Filtragem de kalman distribuída via predição por interação: contribuições teóricas e aplicações
| Ano de defesa: | 2023 |
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Resumo: | The problem of distributed Kalman filtering involves the technical challenge of migrating the well-established global Kalman filtering approach applied to complex large-scale dynamic systems with distributed measurements to simpler subsystems, without significantly compromising their performance. In this adaptation there are problems of asynotic convergence, definition of the stop criteria and the need for a fusion center that do not allow applications to be fully distributed. Thus, in this thesis two algorithms are proposed for the solution of distributed filtering problems in discrete time. These approaches use a hierarchical parallelization methodology that consists of a modification made in the structure of the calculation to decrease the dependency ratio of filter equations and decrease the convergence time. For this, algorithm 1 explores the duality between the filter and the control and applies the concepts of parametric decomposition via interaction prediction. Algorithm 2 also explores the aforementioned duality and applies the principles of convex optimization to obtain a static quadratic form with reduced dimensions, equivalent to the lagrangian associated with each subsystem, through regularization procedures, via regions of trust, without resorting to the Ricatti equations. Thus, it is possible by adjusting a scale parameter $\mu$ to obtain a family of efficient and well-conditioned solutions for each subsystem that can mitigate the impacts of process and measurement noises in the dynamic linear system. To highlight the advantages of the two proposed algorithms, five proof-of-concept examples and two other examples used in benchmarking studies are presented and discussed. In these examples, it is possible to analyze the execution time, conditioning of the system, obtain a family of gains for each subsystem, geometrically verify the robustness of the system according to the concept of matrix contraction and compare, through the mean squared error, the algorithms proposed with the state of the art in consensus-based distributed algorithms. |
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Façanha, Tiago dos SantosCosta Filho, José TarcísioBarreto, Guilherme de Alencar2025-04-20T20:58:37Z2025-04-20T20:58:37Z2023FAÇANHA, Tiago dos Santos. Filtragem de kalman distribuída via predição por interação: contribuições teóricas e aplicações. 2023. 107 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80516The problem of distributed Kalman filtering involves the technical challenge of migrating the well-established global Kalman filtering approach applied to complex large-scale dynamic systems with distributed measurements to simpler subsystems, without significantly compromising their performance. In this adaptation there are problems of asynotic convergence, definition of the stop criteria and the need for a fusion center that do not allow applications to be fully distributed. Thus, in this thesis two algorithms are proposed for the solution of distributed filtering problems in discrete time. These approaches use a hierarchical parallelization methodology that consists of a modification made in the structure of the calculation to decrease the dependency ratio of filter equations and decrease the convergence time. For this, algorithm 1 explores the duality between the filter and the control and applies the concepts of parametric decomposition via interaction prediction. Algorithm 2 also explores the aforementioned duality and applies the principles of convex optimization to obtain a static quadratic form with reduced dimensions, equivalent to the lagrangian associated with each subsystem, through regularization procedures, via regions of trust, without resorting to the Ricatti equations. Thus, it is possible by adjusting a scale parameter $\mu$ to obtain a family of efficient and well-conditioned solutions for each subsystem that can mitigate the impacts of process and measurement noises in the dynamic linear system. To highlight the advantages of the two proposed algorithms, five proof-of-concept examples and two other examples used in benchmarking studies are presented and discussed. In these examples, it is possible to analyze the execution time, conditioning of the system, obtain a family of gains for each subsystem, geometrically verify the robustness of the system according to the concept of matrix contraction and compare, through the mean squared error, the algorithms proposed with the state of the art in consensus-based distributed algorithms.parallelization, prediction by interaction Ricatti equations. * Resumo do trabalho em português: O problema da filtragem de Kalman distribuída envolve o desafio técnico de migrar a bem estabelecida abordagem da filtragem de Kalman global aplicada a sistemas dinâmicos de larga escala com medições distribuídas para subsistemas mais simples, sem comprometer significativamente o seu desempenho. Nesta adaptação encontram-se problemas de convergência assintótica, definição dos critérios de parada e necessidade de um centro de fusão que não permitem que as aplicações sejam totalmente distribuídas. Assim, nesta tese são propostos dois algoritmos para a solução dos problemas de filtragem distribuída em tempo discreto. Estas abordagens utilizam uma metodologia de paralelização hierárquica que consiste em uma modificação realizada na estrutura do cálculo para diminuir a relação de dependência das equações do filtro e diminuir o tempo de convergência. Para isto, o algoritmo 1 explora a dualidade entre o filtro e o controle e aplica os conceitos de decomposição paramétrica via predição por interação. O algoritmo 2, também explora a dualidade já citada e aplica os princípios de otimização convexa para obter uma forma quadrática estática com dimensões reduzidas, equivalente ao lagrangiano associado a cada subsistema, através de procedimentos de regularização, via regiões de confiança, sem recorrer as equações de Ricatti. Desse modo, é possível através do ajuste de um parâmetro escalar $\mu$ obter uma família de soluções eficientes e bem condicionadas para cada subsistema que pode amenizar os impactos dos ruídos de processo e medida no sistema linear dinâmico. Para ressaltar as vantagens dos dois algoritmos propostos, cinco exemplos do tipo provas de conceito e outros dois exemplos utilizados em estudos de benchmarking são apresentados e discutidos. Nestes exemplos é possível analisar o tempo de execução, condicionamento do sistema, obter uma família de ganhos para cada subsistema, verificar geometricamente a robustez do sistema de acordo com o conceito de contração da matriz e comparar através da média do erro quadrático, os algoritmos propostos com o estado da arte em algoritmos distribuídos baseados em consenso.Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.Filtragem de kalman distribuída via predição por interação: contribuições teóricas e aplicaçõesDistributed Kalman Filtering via Interaction Prediction: Theoretical Contributions and Applicationsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisFiltragem distribuídaMetodologia de paralelização hierárquicaPredição por interaçãoEquações de RicattiEquações diferenciais ordináriasDistributed filteringHierarchical parallelization methodologyPrediction by interactionRicatti equationsOrdinary differential equationsCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttps://orcid.org/0000-0001-5711-1834http://lattes.cnpq.br/1371400007323188https://orcid.org/0000-0002-7002-1216http://lattes.cnpq.br/8902002461422112http://lattes.cnpq.br/12686945035398922024-05-21LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/80516/4/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD54ORIGINAL2023_tese_tsfacanha.pdf2023_tese_tsfacanha.pdfTeseapplication/pdf3942328http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/80516/3/2023_tese_tsfacanha.pdf005e51541da6f0fc2ae96e715ca8be79MD53riufc/805162025-04-20 18:09:42.83oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-04-20T21:09:42Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false |
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