Open this publication in new window or tab >>2025 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]
The tasks of state estimation and parameter estimation are closely related and often treated jointly by researchers in the areas of signal processing, control, and system identification. In recent literature, there is a growing trend of applying machine learning and deep learning techniques to tackle the above problems. The thesis follows a similar line of thought and is primarily concerned with the development of deep learning-based approaches for addressing state estimation and parameter estimation, under modeling constraints.
The first main contribution of the thesis concerns deep learning approaches for addressing Bayesian state estimation in a model-free scenario. We introduce DANSE -- a Data-driven Nonlinear State Estimation method where the underlying dynamical model is unknown. The core of the DANSE framework consists of directly modeling the prior distribution of the state using a recurrent neural network. We assume knowledge of the measurement system, which is considered noisy, linear, and additive. This assumption offers attractive advantages in Bayesian state estimation. Firstly, it enables DANSE to provide a closed-form posterior distribution of the state. Secondly, the training of DANSE can be carried out in an unsupervised manner as long as the noisy measurements contain sufficient information about the unknown state (either when we have a full-rank measurement system or an over-determined measurement system). In the case of under-determined measurements, the state estimation problem becomes challenging. To meet this challenge, we modify the existing unsupervised learning framework of DANSE by using a limited amount of labelled training data. This modification results in a semi-supervised learning framework, and the resulting method is named semi-supervised DANSE (SemiDANSE). Finally, ideas from particle filters and importance sampling are borrowed for handling noisy and nonlinear measurements. This results in a particle-based DANSE (pDANSE). pDANSE approximates the unknown posterior distribution using the first two statistical moments, while requiring no special knowledge of the underlying dynamic model. We employ nonlinear dynamical systems, such as chaotic attractors, in our experimental study. Such attractors are a popular choice for benchmarking state estimation performances. We compare the empirical performance of DANSE and its extensions, SemiDANSE and pDANSE, against those of classical, model-driven approaches such as the extended Kalman filter (EKF), the unscented Kalman filter (UKF), the particle filter (PF), data-driven, and recent hybrid approaches like KalmanNet.
The second main contribution of the thesis concerns deep learning-based parameter estimation. Challenges associated with classical parameter estimation techniques include computationally intensive inference and dependency on parameter initialization. For addressing these challenges, we propose DeepBayes -- a method for constructing an estimator using recurrent neural networks. For training the recurrent neural networks, a simulable model is used to generate a large quantity of synthetic, labelled data for offline training using parameters sampled from a non-informative uniform prior. The result is that once trained, DeepBayes can provide rapid inference without any special consideration regarding initialisation. Furthermore, we empirically demonstrate that DeepBayes can provide comparable parameter estimation performance compared to the mean-squared-error optimal Bayes estimator and relevant maximum-likelihood based estimators on popular nonlinear dynamical system benchmarks.
Abstract [sv]
Tillståndsestimering och parameterestimering är nära besläktade uppgifter som ofta behandlas gemensamt av forskare inom signalbehandling, reglerteknik och systemidentifiering. I den aktuella litteraturen blir det allt vanligare att använda metoder från maskininlärning och djupinlärning för att angripa dessa problem. Denna avhandling följer samma inriktning och fokuserar huvudsakligen på att utveckla djupinlärningsbaserade metoder för tillståndsestimering och parameterestimering under modelleringsbegränsningar.
Avhandlingens första huvudbidrag gäller djupinlärningsbaserade angreppssätt för Bayesiansk tillståndsestimering i en modellfri situation. Vi introducerar DANSE (Data-driven Nonlinear State Estimation) där den underliggande dynamiska modellen är okänd. Kärnan i DANSE-metoden är att direkt modellera en a-priori sannolikhetsfördelning för tillståndsvariablerna med hjälp av återkommande neurala nätverk. Vi antar kännedom om mätmodellen, vilken antas vara linjär, additiv och brusig. Detta antagande ger flera fördelar vid Bayesiansk tillståndsestimering. För det första möjliggör det att DANSE kan ge en sluten form för tillståndsvariablernas a-posteriori sannolikhetsfördelning. För det andra kan DANSE tränas oövervakat, så länge de brusiga mätningarna innehåller tillräcklig information om det okända tillståndet (till exempel när mätmodellen har full rang eller är överbestämd). Vid underbestämda mätningar blir tillståndsestimeringsproblemet mer utmanande. För att hantera detta utvidgar vi den befintliga oövervakade inlärningsmetoden genom att använda en begränsad mängd annoterad träningsdata. Denna förändring resulterar i en semiövervakad metod, benämnd SemiDANSE. Slutligen lånar vi idéer från partikelfilter och viktningsmetoder för att hantera olinjära och brusiga mätningar. Detta leder till en partikelbaserad variant av DANSE, pDANSE. pDANSE approximerar den okända a-posteriori sannolikhetsfördelningen genom att beskriva den med hjälp av väntevärde och varians, utan krav på djupare kännedom om den underliggande dynamiska modellen. I våra experiment använder vi olinjära dynamiska system, såsom kaotiska attraktorer, vilka ofta används som referenssystem för att utvärdera tillståndsestimeringsprestanda. Vi jämför de empiriska resultaten för DANSE samt dess varianter SemiDANSE och pDANSE med klassiska, modellbaserade metoder, till exempel Extended Kalman Filter (EKF), Unscented Kalman Filter (UKF) och Particle Filter (PF), samt med rena datadrivna metoder och nya hybrida angreppssätt såsom KalmanNet.
Avhandlingens andra huvudbidrag rör djupinlärningsbaserad parameterestimering. Klassiska parameterestimeringsmetoder präglas ofta av beräkningsintensiv inferens och av ett starkt beroende av parameterinitialisering. För att hantera dessa utmaningar introducerar vi DeepBayes, en metod för att konstruera en skattare med hjälp av återkommande neurala nätverk. För att träna dessa nätverk används en simulerbar modell för att generera stora mängder annoterad syntetisk data för offline träning, där parametrarna dragits från en icke-informativ likformig a-priori-fördelning. Resultatet är att DeepBayes, när modellen väl är offline-tränad, kan erbjuda snabb inferens utan särskilda krav på initialisering. Vi visar dessutom empiriskt att DeepBayes kan uppnå jämförbar prestanda i parameterestimering med både den Bayesianska skattaren, som är optimal med avseende på medelkvadratfelet, och relevanta maximum likelihood-baserade skattare på välkända referenssystem för olinjära dynamiska system.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm, Sweden: Kungliga Tekniska högskolan, 2025. p. 157
Series
TRITA-EECS-AVL ; 2025:96
Keywords
deep learning, state estimation, parameter estimation, state space models, dynamical systems, djupinlärning, tillståndsestimering, parameterestimering, tillståndsmodell, dynamiska system
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering Signal Processing
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-372376 (URN)978-91-8106-441-4 (ISBN)
Public defence
2025-12-08, https://kth-se.zoom.us/j/68170582099, F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm, Sweden, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20251106
2025-11-062025-11-062025-11-19Bibliographically approved