扩展卡尔曼滤波【转】

1、重点看【SLAM中的EKF，UKF，PF原理简介 - 半闲居士 - 博客园】

2、机器人重点看【定位（一）：扩展卡尔曼滤波_windSeS的博客】

3、重点实例【扩展卡尔曼滤波（EKF）理论讲解与实例（matlab、python和C++代码）】

转自【扩展卡尔曼滤波_菜鸟知识搬运工的博客-CSDN博客_扩展卡尔曼滤波】

扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）是标准卡尔曼滤波在非线性情形下的一种扩展形式，EKF算法是将非线性函数进行泰勒展开，省略高阶项，保留展开项的一阶项，以此来实现非线性函数线性化，最后通过卡尔曼滤波算法近似计算系统的状态估计值和方差估计值,对信号进行滤波。

一、泰勒级数展开

       泰勒级数展开是将一个在处具有阶导数的函数，利用关于的次多项式逼近函数值的方法。

       若函数在包含的某个闭区间上具有阶导数，且在开区间上具有阶导数，则对闭区间上的任意一点，都有：

其中表示函数在处的阶导数，等式右边成为泰勒展开式，剩余的是泰勒展开式的余项，是的高阶无穷小。

         当变量是多维向量时，一维的泰勒展开就需要做拓展，具体形式如下：

其中，表示雅克比矩阵，表示海塞矩阵，表示高阶无穷小。

这里，为维，状态向量为维，。 

        一般来说，EKF在对非线性函数做泰勒展开时，实际应用只取到一阶导，同样也能有较好的结果。取一阶导时，状态转移方程和观测方程就近似为线性方程，高斯分布的变量经过线性变换之后仍然是高斯分布，这样就能够延用标准卡尔曼滤波的框架。

二、扩展卡尔曼滤波EKF                                                                           

标准卡尔曼滤波KF的状态转移方程和观测方程为

扩展卡尔曼滤波EKF的状态转移方程和观测方程为：

                   ,

利用泰勒展开式对上式在上一次的估计值处(估计值)展开得

 ,

再利用泰勒展开式，在本轮的状态预测值处展开得

,  

其中，和分别表示函数和在和处的雅克比矩阵。

（注：这里对泰勒展开式只保留到一阶导，二阶导数以上的都舍去，噪声假设均为加性高斯噪声）

基于以上的公式，给出EKF的预测（Predict）和更新（Update）两个步骤：

Propagation：

                     

Update：

   

其中的雅克比矩阵和分别为

（H的导数只能在预测值处取，因为这个时候你还不知道估计值，是先有k时刻的H，然后有K，最后才有k时刻的估计值）

雅可比矩阵的计算，在MATLAB中可以利用对自变量加上一个eps（极小数），然后用因变量的变化量去除以eps即可得到雅可比矩阵的每一个元素值。

from :卡尔曼滤波系列——（二）扩展卡尔曼滤波_GHelpU的博客-CSDN博客_扩展卡尔曼滤波算法

from :扩展卡尔曼滤波（EKF）算法详细推导及仿真（Matlab）_钢蛋_小朋友的博客-CSDN博客_ekf算法

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这是书上给出的一个例子，我希望从中能归纳一种套路可以用在 大部分EKF问题中

一：建立数学模型

（一）：建立状态方程

状态方程是由具体问题的物理意义抽象出来的，不同问题具有不同的状态方程，是已知量。

（二）：建立观测方程

观测方程也是由实际物理意义抽象出来的，已知量。

（三）：一阶线性化状态方程，求状态转移矩阵F(k)。（其实就是把状态方程求偏导的过程）

（四）：一阶线性化观测方程，求解观测矩阵H(k)

接下来进入卡尔曼滤波，首先时间更新

（五）：状态预测

EKF的状态预测和KF的状态预测其实没有差别，都是假设没有过程噪声w，然后使用状态方程将上一时刻的后验估计值代入，X(k|k-1)是指用k-1时刻估计出来的k时刻的值，也即k时刻的先验估计值，同理X(k-1|k-1)就是指k-1时刻的后验估计值

（六）：观测预测（下面状态更新时要用）

说实话当时看参考书这里一直没看懂，y不应该是传感器测出来的值吗，为什么要预测？这里我的理解是，“预测”指的是第5步的预测，这里只是把预测结果转化到测量度量下。

（七）：求协方差预测，EKF的协方差预测和KF也是基本没差别，只不过是F（k）需要用偏导先求出来

接下来进入状态更新

（八）：求卡尔曼滤波增益

（九）：求状态后验估计值

（十）：协方差更新

至此，卡尔曼滤波需要的所有方程推导完毕，从（三）到（十）为一次EKF迭代

from：卡尔曼滤波（5）：一种用EKF解决问题的思路_buaazyp的博客-CSDN博客

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雅克比矩阵计算参考扩展卡尔曼滤波（EKF）理论讲解与实例（matlab、python和C++代码）（有空记得看这篇博文）

matlab示例：

% author :  Perry.Li  @USTC
% function: simulating the process of EKF
% date:     04/28/2015
% 
N = 50;         %计算连续N个时刻 
n=3;            %状态维度
q=0.1;          %过程标准差
r=0.2;          %测量标准差
Q=q^2*eye(n);   %过程方差
R=r^2;          %测量值的方差 
f=@(x)[x(2);x(3);0.05*x(1)*(x(2)+x(3))];  %状态方程
h=@(x)[x(1);x(2);x(3)];                   %测量方程
s=[0;0;1];                                %初始状态
%初始化状态
x=s+q*randn(3,1);                         
P = eye(n);                               
xV = zeros(n,N);          
sV = zeros(n,N);         
zV = zeros(n,N);
for k=1:N
  z = h(s) + r*randn;                     
  sV(:,k)= s;                             %实际状态
  zV(:,k)  = z;                           %状态测量值
  [x1,A]=jaccsd(f,x); %计算f的雅可比矩阵，其中x1对应黄金公式line2
  P=A*P*A'+Q;         %过程方差预测，对应line3
  [z1,H]=jaccsd(h,x1); %计算h的雅可比矩阵
  K=P*H'*inv(H*P*H'+R); %卡尔曼增益，对应line4
  x=x1+K*(z-z1);        %状态EKF估计值，对应line5
  P=P-K*H*P;            %EKF方差，对应line6
  xV(:,k) = x;          %save
  s = f(s) + q*randn(3,1);  %update process 
end
for k=1:3
  FontSize=14;
  LineWidth=1;
  figure();
  plot(sV(k,:),'g-'); %画出真实值
  hold on;
  plot(xV(k,:),'b-','LineWidth',LineWidth) %画出最优估计值
  hold on;
  plot(zV(k,:),'k+'); %画出状态测量值
  hold on;
  legend('真实状态', 'EKF最优估计估计值','状态测量值');
  xl=xlabel('时间(分钟)');
  t=['状态 ',num2str(k)] ;
  yl=ylabel(t);
  set(xl,'fontsize',FontSize);
  set(yl,'fontsize',FontSize);
  hold off;
  set(gca,'FontSize',FontSize);
end


function [z,A]=jaccsd(fun,x)
% JACCSD Jacobian through complex step differentiation
% [z J] = jaccsd(f,x)
% z = f(x)
% J = f'(x)
%
z=fun(x);
n=numel(x);
m=numel(z);
A=zeros(m,n);
h=n*eps;
for k=1:n
    x1=x;
    x1(k)=x1(k)+h*i;
    A(:,k)=imag(fun(x1))/h;
end

from :扩展卡尔曼滤波器的原理及应用_hankecs的博客