卡尔曼滤波原理及公式推导

本文参考了b站视频教程:
https://www.bilibili.com/video/av75068018?from=search&seid=8021704495196825336

一、卡尔曼滤波(Kalman filtering)是一种利用线性系统状态方程,通过系统输入输出观测数据,对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响,所以最优估计也可看作是滤波过程。
二、算法的核心思想是:
根据当前的仪器"测量值" 和上一刻的 “预测量” 和 “误差”,计算得到当前的最优量,再预测下一刻的量。
三、举个例子并顺便推导卡尔曼滤波方程
卡尔曼滤波原理及公式推导_第1张图片
首先,有一辆小车,理想状态下他不受任何外力作用并做匀速直线运动。
它的状态是符合正态分布的:卡尔曼滤波原理及公式推导_第2张图片
用上一时刻的状态来表现这一时刻的状态(运动学表达):

方程1:
卡尔曼滤波原理及公式推导_第3张图片

但事实上小车并不总是按照匀速直线运动,假设它有一个加速度为a。

卡尔曼滤波原理及公式推导_第4张图片
用运动学公式表达这一状态(得到的位置和速度的值可能不准确):

方程2:卡尔曼滤波原理及公式推导_第5张图片
引入矩阵描述:卡尔曼滤波原理及公式推导_第6张图片
把方程1和2改写为矩阵形式:

方程3:
卡尔曼滤波原理及公式推导_第7张图片
方程4:
卡尔曼滤波原理及公式推导_第8张图片
引入一个表示噪声的方程得到具有噪声的预测方程:

方程5:
卡尔曼滤波原理及公式推导_第9张图片
卡尔曼滤波原理及公式推导_第10张图片
给小车加上传感器来测量位置和速度的测量值(这个值可能也不是准确的):
卡尔曼滤波原理及公式推导_第11张图片
由于运动学公式的计算和测量值并都不能确定是准确的,卡尔曼滤波出场了:卡尔曼滤波原理及公式推导_第12张图片
黑色圈代表预测状态,红色圈代表真实状态,蓝色圈则为卡尔曼滤波所得到的最优估计。
推广为一般形式,并将Xpredicted和Ymeasurement代入:
卡尔曼滤波原理及公式推导_第13张图片
得到如下方程:卡尔曼滤波原理及公式推导_第14张图片
将方程进行简化:
卡尔曼滤波原理及公式推导_第15张图片
至此我们已经得到了卡尔曼滤波的方程:
卡尔曼滤波原理及公式推导_第16张图片
将它推广为一般形式:
卡尔曼滤波原理及公式推导_第17张图片

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