卡尔曼滤波

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2020-04-11

算法

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7分

卡尔曼滤波这种理论是在时间域上来表述的，基本的概念是：在线性系统的状态空间表示基础上，从输出和输入观测数据求系统状态的最优估计。这里所说的系统状态，是总结系统所有过去的输入和扰动对系统的作用的最小参数的集合，知道了系统的状态就能够与未来的输入与系统的扰动一起确定系统的整个行为。

例题及原理转自百度：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！

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）。

void KalmanCreate(extKalman_t *p,float T_Q,float T_R)
{
    p->X_last = (float)0;
    p->P_last = 0;
    p->Q = T_Q;
    p->R = T_R;
    p->A = 1; 
    p->B = 0;
    p->H = 1;
    p->X_mid = p->X_last;
}

float KalmanFilter(extKalman_t* p,float dat)
{
    p->X_mid =p->A*p->X_last;                     //百度对应公式(1)    x(k|k-1) = A*X(k-1|k-1)+B*U(k)+W(K)
    p->P_mid = p->A*p->P_last+p->Q;               //百度对应公式(2)    p(k|k-1) = A*p(k-1|k-1)*A'+Q
    p->kg = p->P_mid/(p->P_mid+p->R);             //百度对应公式(4)    kg(k) = p(k|k-1)*H'/(H*p(k|k-1)*H'+R)
    p->X_now = p->X_mid+p->kg*(dat-p->X_mid);     //百度对应公式(3)    x(k|k) = X(k|k-1)+kg(k)*(Z(k)-H*X(k|k-1))
    p->P_now = (1-p->kg)*p->P_mid;                //百度对应公式(5)    p(k|k) = (I-kg(k)*H)*P(k|k-1)
    p->P_last = p->P_now;                         //状态更新
    p->X_last = p->X_now;
    return p->X_now;         //输出预测结果x(k|k)
}