卡尔曼滤波

背景介绍

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画的轨道预测很有用,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.

实现形式

目前,卡尔曼滤波已经有很多不同的实现.卡尔曼最初提出的形式现在一般称为简单卡尔曼滤波器.除此以外,还有施密特扩展滤波器,信息滤波器以及很多Bierman, Thornton 开发的平方根滤波器的变种.最常见的卡尔曼滤波器是锁相环，它在收音机,电脑和几乎任何影片或通讯设备中广泛存在.

典型实例

卡尔曼滤波的一个典型实例是从一组有限的，对物体位置的，包含噪声的观察序列预测出物体的坐标位置及速度. 在很多工程套用(雷达, 电脑视觉)中都可以找到它的身影. 同时，卡尔曼滤波也是控製理论以及控製系统工程中的一个重要话题.

套用範围

比如,在雷达中,人们感兴趣的是跟蹤目标,但目标的位置,速度,加速度的测量值往往在任何时候都有噪声.卡尔曼滤波利用目标的动态信息,设法去掉噪声的影响,得到一个关于目标位置的好的估计。这个估计可以是对当前目标位置的估计(滤波),也可以是对于将来位置的估计(预测)，也可以是对过去位置的估计(插值或平滑).

扩展卡尔曼滤波（EKF）

EXTEND KALMAN FILTER

扩展卡尔曼滤波器

是由kalman filter考虑时间非线性的动态系统，常套用于目标跟蹤系统。

相关原理

状态估计是卡尔曼滤波的重要组成部分。一般来说，根据观测资料对随机量进行定量推断就是估计问题，特别是对动态行为的状态估计，它能实现即时运行状态的估计和预测功能。比如对飞行器状态估计。状态估计对于了解和控製一个系统具有重要意义，所套用的方法属于统计学中的估计理论。最常用的是最小二乘估计，线性最小方差估计、最小方差估计、递回最小二乘估计等。其他如风险準则的贝叶斯估计、最大似然估计、随机逼近等方法也都有套用。

受噪声干扰的状态量是个随机量，不可能测得精确值，但可对它进行一系列观测，并依据一组观测值，按某种统计观点对它进行估计。使估计值尽可能準确地接近真实值，这就是最优估计。真实值与估计值之差称为估计误差。若估计值的数学期望与真实值相等，这种估计称为无偏估计。卡尔曼提出的递回最优估计理论，採用状态空间描述法，在演算法採用递回形式，卡尔曼滤波能处理多维和非平稳的随机过程。

卡尔曼滤波理论的提出，克服了威纳滤波理论的局限性使其在工程上得到了广泛的套用，尤其在控製、製导、导航、通讯等现代工程方面。

相关信息

卡尔曼滤波的MATLAB程式

N=200;

w(1)=0;

w=randn(1,N)

x(1)=0;

a=1;

for k=2:N;

x(k)=a*x(k-1)+w(k-1);

end

V=randn(1,N);

q1=std(V);

Rvv=q1.^2;

q2=std(x);

Rxx=q2.^2;

q3=std(w);

Rww=q3.^2;

c=0.2;

Y=c*x+V;

p(1)=0;

s(1)=0;

for t=2:N;

p1(t)=a.^2*p(t-1)+Rww;

b(t)=c*p1(t)/(c.^2*p1(t)+Rvv);

s(t)=a*s(t-1)+b(t)*(Y(t)-a*c*s(t-1));

p(t)=p1(t)-c*b(t)*p1(t);

end

t=1:N;

plot(t,s,'r',t,Y,'g',t,x,'b');

function [x, V, VV, loglik] = kalman_filter(y, A, C, Q, R, init_x, init_V, varargin)

% Kalman filter.

% [x, V, VV, loglik] = kalman_filter(y, A, C, Q, R, init_x, init_V, ...)

%

% INPUTS:

% y(:,t) - the observation at time t

% A - the system matrix

% C - the observation matrix

% Q - the system covariance

% R - the observation covariance

% init_x - the initial state (column) vector

% init_V - the initial state covariance

%

% OPTIONAL INPUTS (string/value pairs [default in brackets])

% 'model' - model(t)=m means use params from model m at time t [ones(1,T) ]

% In this case, all the above matrices take an additional final dimension,

% i.e., A(:,:,m), C(:,:,m), Q(:,:,m), R(:,:,m).

% However, init_x and init_V are independent of model(1).

% 'u' - u(:,t) the control signal at time t [ [] ]

% 'B' - B(:,:,m) the input regression matrix for model m

%

% OUTPUTS (where X is the hidden state being estimated)

% x(:,t) = E[X(:,t) | y(:,1:t)]

% V(:,:,t) = Cov[X(:,t) | y(:,1:t)]

% VV(:,:,t) = Cov[X(:,t), X(:,t-1) | y(:,1:t)] t >= 2

% loglik = sum{t=1}^T log P(y(:,t))

%

% If an input signal is specified, we also condition on it:

% e.g., x(:,t) = E[X(:,t) | y(:,1:t), u(:, 1:t)]

% If a model sequence is specified, we also condition on it:

% e.g., x(:,t) = E[X(:,t) | y(:,1:t), u(:, 1:t), m(1:t)]

[os T] = size(y);

ss = size(A,1); % size of state space

% set default params

model = ones(1,T);

u = [];

B = [];

ndx = [];

args = varargin;

nargs = length(args);

for i=1:2:nargs

switch args

case 'model', model = args{i+1};

case 'u', u = args{i+1};

case 'B', B = args{i+1};

case 'ndx', ndx = args{i+1};

otherwise, error(['unrecognized argument ' args])

end

end

x = zeros(ss, T);

V = zeros(ss, ss, T);

VV = zeros(ss, ss, T);

loglik = 0;

for t=1:T

m = model(t);

if t==1

%prevx = init_x(:,m);

%prevV = init_V(:,:,m);

prevx = init_x;

prevV = init_V;

initial = 1;

else

prevx = x(:,t-1);

prevV = V(:,:,t-1);

initial = 0;

end

if isempty(u)

[x(:,t), V(:,:,t), LL, VV(:,:,t)] = ...

kalman_update(A(:,:,m), C(:,:,m), Q(:,:,m), R(:,:,m), y(:,t), prevx, prevV, 'initial', initial);

else

if isempty(ndx)

[x(:,t), V(:,:,t), LL, VV(:,:,t)] = ...

kalman_update(A(:,:,m), C(:,:,m), Q(:,:,m), R(:,:,m), y(:,t), prevx, prevV, ...

'initial', initial, 'u', u(:,t), 'B', B(:,:,m));

else

i = ndx;

% copy over all elements; only some will get updated

x(:,t) = prevx;

prevP = inv(prevV);

prevPsmall = prevP(i,i);

prevVsmall = inv(prevPsmall);

[x(i,t), smallV, LL, VV(i,i,t)] = ...

kalman_update(A(i,i,m), C(:,i,m), Q(i,i,m), R(:,:,m), y(:,t), prevx(i), prevVsmall, ...

'initial', initial, 'u', u(:,t), 'B', B(i,:,m));

smallP = inv(smallV);

prevP(i,i) = smallP;

V(:,:,t) = inv(prevP);

end

end

loglik = loglik + LL;

end

kalman滤波的通俗解释

简单来说，卡尔曼滤波器是一个“optimal recursive data processing algorithm（最最佳化自回归资料处理演算法）”。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。他的广泛套用已经超过30年，包括机器人导航，控製，感测器资料融合甚至在军事方面的雷达系统以及飞弹追蹤等等。近年来更被套用于电脑图像处理，例如头脸识别，图像分割，图像边缘检测等等。

卡尔曼滤波器的简单案例 ：

为了可以更加容易的理解卡尔曼滤波器，这裏会套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。结合现代的电脑，其实卡尔曼的程式相当的简单，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，这个房间的温度是恆定的，也就是下一分锺的温度等于现在这一分锺的温度（假设我们用一分锺来做时间单位）。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，我们在房间裏放一个温度计，但是这个温度计也不準确的，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，现在对于某一分锺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。因为你相信温度是恆定的，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，你从温度计那裏得到了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，好像还没看到什麽自回归的东西出现。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。演算法如下：((1-Kg)*5^2)^0.5=3.12。这裏的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。

卡尔曼滤波器演算法 ：

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），随机变数（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，这裏不能一一描述。

首先，我们先要引入一个离散控製过程的系统。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时刻对系统的控製量。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covariance 分别是Q，R（这裏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。下面我们来用他们结合他们的covariances 来估算系统的最最佳化输出（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)为现在状态的控製量，如果没有控製量，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covariance还没更新。我们用P表示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covariance，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的covariance，A’表示A的转置矩阵，Q是系统过程的covariance。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)的最最佳化估算值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)。但是为了要另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covariance：

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，演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，可以很容易用电脑编程实现。