Application of time series and Kalman filtering for structural health monitoring of a bridge

Peer reviewed

Localization of a mobile robot based on odometry and natural landmarks using extended kalman filter

SANTANA, André M.; SOUZA, Anderson A. S.; BRITTO, Ricardo S.; ALSINA, Pablo J.; MEDEIROS, Adelardo A. D. Localization of a mobile robot based on odometry and natural landmarks using extended Kalman Filter. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON INFORMATICS IN CONTROL, AUTOMATION AND ROBOTICS, 5., 2008, Funchal, Portugal. Proceedings... Funchal, Portugal: ICINCO, 2008.

Using augmented state Kalman filter to localize multi autonomous underwater vehicles

The present paper describes a system for the construction of visual maps ("mosaics") and motion estimation for a set of AUVs (Autonomous Underwater Vehicles). Robots are equipped with down-looking camera which is used to estimate their motion with respect to the seafloor and built an online mosaic. As the mosaic increases in size, a systematic bias is introduced in its alignment, resulting in an erroneous output. The theoretical concepts associated with the use of an Augmented State Kalman Filter (ASKF) were applied to optimally estimate both visual map and the fleet position.

Localization of a mobile robot based on odometry and natural landmarks using extended kalman filter

SANTANA, André M.; SOUZA, Anderson A. S.; BRITTO, Ricardo S.; ALSINA, Pablo J.; MEDEIROS, Adelardo A. D. Localization of a mobile robot based on odometry and natural landmarks using extended Kalman Filter. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON INFORMATICS IN CONTROL, AUTOMATION AND ROBOTICS, 5., 2008, Funchal, Portugal. Proceedings... Funchal, Portugal: ICINCO, 2008.

Variational ensemble Kalman filtering applied to data assimilation problems in computational fluid dynamics

One challenge on data assimilation (DA) methods is how the error covariance for the model state is computed. Ensemble methods have been proposed for producing error covariance estimates, as error is propagated in time using the non-linear model. Variational methods, on the other hand, use the concepts of control theory, whereby the state estimate is optimized from both the background and the measurements. Numerical optimization schemes are applied which solve the problem of memory storage and huge matrix inversion needed by classical Kalman filter methods. Variational Ensemble Kalman filter (VEnKF), as a method inspired the Variational Kalman Filter (VKF), enjoys the benefits from both ensemble methods and variational methods. It avoids filter inbreeding problems which emerge when the ensemble spread underestimates the true error covariance. In VEnKF this is tackled by resampling the ensemble every time measurements are available. One advantage of VEnKF over VKF is that it needs neither tangent linear code nor adjoint code. In this thesis, VEnKF has been applied to a two-dimensional shallow water model simulating a dam-break experiment. The model is a public code with water height measurements recorded in seven stations along the 21:2 m long 1:4 m wide flume’s mid-line. Because the data were too sparse to assimilate the 30 171 model state vector, we chose to interpolate the data both in time and in space. The results of the assimilation were compared with that of a pure simulation. We have found that the results revealed by the VEnKF were more realistic, without numerical artifacts present in the pure simulation. Creating a wrapper code for a model and DA scheme might be challenging, especially when the two were designed independently or are poorly documented. In this thesis we have presented a non-intrusive approach of coupling the model and a DA scheme. An external program is used to send and receive information between the model and DA procedure using files. The advantage of this method is that the model code changes needed are minimal, only a few lines which facilitate input and output. Apart from being simple to coupling, the approach can be employed even if the two were written in different programming languages, because the communication is not through code. The non-intrusive approach is made to accommodate parallel computing by just telling the control program to wait until all the processes have ended before the DA procedure is invoked. It is worth mentioning the overhead increase caused by the approach, as at every assimilation cycle both the model and the DA procedure have to be initialized. Nonetheless, the method can be an ideal approach for a benchmark platform in testing DA methods. The non-intrusive VEnKF has been applied to a multi-purpose hydrodynamic model COHERENS to assimilate Total Suspended Matter (TSM) in lake Säkylän Pyhäjärvi. The lake has an area of 154 km2 with an average depth of 5:4 m. Turbidity and chlorophyll-a concentrations from MERIS satellite images for 7 days between May 16 and July 6 2009 were available. The effect of the organic matter has been computationally eliminated to obtain TSM data. Because of computational demands from both COHERENS and VEnKF, we have chosen to use 1 km grid resolution. The results of the VEnKF have been compared with the measurements recorded at an automatic station located at the North-Western part of the lake. However, due to TSM data sparsity in both time and space, it could not be well matched. The use of multiple automatic stations with real time data is important to elude the time sparsity problem. With DA, this will help in better understanding the environmental hazard variables for instance. We have found that using a very high ensemble size does not necessarily improve the results, because there is a limit whereby additional ensemble members add very little to the performance. Successful implementation of the non-intrusive VEnKF and the ensemble size limit for performance leads to an emerging area of Reduced Order Modeling (ROM). To save computational resources, running full-blown model in ROM is avoided. When the ROM is applied with the non-intrusive DA approach, it might result in a cheaper algorithm that will relax computation challenges existing in the field of modelling and DA.

Filtro de Kalman e previsão econométrica

Mestrado em Métodos Matemáticos para Gestão de Empresas

Tracciamento di particelle con filtro di Kalman

Un problema fondamentale nello studio delle particelle elementari è disporre di misure più accurate possibile delle traiettorie che queste seguono all'interno dei rivelatori. La precisione di misura dei parametri di traccia è importante per poter descrivere accuratamente gli eventi e le interazioni che avvengono all'interno dei rivelatori. LHCb è un esempio di esperimento progettato con lo scopo di ottenere misure di precisione dei parametri della cinematica delle particelle per poter studiare la violazione delle simmetrie. Rivelatori come quello dell'esperimento LHCb utilizzano avanzate tecniche di tracciamento per individuare le traiettorie. Queste sono influenzate da fattori di rumore dovuti all'interazione tra le particelle e il materiale del rivelatore stesso. Nell'analisi delle misure effettuate quindi occorre tenere conto che sia la sensibilità del rivelatore che i fattori di rumore contribuiscono nella determinazione dell'incertezza sulla misura. Uno strumento matematico usato per ottenere precise stime dei parametri di traccia è il filtro di Kalman, che implementato su un campione di misure di una determinata grandezza, consente di minimizzare gli effetti dovuti a rumori statistici. In questo lavoro di tesi sono stati studiati la struttura e il funzionamento del rivelatore dell'esperimento LHCb e dei sistemi di tracciamento che lo caratterizzano e che ne costituiranno il futuro aggiornamento. Inoltre è stata analizzata l'azione del filtro di Kalman, implementandolo in una simulazione di tracciamento al calcolatore.

Algoritmo di stima degli stati di carica e salute per batterie al litio mediante filtro di Kalman duale

L’obiettivo di questa tesi è lo studio dell’applicazione del filtro di Kalman Duale per la stima dei principali parametri di batteria. Si è realizzato un algoritmo che consente la stima del SoC e dei parametri basandosi su riferimenti di tensione provenienti da modelli matematici e da prove di laboratorio. La scelta del Kalman duale consente uno studio più completo dei parametri di batteria visto che permette di operare su circuiti equivalenti più complessi con maggiori informazioni sull’evoluzione della batteria nel tempo. I risultati dimostrano l’efficacia del DEKF nello stimare la tensione e lo stato di carica con errori minori rispetto a precedenti test effettuati con altri filtri di Kalman. Si ha però una difficoltà alla convergenza su alcuni parametri a causa dell’elevato carico computazionale che porta ad un aumento del rumore. Perciò, per studi futuri si dovrà aumentare la precisione con cui la stima duale opera sulla matrice dei parametri del circuito equivalente. Questo porterà a migliori prestazioni anche su circuiti più complessi.

Application of the Extended Kalman filter for speed sensorless control of PM synchronous machines

The increasing interest in the decarbonization process led to a rapidly growing trend of electrification strategies in the automotive industry. In particular, OEMs are pushing towards the development and production of efficient electric vehicles. Moreover, research on electric motors and their control are exploding in popularity. The increase of computational power in embedded control hardware is allowing the development of new control algorithm, such as sensorless control strategy. Such control strategy allows the reduction of the number of sensors, which implies reduced costs and increased system reliability. The thesis objective is to realize a sensorless control for high-performance automotive motors. Several algorithms for rotor angle observers are implemented in the MATLAB and Simulink environment, with emphasis on the Kalman observer. One of the Kalman algorithms already available in the literature has been selected, implemented and benchmarked, with emphasis on its comparison with the Sliding Mode observer. Different models characterized by increasing levels of complexity are simulated. A simplified synchronous motor with ”constant parameters”, controlled by an ideal inverter is first analyzed; followed by a complete model defined by real motor maps, and controlled by a switching inverter. Finally, it was possible to test the developed algorithm on a real electric motor mounted on a test bench. A wide range of different electric motors have been simulated, which led to an exhaustive review of the sensorless control algorithm. The final results underline the capability of the Kalman observer to effectively control the motor on a real test bench.

Il filtro di Kalman: analisi di serie storiche e applicazione ai dati finanziari

Historia magistra vitae, scriveva Cicerone nel De Oratore; il passato deve insegnare a comprendere meglio il futuro. Un concetto che a primo acchito può sembrare confinato nell'ambito della filosofia e della letteratura, ma che ha invece applicazioni matematiche e fisiche di estrema importanza. Esistono delle tecniche che permettono, conoscendo il passato, di effettuare delle migliori stime del futuro? Esistono dei metodi che permettono, conoscendo il presente, di aggiornare le stime effettuate nel passato? Nel presente elaborato viene illustrato come argomento centrale il filtro di Kalman, un algoritmo ricorsivo che, dato un set di misure di una certa grandezza fino al tempo t, permette di calcolare il valore atteso di tale grandezza al tempo t+1, oltre alla varianza della relativa distribuzione prevista; permette poi, una volta effettuata la t+1-esima misura, di aggiornare di conseguenza valore atteso e varianza della distribuzione dei valori della grandezza in esame. Si è quindi applicato questo algoritmo, testandone l'efficacia, prima a dei casi fisici, quali il moto rettilineo uniforme, il moto uniformemente accelerato, l'approssimazione delle leggi orarie del moto e l'oscillatore armonico; poi, introducendo la teoria di Kendall conosciuta come ipotesi di random walk e costruendo un modello di asset pricing basato sui processi di Wiener, si è applicato il filtro di Kalman a delle serie storiche di rendimenti di strumenti di borsa per osservare se questi si muovessero effettivamente secondo un modello di random walk e per prevedere il valore al tempo finale dei titoli.

Proposição de um método de análise de movimentos de jogadores de tênis de campo a partir de vídeos televisivos = : Proposition of a method for tennis players motion analysis on broadcast videos

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Futebol para cegos (futebol de cinco) no Brasil : leitura do jogo e estrategias tatico-tecnicas

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Limiar ventilatorio e comportamento do sinal eletromiografico durante exercicio incremental no cicloergometro

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física