KR20190133375A

KR20190133375A - Particle resampling method for particle filter

Info

Publication number: KR20190133375A
Application number: KR1020180058218A
Authority: KR
Inventors: 방효충; 홍경우; 김영주
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2019-12-03
Also published as: KR102136111B1

Abstract

According to an embodiment of the present invention, a particle re-extraction method for particle filter comprises the steps of: classifying a plurality of particles into at least two groups according to a weight size; lowering weights of particles included in one group of the at least two groups according to a predetermined ratio; erasing particles included in another group of the at least two groups; and duplicating particles included in the one group at positions of the erased particles. After the re-extraction, the weights of the particles are evenly distributed.

Description

파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법{PARTICLE RESAMPLING METHOD FOR PARTICLE FILTER}Particle resampling method for particle filters {PARTICLE RESAMPLING METHOD FOR PARTICLE FILTER}

본 발명은 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 파티클 단위로 병렬로 수행될 수 있는 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 병렬화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a particle re-extraction method for a particle filter. More specifically, the present invention relates to a particle re-extraction parallelization method for a particle filter that can be performed in parallel on a particle basis.

파티클 필터(particle filter)는 대표적인 비선형 필터로서 많은 수의 파티클이 확보된다면 비선형성이 심한 경우에도 확장 칼만 필터나 무향 칼만 필터보다 성능이 뛰어나다. 하지만, 파티클이 증가함에 따라 연산량도 함께 증가하기 때문에 실시간 적용이 어렵다는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 GPU를 이용하여 가속화하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. Particle filter is a representative nonlinear filter. If a large number of particles are secured, the particle filter performs better than the extended Kalman filter or an unscented Kalman filter even when the nonlinearity is severe. However, as the particle increases, the amount of computation also increases, which makes it difficult to apply in real time. Therefore, researches for accelerating these shortcomings using GPUs have been actively conducted.

일반적인 파티클 필터인 SISR(Sequential Importance Sampling with Resampling: 재추출을 갖는 순차적 중요 추출)은 전파(propagation), 갱신(update) 및 재추출(resampling)과정으로 구성된다. 파티클 재추출 과정은 소수의 파티클들이 가중치를 독점하여 성능이 저하되는 문제를 해결하기 위해 가중치가 비슷한 파티클로 다시 추출하는 과정이다. 여기서 재추출 후 파티클의 분포는 재추출 전 파티클의 분포와 비슷해야 한다. 파티클 전파와 갱신 과정은 파티클끼리 독립적으로 수행되어 병렬화에 용이하지만 재추출의 경우 기존의 전체 파티클 분포를 이용하기 때문에 병렬화에 많은 어려움이 있다.SISR (Sequential Importance Sampling with Resampling), which is a general particle filter, is composed of propagation, update, and resampling processes. The particle re-extraction process is a process of re-extracting particles with similar weights in order to solve the problem that a small number of particles monopolize weights and degrade performance. Here, the particle distribution after re-extraction should be similar to the particle distribution before re-extraction. Particle propagation and update processes are performed independently of each other to facilitate parallelism. However, in case of re-extraction, there are many difficulties in parallelization because the existing particle distribution is used.

파티클 분포를 유지하면서 가중치가 비슷한 파티클들로 재추출하기 위해서 누적분포함수(CDF: Cumulative Distribution Function)를 이용하는 것이 일반적이다. 그러나 CDF의 계산은 순차성이 강하기 때문에, 기존의 파티클 분포를 유지하면서 파티클 별로 독립적으로 재추출 수행이 가능한 메트로폴리스 재추출(Metropolis resampling) 및 리젝션 재추출(Rejection resampling) 등이 최근 제안되었다. 하지만, 상기 방법들은 재추출 후 모든 파티클의 가중치를 동일하게 만들기 때문에 재추출 전후의 파티클 분포가 달라지게 한다. 또한 확률에 적합한 파티클을 추출하기 위해서 반복적으로 수행되는 구문이 많기 때문에 프로세스를 가속화시킬 필요가 있다. It is common to use a Cumulative Distribution Function (CDF) to reextract particles with similar weights while maintaining the particle distribution. However, since CDF calculations have a strong sequentiality, Metropolis resampling and Rejection resampling, which can independently perform re-extraction for each particle while maintaining the existing particle distribution, have recently been proposed. However, the above methods make the particle distribution before and after re-extraction because the weights of all particles are equal after re-extraction. In addition, many statements are performed repeatedly to extract particles suitable for probability, so the process needs to be accelerated.

따라서, 재추출 이후의 파티클 분포가 재추출 이전의 파티클 분포와 유사하고 재추출 이후의 파티클 가중치가 고르게 분포되면서도, 재추출 과정을 고속으로 수행될 수 있는 요구된다.Therefore, while the particle distribution after re-extraction is similar to the particle distribution before re-extraction, and evenly distributed particle weight after re-extraction, it is required that the re-extraction process can be performed at high speed.

본 발명의 목적은 고속의 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 병렬화 방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a particle re-extraction parallelization method for a high speed particle filter.

본 발명의 목적은 재추출 이후의 파티클 분포가 재추출 이전의 파티클 분포를 유지하고 재추출 이후의 파티클 가중치가 고르게 분포되는 재추출 기법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a re-extraction technique in which the particle distribution after re-extraction maintains the particle distribution before re-extraction and the particle weights after re-extraction are evenly distributed.

본 발명의 목적은 파티클 단위로 독립적으로 수행되어 병렬화를 가능하게 하여 고속화될 수 있는 파티클 재추출 기법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a particle re-extraction technique that can be performed independently by a particle unit to enable parallelization and speed up.

본 발명의 실시예에 따른 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법은 복수의 파티클을 가중치 크기에 따라 적어도 2개 이상의 그룹으로 분류하는 단계; 적어도 2개 이상의 그룹 중 하나의 그룹에 포함된 파티클의 가중치를 소정 비율에 따라 낮추는 단계; 상기 적어도 2개 이상의 그룹 중 다른 하나의 그룹에 포함된 파티클을 소거하는 단계; 및 상기 소거된 파티클의 위치에 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클을 복제하는 단계;를 포함한다. Particle re-extraction method for a particle filter according to an embodiment of the present invention comprises the steps of classifying a plurality of particles into at least two groups according to the weight size; Lowering a weight of particles included in one of the at least two groups according to a predetermined ratio; Erasing particles included in another group of the at least two groups; And duplicating particles included in the one group at positions of the erased particles.

본 발명의 실시예에 따른 기록 매체는 본 발명의 실시예에 따른 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체이다.A recording medium according to an embodiment of the present invention is a computer readable recording medium for recording a computer program for executing the particle re-extraction method for the particle filter according to the embodiment of the present invention.

개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Embodiments of the disclosed technology can have the effect of including the following advantages. However, the embodiments of the disclosed technology are not meant to include all of them, and thus the scope of the disclosed technology should not be understood as being limited thereto.

실시예에 따르면 고속의 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 병렬화 방법을 제공할 수 있다. According to an embodiment, a particle re-extraction parallelization method for a fast particle filter may be provided.

실시예에 따르면 재추출 이후의 파티클 분포가 재추출 이전의 파티클 분포를 유지하고 재추출 이후의 파티클 가중치가 고르게 분포되는 재추출 기법을 제공할 수 있다. According to the embodiment, it is possible to provide a re-extraction technique in which particle distribution after re-extraction maintains particle distribution before re-extraction and particle weights after re-extraction are evenly distributed.

실시예에 따르면 파티클 단위로 독립적으로 수행되어 병렬화를 가능하게 하여 고속화될 수 있는 파티클 재추출 기법을 제공할 수 있다. According to the embodiment, it is possible to provide a particle re-extraction technique that can be performed independently by a particle unit to enable parallelization and speed up.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 파티클 소거 및 복제 과정을 보여주는 도면이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 과정을 알고리즘으로 구현한 예이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 과정이 실행되는 연산 장치의 개략도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 기법과 기존 재추출 기법에 따른 히스토그램의 비교 그래프이다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 기법과 기존 재추출 기법의 젠슨-섀넌 발산 비교 그래프이다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 기법과 기존 재추출 기법을 지형참조항법예에 적용한 성능 비교 그래프이다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 기법과 기존 재추출 기법의 시간에 따른 유효 추출 크기를 비교한 그래프이다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 기법과 기존 재추출 기법의 파티클 개수에 따른 재추출 수행 시간을 비교한 그래프이다. 1 is a view showing a particle erase and replication process according to an embodiment of the present invention.
2 is an example of implementing a particle re-extraction process according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a computing device in which a particle re-extraction process is executed according to an embodiment of the present invention.
4 is a comparison graph of a particle re-extraction technique and a histogram according to the existing re-extraction technique according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph comparing Jensen-Shannon divergence between a particle re-extraction technique and a conventional re-extraction technique according to an embodiment of the present invention.
6 is a performance comparison graph applying the particle re-extraction technique and the existing re-extraction technique to the terrain reference navigation example according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph comparing the effective extraction size with time of the particle re-extraction method and the existing re-extraction method according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph comparing re-extraction execution time according to the number of particles of the particle re-extraction technique and the existing re-extraction technique according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.DETAILED DESCRIPTION The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings that show, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive.

본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 방법은 소수의 파티클이 가중치를 독점하는 것을 방지하도록 기존의 파티클 분포와 동일/유사한 가중치의 파티클들로 다시 추출할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 방법은 가중치가 낮은 파티클들을 소거하고 소거된 파티클 대신에 가중치가 큰 파티클의 가중치를 낮추어 복제하여 사용함으로써 수행될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 재추출 이전의 파티클 분포가 유지되면서도 병렬적으로 파티클 재추출이 수행될 수 있으므로 파티클 재추출이 가속될 수 있다. The particle re-extraction method according to an embodiment of the present invention may re-extract particles having the same / similar weight as the existing particle distribution to prevent a few particles from monopolizing the weight. The particle re-extraction method according to an embodiment of the present invention may be performed by eliminating particles having low weight and duplicating and using the weights of the particles having high weight instead of the erased particles. According to an embodiment of the present invention, particle re-extraction may be performed in parallel while maintaining the particle distribution before re-extraction, thereby accelerating particle re-extraction.

본 발명의 실시예에 따른 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법은 복수의 파티클을 가중치 크기에 따라 적어도 2개 이상의 그룹으로 분류하는 단계; 적어도 2개 이상의 그룹 중 하나의 그룹에 포함된 파티클의 가중치를 소정 비율에 따라 낮추는 단계; 상기 적어도 2개 이상의 그룹 중 다른 하나의 그룹에 포함된 파티클을 소거하는 단계; 및 상기 소거된 파티클의 위치에 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클을 복제하는 단계;를 포함할 수 있다. Particle re-extraction method for a particle filter according to an embodiment of the present invention comprises the steps of classifying a plurality of particles into at least two groups according to the weight size; Lowering a weight of particles included in one of the at least two groups according to a predetermined ratio; Erasing particles included in another group of the at least two groups; And duplicating particles included in the one group at positions of the erased particles.

실시예에서, 상기 소정 비율은, 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클의 총 개수를 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클의 총 개수와 상기 다른 하나의 그룹에 포함된 파티클의 총 개수의 합으로 나눈 값으로 설정될 수 있다. In an embodiment, the predetermined ratio is a value obtained by dividing the total number of particles included in the one group by the sum of the total number of particles included in the one group and the total number of particles included in the other group. Can be set.

실시예에서, 상기 소거된 파티클의 위치에 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클을 복제하는 단계에서, 상기 소거된 파티클의 위치에서 파티클 인덱스의 증가 및 감소 중 어느 하나의 방향에서 가장 근접한 위치의 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클이 복제될 수 있다. In an embodiment, in the step of copying particles included in the one group to the position of the erased particles, the one of the position closest in the direction of any one of the increase and decrease of the particle index at the position of the erased particles Particles included in groups of may be replicated.

실시예에서, 상기 소거된 파티클의 위치에 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클을 복제하는 단계에서, 상기 소거된 파티클의 위치에서 파티클 인덱스의 증가 및 감소 중 어느 하나의 방향에서 가장 근접한 위치의 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클이 복제되되, 상기 소거된 파티클과 상기 방향에서 가장 근접한 위치의 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클 사이의 거리가 임계치보다 큰 경우 상기 방향에서 두 번째로 근접한 위치의 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클이 복제될 수 있다. In an embodiment, in the step of copying particles included in the one group to the position of the erased particles, the one of the position closest in the direction of any one of the increase and decrease of the particle index at the position of the erased particles The particles included in the group of are duplicated, and if the distance between the erased particles and the particles included in the one group in the closest position in the direction is greater than a threshold, the one in the second closest position in the direction Particles included in the group can be replicated.

실시예에서, 복수의 파티클을 가중치 크기에 따라 적어도 2개 이상의 그룹으로 분류하는 단계에서, 가중치가 제1기준치 이상인 파티클을 포함하는 제1그룹, 가중치가 제1기준치 미만 및 제2기준치 이상인 파티클을 포함하는 제2그룹, 및 가중치가 제2기준치 미만인 파티클을 포함하는 제3그룹으로 분류되며, 제1기준치는 제2기준치보다 크고, 제2기준치는 0보다 클 수 있다. In an embodiment, in the step of classifying the plurality of particles into at least two groups according to the weight size, the first group including particles having a weight greater than or equal to the first reference value, the particles having a weight less than the first reference value and greater than or equal to the second reference value A second group that includes and a third group including particles having a weight less than the second reference value, the first reference value may be greater than the second reference value, the second reference value may be greater than zero.

실시예에서, 상기 하나의 그룹은 상기 제1그룹이고 상기 다른 하나의 그룹은 상기 제3그룹일 수 있다. In an embodiment, the one group may be the first group and the other group may be the third group.

실시예에서, 상기 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법에 포함된 상기 단계들 각각은 파티클 단위로 병렬적으로 수행될 수 있다. In an embodiment, each of the steps included in the particle re-extraction method for the particle filter may be performed in parallel on a particle basis.

실시예에서, 상기 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법은 GPU에서 수행될 수 있다. 이하에서 본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법을 상세하게 살펴본다. In an embodiment, the particle re-extraction method for the particle filter may be performed in the GPU. Hereinafter, the re-extraction method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법은 파티클들을 분류하는 단계를 포함한다. 재추출을 위한 파티클들은 전파 및 갱신이 적용된 파티클들로서, 파티클들의 가중치의 합이 1이 되도록 평준화되어 있을 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 파티클들은 3개의 그룹으로 분류될 수 있다. 실시예에 따라, 2개 또는 4개 이상의 그룹으로 분류될 수도 있다. Re-extraction method according to an embodiment of the present invention includes the step of classifying particles. Particles for re-extraction are particles to which propagation and updating have been applied, and may be leveled such that the sum of weights of the particles is one. In an embodiment of the present invention, the particles may be classified into three groups. Depending on the embodiment, it may be classified into two or four or more groups.

이하에서는 파티클들을 가중치의 크기에 따라 3개의 그룹으로 분류될 수 있다. 제1그룹(A)은 가중치가 제1기준치 이상인 파티클들을 포함할 수 있다. 제3그룹(C)은 가중치가 제2기준치보다 작은 파티클들을 포함할 수 있다. 제2그룹(B)은 가중치가 제2기준치 이상 및 제1기준치보다 작은 파티클들을 포함할 수 있다. 즉, 제1그룹(A)는 가중치가 높은 파티클들의 집단이며, 제2그룹(B)은 가중치가 적절한 파티클의 집단이고, 제3그룹(C)은 가중치가 낮은 파티클의 집단이다. Hereinafter, the particles may be classified into three groups according to the size of the weight. The first group A may include particles having a weight equal to or greater than a first reference value. The third group C may include particles whose weight is smaller than the second reference value. The second group B may include particles having a weight greater than or equal to the second reference value and smaller than the first reference value. That is, the first group A is a group of particles having a high weight, the second group B is a group of particles having a proper weight, and the third group C is a group of particles having a low weight.

전체 파티클의 개수가 N(자연수)일때, 제1기준치는

로 정의될 수 있고, 제2기준치는

로 정의될 수 있다. 제1기준치와 제2기준치는 0보다 크며, 제1기준치는 제2기준치보다 크다. 제1기준치 및 제2기준치의 값은 파티클의 가중치 분포, 적용 환경 및 실시예에 따라 다르게 설정될 수 있다. 제1그룹(A) 내지 제3그룹(C)은 아래와 같은 수식(1)에 따라서 결정될 수 있다. When the total number of particles is N (natural number), the first reference value is

Can be defined as

It can be defined as. The first reference value and the second reference value are larger than zero, and the first reference value is larger than the second reference value. Values of the first reference value and the second reference value may be set differently according to the weight distribution of the particle, the application environment, and the embodiment. The first group A to the third group C may be determined according to Equation 1 below.

수식(1)

Formula (1)

여기서,

는 각각 파티클의 상태와 파티클의 가중치를 나타낸다. 상기 수식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 각각의 그룹으로 파티클들을 분류하는 과정은 파티클 사이의 정보공유 없이 독립적으로 수행 가능하기 때문에 병렬적으로 처리될 수 있다. 즉, 다른 파티클들에 대한 정보를 필요로 하지 않으므로, 각 파티클의 가중치를 기준치와 비교하여 그룹이 결정되기 때문에, 다른 파티클들에 대한 처리를 기다릴 필요가 없다. 따라서, 파티클 분류 과정은 파티클들에 대해서 순차적으로 처리될 필요가 없고, 병렬적으로 동시 다발적으로 처리될 수 있다. here,

Represents the state of the particle and the weight of the particle, respectively. As can be seen from the above equation, in the embodiment of the present invention, the process of classifying particles into each group can be performed in parallel because it can be performed independently without information sharing between the particles. That is, since the information on the other particles is not necessary, since the group is determined by comparing the weight of each particle with a reference value, there is no need to wait for processing on the other particles. Thus, the particle classification process does not need to be processed sequentially for the particles, but can be processed simultaneously and in parallel.

파티클들을 각각의 그룹으로 분류한 후, 제1그룹(A)의 파티클들의 가중치가 높기 때문에 해당 가중치를 낮추는 과정이 수행될 수 있다. 이때, 제1그룹(A)에 포함된 파티클의 가중치를 각각

배로 낮출 수 있다. 가중치를 낮추는 배율은 추후 제3그룹(C)에 포함된 파티클들 대신에 제1그룹(A)의 파티클들을 복제하여 대체할 때, 전체 가중치 합이 1에 근접하도록 설정될 수 있다. 여기서, Na는 제1그룹(A)에 포함된 파티클들의 개수이고, Nc는 제3그룹(C)에 포함된 파티클들의 개수이다. 제1그룹(A)의 파티클들의 가중치를 낮추는 과정 또한 파티클별로 독립적으로 수행 가능하므로, 병렬적 처리가 가능하다. After classifying the particles into their respective groups, the weight of the particles of the first group A is high, and thus a process of lowering the corresponding weights may be performed. At this time, the weight of the particles included in the first group (A), respectively

Can be lowered by boat. The multiplier for lowering the weight may be set such that the total weight sum approaches 1 when replicating and replacing the particles of the first group A instead of the particles included in the third group C later. Here, Na is the number of particles included in the first group (A), Nc is the number of particles included in the third group (C). Lowering the weight of the particles of the first group (A) can also be performed independently for each particle, parallel processing is possible.

실시예에서 제2그룹(B)의 파티클들은 가중치가 적절하기 때문에 B그룹의 파티클들을 소거하거나, 가중치를 축소시키거나, 복제하지 않을 수 있다. In the exemplary embodiment, the particles of the second group B may have an appropriate weight, so that the particles of the group B may be erased, reduced in weight, or not duplicated.

파티클들을 각각의 그룹으로 분류한 후, 또한, 제3그룹(C)에 포함된 파티클 소거 및 복제 과정이 수행된다. 제3그룹(C)에 포함된 파티클들의 경우 가중치가 너무 작아 필터에 영향을 주지 못하므로 전부 소거하고 제3그룹(C)의 파티클 개수만큼 제1그룹(A)의 파티클들을 복제하여 사용한다. 구체적으로, 제3그룹(C)에 포함된 파티클 각각은 소거되고, 소거된 파티클 자리에 제1그룹(A)에 포함된 가중치가 낮아진 파티클이 복제된다. After classifying the particles into their respective groups, particle elimination and replication processes included in the third group C are also performed. In the case of particles included in the third group C, the weights are too small to affect the filter, and thus all of them are erased and the particles of the first group A are duplicated and used as many as the number of particles of the third group C. In detail, each particle included in the third group C is erased, and a particle having a lower weight included in the first group A is duplicated at the erased particle position.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 파티클 소거 및 복제 과정을 보여주는 도면이다. 도1의 (a) 내지 (c)에서 제1그룹(A) 및 제3그룹(C)의 파티클들은 인덱스(index) 순서로 순차적으로 배열된 것이 예시된다. 이해를 위해서, 제2그룹(B)의 파티클들은 도1에서 생략되어 있다. 전체 파티클의 개수가 N개일 때 파티클들은 인덱스1부터 인덱스N까지 순차적으로 배열된다. 이러한 파티클 소거 및 복제 후에도 파티클 분포는 소거 및 복제 이전의 파티클 분포와 동일하도록 이루어지는 것이 바람직하다. 1 is a view showing a particle erase and replication process according to an embodiment of the present invention. In FIGS. 1A to 1C, particles of the first group A and the third group C are sequentially arranged in an index order. For the sake of understanding, the particles of the second group B are omitted in FIG. When the total number of particles is N, the particles are sequentially arranged from index 1 to index N. Even after such particle erasure and replication, the particle distribution is preferably made to be the same as the particle distribution before erasure and replication.

본 발명의 실시예에서, 제3그룹(C)의 파티클은 소거되고, 소거된 파티클 자리에 제1방향에서 가장 근접한 위치의 제1그룹(A)의 파티클이 복제된다. 여기서, 제1방향은 인덱스가 증가하는 방향이거나 인덱스가 감소하는 방향일 수 있다. 이하에서, 제1방향은 인덱스가 증가하는 방향인 것을 기준으로 설명하며, 도1에서 왼쪽에서 오른쪽 방향이 인덱스가 증가하는 방향인 것으로 설명한다. In the embodiment of the present invention, the particles of the third group C are erased, and the particles of the first group A of the position closest to each other in the first direction are duplicated in place of the erased particles. Here, the first direction may be a direction in which the index increases or a direction in which the index decreases. Hereinafter, the first direction will be described with reference to a direction in which the index increases, and in FIG. 1, the first to left directions will be described as the direction in which the index increases.

도1의 (a)에서 제1그룹(A)에 포함된 파티클은 a1, a2 및 a3가 표시되고, 제3그룹(C)에 포함된 파티클은 c1 내지 c9으로 표시된다. 제3그룹(C)에 포함된 파티클 c1 내지 c9은 각각 소거되고, 해당 자리에 제1그룹(A)의 파티클이 각각 복제된다. 파티클(c1) 자리에 제1방향에서 가장 인접한 제1그룹(A)의 파티클 a1이 복제(a1')된 것이 예시된다. 이와 마찬가지로, 파티클(c2) 자리에 제1방향에서 가장 인접한 제1그룹(A)의 파티클 a1이 복제(a1')된 것이 예시된다. 이에 따라 파티클(c3)에도 파티클 a1이 복제(a1')된다. 파티클(c4) 자리에 제1방향에서 가장 인접한 제1그룹(A)의 파티클 a2이 복제(a2')된 것이 예시된다. 이에 따라 파티클(c5 및 c6)에도 파티클 a2이 복제(a2')된다. 유사하게, 파티클(c7 및 c8)에는 파티클 a3가 복제(a3')되는 것을 알 수 있다. 도1의 (a)는 파티클 복제 후에도 파티클 분포가 이전 파티클 분포와 동일/유사하게 유지되는 이상적인 복제 상황을 예시한다. In FIG. 1A, particles included in the first group A are represented by a1, a2, and a3, and particles included in the third group C are represented by c1 to c9. Particles c1 to c9 included in the third group C are erased, respectively, and particles of the first group A are replicated in place. It is illustrated that particles a1 of the first group A, which are closest to each other in the first direction, are replicated a1 'in place of the particles c1. Similarly, the particle a1 of the first group A, which is closest to each other in the first direction, is replicated (a1 ') at the position of the particle c2. Accordingly, particle a1 is also replicated a1 'in particle c3. It is exemplified that particles a2 of the first group A closest to each other in the first direction are replicated a2 ′ in place of the particles c4. Accordingly, particle a2 is also replicated a2 'in particles c5 and c6. Similarly, it can be seen that particles a3 are replicated a3 'in particles c7 and c8. 1 (a) illustrates an ideal replication situation in which the particle distribution remains the same / similar to the previous particle distribution even after particle replication.

도1의 (b)는, (a)와 마찬가지로 제1방향에서 가장 근접한 제1그룹(A)의 파티클이 복제되는 경우, 파티클 복제 후 파티클 분포가 이전 파티클 분포와 동일/유사하게 유지되어야 한다는 조건을 만족시키지 못하는 경우를 예시한다. 구체적으로, 파티클(c1)에는 제1그룹(A)의 파티클(a1)이 복제되고, 파티클(c2 내지 c7)에는 제1방향에서 가장 근접한 제1그룹(A)의 파티클(a2)가 복제되고, 파티클(c8)에는 제1그룹(A)의 파티클(a3)가 복제될 수 있다. 이 경우, 파티클(a1 또는 a3)이 각각 1번씩만 복제된 데 비해 파티클(a2)이 6번이나 복제되기 때문에 복제 전 및 후에 파티클 분포가 달라지는 문제점이 발생한다. 1 (b) is similar to (a) in the case where the particles of the first group A closest to each other in the first direction are replicated, the condition that the particle distribution after particle replication should be kept the same / similar to the previous particle distribution. An example of failing to satisfy is illustrated. Specifically, the particles a1 of the first group A are replicated in the particle c1, and the particles a2 of the first group A closest in the first direction are replicated in the particles c2 to c7. The particles a3 of the first group A may be replicated in the particles c8. In this case, since the particles a2 are replicated six times, whereas the particles a1 or a3 are replicated only once, particle distribution varies before and after replication.

이러한 문제점을 해소할 수 있도록, 본 발명의 실시예에서는, 제3그룹(C)의 파티클이 소거되고, 소거된 파티클 자리에 제1방향에서 가장 근접한 위치의 제1그룹(A)의 파티클이 복제되되, 만약 소거된 제3그룹(C)의 파티클과 제1방향에서 가장 근접한 위치의 제1그룹(A)의 파티클 사이의 거리가 임계치보다 큰 경우에는 소거된 파티클 자리에 제1방향에서 두 번째로 근접한 위치의 제1그룹(A)의 파티클이 복제되도록 할 수 있다. 예컨대, 도1의 (c)에서 임계치가 3으로 설정된 경우, 제3그룹(C)의 파티클(c2)가 소거된 후 파티클(c2) 자리에는 제1방향에서 가장 인접한 제1그룹(A)의 파티클(a2)이 복제되는 대신에 제1방향에서 두 번째로 인접한 제1그룹(A)의 파티클(a3)가 복제될 수 있다. 이와 같이 복제되도록 하여, 제1그룹(A)의 파티클들이 제3그룹(C)의 파티클 자리에 골고루 복제될 수 있다. 따라서, 도1의 (b)에서 발생할 수 있는 문제점이 해소될 수 있다. In order to solve this problem, in the embodiment of the present invention, the particles of the third group (C) are erased, and the particles of the first group (A) closest to each other in the first direction are duplicated in place of the erased particles. If the distance between the particles of the erased third group (C) and the particles of the first group (A) in the position closest to the first direction is greater than the threshold, the second in the first direction in place of the erased particles It is possible to cause the particles of the first group (A) in the adjacent position to be replicated. For example, when the threshold is set to 3 in FIG. 1C, after the particles c2 of the third group C are erased, the particles of the first group A that are closest to each other in the first direction are located in place of the particles c2. Instead of replicating particles a2, particles a3 of the first group A, which are second adjacent in the first direction, may be replicated. In this way, the particles of the first group (A) can be evenly replicated to the particles of the third group (C). Therefore, the problem that may occur in FIG. 1B can be solved.

여기서, 임계치는 N/Na로 설정될 수도 있다. 즉, 임계치는 제1그룹(A)의 파티클들 사이의 평균 거리로 설정될 수 있다. 또한, 임계치는 제1그룹(A)의 파티클이 골고루 복제될 수 있도록 제1그룹(A)의 크기, 제3그룹(C)의 크기, 전체 파티클 개수 및 실시예에 따라 다르게 설정될 수 있다. 또한, 실시예에 따라 추가의 조건이 부가될 수 있다. 예컨대, 만약 소거된 제3그룹(C)의 파티클과 제1방향에서 가장 근접한 위치의 제1그룹(A)의 파티클 사이의 거리가 제2임계치보다 큰 경우에는 소거된 파티클 자리에 제1방향에서 세 번째로 근접한 위치의 제1그룹(A)의 파티클이 복제되도록 할 수 있다. 예컨대, 제2임계치는 상기 임계치의 2배의 값을 가질 수 있다. 복제가 골고루 이루어질 수 있도록 이러한 추가의 조건 및/또는 임계치의 설정이 가능하다. Here, the threshold may be set to N / Na. That is, the threshold may be set to the average distance between the particles of the first group A. In addition, the threshold value may be set differently according to the size of the first group A, the size of the third group C, the total number of particles, and the embodiment so that the particles of the first group A can be evenly replicated. In addition, additional conditions may be added depending on the embodiment. For example, if the distance between the particles of the erased third group C and the particles of the first group A in the position closest to the first direction is larger than the second threshold, in the first direction in place of the erased particles. Particles of the first group A in the third closest position may be replicated. For example, the second threshold may have a value twice the threshold. It is possible to set these additional conditions and / or thresholds so that replication is evenly distributed.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 과정을 알고리즘으로 구현한 예이다. a) Grouping(분류) 단계에서, 제1그룹(A) 및 제3그룹(C)에 포함되는 파티클들을 분류하는 과정이 구현된다. b) Calculating(연산) 단계에서, 제1그룹(A)에 포함되는 파티클의 개수(Na) 및 제3그룹(C)에 포함되는 파티클의 개수(Nb)가 계산된다. 여기서, "ReductionSum"함수를 통해 각 파티클에 대해서 병렬적으로 수행되는 분류단계의 결과로부터 각 그룹에 포함된 파티클 개수의 전체 합을 구한다. c)Eliminating & Duplicating(소거 및 복제) 단계에서는, 제1그룹(A)에 포함된 파티클들의 가중치를 낮추는 과정이 수행되고, 제3그룹(C)에 포함된 파티클들을 소거한 후, 가중치가 낮아진 제1그룹(A) 파티클들이 복제되는 과정이 수행된다. 2 is an example of implementing a particle re-extraction process according to an embodiment of the present invention. a) In the Grouping step, a process of classifying particles included in the first group A and the third group C is implemented. b) In the calculating step, the number Na of particles included in the first group A and the number Nb of particles included in the third group C are calculated. Here, the total sum of the number of particles included in each group is obtained from the result of the classification step performed in parallel for each particle through the "ReductionSum" function. c) In the Eliminating & Duplicating step, a process of lowering the weights of the particles included in the first group A is performed, eliminating the particles included in the third group C, and then lowering the weights. The process of replicating the first group A particles is performed.

도2에서 분류단계, 계산 단계, 및 소거 및 복제 단계는 각 파티클에 대해서 병렬적으로 수행될 수 있다. 이는, 예컨대, 각 단계의 말단에 "Global barrier" 지시를 통해 각 단계가 병렬적으로 수행되는 모든 파티클에 대해서 완료될 때가지 다음 단계의 진행을 대기하는 것으로부터도 알 수 있다. 도2는 본원의 파티클 재추출 과정이 구현되는 알고리즘의 일 예시일 뿐이며, 당해 기술분야의 당업자가 다양한 방식으로 본원의 파티클 재추출 방법을 구현할 수 있음은 자명하다. In Fig. 2, the sorting step, the calculating step, and the erasing and duplicating step may be performed in parallel for each particle. This can also be seen, for example, by waiting for the progression of the next step until each step is completed for all particles performed in parallel via a "Global barrier" indication at the end of each step. 2 is only one example of an algorithm in which the particle re-extraction process of the present application is implemented, it is apparent that those skilled in the art can implement the particle re-extraction method of the present invention in various ways.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 과정이 실행되는 연산 장치의 개략도이다. 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 방법은 도3에 도시된 연산 장치(100)에서 수행될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 방법을 실행하기 위한 연산 장치(100)는 파티클 별로 병렬적으로 재추출 과정을 실행할 수 있도록 복수의 처리 유닛을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 실시에에 따른 연산 장치(100)는, 예컨대, CPU(Central Processing Unit: 중앙 처리 장치), GPU(Graphics Processing Unit: 그래픽 처리 장치), DSP(Digital Signal Processor: 디지털 신호 처리기) 및 이와 다른 프로세서를 포함할 수 있다. GPU는 특히 메모리를 독립적으로 처리할 수 있으므로, 특히, 병렬처리에 특화되어 있어 연산량이 큰 경우에 활용도가 큰 점에서, 본 발명의 실시예에서 연산 장치(100)는 GPU일 수 있다.3 is a schematic diagram of a computing device in which a particle re-extraction process is executed according to an embodiment of the present invention. The particle re-extraction method according to the embodiment of the present invention may be performed in the computing device 100 shown in FIG. The computing device 100 for executing the particle re-extraction method according to the embodiment of the present invention may be configured to include a plurality of processing units to execute the re-extraction process in parallel for each particle. The computing device 100 according to the embodiment of the present invention may include, for example, a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), a digital signal processor (DSP), and the like. It may include other processors. In particular, since the GPU can process the memory independently, the CPU 100 may be a GPU in particular in the case of a large amount of computation, which is specialized in parallel processing.

본 발명의 실시예에 다른 연산 장치(100)는 적어도 하나 이상의 컴퓨팅 유닛(20-1,…,20-n: Computing Unit)을 포함할 수 있다. 각각의 컴퓨팅 유닛(20)은 복수의 프로세싱 요소(10-1,…,10-n: Processing Element)를 포함할 수 있다. 본원의 실시예에 다른 파티클 재추출 과정은 파티클 별로 각각의 프로세싱 요소(10)에서 실행될 수 있다. 이에 따라, 본원의 실시예에 따른 파티클 재추출 방법은 복수의 프로세싱 요소(10)에서 병렬적으로 수행될 수 있다. 또한, 파티클 필터의 경우, 하나의 파티클의 전파 및 갱신은 하나의 프로세싱 요소(10)에서 수행될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the computing device 100 may include at least one computing unit 20-1,..., 20-n. Each computing unit 20 may include a plurality of processing elements 10-1,..., 10-n. Other particle re-extraction procedures in the embodiments herein may be performed in each processing element 10 on a particle-by-particle basis. Accordingly, the particle reextraction method according to an embodiment of the present disclosure may be performed in parallel in the plurality of processing elements 10. In addition, in the case of the particle filter, propagation and updating of one particle may be performed in one processing element 10.

본 발명의 실시예에 따른 연산 장치(100)는 메모리(30)를 더 포함할 수 있다. 메모리(30)는 연산 장치(100)가 본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법을 실행하기 위해 필요한 파티클 정보, 파티클 가중치, 파티클 분포, 파티클 인덱스 정보, 전파 및 갱신 결과, 및 실시예에 따라 필요한 정보를 포함할 수 있다. The computing device 100 according to the embodiment of the present invention may further include a memory 30. The memory 30 is required for the particle information, the particle weight, the particle distribution, the particle index information, the propagation and update results, and the embodiment required for the calculation device 100 to execute the re-extraction method according to the embodiment of the present invention. May contain information.

실시예에 따라 연산 장치(100)는 각각의 프로세싱 요소(10)에 전속한 소정 정보를 포함하는 개별 메모리(미도시)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 연산 장치(100)는 하나의 컴퓨팅 유닛(20)에 포함된 프로세싱 요소(10)끼리 정보가 공유되는 메모리(미도시)를 포함할 수도 있다. 이에 따라 하나의 컴퓨팅 유닛(20)에 포함되는 프로세싱 요소(10) 사이에 워크 아이템들(work items)이 공유될 수 있다. According to an embodiment, the computing device 100 may include a separate memory (not shown) that includes predetermined information dedicated to each processing element 10. According to an exemplary embodiment, the computing device 100 may include a memory (not shown) in which information is shared between the processing elements 10 included in one computing unit 20. Accordingly, work items may be shared between the processing elements 10 included in one computing unit 20.

본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법은 컴퓨터 프로그램 언어로 작성되어, 본원의 연산 장치(100)와 같은 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법은 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독가능 기록매체를 통하여 수행될 수 있다. The re-extraction method according to an embodiment of the present invention may be written in a computer program language and executed on a computing device such as the computing device 100 of the present application. The re-extraction method according to an embodiment of the present invention may be performed through a computer-readable recording medium including program instructions for performing a computer-implemented operation.

본 발명의 따른 실시예에 따른 기록 매체는 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 포함한다.A recording medium according to an embodiment of the present invention includes a computer readable recording medium for recording a computer program for executing the method.

이하에서 본 발명의 성능을 검증하기 위해 정규분포의 파티클을 재추출한다. 또한, 재추출 이후의 파티클 분포가 재추출 이전의 파티클 분포를 잘 유지하는지 비교한다. 파티클 분포 변화는 젠슨-섀넌 발산(Jensen-Shannon divergence)을 이용하여 확인한다. 젠슨-새넌 발산은 재추출 이전의 확률 분포와 재추출 이후의 확률 분포 사이의 비슷한 정도를 계산하며, 아래 수식(2)를 통해 구할 수 있다.In the following, the particles of the normal distribution are re-extracted to verify the performance of the present invention. Also, compare the particle distribution after re-extraction to maintain the particle distribution before re-extraction. Particle distribution changes are identified using Jensen-Shannon divergence. Jensen-Sannon divergence calculates a similar degree between the probability distribution before the reextraction and the probability distribution after the reextraction, and can be obtained from Equation (2) below.

수식(2)

Formula (2)

여기서, P와 Q는 재추출 전 및 후 파티클의 확률분포를 나타내며 M는 P와 Q 의 평균 분포를 의미한다.

은 쿨백-라이블러 발산(Kullback-Leibler divergence)을 나타내며 아래 수식(3)을 통해 계산된다. Here, P and Q represent probability distributions of particles before and after re-extraction, and M means average distribution of P and Q.

Denotes the Kullback-Leibler divergence and is calculated by Equation (3) below.

수식(3)

Formula (3)

여기서, JSD는 0에서 1사이 값을 가지며 두 확률 분포가 완전히 다를 경우 1, 완전히 같을 경우 0으로 계산된다. Here, JSD has a value between 0 and 1, and is calculated as 1 when the two probability distributions are completely different, and 0 when they are exactly the same.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 기법과 기존 재추출 기법의 정규분포 파티클에 대한 재추출 후 히스토그램의 비교 그래프이다. 도4에서, 재추출전 분포인 정규분포의 파티클들을 각각의 기법에 다라 재추출한 히스토그램(histogram)이 점으로 표시된다. 리젝션(rejection) 및 메트로폴리스(metropolis)와 같은 병렬 재추출 알고리즘과 멀티노미얼(multinomial)과 같은 순차적 재추출 알고리즘의 경우, 모든 파티클의 가중치를 동일하게 만들기 때문에 히스토그램이 연속적이지 않고 층층이 쌓이는 것을 확인할 수 있다. 또한 이들 기존 알고리즘은 난수(random number)에 의존하기 때문에 특정 가중치를 갖는 파티클이 재추출 이전의 파티클 분포보다 더 많이 뽑히거나 덜 뽑히는 것을 확인 할 수 있다. 본원 발명의 실시예에 따른 재추출 방법(제안기법) 역시, 재추출 후 파티클 분포가 연속적이지는 않지만 기존 기법들에 비해 특정 가중치를 갖는 파티클이 더 뽑히고 덜 뽑히는 수가 적은 것을 확인할 수 있다. 즉, 본원 발명의 실시예에 따른 재추출 방법에 따를 경우, 기존 기법에 비해, 재추출 후의 파티클 분포가 재추출 이전의 파티클 분포와 더 유사함을 알 수 있다. 4 is a graph comparing the histogram after re-extraction for the normal particles of the particle re-extraction method and the existing re-extraction method according to an embodiment of the present invention. In Fig. 4, a histogram in which particles of a normal distribution, which is a distribution before reextraction, is re-extracted according to each technique is represented by a dot. Parallel re-extraction algorithms, such as rejection and metropolis, and sequential re-extraction algorithms, such as multinomial, ensure that the histograms are not continuous and layered because all particles have the same weight. Can be. Also, since these existing algorithms depend on random numbers, we can see that particles with a certain weight are drawn more or less than the particle distribution before re-extraction. In the re-extraction method according to an embodiment of the present invention (suggestion technique), even after the re-extraction, the particle distribution is not continuous, it can be seen that the number of particles with a certain weight is less and less than the existing techniques compared to the existing techniques. That is, according to the re-extraction method according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the particle distribution after re-extraction is more similar to the particle distribution before re-extraction, compared to the existing technique.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 기법과 기존 재추출 기법의 젠슨-섀넌 발산 비교 그래프이다. 도5에 도시된 젠슨-섀넌 발산 비교 또한 도4에 도시된 히스토그램과 동일한 결과를 보여준다. 제안 기법에 따를 경우 젠슨-섀넌 발산 값이 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 젠슨-섀넌 발산 값이 작을수록 재추출 이전의 파티클 분포와 유사하다는 것을 의미하므로, 이는 본원 발명의 실시예에 따른 재추출 방법에 따를 경우, 기존 기법에 비해, 재추출 이전의 파티클 분포를 잘 유지해야 한다는 조건이 더 잘 만족됨을 보여준다. 5 is a graph comparing Jensen-Shannon divergence between a particle re-extraction technique and a conventional re-extraction technique according to an embodiment of the present invention. The Jensen-Shannon divergence comparison shown in FIG. 5 also shows the same results as the histogram shown in FIG. According to the proposed technique, we can see that Jensen-Shannon divergence is the lowest. The smaller the Jensen-Shannon divergence value, the more similar to the particle distribution before re-extraction, and according to the re-extraction method according to an embodiment of the present invention, it maintains the particle distribution before re-extraction better than the existing technique. Demonstrate that the requirement to be better satisfied.

이하에서는 본 발명의 재추출 방법을 지형참조항법의 실시예를 통해 검증한다. 지형참조항법은 항공기에서 측정한 고도를 지형 데이터 베이스와 비교하여 항공기의 위치(위도, 경도)를 얻는 항법 기술이다. 지형 고도의 비선형성이 매우 심하기 때문에 파티클 필터를 적용하기 적합하다. 지형참조항법을 이용하여 항법의 정확도와 함께 파티클의 가중치가 얼마나 고르게 분배되었는지는

(유효 샘플 크기: effective sample size)를 이용하여 검증할 수 있다.

를 통해 소수의 파티클이 가중치를 독점하였는지 판단할 수 있으며, 이 값이 작을수록 가중치 독점이 심각함을 의미한다. 모든 파티클이 동일한 가중치를 가지고 있는 경우,

의 값이 전체 파티클 개수와 동일하다. 일반적으로

의 값이 전체 파티클 개수의 2/3 보다 작은 경우 파티클 재추출을 수행한다.

의 실제 값을 구하는 것이 어려우므로,

의 추정 값을 아래 수식(4)를 통해 획득하여 사용할 수 있다. Hereinafter, the re-extraction method of the present invention is verified through the embodiment of the georeferenced navigation. Topographic reference navigation is a navigation technique that obtains the aircraft's position (latitude and longitude) by comparing the altitude measured by the aircraft with a terrain database. Since the nonlinearity of the terrain elevation is very severe, it is suitable for applying particle filters. How evenly the weights of the particles are distributed with the accuracy of the navigation using

This can be verified using (effective sample size).

It can be determined whether a small number of particles monopolized the weight, the smaller the value means that the weight monopoly is serious. If all the particles have the same weight,

Is equal to the total number of particles. Generally

If the value of is smaller than 2/3 of the total number of particles, particle re-extraction is performed.

Since it is difficult to find the actual value of,

The estimated value of may be obtained and used through Equation (4) below.

수식(4)

Formula (4)

도6은 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 기법과 기존 재추출 기법을 지형참조항법예에 적용한 성능 비교 그래프이고, 도7은 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 기법과 기존 재추출 기법의 시간에 따른 유효 추출 크기를 비교한 그래프이다. 특히, 도6에서 지형참조항법예에서 성능은 항공기 위치의 추정값과 실제값 사이의 오차의 평균 제곱근(RMSE: Root Mean Square Error)로 평가된다. 도7은 지형참조항법예에서 Neff의 값을 비교한 그래프로서 전체 파티클의 개수는 4000개로 설정된다. 6 is a performance comparison graph applying the particle re-extraction technique and the existing re-extraction technique to the terrain reference navigation example according to an embodiment of the present invention, Figure 7 is a particle re-extraction technique and the existing re-extraction technique according to an embodiment of the present invention This is a graph comparing the effective extraction size over time. In particular, in the terrain reference navigation example in Fig. 6, the performance is evaluated as the root mean square error (RMSE) of the error between the estimated value and the actual value of the aircraft position. 7 is a graph comparing the values of Neff in the terrain reference navigation example, wherein the total number of particles is set to 4000.

도6으로부터 본원의 제안 기법을 이용하는 경우에도 기존 기법과 유사한 추정 성능을 획득할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본원의 실시예에 따른 재추출 기법은 기존 기법에 비해 별다른 성능 저하 없이 지형참조항법의 파티클 재추출을 수행할 수 있다. It can be seen from FIG. 6 that the estimation performance similar to the existing technique can be obtained even when using the proposed technique of the present application. That is, the re-extraction technique according to the embodiment of the present application may perform particle re-extraction of the terrain reference navigation without any performance degradation compared to the existing technique.

도7로부터 본원의 제안 기법의 Neff의 값이 전체 파티클 개수의 2/3 값을 충분히 넘는 것을 알 수 있다. 여기서, 본원의 제안 기법의 Neff의 값이 다른 기존 기법에 비해 약간 낮지만, 이는 기존의 다른 기법들이 재추출 후 모든 파티클의 가중치를 동일하게 만들어 높은

를 갖기 때문이다. 하지만, 이미 언급된 바와 같이 기존 기법들은 재추출 후 파티클의 가중치를 동일하게 만들기 때문에 재추출 이전의 파티클 분포와의 유사도가 달라지는 단점을 갖는다. 따라서, 파티클 분포 유지와

는 트레이드 오프(trade-off)의 관계에 있다고 할 수 있다. 하지만, 파티클의 분포는 갱신과 전파에 의해 영향을 받고 재추출 전/후에 변화가 발생되지 않아야 하므로, 파티클 가중치가 소정 성능을 획득할 수 있을 정도로 충분히 고르게 분포되었다면 Neff의 값이 다소 낮더라도 문제를 야기하지 않는다. It can be seen from FIG. 7 that the value of Neff of the proposed technique of the present application sufficiently exceeds 2/3 of the total number of particles. Here, the value of Neff of the proposed technique is slightly lower than that of other existing techniques, but this results in a high weight, which makes all particles equal after re-extraction.

Because it has. However, as already mentioned, the existing techniques have the disadvantage that the similarity with the particle distribution before re-extraction is different because the weights of the particles are the same after re-extraction. Therefore, maintaining particle distribution

Can be said to be in a trade-off relationship. However, the particle distribution is affected by update and propagation and no change should occur before or after reextraction, so if the particle weights are evenly distributed enough to achieve a certain performance, even if the value of Neff is rather low, Does not cause

도8은 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 기법과 기존 재추출 기법의 파티클 개수에 따른 재추출 수행 시간을 비교한 그래프이다. 도8은 본원 기법에 따를 경우 기존 기법에 비해 재추출 과정이 얼마나 가속될 수 있는지를 보여준다. 도8로부터, 파티클 개수가 2048개 이상부터 본원 기법이 다른 기존 기법에 비해 재추출을 가장 빠르게 수행할 수 있음을 알 수 있다. 2048개 이상부터 병렬 알고리즘과 순차 알고리즘을 이용하는 기존 기법의 재추출 수행 시간이 증가하는 반면, 본원 기법은 파티클 개수가 증가하더라도 재추출 수행 시간이 거의 변하지 않음을 알 수 있다. 비선형성이 큰 환경에서는 많은 파티클을 사용해야 하며, 예컨대, 지형참조항법의 경우 지형 험준도에 따라서 적절한 성능을 위해서 2048개 이상의 파티클 사용이 요구된다. 도8로부터 본원 기법은, 파티클 개수가 16,384개의 경우, 시스터매틱 기법과 같은 순차 알고리즘에 비해 10배, 리젝션 및 메트로폴리스 기법과 같은 병렬 알고리즘에 비해 3배 정도 재추출 수행 시간이 단축되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 파티클 개수가 증가함에 따라 더 가속될 것으로 보인다.8 is a graph comparing re-extraction execution time according to the number of particles of the particle re-extraction technique and the existing re-extraction technique according to an embodiment of the present invention. Figure 8 shows how the re-extraction process can be accelerated when compared to the existing technique according to the present technique. From Fig. 8, it can be seen that since the number of particles is 2048 or more, the present technique can perform re-extraction as compared to other existing techniques. From 2048 or more, the re-extraction execution time of the existing technique using the parallel algorithm and the sequential algorithm is increased, while the re-extraction execution time is hardly changed even if the number of particles increases. In non-linear environments, many particles must be used. For example, in georeferenced navigation, more than 2048 particles are required for proper performance depending on the terrain severity. 8 shows that, in the case of 16,384 particles, the re-extraction execution time is reduced by 10 times compared to the sequential algorithm such as the systematic method, and 3 times compared to the parallel algorithm such as the rejection and metropolis techniques. have. This trend is likely to accelerate further as the number of particles increases.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법은 파티클 필터 과정 중 파티클 재추출 과정을 보다 효율적으로 병렬화할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 방법은 소수의 파티클이 가중치를 독점하여 파티클 필터 성능을 저하시키는 파티클 퇴화 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 방법은 가중치가 너무 높은 파티클은 여러 파티클ㄹ 분리하여 가중치가 너무 낮은 파티클들을 소거하여 전체 파티클의 가중치가 고르게 분배되도록 만든다. 본 발명의 실시예에 따른 파티클 재추출 방법은 최소한의 정보 공유를 통해 재추출 과정을 파티클 단위로 병렬화함으로써, 재추출 전/후의 파티클 분포를 동일하게 유지시킬 수 있다. As described above, the re-extraction method according to an embodiment of the present invention can more effectively parallelize the particle re-extraction process of the particle filter process. The particle re-extraction method according to an embodiment of the present invention is to solve the particle deterioration problem that a small number of particles monopolize the weight to reduce the particle filter performance. In the particle re-extraction method according to an embodiment of the present invention, the particles having too high weight are separated into several particles to eliminate the particles having too low weight so that the weight of the whole particles is evenly distributed. In the particle re-extraction method according to an embodiment of the present invention by parallelizing the re-extraction process in the unit of particles through minimal information sharing, it is possible to maintain the same particle distribution before / after re-extraction.

본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법은 1) 재추출 이후 가중치가 고르게 분배되고 2)재추출 전 및 후의 파티클 분포가 서로 유사해야 한다는 조건을 만족시켜야 한다. 본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법은 절대적인 가중치 기준을 이용하여 분리되어야 하는 파티클 집단, 소거되어야 하는 파티클 집단 및 재추출이 필요하지 않은 파티클 집단으로 파티클을 분류할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법에서 파티클 분류는 파티클 단위로 독립적으로 수행가능하다. 이후, 확률에 맞게 분리되어야 하는 파티클 집단의 가중치를 낮추고, 소거되어야 하는 파티클들의 자리에 분리되어야 하는 파티클들을 복제하여, 파티클들의 가중치를 고르게 분배할 수 있다. The re-extraction method according to an embodiment of the present invention must satisfy the condition that 1) weights are evenly distributed after re-extraction, and 2) particle distribution before and after re-extraction should be similar to each other. The re-extraction method according to the embodiment of the present invention may classify particles into particle groups to be separated, particle groups to be erased, and particle groups not to be re-extracted using absolute weight criteria. In the re-extraction method according to an embodiment of the present invention, particle classification may be independently performed on a particle basis. Then, the weight of the particle group to be separated according to the probability can be lowered, the particles to be separated in place of the particles to be erased, and the weight of the particles can be evenly distributed.

본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법은 비선형성이 심한 지형참조항법을 통해 검증될 수 있으며, 기존의 다른 병렬 알고리즘과 순차 알고리즘보다 재추출 이후 파티클 분포가 더욱 잘 유지되며, 파티클 개수가 커질수록 재추출 속도가 매우 크게 향상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법은 비선형성이 심한 모델의 실시간 파티클 필터 문제에 적용될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법은 지형참조항법, 다중 센서를 이용한 다중 표적 추적, 영상 목표물 추적 등의 모델에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 재추출 방법은 무인항공기, 자동차, 로봇의 실시간 항법 및 추정 관련 산업에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 파티클 재추출의 병렬화가 가능하여 지형참조항법과 같은 비선형성이 심한 분야의 산업에도 적용될 수 있다. The re-extraction method according to an embodiment of the present invention can be verified through the terrain reference navigation with severe nonlinearity, and the particle distribution is better maintained after re-extraction than other conventional parallel and sequential algorithms, and as the number of particles increases, The reextraction rate can be greatly improved. Therefore, the re-extraction method according to the embodiment of the present invention can be applied to the problem of real-time particle filter of the model with severe nonlinearity. For example, the re-extraction method according to an embodiment of the present invention may be applied to models such as topographic reference navigation, multiple target tracking using multiple sensors, and image target tracking. In addition, the re-extraction method according to an embodiment of the present invention can be applied to real-time navigation and estimation related industries of unmanned aerial vehicles, automobiles, and robots. According to an embodiment of the present invention, the particle re-extraction can be parallelized and can be applied to an industry of severe nonlinearity such as topographic reference navigation.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Features, structures, effects, and the like described in the above embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, contents related to such combinations and modifications should be construed as being included in the scope of the present invention.

또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In addition, the above description has been made with reference to the embodiment, which is merely an example, and is not intended to limit the present invention. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be illustrated as above without departing from the essential characteristics of the present embodiment. It will be appreciated that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.

Claims

복수의 파티클을 가중치 크기에 따라 적어도 2개 이상의 그룹으로 분류하는 단계;
적어도 2개 이상의 그룹 중 하나의 그룹에 포함된 파티클의 가중치를 소정 비율에 따라 낮추는 단계;
상기 적어도 2개 이상의 그룹 중 다른 하나의 그룹에 포함된 파티클을 소거하는 단계; 및
상기 소거된 파티클의 위치에 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클을 복제하는 단계;를 포함하는,
파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법.Classifying the plurality of particles into at least two groups according to weight magnitudes;
Lowering a weight of particles included in one of the at least two groups according to a predetermined ratio;
Erasing particles included in another group of the at least two groups; And
Duplicating particles included in the one group at the position of the erased particles;
Particle re-extraction method for particle filters.

제1항에 있어서,
상기 소정 비율은, 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클의 총 개수를 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클의 총 개수와 상기 다른 하나의 그룹에 포함된 파티클의 총 개수의 합으로 나눈 값인, 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법.The method of claim 1,
The predetermined ratio is a particle filter, which is a value obtained by dividing the total number of particles included in the one group by the sum of the total number of particles included in the one group and the total number of particles included in the other group. Particle reextraction method.

제1항에 있어서,
상기 소거된 파티클의 위치에 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클을 복제하는 단계에서,
상기 소거된 파티클의 위치에서 파티클 인덱스의 증가 및 감소 중 어느 하나의 방향에서 가장 근접한 위치의 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클이 복제되는, 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법.The method of claim 1,
Duplicating particles included in the one group at positions of the erased particles;
And particles included in the one group in the closest position in either direction of increasing or decreasing particle index at the position of the erased particle are duplicated.

제1항에 있어서,
상기 소거된 파티클의 위치에 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클을 복제하는 단계에서,
상기 소거된 파티클의 위치에서 파티클 인덱스의 증가 및 감소 중 어느 하나의 방향에서 가장 근접한 위치의 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클이 복제되되, 상기 소거된 파티클과 상기 방향에서 가장 근접한 위치의 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클 사이의 거리가 임계치보다 큰 경우 상기 방향에서 두 번째로 근접한 위치의 상기 하나의 그룹에 포함된 파티클이 복제되는, 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법.The method of claim 1,
Duplicating particles included in the one group at positions of the erased particles;
Particles contained in the one group in the closest position in either direction of the increase or decrease of the particle index at the position of the erased particles are duplicated, wherein the one at the position closest to the erased particle in the direction And when a distance between particles included in a group is greater than a threshold, particles included in the one group at a second closest position in the direction are duplicated.

제1항에 있어서,
복수의 파티클을 가중치 크기에 따라 적어도 2개 이상의 그룹으로 분류하는 단계에서,
가중치가 제1기준치 이상인 파티클을 포함하는 제1그룹, 가중치가 제1기준치 미만 및 제2기준치 이상인 파티클을 포함하는 제2그룹, 및 가중치가 제2기준치 미만인 파티클을 포함하는 제3그룹으로 분류되며,
제1기준치는 제2기준치보다 크고, 제2기준치는 0보다 큰, 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법.The method of claim 1,
In the step of classifying a plurality of particles into at least two groups according to the weight size,
A first group including particles having a weight greater than or equal to the first reference value, a second group including particles having a weight less than the first reference value and greater than or equal to the second reference value, and a third group including particles having a weight less than the second reference value; ,
Wherein the first reference value is greater than the second reference value and the second reference value is greater than zero.

제5항에 있어서,
상기 하나의 그룹은 상기 제1그룹이고 상기 다른 하나의 그룹은 상기 제3그룹인, 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법.The method of claim 5,
Wherein the one group is the first group and the other group is the third group.

제1항 내지 제6항에 있어서,
상기 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법에 포함된 상기 단계들 각각은 파티클 단위로 병렬적으로 수행될 수 있는, 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법.The method according to claim 1 to 6,
Each of the steps included in the method for extracting particles for the particle filter may be performed in parallel on a particle basis.

제1항 내지 제6항에 있어서,
상기 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법은 GPU에서 수행되는, 파티클 필터를 위한 파티클 재추출 방법.The method according to claim 1 to 6,
Particle re-extraction method for the particle filter is performed on a GPU.

제1 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
A computer-readable recording medium for recording a computer program for executing the method according to any one of claims 1 to 6.