卡尔曼滤波

问题描述

  卡尔曼滤波能够从算法的角度提高传感器的测试精度,弱化噪声信号的影响,在航空航天、传感技术、机器人以及控制系统设计等领域具有广泛的应用;调研可知,卡尔曼滤波与FIR滤波器相比,内存占用较小、计算速度快,不需要进行频域转化,能够轻易嵌入数据采集系统,实现信号的准确测量;

  卡尔曼滤波主要的应用场景有:1、系统状态估计:通过传感器间接测量火箭发动机的运行状态,进而计算出药柱燃烧温度等物理参量;2、多源传感器数据融合:如何从多种含有噪声的信号中(GPS、陀螺仪及激光雷达等)确定目标位置;

附1、卡尔曼滤波主要框架?

  卡尔曼滤波的本质属于系统的最优估计,通过卡尔曼增益来修正状态预测值,减小噪声信号对测试精度的影响,其核心内容是基于上一时刻状态的估计值以及当前状态的观测值,给出当前状态的最优估计,该算法涉及的核心方程有:
卡尔曼滤波_第1张图片
  其中,xt为系统状态矩阵;zt为系统观测矩阵(实验结果);A为状态转移矩阵;B为控制输入矩阵;H为状态观测矩阵。

附2、卡尔曼滤波应用实例?

  本部分通过简单的算例,介绍了卡尔曼滤波的应用场景,后续针对课题组实际需求,编写了能够应用于大应变传感器的滤波程序,具体如下所示:

卡尔曼滤波_第2张图片

  上图中黑线表述为信号采集系统得到的原始信号,红线表述为卡尔曼滤波后展现的信号特征;从图中可以看出,卡尔曼滤波能够有效地减小测量误差;其中,状态转换矩阵A=1,具体物理意义为:传感器输出信号只与应变量相关,不施加外界激励时,输出信号不发生改变;状态观测矩阵H=1,具体物理意义为:传感器输出的信号能够直接测量;

具体使用的源程序代码如下:

clear all;clc
%先对不同变量进行定义
% Q为过程激励噪声协方差
% R为观测噪声协方差
% X_bar为先验证估计
% Xbar为后验估计,最优估计值
% P_为先验估计误差协方差
% P为后验估计误差协方差
% Z为测量结果,测量数据(实验结果)
% K为卡尔曼增益

% 核心代码

% 读取传感器输出信号
node='信号采集结果.txt';
[x,Z]...
    =textread(node,'%f%f','emptyvalue',0,'headerlines',10);

% 定义超参数:实验数据长度,过程激励噪声协方差,观测噪声协方差(测量设备性能参数)
changdu=length(Z);
Q=0.04;
R=100.25;

% 定义尺寸参数
cicun=[changdu,1];

% 实验数据
% Z=24+sqrt(R)*randn(cicun);

% 定义初始迭代参数
X_bar=zeros(cicun);
Xbar=zeros(cicun);
K=zeros(cicun);
P_=zeros(cicun);
P=zeros(cicun);

P(1)=1;
Xbar(1)=900.3;

% 卡尔曼滤波参数更新
for n=2:changdu
%   更新先验估计
    X_bar(n)=Xbar(n-1);
%   更新先验估计误差协方差
    P_(n)=P(n-1)+Q;
% 状态更新
    K(n)=P_(n)/(P_(n)+R);
    Xbar(n)=X_bar(n)+K(n)*(Z(n)-X_bar(n));
    P(n)=(1-K(n))*P_(n);
end

% 绘图
plot(Z,'K+')
hold on
plot(Xbar,'r-')
hold on

附1、好久好久没有更新了,甚是想念~

卡尔曼滤波_第3张图片

你可能感兴趣的:(stm32,数据分析)