卡尔曼滤波&粒子滤波
Rhee
2017年11月13日
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1隐马尔科夫模型
概率图模型(probabilistic graphical model)是一类用图来表达变量相
关关系的概率模型。隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model,简称HMM)
是结构最简单的动态贝叶斯网(dynamic Bayesian network)，这是一种有向
图模型，在此我们主要用于时序数据建模。
隐马尔可夫模型中的变量可分为两组，第一组是状态变量{x1,x2,...,x n}，其中x i∈X表示第i时刻的系统状态。通常假定状态变量是隐藏的、不可
被观测的，因此状态标量亦称隐变量。第二组是观测变量{z1,z2,...,z n}，其中z i∈Z表示第i时刻的观测值。
以下为状态方程和观测方程：
x k=F k x k?1+v k?1
z k=H k x k+w k
F k状态转移矩阵，v k?1是过程噪声。H k观测矩阵，w k是观测噪声。在任一时刻，观测变量的取值仅赖于状态变量，即z k由x k确定，与其他
状态变量及观测变量无关。同时，系统下一时刻的状态仅由当前状态决定，不依赖于以往的任何状态，即x k由x k?1确定。这就是所谓的马尔科夫链(Markov chain)。
2卡尔曼滤波
2.1卡尔曼滤波之我见
卡尔曼滤波的核心即是预测和测量的反馈，正如公式(1)所描述的一致。通过对当前状态的无偏估计，同时需要保证估计的有效性，从而得出卡
尔曼滤波五公式。在进行下列推导过程中，会用到参数估计部分知识。
2.2卡尔曼滤波前提假设
卡尔曼滤波器是基于在时域中离散的线性动力系统(在此我们考虑离散
的系统)。卡尔曼滤波器是基于马尔科夫链的模型，其建立在线性运算符的
基础上，过程噪声和观测噪声符合高斯分布，且过程噪声和观测噪声不相关。
2
2.3卡尔曼滤波公式推导
在进行公式推导前，定义符号如下：
?x k|k表示已知k时刻及k时刻以前的所有的测量值对k时刻状态的估计。即后验状态估计。?x k|k?1表示已知k时刻前的先验知识对k时刻的先验状态估计。由此定义先验估计误差和后验估计误差：?e k|k?1=x k??x k|k?1和?e k|k=x k??x k|k。先验估计误差协方差矩阵：P k|k?1=E[?e k|k?1?e T k|k?1]。
]。另外，Q k?1和R k分别为协后验估计误差协方差矩阵P k|k=E[?e k|k?e T
k|k
方差矩阵，由前提假设知：v k?1～N(0,Q k?1)，w k～N(0,Q k)。
由上述内容可知，卡尔曼滤波即是预测和纠正的过程。也就是
?x k|k?1+K k z k(1)
?x k|k=K′
k
和K k，它们能产生x k的无偏估计，并且使我们希望找到合适的权值K′
k
得估计误差协方差矩阵尽可能的小，这样便保证了有效性。
2.3.1无偏估计
?e k|k=x k??x k|k
=x k?K′k?x k|k?1?K k z k
=x k?K′k?x k|k?1?K k(H k x k+w k)
=x k?K′k?x k|k?1?K k(H k x k+w k)?K′k x k+K′k x k
=(I?K k H k?K′k)x k+K′k?e k|k?1?K k w k
E(?e k|k)=(I?K k H k?K′k)E(x k)+K′k E(?e k|k?1)?K k E(w k)=0
由前提假设可知，I?K k H k?K′k=0，即K′k=I?K k H k将此结果带入上述公式(1)得
?x k|k=?x k|k?1+K k(z k?H k?x k|k?1)(2)其中K k称为卡尔曼增益。
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PS(用到公式(6)):
E (?e k |k ?1)=E [x k ??x k |k ?1]
=E [F k (x k ?1??x k ?1|k ?1)+v k ?1]
=F k E [?e k ?1|k ?1]+E [v k ?1]
=0
2.3.2最小化后验状态估计协方差
已知后验状态估计协方差矩阵，将公式(2)带入并且化简得：
P k |k =E [?e k |k ?e T k |k ]
=E [(x k ??x k |k )(x k ??x k |k )T ]
=E [[(I ?K k H k )(x k ??x k |k ?1)?K k w k ][(I ?K k H k )(x k ??x k |k ?1)?K k w k ]T ]
=(I ?K k H k )E [(x k ??x k |k ?1)(x k ??x k |k ?1)T ](I ?K k H k )T +K k E [w k w T k ]K T k
=(I ?K k H k )P k |k ?1(I ?K k H k )T +K k R k K T k
(3)
我们知道协方差矩阵的正对角线是方差，为了保证有效性，我们求得卡尔曼增益使得方差最小。故需要求解?T r (P k |k )?K k =0，此处会用到矩阵迹的求导法则。对上式求解得：
K k =P k |k ?1H T k (H k P k |k ?1H T k +R k )?1(4)
接下来将公式(4)代入公式(3)得后验估计误差协方差矩阵递推公式：
P k |k =(I ?k k H k )P k |k ?1
(5)我们注意到先验状态估计的递推公式：
?x k +1|k =F k +1?x k |k
(6)接下来，需要求解先验估计误差协方差矩阵递推公式：
P k +1|k =E [?e k +1|k ?e T k +1|k ]
=E [(x k +1??x k +1|k )(x k +1??x k +1|k )T ]
=E [(F k +1(x k ??x k |k )+v k )(F k +1(x k ??x k |k )+v k )T ]
=F k +1E [?e k |k ?e T k |k ]F T k +1+E [v k v T k ]
=F k +1P k |k F T k +1+Q k (7)
由此也得到了后验误差估计协方差的递推公式。
4
2.3.3卡尔曼滤波五公式
表1:时间更新方程(预测)
?x k|k?1=F k?x k?1|k?1
P k|k?1=F k P k?1|k?1F T
k
+Q k?1
表2:测量更新方程(校正)
K k=P k|k?1H T
k (H k P k|k?1H T
k
+R k)?1
?x k|k=?x k|k?1+K k(z k?H k?x k|k?1)
P k|k=(I?k k H k)P k|k?1
时间更新方程将当前状态变量作为先验估计及时地向前投射到测量更新方程，测量更新方程校正先验估计以获得状态的后验估计。
2.4卡尔曼滤波迭代过程
卡尔曼滤波迭代过程，尽管符号标记不一致，可是参考过程即可。
图1:卡尔曼滤波迭代步骤
3粒子滤波
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UT 变换 核心思想：近似一种概率分布比近似任意一个非线性函数或非线性变换要容易。 假设n 维向量x 经过一个非线性变换得到y ，即()y g x =，x 的均值为?x ，协方差矩阵为xx P 。 步骤1：根据x 的均值?x 和协方差矩阵xx P ，采用一定的采样策略（此处采用对称采样）得到sigma 点集{}i χ。 0???1,2,...,i i i n i x x x i n χχχ+==+=-= 其中，i 表示矩阵的第i 列。 (0)(0)2() ()/() /()(1) 1/2(),1,2,...,21/2(), 1,2,...,2m c i m i c W n W n W n i n W n i n λλλλαβλλ=+=++-+=+==+= 注，这里sigma 点集{}i χ乘以对应的权重{}i m W ，可得sigma 点集的均 值为?x ，协方差为xx P 。 步骤2：对所采样的sigma 点集{}i χ中的每个sigma 点通过非线性变 换g(*),得到采样后的sigma 点集{}i y 。 ()i i y g χ= 步骤3：对变换后的sigma 点集{}i y 进行加权处理，得到输出变量y 的均值?y 和协方差yy P 。 2()02()0???()()n i m i i n i T yy c i i i y W y P W y y y y ====--∑∑
UKF 非线性系统模型为: ()((1))(1)()(())() x k f x k V k y k h x k W k =-+-=+ 1) 状态初始条件为 ?(0|0)((0|0))??(0|0)(((0|0)(0|0))((0|0)(0|0)))T xx x E x P E x x x x ==-- 2) Sigma 点采样 ??(1|1)[(1|1)(1|1)?(1|1)k k x k k x k k x k k χ--=----+-- 3) 时间更新 202020(|1)((1|1)) ?(|1)(|1) (|1)((|1)) ?(|1)(|1) ??(|1)(((|1)(|1))((|1)(|1)))(1)n i m i i n i m i i n i T xx c i i i k k f k k x k k W k k k k h k k y k k W k k P k k W k k x k k k k x k k Q k χχχμχμχχ===-=---=--=--=--=------+-∑∑∑ 4) 测量更新 20 20 1??(|1)((|1)(|1))((|1)(|1))??(|1)((|1)(|1))((|1)(|1))()(|1)*(|1)???(|)(|1)()(()(|1))(|)n i T xy c i i i n i T yy c i i i xy yy xx P k k W k k x k k k k y k k P k k W k k y k k k k y k k K k P k k P k k x k k x k k K k y k y k k P k k χμμμ==--=-------=------=--=-+--∑∑(|1)()(|1)()T xx yy P k k K k P k k K k =---
卡尔曼滤波器及其简matlab仿真
卡尔曼滤波器及其简matlab仿真 一、卡尔曼滤波的起源 谈到信号的分析与处理，就离不开滤波两个字。通常，信号的频谱处于有限的频率范围内，而噪声的频谱则散布在很广的频率范围内，为了消除噪声，可以进行频域滤波。但在许多应用场合，需要直接进行时域滤波，从带噪声的信号中提取有用信号。虽然这样的过程其实也算是对信号的滤波，但其所依据的理论，即针对随机信号的估计理论，是自成体系的。人们对于随机信号干扰下的有用信号不能“确知”，只能“估计”。为了“估计”，要事先确定某种准则以评定估计的好坏程度。 1960年卡尔曼发表了用递归方法解决离散数据线性滤波问题的论文A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems （线性滤波与预测问题的新方法），在这篇文章里一种克服了维纳滤波缺点的新方法被提出来，这就是我们今天称之为卡尔曼滤波的方法。卡尔曼滤波应用广泛且功能强大，它可以估计信号的过去和当前状态甚至能估计将来的状态即使并不知道模型的确切性质。 其基本思想是以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值。算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计。 对于解决很大部分的问题，它是最优，效率最高甚至是最有用的。它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。近年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。 卡尔曼滤波不要求保存过去的测量数据，当新的数据到来时，根据新的数据和前一时刻的储值的估计，借助于系统本身的状态转移方程，按照一套递推公式，即可算出新的估值。卡尔曼递推算法大大减少了滤波装置的存储量和计算量，并且突破了平稳随机过程的限制，使卡尔曼滤波器适用于对时变信号的实时处理。
基于FPGA的卡尔曼滤波器的设计 时间：2010-04-12 12:52:33 来源：电子科技作者：米月琴，黄军荣西安电子科技大学摘要：针对电路设计中经常碰到数据的噪声干扰现象，提出了一种Kalman滤波的FPGA实现方法。该方法采用了TI公司的高精度模数转换器ADSl25l以及Altera公司的EPlCl2，首先用卡尔曼滤波算法 设计了一个滤波器，然后将该滤波器分解成简单的加、减、乘、除运算。通过基于FPGA平台的硬件与 软件的合理设计，成功地实现了数据噪声的滤除设计，并通过实践仿真计算，验证了所实现滤波的有效性。 关键词：卡尔曼；FPGA；最小方差估计 卡尔曼滤波是一个“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，是最优化的，效率最高甚至是最有用的。传统的卡尔曼滤波是 在DSP上实现的。但是DSP成本相对较高，而且指令是串行执行的，不能满足有些要求较高的场合。而FPGA由于其硬件结构决定了它的并行处理方式，无论在速度还是实时性都更胜一筹。文中以基于FPGA 器件和A／D转换器的数据采集系统为硬件平台，进行了卡尔曼滤波算法设计，详述了基于FPGA的卡尔 曼滤波器的设计实现。 1 卡尔曼滤波算法 工程中，为了了解工程对象(滤波中称为系统)的各个物理量(滤波中称为状态)的确切数值，或为了 达到对工程对象进行控制的目的，必须利用测量手段对系统的各个状态进行测量。但是，量测值可能仅 是系统的部分状态或是部分状态的线性组合，且量测值中有随机误差(常称为量测噪声)。最优估计就是 针对上述问题的一种解决方法。它能将仅与部分状态有关的测量进行处理，得出从统计意义上讲误差最 小的更多状态的估值。误差最小的标准常称为估计准则，根据不同的估计准则和估计计算方法，有各种 不同的最优估计，卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计的最优估计。 系统的状态方程可设定为 式（3）为系统噪声。设设备的量测噪声为Vk，系统得量测方程为
卡尔曼滤波器及其简matlab仿真 一、卡尔曼滤波的起源 谈到信号的分析与处理，就离不开滤波两个字。通常，信号的频谱处于有限的频率范围内，而噪声的频谱则散布在很广的频率范围内，为了消除噪声，可以进行频域滤波。但在许多应用场合，需要直接进行时域滤波，从带噪声的信号中提取有用信号。虽然这样的过程其实也算是对信号的滤波，但其所依据的理论，即针对随机信号的估计理论，是自成体系的。人们对于随机信号干扰下的有用信号不能“确知”，只能“估计”。为了“估计”，要事先确定某种准则以评定估计的好坏程度。 1960年卡尔曼发表了用递归方法解决离散数据线性滤波问题的论文A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems（线性滤波与预测问题的新方法），在这篇文章里一种克服了维纳滤波缺点的新方法被提出来，这就是我们今天称之为卡尔曼滤波的方法。卡尔曼滤波应用广泛且功能强大，它可以估计信号的过去和当前状态甚至能估计将来的状态即使并不知道模型的确切性质。 其基本思想是以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值。算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计。 对于解决很大部分的问题，它是最优，效率最高甚至是最有用的。它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。近年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。 卡尔曼滤波不要求保存过去的测量数据，当新的数据到来时，根据新的数据和前一时刻的储值的估计，借助于系统本身的状态转移方程，按照一套递推公式，即可算出新的估值。卡尔曼递推算法大大减少了滤波装置的存储量和计算量，并且突破了平稳随机过程的限制，使卡尔曼滤波器适用于对时变信号的实时处理。 二、卡尔曼滤波的原理
信息融合大作业 ——维纳最速下降法滤波器，卡尔曼滤波器设计及Matlab仿真 1.滤波问题浅谈 估计器或滤波器这一术语通常用来称呼一个系统，设计这样的系统是为了从含有噪声的数据中提取人们感兴趣的，接近规定质量的信息。由于这样一个宽目标，估计理论应用于诸如通信、雷达、声纳、导航、地震学、生物医学工程、 金融工程等众多不同的领域。例如，考虑一个数字通信系统，其基本形式由发
射机、信道和接收机连接组成。发射机的作用是把数字源(例如计算机)产生的0、1符号序列组成的消息信号变换成为适合于信道上传送的波形。而由于符号间干扰和噪声的存在，信道输出端收到的信号是含有噪声的或失真的发送信号。接收机的作用是，操作接收信号并把原消息信号的一个可靠估值传递给系统输出端的某个用户。随着通信系统复杂度的提高，对原消息信号的还原成为通信系统中最为重要的环节，而噪声是接收端需要排除的最主要的干扰，人们也设计出了针对各种不同条件应用的滤波器，其中最速下降算法是一种古老的最优化技术，而卡尔曼滤波器随着应用条件的精简成为了普适性的高效滤波器。2．维纳最速下降算法滤波器 2.1 最速下降算法的基本思想 考虑一个代价函数，它是某个未知向量的连续可微分函数。函数 将的元素映射为实数。这里，我们要寻找一个最优解。使它满足如下条件 (2.1) 这也是无约束最优化的数学表示。 特别适合于自适应滤波的一类无约束最优化算法基于局部迭代下降的算法： 从某一初始猜想出发，产生一系列权向量，使得代价函数在算法的每一次迭代都是下降的，即 其中是权向量的过去值，而是其更新值。 我们希望算法最终收敛到最优值。迭代下降的一种简单形式是最速下降法，该方法是沿最速下降方向连续调整权向量。为方便起见，我们将梯度向量表示为
%该文件用于编写无迹卡尔曼滤波算法及其测试 %注解：主要子程序包括：轨迹发生器、系统方程 % 测量方程、UKF滤波器 %作者：Jiangfeng %日期：2012.4.16 %--------------------------------------- function UKFmain %------------------清屏---------------- close all;clear all; clc; tic; global Qf n; %定义全局变量 %------------------初始化-------------- stater0=[220; 1;55;-0.5]; %标准系统初值 state0=[200;1.3;50;-0.3]; %测量状态初值 %--------系统滤波初始化 p=[0.005 0 0 0;0 0.005 0 0; 0 0 0.005 0;0 0 0 0.005]; %状态误差协方差初值 n=4; T=3; Qf=[T^2/2 0;0 T;T^2/2 0;0 T]; %-------------------------------------- stater=stater0;state=state0; xc=state; staterout=[]; stateout=[];xcout=[]; errorout=[];tout=[]; t0=1; h=1; tf=1000; %仿真时间设置 %---------------滤波算法---------------- for t=t0:h:tf [state,stater,yc]=track(state,stater); %轨迹发生器：标准轨迹和输出 [xc,p]=UKFfiter(@systemfun,@measurefun,xc,yc,p); error=xc-stater; %滤波处理后的误差 staterout=[staterout,stater]; stateout=[stateout,state]; errorout=[errorout,error]; xcout=[xcout,xc]; tout=[tout,t]; end %---------------状态信息图像--------------- figure; plot(tout,xcout(1,:),'r',tout,staterout(1,:),'g',... tout,stateout(1,:),'black'); legend('滤波后','真实值','无滤波'); grid on; xlabel('时间 t（s）'); ylabel('系统状态A');
二 〇 一 五 年 六 月 题 目：直流电机运行状态的卡尔曼滤波估计器设计 学生姓名：张傲 学 院：电力学院 系 别：电力系 专 业：风能与动力工程 班 级：风能11-1 指导教师：董朝轶 教授
摘要 卡尔曼滤波是一个迭代自回归算法，对于连续运动状态用中的大部分问题它都能够给出最优的预测。它已经广泛应用了近半个世纪，例如数据的融合，机械的导航乃至军用雷达的导航等等。卡尔曼滤波一般用于动态数据的处理，是从混沌的信号中提取有用信号消除误差的参数估计法。卡尔曼滤波是依据上一个估计数值和当下的检测数据运用递推估计算出当前的估计值。通过状态方程运用递推的方法进行估计,可以建立物体运动的模型。本文采用的工程设计对运行状态下的直流电机进行参数的计算和校验。而且直流电机的调节性能非常好只需要加上电阻调压就可以了，而且启动曲线非常好，启动的转矩大适合高精度的控制。而交流电机调速需要变频，控制相对复杂一些，而对于设计无论是哪种电机都不影响结果，所以本实验采用直流电机。简单来说卡尔曼滤波就是对被观测量进行一个物理的建模，目的是用‘道理’来约束观测结果，减少噪声的影响。因此卡尔曼滤波是根据一个事物的当前状态预测它的下一个状态的过程。 此设计主要是通过对直流电机的数学模型利用MATLAB来设计卡尔曼滤波估计，进行仿真编程建模，进而对系统进行评估，并且分析估计误差。 关键词：卡尔曼滤波器；直流电机；MATLAB
Abstract Kalman filter is an iterative autoregression algorithm for continuous motion of most of the problems with it are able to give the best prediction. And it has been widely used for nearly half a century, such as the integration of data, as well as military machinery of navigation radar navigation, and so on. Kalman filter is generally used to process dynamic data, extract useful signal parameter estimation method to eliminate errors from the chaotic signal. Kalman filter is based on an estimate on the value and the current detection data is calculated using recursive estimation current estimates. By using recursive state equation method to estimate the movement of objects can be modeled. The paper describes the engineering design of the DC motor running state parameter calculation and verification. The DC motor performance and adjust very well simply by adding resistance regulator on it, and start curve is very good, start torque for precision control. The required frequency AC motor speed control is relatively complicated, and for the design of either the motor does not affect the outcome.In order to facilitate learning, so wo use the DC motor. Simply the Kalman filter is to be observables conduct a physical modeling; the purpose is to use 'sense' to restrict the observations to reduce the influence of noise. Therefore, the Kalman filter is based on the current state of things predict its next state of the process. This design is mainly through the DC motor mathematical model using MATLAB to design the Kalman filter estimation, simulation modeling program, and then to evaluate the system and analyze the estimation error. Keywords：Kalman filter; DC;MATLAB
处理线性滤波以及预测问题的一种新途径R.E.Kalman1引言通讯与控制中的理论与实际问题中有很重要的一类具有统计性质。 这样的问题有：（1）、随机信号的预测；（2）、从随机噪声中分离随机信 号；（3）、在有噪声的情况下探测已知形式的信号（脉冲、正弦波）。 在Wiener开拓性的工作中，他证明[1]从问题（1）和问题（2）可导 出所谓Wiener-Hopf积分方程；他同样给出了解决具有实际重要意义的特 殊情况——定态统计和有理数频谱——之积分方程的方法（频谱因式分解）。 在Wiener的基础性工作之后出现了许多延伸和推广。Zadeh与 Ragazzini给出了有限存储器情况的解[2]。Bode和Shannon[3]同时独 立的给出上述情况的解，并且给出了简化的求解方法。Booton讨论了非定 态统计Wiener-Hopf方程[4]。这些结果现在都写入了标准教科书中[5,6]。 最近Darlington[7]沿着这些主线给出了一种稍微有些不同的方法。对抽 样信号的延伸，参见Franklin[8]和Lees[9]的工作。基于Wiener-Hopf方 程（同样应用于非定态问题，尽管前述方法一般并非如此）特征函数的 方法由Davis[10]开创并被许多其他人应用，例如Shinbrot[11],Blum[12], Pugachev[13],Solodovnikov[14]. 在所有这些工作中，目标都是获取一个线性动力系统的明确说明 （Wiener滤波器），由此可以完成预测、分离或者探测随机信号。 现有求解Wiener问题的方法受制于若干限制，这样就使得它们的实际 用处收到削弱： 1.最佳的滤波器由其脉冲响应具体指定。由这些数据合成滤波器并非易 事。 2.数值确定最佳的脉冲响应往往十分复杂并且不很适合机器计算。这种 情况随着问题复杂度的增加而迅速变得更为糟糕。 11引言2 3.重要的推广（如增长存储器滤波器、非定态预测）需要新的推导过 程，经常给非专业人士带来相当大的困难。 4.这些推导过程的数学部分并不透明。基本假设及其后果趋于模糊。 本文回避上述困难，提出看待这些问题的整个集合的新方式。以下是 本文的亮点： 5.最佳估计和正交投影。Wiener问题是以条件分布与期望的观点处理 的。这样，Wiener理论的基本事实可以迅速获取；结果的范围以及基 本假设可以清楚的显现出来。可以看到所有的统计计算以及结果都基 于一阶和二阶平均；不需要其他的统计数据。这样一来困难（4）便被 排除。这种方法在概率论中为人们所熟知（见Doob[15]第148至155 页以及Lo`eve[16]第455至464页），但在工程上还没有大量的应用。 6.随机过程模型。继前人之后，尤其是Bode与Shannon[3],任意随机 信号可以被表示（直到二阶平均统计性质）为线性动力系统受独立或 不相关随机信号（“白噪声”）激励后的输出。这是工程上应用Wiener 理论的标准手法[2,3,4,5,6,7]。这里用到的方法与传统方法相比只 在线性动力系统的描述方法上不同。我们将强调状态以及状态过渡； 换言之，线性系统将以一阶差分（或微分）方程组来刻画。为了利用 （5）中提到的简化，这种观点是自然的，也是必要的。 7.求解Wiener问题。使用状态——过渡方法，单独一次推导即覆盖多
10.6 卡尔曼滤波器简介 本节讨论如何从带噪声的测量数据把有用信号提取出来的问题。通常，信号的频谱处于有限的频率范围内，而噪声的频谱则散布在很广的频率范围内。如前所述，为了消除噪声，可以把 FIR滤波器或IIR滤波器设计成合适的频带滤波器，进行频域滤波。但在许多应用场合，需要进行时域滤波，从带噪声的信号中提取有用信号。虽然这样的过程其实也算是对信号的滤波，但所依据的理论,即针对随机信号的估计理论,是自成体系的。人们对随机信号干扰下的有用信号不能“确知”，只能“估计”。为了“估计”，要事先确定某种准则以评定估计的好坏程度。最小均方误差是一种常用的比较简单的经典准则。典型的线性估计器是离散时间维纳滤波器与卡尔曼滤波器。 对于平稳时间序列的最小均方误差估计的第一个明确解是维纳在1942年2月首先给出的。当时美国的一个战争研究团体发表了一个秘密文件，其中就包括维纳关于滤波问题的研究工作。这项研究是用于防空火力控制系统的。维纳滤波器是基于最小均方误差准则的估计器。为了寻求维纳滤波器的冲激响应，需要求解著名的维纳-霍夫方程。这种滤波理论所追求的是使均方误差最小的系统最佳冲激响应的明确表达式。这与卡尔曼滤波（Kalman filtering）是很不相同的。卡尔曼滤波所追求的则是使均方误差最小的递推算法。 在维纳进行滤波理论研究并导出维纳-霍夫方程的十年以前，在1931年，维纳和霍夫在数学上就已经得到了这个方程的解。 对于维纳-霍夫方程的研究，20世纪五十年代涌现了大量文章，特别是将维纳滤波推广到非平稳过程的文章甚多，但实用结果却很少。这时正处于卡尔曼滤波问世的前夜。 维纳滤波的困难问题，首先在上世纪五十年代中期确定卫星轨道的问题上遇到了。1958年斯韦尔林（Swerling）首先提出了处理这个问题的递推算法，并且立刻被承认和应用。1960年卡尔曼进行了比斯韦尔林更有意义的工作。他严格地把状态变量的概念引入到最小均方误差估计中来，建立了卡尔曼滤波理论。空间时代的到来推动了这种滤波理论的发展。 维纳滤波与卡尔曼滤波所研究的都是基于最小均方误差准则的估计问题。 维纳滤波理论的不足之处是明显的。在运用的过程中，它必须把用到的全部数据存储起来，而且每一时刻都要通过对这些数据的运算才能得到所需要的各种量的估值。按照这种滤波方法设置的专用计算机的存储量与计算量必然很大，很难进行实时处理。虽经许多科技工作者的努力，在解决非平稳过程的滤波问题时，给出能用的方法为数甚少。到五十年代中期，随着空间技术的发展，这种方法越来越不能满足实际应用的需要，面临了新的挑战。尽管如此，维纳滤波理论在滤波理论中的开拓工作是不容置疑的，维纳在方法论上的创见，仍然影响着后人。 五十年代中期，空间技术飞速发展，要求对卫星轨道进行精确的测量。为此，人们将滤波问题以微分方程表示，提出了一系列适应空间技术应用的精练算法。1960年
卡尔曼滤波的基本原理及应用卡尔曼滤波在信号处理与系统控制领域应用广泛，目前，正越来越广泛地应用于计算机应用的各个领域。为了更好地理解卡尔曼滤波的原理与进行滤波算法的设计工作，主要从两方面对卡尔曼滤波进行阐述：基本卡尔曼滤波系统模型、滤波模型的建立以及非线性卡尔曼滤波的线性化。最后，对卡尔曼滤波的应用做了简单介绍。 卡尔曼滤波属于一种软件滤波方法，其基本思想是：以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值，算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计。 最初的卡尔曼滤波算法被称为基本卡尔曼滤波算法，适用于解决随机线性离散系统的状态或参数估计问题。卡尔曼滤波器包括两个主要过程：预估与校正。预估过程主要是利用时间更新方程建立对当前状态的先验估计，及时向前推算当前状态变量和误差协方差估计的值，以便为下一个时间状态构造先验估计值；校正过程负责反馈，利用测量更新方程在预估过程的先验估计值及当前测量变量的基础上建立起对当前状态的改进的后验估计。这样的一个过程，我们称之为预估－校正过程，对应的这种估计算法称为预估－校正算法。以下给出离散卡尔曼滤波的时间更新方程和状态更新方程。 时间更新方程： 状态更新方程： 在上面式中，各量说明如下： A：作用在X k-1上的n×n 状态变换矩阵 B：作用在控制向量U k-1上的n×1 输入控制矩阵 H：m×n 观测模型矩阵，它把真实状态空间映射成观测空间 P k－：为n×n 先验估计误差协方差矩阵 P k：为n×n 后验估计误差协方差矩阵 Q：n×n 过程噪声协方差矩阵 R：m×m 过程噪声协方差矩阵 I：n×n 阶单位矩阵K k：n×m 阶矩阵，称为卡尔曼增益或混合因数 随着卡尔曼滤波理论的发展，一些实用卡尔曼滤波技术被提出来，如自适应滤波，次优滤波以及滤波发散抑制技术等逐渐得到广泛应用。其它的滤波理论也迅速发展，如线性离散系统的分解滤波（信息平方根滤波，序列平方根滤波，UD 分解滤波），鲁棒滤波（H∞波）。 非线性样条自适应滤波：这是一类新的非线性自适应滤波器，它由一个线性组合器后跟挠性无记忆功能的。涉及的自适应处理的非线性函数是基于可在学习
卡尔曼滤波器 来这里几个月，发现有些问题很多人都很感兴趣。所以在这里希望能尽自己能力跟大家讨论一些力所能及的算法。现在先讨论一下卡尔曼滤波器，如果时间和能力允许，我还希望能够写写其他的算法，例如遗传算法，傅立叶变换，数字滤波，神经网络，图像处理等等。 因为这里不能写复杂的数学公式，所以也只能形象的描述。希望如果哪位是这方面的专家，欢迎讨论更正。 卡尔曼滤波器– Kalman Filter 1．什么是卡尔曼滤波器 （What is the Kalman Filter?） 在学习卡尔曼滤波器之前，首先看看为什么叫“卡尔曼”。跟其他著名的理论（例如傅立叶变换，泰勒级数等等）一样，卡尔曼也是一个人的名字，而跟他们不同的是，他是个现代人！ 卡尔曼全名Rudolf Emil Kalman，匈牙利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯。1953，1954年于麻省理工学院分别获得电机工程学士及硕士学位。1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。我们现在要学习的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》（线性滤波与预测问题的新方法）。如果对这编论文有兴趣，可以到这里的地址下载：https://www.doczj.com/doc/b14628863.html,/~welch/media/pdf/Kalman1960.pdf。 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。近年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。 2．卡尔曼滤波器的介绍 （Introduction to the Kalman Filter） 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。
目录 摘要..................................................................................................................I ABSTRACT.......................................................................................................... II 第1章绪论 (1) 1.1课题研究目的及意义 (1) 1.2移动机器人研究的发展 (1) 1.3移动机器人室内定位方法现状 (5) 1.3.1室内定位方法概述 (5) 1.3.2特征提取与匹配算法 (7) 1.3.3多传感器定位的信息融合算法 (9) 1.4本文研究内容 (11) 第2章多传感器移动机器人系统搭建 (12) 2.1弓 (12) 2.2硬件平台设计与搭建 (12) 2.2.1机械结构设计 (12) 2.2.2传感器选型 (15) 2.3多传感器系统软件开发 (17) 2.3.1运动控制模块 (18) 2.3.2基于里程计建立移动机器人运动学模型 (19) 2.3.3基于激光测距仪数据建立特征地图 (22) 2.3.4基于动态阈值的特征提取 (23) 2.3.5传感器数据的特征匹配 (28) 2.4基于Q t架构的上位机界面程序开发 (32) 2.5本章小结 (33) 第3章基于无迹卡尔曼冗余测量参数的室内定位算法 (35) 3.1引言 (35) 3.2 Kalman滤波的基本原理 (35) 3.3无迹Kalman滤波的基本原理 (36) - III -
卡尔曼，美国数学家和电气工程师。1930年5月 19日生于匈牙利首都布达佩斯。1953年在美国麻省理工学院毕业获理学士学位,1954年获理学硕士学位,1957年在哥伦比亚大学获科学博士学位。1957～1958年在国际商业机器公司(IBM)研究大系统计算机控制的数学问题。1958～1964年在巴尔的摩高级研究院研究控制和数学问题。1964～1971年到斯坦福大学任教授。1971年任佛罗里达大学数学系统理论研究中心主任，并兼任苏黎世的瑞士联邦高等工业学校教授。1960年卡尔曼因提出著名的卡尔曼滤波器而闻名于世。卡尔曼滤波器在随机序列估计、空间技术、工程系统辨识和经济系统建模等方面有许多重要应用。1960年卡尔曼还提出能控性的概念。能控性是控制系统的研究和实现的基本概念，在最优控制理论、稳定性理论和网络理论中起着重要作用。卡尔曼还利用对偶原理导出能观测性概念，并在数学上证明了卡尔曼滤波理论与最优控制理论对偶。为此获电气与电子工程师学会(IEEE)的最高奖──荣誉奖章。卡尔曼著有《数学系统概论》(1968)等书。 什么是卡尔曼滤波 最佳线性滤波理论起源于40年代美国科学家Wiener和前苏联科学家Ｋолмогоров等人的研究工作，后人统称为维纳滤波理论。从理论上说，维纳滤波的最大缺点是必须用到无限过去的数据，不适用于实时处理。为了克服这一缺点，60年代Kalman把状态空间模型引入滤波理论，并导出了一套递推估计算法，后人称之为卡尔曼
滤波理论。卡尔曼滤波是以最小均方误差为估计的最佳准则，来寻求一套递推估计的算法，其基本思想是：采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻地估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现时刻的估计值。它适合于实时处理和计算机运算。 卡尔曼滤波的实质是由量测值重构系统的状态向量。它以“预测—实测—修正”的顺序递推，根据系统的量测值来消除随机干扰，再现系统的状态，或根据系统的量测值从被污染的系统中恢复系统的本来面目。 释文：卡尔曼滤波器是一种由卡尔曼（Kalman）提出的用于时变线性系统的递归滤波器。这个系统可用包含正交状态变量的微分方程模型来描述，这种滤波器是将过去的测量估计误差合并到新的测量误差中来估计将来的误差。 卡尔曼滤波的应用 斯坦利.施密特(Stanley Schmidt)首次实现了卡尔曼滤波器.卡尔曼在NASA埃姆斯研究中心访问时,发现他的方法对于解决阿波罗计划的轨道预测很有用,后来阿波罗飞船的导航电脑使用了这种滤波器. 关于这种滤波器的论文由Swerling (1958), Kalman (1960)与 Kalman and Bucy (1961)发表.
MATLAB 对卡尔曼滤波器的仿真实现 刘丹，朱毅，刘冰 武汉理工大学信息工程学院，武汉（430070） E-mail ：liudan_ina@https://www.doczj.com/doc/b14628863.html, 摘 要：本文以卡尔曼滤波器原理为理论基础，用MATLAB 进行卡尔曼滤波器仿真、对比卡尔曼滤波器的预测效果，对影响滤波其效果的各方面原因进行讨论和比较，按照理论模型进行仿真编程，清晰地表述了编程过程。 关键词：数字信号处理；卡尔曼滤波器；MATLAB ；仿真过程 中图分类号: TN912.3 1. 引言 随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理已成为当今一门极其重要的学科和技术领域。数字信号处理已在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。在数字信号处理中,数字滤波占有极其重要的地位,目前对数字滤波器的设计有多种方法,其中著名的MATLAB 软件包在多个研究领域都有着广泛的应用,它的频谱分析[1]和滤波器的分析设计功能很强,从而使数字信号处理变得十分简单、直观。本文分析了数字滤波器的设计方法,举出了基于MATLAB 软件的信号处理工具在数字滤波器设计中的应用。 2. 卡尔曼滤波基本原理 卡尔曼滤波过程实际上是获取维纳解的递推运算过程[2]。从维纳解导出的卡尔曼滤波器实际上是卡尔曼滤波过程结束后达到稳态的情况，这时Kalman Filtering 的结果与Wiener Solution 是相同的[3]。具体推导如下： )()1|1(?)|(?n Gy n n x f n n x +??= )|(?)()(n n x n x n e ?= 已知由此求c a cG a f F G n e E n ,)1(( ..min )]([)(2?=??→?==ε 由 f G f G ,0??????????=??εε ⑴ )]1|1(?)()[()1|1(?)|(????+??=n n x ac n y n G n n x a n n x 可以是时变的，非平稳的随机信号 ⑵ Q n a n P +?=)1()(2 ε均为正数。 ⑶ ) () ()(2n P C R n CP n G += ⑷ )()](1[)()(n P n CG n G C P n ??== ε )(n G 是个随时间变化的量，每次输入输出，)(n G 就调整一次，并逐渐逼近Kalman Filter 的增益G ，而)1()(? 线性离散卡尔曼滤波公式 两种数学推导方法的比较 1. 引言 卡尔曼滤波属于一种软件滤波方法，其基本思想是：以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值，算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计。从研究的历史来看，卡尔曼是首先研究的离散形式的卡尔曼滤波问题，所以最初的卡尔曼滤波算法被称为基本卡尔曼滤波算法，适用于解决随机线性离散系统的状态或参数估计问题。下面分别对比了离散线性卡尔曼滤波器的相关公式推导的两种方法。 2. 离散线性卡尔曼滤波器的直观数学推导 下面从直观角度来推导线性离散系统的卡尔曼滤波器，这是书中的推导方法。首先假设线性离散系统模型如下 ,11,11 k k k k k k k k k k k x w z H x v x ----=Φ+Γ=+ 其中，1k w -为过程噪声，k v 为观测噪声，k z 为第k 次的测量值，/?k k x 是k x 的最优线性估计，/1?k k x -是k x 的一步预报估计。过程噪声1k w -和观测噪声k v 的统计特性为： 1[]0,(,)[]0,(,)(,)0 k ww k kj k vv k kj wv E w R k j Q E v R k j R R k j δδ-===== 初始状态0x 的统计特性为： 0000?[],()E x x Var x P == 并假定0x 与k w 和k v 均无关，则有： 00(0,)(,)0(0,)(,)0 T xw k T xv k R k E x w R k E x v ==== 据以上假设及条件，可得如下直观形式 /1,11/1/1/1//1/1??????k k k k k k k k k k k k k k k k k k x x z H x x x K z --------=Φ==+ 毕业设计(论文)外文资料翻译 系 ： 电气工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 姓 名： 周景龙 学 号： 0601030115 外文出处： Department of Computer Science University of North Carolina at Chapel Hill Chapel Hill,NC27599-3175 附 件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 (用外文写) 卡尔曼滤波器介绍 摘要 在1960年，卡尔曼出版了他最著名的论文，描述了一个对离散数据线性滤波问题的递归解决方法。从那以后，由于数字计算的进步，卡尔曼滤波器已经成为广泛研究和应用的主题，特别在自动化或协助导航领域。 卡尔曼滤波器是一系列方程式，提供了有效的计算（递归）方法去估计过程的状态，是一种以平方误差的均值达到最小的方式。滤波器在很多方面都很强大：它支持过去，现在，甚至将来状态的估计，而且当系统的确切性质未知时也可以做。 这篇论文的目的是对离散卡尔曼滤波器提供一个实际介绍。这次介绍包括对基本离散卡尔曼滤波器推导的描述和一些讨论，扩展卡尔曼滤波器的描述和一些讨论和一个相对简单的（切实的）实际例子。 离散卡尔曼滤波器 在1960年，卡尔曼出版了他最著名的论文，描述了一个对离散数据线性滤波问题的递归解决方法[Kalman60]。从那以后，由于数字计算的进步，卡尔曼滤波器已经成为广泛研究和应用的主题，特别在自动化或协助导航领域。第一章讲述了对卡尔曼滤波器非常“友好的”介绍[Maybeck79]，而一个完整的介绍可以在[Sorenson70]找到，也包含了一些有趣的历史叙事。更加广泛的参考包括Gelb74；Grewal93；Maybeck79；Lewis86；Brown92；Jacobs93]. 被估计的过程 卡尔曼滤波器卡用于估计离散时间控制过程的状态变量 n x ∈?。这个离散 时间过程由以下离散随机差分方程描述： 111k k k k x Ax bu w ---=++ （1.1） 测量值m z ∈?，k k k z Hx v =+ （1.2） 随机变量k w 和k v 分别表示过程和测量噪声。他们之间假设是独立的，正态分布的高斯白噪: ()~(0)p w N Q ， （1.3） ()~(0)p v N R ， （1.4） 在实际系统中，过程噪声协方差矩阵Q 和观测噪声协方差矩阵R 可能会随每次迭代计算而变化。但在这儿我们假设它们是常数。 当控制函数1k u - 或过程噪声1k w -为零时，差分方程1.1中的n n ? 阶增益矩阵A 将过去k-1 时刻状态和现在的k 时刻状态联系起来。实际中A 可能随时间变化，但 1．什么是卡尔曼滤波器 在学习卡尔曼滤波器之前，首先看看为什么叫“卡尔曼”。卡尔曼是一个人的名字。 卡尔曼全名Rudolf Emil Kalman，1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。我们现在要学习的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文 《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》（线性滤波与预测问题的新方法）。 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。近年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。 2．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配（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。（所谓高斯白噪声中的高斯是指概率分布是正态函数，而白噪声是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。这是考查一个信号的两个不同方面的问题。 高斯白噪声：如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。） 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时刻的是实际温度值。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，他们平线性离散卡尔曼滤波器
卡尔曼滤波器介绍外文翻译
什么是卡尔曼滤波器——基础理解
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