce qui est associé à une compensation pour éviter la contribution gléno-humérale. L'utilisation de charge externe lors de la réadaptation du supra-épineux semble justifiée par un rythme scapulo-huméral similaire et une élévation gléno-humérale supérieure. Le mouvement de l'épaule est souvent mesuré ou évalué en condition statique ou dynamique et passive ou active. Cependant, l'effet de ces conditions sur la coordination articulaire demeure incertain. La comparaison des ces conditions révélait des différences significatives qui montrent l'importance de considérer les conditions de mouvement pour l'acquisition ou la comparaison des données.

Underwater Target Localization, Tracking and Classification

Underwater target localization and tracking attracts tremendous research interest due to various impediments to the estimation task caused by the noisy ocean environment. This thesis envisages the implementation of a prototype automated system for underwater target localization, tracking and classification using passive listening buoy systems and target identification techniques. An autonomous three buoy system has been developed and field trials have been conducted successfully. Inaccuracies in the localization results, due to changes in the environmental parameters, measurement errors and theoretical approximations are refined using the Kalman filter approach. Simulation studies have been conducted for the tracking of targets with different scenarios even under maneuvering situations. This system can as well be used for classifying the unknown targets by extracting the features of the noise emanations from the targets.

Parameter Estimation in Chaotic Systems

This report examines how to estimate the parameters of a chaotic system given noisy observations of the state behavior of the system. Investigating parameter estimation for chaotic systems is interesting because of possible applications for high-precision measurement and for use in other signal processing, communication, and control applications involving chaotic systems. In this report, we examine theoretical issues regarding parameter estimation in chaotic systems and develop an efficient algorithm to perform parameter estimation. We discover two properties that are helpful for performing parameter estimation on non-structurally stable systems. First, it turns out that most data in a time series of state observations contribute very little information about the underlying parameters of a system, while a few sections of data may be extraordinarily sensitive to parameter changes. Second, for one-parameter families of systems, we demonstrate that there is often a preferred direction in parameter space governing how easily trajectories of one system can "shadow'" trajectories of nearby systems. This asymmetry of shadowing behavior in parameter space is proved for certain families of maps of the interval. Numerical evidence indicates that similar results may be true for a wide variety of other systems. Using the two properties cited above, we devise an algorithm for performing parameter estimation. Standard parameter estimation techniques such as the extended Kalman filter perform poorly on chaotic systems because of divergence problems. The proposed algorithm achieves accuracies several orders of magnitude better than the Kalman filter and has good convergence properties for large data sets.

Towards a real-time vision-based navigation system for a small-class UUV

This paper deals with the problem of navigation for an unmanned underwater vehicle (UUV) through image mosaicking. It represents a first step towards a real-time vision-based navigation system for a small-class low-cost UUV. We propose a navigation system composed by: (i) an image mosaicking module which provides velocity estimates; and (ii) an extended Kalman filter based on the hydrodynamic equation of motion, previously identified for this particular UUV. The obtained system is able to estimate the position and velocity of the robot. Moreover, it is able to deal with visual occlusions that usually appear when the sea bottom does not have enough visual features to solve the correspondence problem in a certain area of the trajectory

Probabilistic sonar scan matching for an AUV

This paper proposes MSISpIC, a probabilistic sonar scan matching algorithm for the localization of an autonomous underwater vehicle (AUV). The technique uses range scans gathered with a Mechanical Scanning Imaging Sonar (MSIS), the robot displacement estimated through dead-reckoning using a Doppler velocity log (DVL) and a motion reference unit (MRU). The proposed method is an extension of the pIC algorithm. An extended Kalman filter (EKF) is used to estimate the robot-path during the scan in order to reference all the range and bearing measurements as well as their uncertainty to a scan fixed frame before registering. The major contribution consists of experimentally proving that probabilistic sonar scan matching techniques have the potential to improve the DVL-based navigation. The algorithm has been tested on an AUV guided along a 600 m path within an abandoned marina underwater environment with satisfactory results

Dam wall detection and tracking using a Mechanically Scanned Imaging Sonar

In dam inspection tasks, an underwater robot has to grab images while surveying the wall meanwhile maintaining a certain distance and relative orientation. This paper proposes the use of an MSIS (mechanically scanned imaging sonar) for relative positioning of a robot with respect to the wall. An imaging sonar gathers polar image scans from which depth images (range & bearing) are generated. Depth scans are first processed to extract a line corresponding to the wall (with the Hough transform), which is then tracked by means of an EKF (Extended Kalman Filter) using a static motion model and an implicit measurement equation associating the sensed points to the candidate line. The line estimate is referenced to the robot fixed frame and represented in polar coordinates (rho&thetas) which directly corresponds to the actual distance and relative orientation of the robot with respect to the wall. The proposed system has been tested in simulation as well as in water tank conditions

Underwater SLAM in a marina environment

This paper describes a navigation system for autonomous underwater vehicles (AUVs) in partially structured environments, such as dams, harbors, marinas or marine platforms. A mechanical scanning imaging sonar is used to obtain information about the location of planar structures present in such environments. A modified version of the Hough transform has been developed to extract line features, together with their uncertainty, from the continuous sonar dataflow. The information obtained is incorporated into a feature-based SLAM algorithm running an Extended Kalman Filter (EKF). Simultaneously, the AUV's position estimate is provided to the feature extraction algorithm to correct the distortions that the vehicle motion produces in the acoustic images. Experiments carried out in a marina located in the Costa Brava (Spain) with the Ictineu AUV show the viability of the proposed approach

Visual SLAM for 3D large-scale seabed acquisition employing underwater vehicles

This paper presents a novel technique to align partial 3D reconstructions of the seabed acquired by a stereo camera mounted on an autonomous underwater vehicle. Vehicle localization and seabed mapping is performed simultaneously by means of an Extended Kalman Filter. Passive landmarks are detected on the images and characterized considering 2D and 3D features. Landmarks are re-observed while the robot is navigating and data association becomes easier but robust. Once the survey is completed, vehicle trajectory is smoothed by a Rauch-Tung-Striebel filter obtaining an even better alignment of the 3D views and yet a large-scale acquisition of the seabed

Visual SLAM for underwater vehicles using video velocity log and natural landmarks

A visual SLAM system has been implemented and optimised for real-time deployment on an AUV equipped with calibrated stereo cameras. The system incorporates a novel approach to landmark description in which landmarks are local sub maps that consist of a cloud of 3D points and their associated SIFT/SURF descriptors. Landmarks are also sparsely distributed which simplifies and accelerates data association and map updates. In addition to landmark-based localisation the system utilises visual odometry to estimate the pose of the vehicle in 6 degrees of freedom by identifying temporal matches between consecutive local sub maps and computing the motion. Both the extended Kalman filter and unscented Kalman filter have been considered for filtering the observations. The output of the filter is also smoothed using the Rauch-Tung-Striebel (RTS) method to obtain a better alignment of the sequence of local sub maps and to deliver a large-scale 3D acquisition of the surveyed area. Synthetic experiments have been performed using a simulation environment in which ray tracing is used to generate synthetic images for the stereo system

Modelación estocástica y trading algorítmico del spread entre acciones mediante procesos de reversión a la media

Las estrategias de inversión pairs trading se basan en desviaciones del precio entre pares de acciones correlacionadas y han sido ampliamente implementadas por fondos de inversión tomando posiciones largas y cortas en las acciones seleccionadas cuando surgen divergencias y obteniendo utilidad cerrando la posición al converger. Se describe un modelo de reversión a la media para analizar la dinámica que sigue el diferencial del precio entre acciones ordinarias y preferenciales de una misma empresa en el mismo mercado. La media de convergencia en el largo plazo es obtenida con un filtro de media móvil, posteriormente, los parámetros del modelo de reversión a la media se estiman mediante un filtro de Kalman bajo una formulación de estado espacio sobre las series históricas. Se realiza un backtesting a la estrategia de pairs trading algorítmico sobre el modelo propuesto indicando potenciales utilidades en mercados financieros que se observan por fuera del equilibrio. Aplicaciones de los resultados podrían mostrar oportunidades para mejorar el rendimiento de portafolios, corregir errores de valoración y sobrellevar mejor periodos de bajos retornos.

La estructura a plazos del riesgo interbancario

Este documento propone un modelo para la estructura a plazos del riesgo interbancario a partir del spread entre los Interest Rate Swap (IRS) y los Overnight Indexed Swaps (OIS) en dólares durante la crisis financiera 2007-08 y la crisis del euro en 2010. Adicionalmente hace la descomposición del riesgo interbancario entre riesgo de default y no-default (liquidez). Los resultados sugieren que la crisis financiera tuvo importantes repercusiones en la estructura a plazos del riesgo interbancario y sus componentes: en los años previos a la crisis, el riesgo de no-default explicaba la mayor parte del riesgo interbancario; durante la crisis y posterior a ella, el riesgo de default conducía el comportamiento del riesgo interbancario. Adicionalmente, se encuentra que, a partir de la estructura a plazos de cada componente del riesgo interbancario, la crisis financiera se caracterizó por ser un problema más de corto que de largo plazo, en contraste con la crisis del euro de 2010. Estos resultados siguen lo propuesto por Filipovic & Trolle (2012) y dejan importantes implicaciones sobre el riesgo interbancario durante los periodos de stress financiero.

La estructura a plazos del riesgo interbancario

Este documento propone un modelo para la estructura a plazos del riesgo interbancario a partir del spread entre los Interest Rate Swap (IRS) y los Overnight Indexed Swaps (OIS) en dólares durante la crisis financiera 2007-08 y la crisis del euro en 2010. Adicionalmente hace la descomposición del riesgo interbancario entre riesgo de default y no-default (liquidez). Los resultados sugieren que la crisis financiera tuvo importantes repercusiones en la estructura a plazos del riesgo interbancario y sus componentes: en los años previos a la crisis, el riesgo de no-default explicaba la mayor parte del riesgo interbancario; durante la crisis y posterior a ella, el riesgo de default conducía el comportamiento del riesgo interbancario. Adicionalmente, se encuentra que, a partir de la estructura a plazos de cada componente del riesgo interbancario, la crisis financiera se caracterizó por ser un problema más de corto que de largo plazo, en contraste con la crisis del euro de 2010. Estos resultados siguen lo propuesto por Filipovic & Trolle (2012) y dejan importantes implicaciones sobre el riesgo interbancario durante los periodos de stress financiero.

Contribució al posicionament dinàmic de robots mòbils per mitjà d'un sistema làser

Aquesta tesi tracta el problema del posicionament de robots mòbils quan, en el decurs del moviment, es realitzen mesures angulars relatives al robot de l'orientació de la recta entre un dels seus punts i punts de l'entorn de posició coneguda. Es considera que les mesures angulars són fetes per un sensor làser giratori que detecta diferents reflectors catadiòptrics fixos. La contribució principal és el desenvolupament d'un algorisme dinàmic, basat en un filtre de Kalman estès (EKF), que estima a cada instant de temps l'estat format pels angles associats als reflectors. La simulació hodomètrica dels angles entre mesures directes del sensor làser garanteix l'ús consistent i continuat dels mètodes de triangulació per a determinar la posició i l'orientació del robot. Inclou simulacions informàtiques i experiments per a validar la precisió del mètode de posicionament proposat. En l'experimentació s'utilitza un robot mòbil omnidireccional amb tres rodes de lliscament direccional de corrons esfèrics.