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零基础入门卡尔曼滤波(带简单例子、MATLAB源程序)

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零基础入门卡尔曼滤波(带简单例子、MATLAB源程序)

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Kalman Filter 简单来说,卡尔曼滤波器是一个“optimal recursive data processing algorithm(最优化自回归数据处理算法)”。对于解决很大部分的问题,他是最优,效率最高甚至是最有用的。他的广泛应用已经超过30年,包括机器人导航,控制,传感器数据融合甚至在军事方面的雷达系统以及导弹追踪等等。近来更被应用于计算机图像处理,例如头脸识别,图像分割,图像边缘检测等等。 卡尔曼滤波器的介绍 : 为了可以更加容易的理解卡尔曼滤波器,这里会应用形象的描述方法来讲解,而不是像大多数参考书那样罗列一大堆的数学公式和数学符号。但是,他的5条公式是其核心内容。结合现代的计算机,其实卡尔曼的程序相当的简单,只要你理解了他的那5条公式。 在介绍他的5条公式之前,先让我们来根据下面的例子一步一步的探索。 假设我们要研究的对象是一个房间的温度。根据你的经验判断,这个房间的温度是恒定的,也就是下一分钟的温度等于现在这一分钟的温度(假设我们用一分钟来做时间单位)。假设你对你的经验不是100%的相信,可能会有上下偏差几度。我们把这些偏差看成是高斯白噪声(White Gaussian Noise),也就是这些偏差跟前后时间是没有关系的而且符合高斯分布(Gaussian Distribution)。另外,我们在房间里放一个温度计,但是这个温度计也不准确的,测量值会比实际值偏差。我们也把这些偏差看成是高斯白噪声。 好了,现在对于某一分钟我们有两个有关于该房间的温度值:你根据经验的预测值(系统的预测值)和温度计的值(测量值)。下面我们要用这两个值结合他们各自的噪声来估算出房间的实际温度值。 假如我们要估算k时刻的实际温度值。首先你要根据k-1时刻的温度值,来预测k时刻的温度。因为你相信温度是恒定的,所以你会得到k时刻的温度预测值是跟k-1时刻一样的,假设是23度,同时该值的高斯噪声的偏差是5度(5是这样得到的:如果k-1时刻估算出的最优温度值的偏差是3,你对自己预测的不确定度是4度,他们平方相加再开方,就是5)。然后,你从温度计那里得到了k时刻的温度值,假设是25度,同时该值的偏差是4度。 由于我们用于估算k时刻的实际温度有两个温度值,分别是23度和25度。究竟实际温度是多少呢?相信自己还是相信温度计呢?究竟相信谁多一点,我们可以用他们的协方差(covariance)来判断。因为Kg=5^2/(5^2+4^2),所以Kg=0.61,我们可以估算出k时刻的实际温度值是:23+0.61*(25-23)=24.22度。可以看出,因为温度计的协方差(covariance)比较小(比较相信温度计),所以估算出的最优温度值偏向温度计的值。 现在我们已经得到k时刻的最优温度值了,下一步就是要进入k+1时刻,进行新的最优估算。到现在为止,好像还没看到什么自回归的东西出现。对了,在进入k+1时刻之前,我们还要算出k时刻那个最优值(24.22度)的偏差。算法如下:((1-Kg)*5^2)^0.5=3.12。这里的5就是上面的k时刻你预测的那个23度温度值的偏差,得出的3.12就是进入k+1时刻以后k时刻估算出的最优温度值的偏差(对应于上面的3)。 就是这样,卡尔曼滤波器就不断的把(协方差(covariance)递归,从而估算出最优的温度值。他运行的很快,而且它只保留了上一时刻的协方差(covariance)。上面的Kg,就是卡尔曼增益(Kalman Gain)。他可以随不同的时刻而改变他自己的值,是不是很神奇! 下面就要言归正传,讨论真正工程系统上的卡尔曼。 卡尔曼滤波器算法 : 在这一部分,我们就来描述源于Dr Kalman 的卡尔曼滤波器。下面的描述,会涉及一些基本的概念知识,包括概率(Probability),随机变量(Random Variable),高斯或正态分配(Gaussian Distribution)还有State-space Model等等。但对于卡尔曼滤波器的详细证明,这里不能一一描述。 首先,我们先要引入一个离散控制过程的系统。该系统可用一个线性随机微分方程(Linear Stochastic Difference equation)来描述: X(k)=A X(k-1)+B U(k)+W(k) 再加上系统的测量值: Z(k)=H X(k)+V(k) 上两式子中,X(k)是k时刻的系统状态,U(k)是k时刻对系统的控制量。A和B是系统参数,对于多模型系统,他们为矩阵。Z(k)是k时刻的测量值,H是测量系统的参数,对于多测量系统,H为矩阵。W(k)和V(k)分别表示过程和测量的噪声。他们被假设成高斯白噪声(White Gaussian Noise),他们的协方差(covariance)分别是Q,R(这里我们假设他们不随系统状态变化而变化)。 对于满足上面的条件(线性随机微分系统,过程和测量都是高斯白噪声),卡尔曼滤波器是最优的信息处理器。下面我们结合他们的协方差来估算系统的最优化输出(类似上一节那个温度的例子)。 首先我们要利用系统的过程模型,来预测下一状态的系统。假设现在的系统状态是k,根据系统的模型,可以基于系统的上一状态而预测出现在状态: X(k|k-1)=A X(k-1|k-1)+B U(k) ……….. (1) 式(1)中,X(k|k-1)是利用上一状态预测的结果,X(k-1|k-1)是上一状态最优的结果,U(k)为现在状态的控制量,如果没有控制量,它可以为0。 到现在为止,我们的系统结果已经更新了,可是,对应于X(k|k-1)的协方差还没更新。我们用P表示协方差(covariance): P(k|k-1)=A P(k-1|k-1) A’+Q ……… (2) 式(2)中,P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差,P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的协方差,A’表示A的转置矩阵,Q是系统过程的协方差。式子1,2就是卡尔曼滤波器5个公式当中的前两个,也就是对系统的预测。 现在我们有了现在状态的预测结果,然后我们再收集现在状态的测量值。结合预测值和测量值,我们可以得到现在状态(k)的最优化估算值X(k|k): X(k|k)= X(k|k-1)+Kg(k) (Z(k)-H X(k|k-1)) ……… (3) 其中Kg为卡尔曼增益(Kalman Gain): Kg(k)= P(k|k-1) H’ / (H P(k|k-1) H’ + R) ……… (4) 到现在为止,我们已经得到了k状态下最优的估算值X(k|k)。但是为了要令卡尔曼滤波器不断的运行下去直到系统过程结束,我们还要更新k状态下X(k|k)的协方差: P(k|k)=(I-Kg(k) H)P(k|k-1) ……… (5) 其中I 为1的矩阵,对于单模型单测量,I=1。当系统进入k+1状态时,P(k|k)就是式子(2)的P(k-1|k-1)。这样,算法就可以自回归的运算下去。 卡尔曼滤波器的原理基本描述了,式子1,2,3,4和5就是他的5 个基本公式。根据这5个公式,可以很容易用计算机编程实现。 在上面的例子中,过程误差和测量误差设定为4是为了讨论的方便。实际中,温度的变化速度以及温度计的测量误差都没有这么大。 假设如下一个系统: 房间内连续两个时刻温度差值的标准差为0.02度 温度计的测量值误差的标准差为0.5度 房间温度的真实值为24度 对温度的初始估计值为23.5度,误差的方差为1 MatLab仿真的代码如下: % Kalman filter example of temperature measurement in Matlab % This M code is modified from Xuchen Yao's matlab on 2013/4/18 %房间当前温度真实值为24度,认为下一时刻与当前时刻温度相同,误差为0.02度(即认为连续的两个时刻最多变化0.02度)。 %温度计的测量误差为0.5度。 %开始时,房间温度的估计为23.5度,误差为1度。 clear all; close all; % intial parameters n_iter = 100; %计算连续n_iter个时刻 sz = [n_iter, 1]; % size of array. n_iter行,1列 x = 24; % 温度的真实值 Q = 4e-4; % 过程方差, 反应连续两个时刻温度方差。更改查看效果 R = 0.25; % 测量方差,反应温度计的测量精度。更改查看效果 z = x + sqrt(R)*randn(sz); % z是温度计的测量结果,在真实值的基础上加上了方差为0.25的高斯噪声。 % 对数组进行初始化 xhat=zeros(sz); % 对温度的后验估计。即在k时刻,结合温度计当前测量值与k-1时刻先验估计,得到的最终估计值 P=zeros(sz); % 后验估计的方差 xhatminus=zeros(sz); % 温度的先验估计。即在k-1时刻,对k时刻温度做出的估计 Pminus=zeros(sz); % 先验估计的方差 K=zeros(sz); % 卡尔曼增益,反应了温度计测量结果与过程模型(即当前时刻与下一时刻温度相同这一模型)的可信程度 % intial guesses xhat(1) = 23.5; %温度初始估计值为23.5度 P(1) =1; %误差方差为1 for k = 2:n_iter % 时间更新(预测) xhatminus(k) = xhat(k-1); %用上一时刻的最优估计值来作为对当前时刻的温度的预测 Pminus(k) = P(k-1)+Q; %预测的方差为上一时刻温度最优估计值的方差与过程方差之和 % 测量更新(校正) K(k) = Pminus(k)/( Pminus(k)+R ); %计算卡尔曼增益 xhat(k) = xhatminus(k)+K(k)*(z(k)-xhatminus(k)); %结合当前时刻温度计的测量值,对上一时刻的预测进行校正,得到校正后的最优估计。该估计具有最小均方差 P(k) = (1-K(k))*Pminus(k); %计算最终估计值的方差 end FontSize=14; LineWidth=3; figure(); plot(z,'k+'); %画出温度计的测量值 hold on; 估计的误差的方差 plot(xhat,'b-','LineWidth',LineWidth) %画出最优估计值 hold on; plot(x*ones(sz),'g-','LineWidth',LineWidth); %画出真实值 legend('温度计的测量结果', '后验估计', '真实值'); xl=xlabel('时间(分钟)'); yl=ylabel('温度'); set(xl,'fontsize',FontSize); set(yl,'fontsize',FontSize); hold off; set(gca,'FontSize',FontSize); figure(); valid_iter = [2:n_iter]; % Pminus not valid at step 1 plot(valid_iter,P([valid_iter]),'LineWidth',LineWidth); %画出最优估计值的方差 legend('后验估计的误差估计'); xl=xlabel('时间(分钟)'); yl=ylabel('℃^2'); set(xl,'fontsize',FontSize); set(yl,'fontsize',FontSize); set(gca,'FontSize',FontSize);

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