卡尔曼滤波-最通俗易懂讲稿

Kalman FilterXianling WangJuly23,2016v1.0目录一、简介2二、线性卡尔曼滤波方法22.1滤波方法描述 (2)2.2滤波过程的其他细节 (3)三、后记4一、简介卡尔曼滤波器（Kalman Filter）的核心功能是对观测值进行优化，尽可能降低误差的影响，使其更加贴近系统的实际值。

二、线性卡尔曼滤波方法2.1滤波方法描述假设系统在t时刻的状态由x t描述，x t包含了若干个变量，因此以向量的形式出现。

同时假设系统状态相对于时间变化的机理是可知的，由式（1）描述，即x t+1=F t x t+B t u t+w t(1)其中，F t为状态转移矩阵，描述t时刻状态对t+1时刻状态的影响程度；u t表示外界控制因素；B t为控制矩阵，描述外界控制因素对t+1时刻状态的影响程度；w t表示不可控的过程噪声，假设其协方差矩阵为Q t。

式（1）所描述的关系是线性的，因此对其误差消除的滤波方法称为线性卡尔曼滤波方法。

假设对系统状态的观测是间接的，而且存在一定误差，即z t=H t x t+v t(2)其中，z t为所用观测工具可以观测到的直接变量，不一定等同于系统状态中的变量，但却是和系统状态中的变量存在一定线性关系的变量；H t描述直接观测变量和系统状态变量之间的线性关系；v t表示观测误差，假设其协方差矩阵为R t。

虽然t时刻的观测值都是带有误差的，但由于系统状态相对于时间变化的机理是可知的，因此结合t−1时刻的某些信息可以削减该误差，提升t时刻观测值的精确度，得到t时刻的最优估计值，该估计值相对实际值的误差协方差为P t。

为了获得t时刻系统状态的最优估计值，线性卡尔曼滤波器需要以下3个方面的信息：1.t−1时刻的最优估计值ˆx t−1；2.t−1时刻最优估计值相对于实际值的误差协方差P t−1；3.t时刻的观测值z t；在获知这些信息的条件下，t时刻系统状态的最优估计值可以依据以下5个公式逐步获得：1.由t−1时刻的最优估计值ˆx t−1，结合式（1）系统状态相对时间变化的机理，预测t时刻的系统状态ˆx t|t−1，即ˆx t|t−1=F t−1ˆx t−1+B t−1u t−1(3)2.由t−1时刻最优估计值相对实际值的误差协方差P t−1，结合式（1）获得t时刻预测状态相对于实际状态的误差协方差P t|t−1，即P t|t−1=F t−1P t−1F Tt−1+Q t−1(4)该式可以根据定义展开P t|t−1，并且结合最优估计误差x t−1−ˆx t−1与过程噪声w t之间的非相关性获得。

卡尔曼滤波的基本原理一、引言卡尔曼滤波是一种用于估计系统状态的算法，最初由卡尔曼于1960年提出。

它在航空航天、导航、机器人等领域得到了广泛应用。

本文将介绍卡尔曼滤波的基本原理。

二、状态方程和观测方程在介绍卡尔曼滤波之前，我们需要先了解两个重要的概念：状态方程和观测方程。

状态方程描述了系统的动态演化规律，通常采用微分方程或差分方程来表示。

观测方程描述了系统输出与状态之间的关系，通常采用线性或非线性函数关系来表示。

三、卡尔曼滤波的基本思想卡尔曼滤波的基本思想是通过对系统状态进行递推估计，不断修正预测值与实际值之间的误差，从而得到更加精确的状态估计结果。

具体来说，卡尔曼滤波将系统状态表示为一个高斯分布，在每个时刻根据观测数据和先验知识更新该高斯分布，并输出当前时刻的最优估计值。

四、离散时间下的卡尔曼滤波离散时间下的卡尔曼滤波是卡尔曼滤波的一种常见形式。

在这种情况下，状态方程和观测方程都采用离散时间模型表示。

假设系统的状态为x(k)，观测值为z(k)，则可以将状态方程和观测方程表示为：x(k+1) = F(k)x(k) + G(k)w(k)z(k) = H(k)x(k) + v(k)其中，F、G、H分别为状态转移矩阵、控制矩阵和观测矩阵，w、v 分别为过程噪声和测量噪声。

五、卡尔曼滤波的递推过程卡尔曼滤波的递推过程包括预测步骤和更新步骤两个部分。

预测步骤用于对系统状态进行预测，更新步骤用于根据观测数据修正预测值。

1. 预测步骤在预测步骤中，我们需要利用上一个时刻的估计值来预测当前时刻的状态。

具体来说，我们需要通过下面两个公式进行计算：x^-(k+1|k) = F(k)x^(k|k)P^-(k+1|k) = F(k)P^(k|k)F(k)^T + Q(k)其中，x^(k|k)和P^(k|k)分别为上一个时刻的状态估计值和状态协方差矩阵，Q为过程噪声的协方差矩阵。

2. 更新步骤在更新步骤中，我们需要利用观测数据来修正预测值。

卡尔曼滤波– Kalman Filter1．什么是卡尔曼滤波（What is the Kalman Filter?）在学习卡尔曼滤波之前，首先看看为什么叫“卡尔曼”。

跟其他著名的理论（例如傅立叶变换，泰勒级数等等）一样，卡尔曼也是一个人的名字，而跟他们不同的是，他是个现代人！卡尔曼全名Rudolf Emil Kalman，匈牙利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯。

1953，1954年于麻省理工学院分别获得电机工程学士及硕士学位。

1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。

我们现在要学习的卡尔曼滤波，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》（线性滤波与预测问题的新方法）。

如果对这编论文有兴趣，可以到这里的地址下载：/~welch/media/pdf/Kalman1960.p df。

简单来说，卡尔曼滤波是一个“optimal recursive data processing algorithm（最优化自回归数据处理算法）”。

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。

他的广泛应用已经超过30年，包括机器人导航，控制，传感器数据融合甚至在军事方面的雷达系统以及导弹追踪等等。

近年来更被应用于计算机图像处理，例如头脸识别，图像分割，图像边缘检测等等。

2．卡尔曼滤波的介绍（Introduction to the Kalman Filter）为了可以更加容易的理解卡尔曼滤波，这里会应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。

结合现代的计算机，其实卡尔曼的程序相当的简单，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，这个房间的温度是恒定的，也就是下一分钟的温度等于现在这一分钟的温度（假设我们用一分钟来做时间单位）。

卡尔曼滤波原理详解及系统模型建立卡尔曼滤波是一种常见的信号处理方法，它通过利用测量数据和预测模型，在存在不确定性的情况下对系统状态进行估计和修正。

本文将详细介绍卡尔曼滤波的原理，并讨论系统模型的建立。

一、卡尔曼滤波原理卡尔曼滤波是一种递归滤波算法，其基本思想是通过利用当前时刻的测量值和上一时刻的状态估计值，结合系统的动力学模型，对当前时刻的状态进行估计和修正。

卡尔曼滤波的核心是在状态估计过程中考虑了测量误差和系统动态误差，从而有效地抑制了噪声的影响。

卡尔曼滤波的基本过程可以分为两个步骤：预测和修正。

首先，根据系统的动力学模型和上一时刻的状态估计值，通过状态方程对当前时刻的状态进行预测。

然后，根据当前时刻的测量值和预测的状态值，利用观测方程对状态进行修正。

通过不断地迭代这两个步骤，可以逐步逼近真实的系统状态。

在卡尔曼滤波中，状态估计值由两部分组成：先验估计和后验估计。

先验估计是在没有测量信息的情况下，根据系统的动力学模型对状态进行预测得到的估计值。

后验估计是在有测量信息的情况下，根据测量值对状态进行修正得到的估计值。

卡尔曼滤波通过融合这两个估计值，得到最优的状态估计。

二、系统模型建立在进行卡尔曼滤波之前，需要建立系统的数学模型。

系统模型包括状态方程和观测方程两部分。

1. 状态方程：描述系统状态的动态演化规律。

一般形式为：x(k) = A * x(k-1) + B * u(k) + w(k)其中，x(k)表示系统的状态向量，A表示状态转移矩阵，B表示输入控制矩阵，u(k)表示外部输入，w(k)表示系统的过程噪声。

2. 观测方程：描述系统状态与测量值之间的关系。

一般形式为：z(k) = H * x(k) + v(k)其中，z(k)表示测量向量，H表示观测矩阵，v(k)表示测量噪声。

在建立系统模型时，需要考虑系统的特性和实际应用场景。

对于线性系统，状态方程和观测方程可以直接通过物理方程或系统特性方程建立。

卡尔曼滤波原理卡尔曼滤波（Kalman Filtering）是一种用于估计、预测和控制的最优滤波方法，由美国籍匈牙利裔数学家卡尔曼（Rudolf E. Kalman）在1960年提出。

卡尔曼滤波是一种递归滤波算法，通过对测量数据和系统模型的融合，可以得到更准确、更可靠的估计结果。

在各种应用领域，如导航、机器人、航空航天、金融等，卡尔曼滤波都被广泛应用。

1. 卡尔曼滤波的基本原理卡尔曼滤波的基本原理是基于状态空间模型，将系统的状态用随机变量来表示。

它假设系统的状态满足线性高斯模型，并通过线性动态方程和线性测量方程描述系统的演化过程和测量过程。

具体而言，卡尔曼滤波算法基于以下两个基本步骤进行：1.1 预测步骤：通过系统的动态方程预测当前时刻的状态，并计算预测的状态协方差矩阵。

预测步骤主要是利用前一时刻的状态和控制输入来预测当前时刻的状态。

1.2 更新步骤：通过系统的测量方程，将预测的状态与实际测量值进行融合，得到最优估计的状态和状态协方差矩阵。

更新步骤主要是利用当前时刻的测量值来修正预测的状态。

通过不断迭代进行预测和更新，可以得到连续时间上的状态估计值，并获得最优的估计结果。

2. 卡尔曼滤波的优势卡尔曼滤波具有以下几个优势：2.1 适用于线性系统与高斯噪声：卡尔曼滤波是一种基于线性高斯模型的滤波方法，对于满足这些条件的系统，卡尔曼滤波能够给出最优的估计结果。

2.2 递归计算：卡尔曼滤波是一种递归滤波算法，可以在每个时刻根据当前的测量值和先前的估计结果进行迭代计算，不需要保存过多的历史数据。

2.3 最优性：卡尔曼滤波可以通过最小均方误差准则，给出能够最优估计系统状态的解。

2.4 实时性：由于卡尔曼滤波的递归计算特性，它可以实时地处理数据，并及时根据新的测量值进行估计。

3. 卡尔曼滤波的应用卡尔曼滤波在多个领域都有广泛的应用，以下是一些典型的应用例子：3.1 导航系统：卡尔曼滤波可以用于导航系统中的位置和速度估计，可以结合地面测量值和惯性测量传感器的数据，提供精确的导航信息。

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卡尔曼滤波的原理说明在学习卡尔曼滤波器之前，首先看看为什么叫“卡尔曼”。

跟其他著名的理论（例如傅立叶变换，泰勒级数等等）一样，卡尔曼也是一个人的名字，而跟他们不同的是，他是个现代人！卡尔曼全名RudolfemilKalman，匈牙利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯。

1953，1954年于麻省理工学院分别获得电机工程学士及硕士学位。

1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。

我们现在要学习的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文《AnewApproachtoLinearFilteringandpredictionproblems》（线性滤波与预测问题的新方法）。

如果对这编论文有兴趣，可以到这里的地址下载：/~welch/kalman/media/pdf/Kalman1960.pdf 简单来说，卡尔曼滤波器是一个“optimalrecursivedataprocessingalgorithm（最优化自回归数据处理算法）”。

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。

他的广泛应用已经超过30年，包括机器人导航，控制，传感器数据融合甚至在军事方面的雷达系统以及导弹追踪等等。

近年来更被应用于计算机图像处理，例如头脸识别，图像分割，图像边缘检测等等。

2．卡尔曼滤波器的介绍（IntroductiontotheKalmanFilter）为了可以更加容易的理解卡尔曼滤波器，这里会应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。

结合现代的计算机，其实卡尔曼的程序相当的简单，只要你理解了他的那5条公式。

卡尔曼滤波详解卡尔曼滤波(Kalman Filter)是一种用于估计系统状态的算法，广泛应用于控制系统、信号处理、机器人导航等领域。

卡尔曼滤波的核心思想是利用系统的动态模型和测量数据的信息来对系统状态进行估计，同时最小化估计误差的方差。

在实际应用中，卡尔曼滤波能够对系统状态进行高效、准确的估计，并具有良好的鲁棒性和适应性。

卡尔曼滤波的核心思想可以简单概括为“测量并补偿”，即先通过传感器测量得到当前的状态信息，然后利用系统动态模型来预测下一时刻的状态，再将测量值与预测值进行比较，通过加权平均的方式得到最终的估计值。

要实现这个过程，需要建立卡尔曼滤波的基本模型，包括状态转移方程、观测方程、协方差矩阵和初始状态。

卡尔曼滤波的核心步骤包括预测阶段和更新阶段。

预测阶段主要利用系统动态模型对状态进行预测，以及计算预测误差的方差。

预测阶段包括以下几个步骤：1. 状态预测：根据系统动态模型和当前状态估计值，预测下一时刻的状态估计值。

2. 协方差预测：根据系统动态模型和当前状态协方差矩阵，预测下一时刻的协方差矩阵。

3. 估计误差的量化：计算预测值与真实值之间的估计误差，以及预测误差的方差。

更新阶段主要利用测量数据对状态进行修正，以及更新协方差矩阵。

更新阶段包括以下几个步骤：1. 估计增益：根据协方差矩阵和观测噪声方差，计算估计值与观测值之间的加权比例。

2. 状态修正：利用估计增益和测量值对状态进行修正。

3. 协方差修正：利用估计增益对协方差矩阵进行修正。

卡尔曼滤波的应用非常广泛，包括导航系统、车辆控制、信号处理、自动驾驶、机器人导航等领域。

卡尔曼滤波能够对系统状态进行高效、准确的估计，并且具有良好的鲁棒性和适应性，对噪声和误差具有较好的鲁棒性。

此外，卡尔曼滤波具有良好的数学基础和理论支撑，能够直接应用于许多复杂的系统中。

为了可以更加容易的理解卡尔曼滤波器，这里会应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。

结合现代的计算机，其实卡尔曼的程序相当的简单，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，这个房间的温度是恒定的，也就是下一分钟的温度等于现在这一分钟的温度（假设我们用一分钟来做时间单位）。

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，我们在房间里放一个温度计，但是这个温度计也不准确的，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covariance 来判断。

因为Kg^2=5^2/(5^2+4^2)，所以Kg =0.78，我们可以估算出k时刻的实际温度值是：23+0.78*(25-23) =24.56度。

卡尔曼滤波一、卡尔曼滤波的起源谈到信号的分析与处理，就离不开滤波两个字。

通常，信号的频谱处于有限的频率范围内，而噪声的频谱则散布在很广的频率范围内，为了消除噪声，可以把FIR滤波器或者IIR滤波器设计成合适的频带滤波器，进行频域滤波。

但在许多应用场合，需要直接进行时域滤波,从带噪声的信号中提取有用信号。

虽然这样的过程其实也算是对信号的滤波，但其所依据的理论，即针对随机信号的估计理论,是自成体系的.人们对于随机信号干扰下的有用信号不能“确知”，只能“估计”.为了“估计"，要事先确定某种准则以评定估计的好坏程度.最小均方误差是一种常用的比较简单的经典准则。

对于平稳时间序列的最小均方误差估计的第一个明确解是维纳在1942年2月首先给出的.当时美国的一个战争研究团体发表了一个秘密文件，其中就包括维纳关于滤波问题的研究工作，这项研究是用于防空火力控制系统的.维纳滤波器是基于最小均方误差准则的估计器。

为了寻求维纳滤波器的冲激响应,需要求解著名的维纳–霍夫方程。

这种滤波理论所求的是使均方误差最小的系统最佳冲激响应的明确表达式。

从维纳–霍夫方程来看，维纳滤波算法是十分低效的。

这种算法要求设置大量的存储器来保存过去的测量数据,一个新的数据到来后，要进行刷新，重新计算自相关和互相关序列。

再者，求解这个方程需要耗费大量时间对高阶矩阵求逆。

因此,维纳滤波算法难以运用于实时处理中，尤其是无法用于军事、航空航天等领域。

为此,许多科技工作者进行了多方探索，但在解决非平稳过程的滤波问题时,能给出的方法很少。

到20世纪50年代中期，随着空间技术的发展，要求对卫星轨道进行精确地测量，这种方法越来越不能满足实际应用的需要。

为此，人们将滤波问题以微分方程表示,提出了一系列适应空间技术应用的精炼算法。

1960年和1961年，卡尔曼（R. E. Kalman）和布西（R. S。

Bucy)提出了递推滤波算法，成功的将状态变量引入到滤波理论中来，用消息与干扰的状态空间模型代替了通常用来描述它们的协方差函数，将状态空间描述与离散数间刷新联系起来，适于计算机直接进行计算，而不是去寻求滤波器冲激响应的明确公式。

一文读懂什么是卡尔曼滤波导读卡尔曼滤波是无人驾驶中最基本的算法之一，在传感器融合与定位中几乎无处不在，本文原文来自 BZARG 大神的文章《How a Kalman filter works, in pictures》，后 engineerlixl 大神进行了翻译。

由于写得太好了，没经过作者同意后和大家一起分享。

什么是卡尔曼滤波？卡尔曼滤波（Kalman filtering）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。

数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种数据处理技术，Kalman滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态。

由于，它便于计算机编程实现, 并能够对现场采集的数据进行实时的更新和处理，Kalman滤波是目前应用最为广泛的滤波方法, 在通信, 导航, 制导与控制等多领域得到了较好的应用。

它具有占用内存小的优点（除了前一个状态量外，不需要保留其它历史数据），并且速度很快，很适合应用于实时问题和嵌入式系统。

我们能用卡尔曼滤波做什么？用玩具举例：你开发了一个可以在树林里到处跑的小机器人，这个机器人需要知道它所在的确切位置才能导航。

我们可以说机器人有一个状态Xk ，表示位置和速度：注意这个状态只是关于这个系统基本属性的一堆数字，它可以是任何其它的东西。

在这个例子中是位置和速度，它也可以是一个容器中液体的总量，汽车发动机的温度，用户手指在触摸板上的位置坐标，或者任何你需要跟踪的信号。

这个机器人带有GPS，精度大约为10米，还算不错，但是，它需要将自己的位置精确到10米以内。

树林里有很多沟壑和悬崖，如果机器人走错了一步，就有可能掉下悬崖，所以只有GPS是不够的。

或许我们知道一些机器人如何运动的信息：例如，机器人知道发送给电机的指令，知道自己是否在朝一个方向移动并且没有人干预，在下一个状态，机器人很可能朝着相同的方向移动。

卡尔曼滤波原理一句话卡尔曼滤波原理是一种利用系统的测量数据对系统状态进行估计和预测的方法。

它通过结合系统的动力学模型和测量模型，根据当前的测量值和先验信息，对系统状态进行优化估计，从而在存在噪声和不确定性的情况下，得到更准确的状态估计结果。

卡尔曼滤波原理的基本思想是通过对系统状态的预测和测量值的校正，不断地更新系统状态的估计值。

具体而言，卡尔曼滤波器通过两个主要步骤来实现状态估计：预测步骤和校正步骤。

在预测步骤中，卡尔曼滤波器利用系统的动力学模型，基于上一时刻的状态估计值和控制输入，预测当前时刻的系统状态。

预测的结果包括状态的估计值和协方差矩阵，用于描述状态估计的可信度。

在校正步骤中，卡尔曼滤波器利用测量模型，将当前时刻的测量值与预测的状态进行比较，得到残差。

然后，通过调整预测的状态估计值和协方差矩阵，将测量值的信息融入状态估计中。

这一步骤的目的是根据测量值，减小状态估计的误差，提高状态估计的准确性。

卡尔曼滤波原理的关键在于协方差矩阵的更新。

协方差矩阵可以描述状态估计的可信度，包括状态估计误差的方差和协方差。

通过不断地更新协方差矩阵，卡尔曼滤波器可以自适应地调整状态估计的准确性，使其更好地适应系统的动态变化。

卡尔曼滤波原理在许多应用领域都有广泛的应用。

例如，在导航和定位系统中，卡尔曼滤波器可以通过融合不同的传感器数据，提高位置和姿态的估计精度。

在机器人和自动驾驶领域，卡尔曼滤波器可以用于估计机器人的位置和速度，实现精确的路径规划和避障控制。

在信号处理和通信系统中，卡尔曼滤波器可以用于去除噪声和估计信号的参数，提高信号的质量和可靠性。

总结来说，卡尔曼滤波原理是一种基于状态估计的方法，通过预测和校正两个步骤，利用系统的动力学模型和测量模型，对系统状态进行优化估计。

它可以有效地处理噪声和不确定性，提高状态估计的准确性和稳定性，在多个领域都有广泛的应用前景。

卡尔曼滤波详解卡尔曼滤波是一种常用的状态估计方法，它可以根据系统的动态模型和观测数据，对系统的状态进行估计。

卡尔曼滤波广泛应用于机器人导航、飞行控制、信号处理等领域。

本文将详细介绍卡尔曼滤波的原理、算法及应用。

一、卡尔曼滤波原理卡尔曼滤波的基本思想是利用系统的动态模型和观测数据，对系统的状态进行估计。

在卡尔曼滤波中，系统的状态被表示为一个向量，每个元素表示系统的某个特定状态量。

例如，一个机器人的状态向量可能包括机器人的位置、速度、方向等信息。

卡尔曼滤波的基本假设是系统的动态模型和观测数据都是线性的，而且存在噪声。

系统的动态模型可以表示为：x(t+1) = Ax(t) + Bu(t) + w(t)其中，x(t)表示系统在时刻t的状态向量，A是状态转移矩阵，B是控制矩阵，u(t)表示外部控制输入，w(t)表示系统的过程噪声。

观测数据可以表示为：z(t) = Hx(t) + v(t)其中，z(t)表示系统在时刻t的观测向量，H是观测矩阵，v(t)表示观测噪声。

卡尔曼滤波的目标是根据系统的动态模型和观测数据，估计系统的状态向量x(t)。

为了达到这个目标，卡尔曼滤波将状态估计分为两个阶段：预测和更新。

预测阶段：根据系统的动态模型，预测系统在下一个时刻的状态向量x(t+1)。

预测的过程可以表示为：x^(t+1|t) = Ax^(t|t) + Bu(t)其中，x^(t|t)表示在时刻t的状态向量的估计值，x^(t+1|t)表示在时刻t+1的状态向量的预测值。

卡尔曼滤波还需要对状态的不确定性进行估计，这个不确定性通常用协方差矩阵P(t)表示。

协方差矩阵P(t)表示状态向量估计值和真实值之间的差异程度。

预测阶段中，协方差矩阵也需要进行更新，更新的过程可以表示为：P(t+1|t) = AP(t|t)A' + Q其中，Q表示过程噪声的协方差矩阵。

更新阶段：根据观测数据，更新状态向量的估计值和协方差矩阵。

更新的过程可以表示为：K(t+1) = P(t+1|t)H'(HP(t+1|t)H' + R)^-1x^(t+1|t+1) = x^(t+1|t) + K(t+1)[z(t+1) - Hx^(t+1|t)]P(t+1|t+1) = (I - K(t+1)H)P(t+1|t)其中，K(t+1)表示卡尔曼增益，R表示观测噪声的协方差矩阵，I是单位矩阵。

仔细看完你就懂卡尔曼滤波（KalmanFilter）一、引言以下我们引用文献【1】中的一段话作为本文的開始：想象你在黄昏时分看着一仅仅小鸟飞行穿过浓密的丛林。

你仅仅能隐隐约约、断断续续地瞥见小鸟运动的闪现。

你试图努力地猜測小鸟在哪里以及下一时刻它会出如今哪里，才不至于失去它的行踪。

或者再想象你是二战中的一名雷达操作员，正在跟踪一个微弱的游移目标。

这个目标每隔10秒钟在屏幕上闪烁一次。

或者回到更远的从前。

想象你是开普勒，正试图依据一组通过不规则和不准确的測量间隔得到的非常不精确的角度观測值来又一次构造行星的运动轨迹。

在全部这些情况下。

你都试图依据随对问变化并且带有噪声的观察数据去预计物理系统的状态（比如位置、速度等等）。

这个问题能够被形式化表示为时序概率模型上的推理，模型中的转移模型描写叙述了运动的物理本质，而传感器模型则描写叙述了測量过程。

为解决这类问题。

人们发展出来了一种特殊的表示方法和推理算法——卡尔曼滤波。

二、基本概念回忆一下HMM的基本模型（例如以下图所看到的）。

当中涂有阴影的圆圈（y t-2, y t-1, y t）相当于是观測变量，空白圆圈（x t-2, x t-1, x t）相当于是隐变量。

这事实上揭示了卡尔曼滤波与HMM之间拥有非常深的渊源。

回到刚刚提及的那几个样例，你所观測到的物体状态（比如雷达中目标的位置或者速度）相当于是对其真实状态的一种预计（由于观測的过程中必定存在噪声），用数学语言来表述就是P(y t | x t)，这就是模型中的測量模型或測量概率（Measurement Probability）。

另外一方面，物体当前的（真实）状态应该与其上一个观測状态相关，即存在这样的一个分布P(x t | x t-1)，这就是模型中的转移模型或转移概率（Transition Probability）。

当然，HMM中隐变量必须都是离散的，观測变量并无特殊要求。

而从信号处理的角度来讲，滤波是从混合在一起的诸多信号中提取出所需信号的过程[2]。

卡尔曼滤波详解这篇主要介绍卡尔曼滤波公式详细推导，使用示例参考卡尔曼滤波示例。

Kalman Filter简单介绍主要讲解基本的卡尔曼滤波算法，有时候也说是离散或者线性卡尔曼滤波。

首先来看一个数学公式，这部分仅仅是给定一个思路，和最后实际算法无关。

目前考虑到要估计当前系统的状态，而且有两个已知量，一个上一个状态的估计值以及当前状态的测量值，这两个都有一定的噪声，需要做的就是把这两个结合起来，很简单的思路就是按照比例相加得到当前状态的估计值：X ^ k = K k ⋅ Z k + ( 1 − K k ) ⋅ X ^ k − 1 \hat{X}_k = K_k \cdot Z_k + (1 - K_k) \cdot \hat{X}_{k-1} X^k=Kk⋅Zk+(1−Kk)⋅X^k−1k k k 表示离散的状态量，可以把它简单的理解为离散的时间间隔。

k=1 表示1ms，k=2 表示2ms；X ^ k \hat{X}_k X^k 是对当前状态的估计值，希望利用上面的公式对每一个 k 都能得到一个较为准确的 X 的值；Z k Z_k Zk 是对当前状态的测量值，当然这个值并不是绝对准确的，会有一定的误差噪声（如果绝对准确，直接用就可以了，也就没必要搞这个卡尔曼滤波算法了）；X ^ k − 1 \hat{X}_{k-1} X^k−1 是对上一状态的估计值，利用这个以及测量值对当前状态进行估计；K k K_k Kk 是卡尔曼增益(kalman gain)，在这里唯一未知的就是这个值，也是需要去求的值。

当然可以直接设置值为0.5，但是这样比较暴力。

最好的方式就是根据每一时刻的状态求一个当前状态最好的增益值，这样的话更好利用以前状态的估计值以及当前测量值来估计一个最优的当前值。

后面卡尔曼滤波算法就是按照上面思路利用上一状态以及测量值去估计当前状态，只不过模型要更加复杂。

基本模型卡尔曼滤波的状态方程，利用线性随机差分方程（Linear Stochastic Difference equation）利用上一个系统状态估计当前系统状态（这里假设上一状态与下一一状态有某种线性关系，比如恒温环境的温度，匀速运动的速度等，但是因为现实环境的复杂，这种线性关系不是完全平滑的，也就是会有一些扰动）：x k = A x k − 1 + B u k − 1 + w x_k = Ax_{k-1} + Bu_{k-1}+w xk=Axk−1+Buk−1+w使用时一般忽略 u u u 控制输入，得到：x k = A x k − 1 + w ( 1.1 ) x_k = Ax_{k-1} + w \qquad {(1.1)} xk=Axk−1+w(1.1)加上对于当前状态的测量方程（简单来说就是测量值和状态值的线性函数）：z k = H x k + v ( 1.2 ) z_k = Hx_k + v \qquad {(1.2)} zk=Hxk +v(1.2)k − 1 k-1 k−1 和 k k k 分别表示上一状态和当前状态；x ∈ R n x \in R^n x∈Rn 表示要估计的状态；A ∈ R n × n A \in R^{n \times n}A∈Rn×n 表示上一状态到当前状态的转换矩阵；u ∈ R l u \in R^l u∈Rl 表示可选的控制输入，一般在实际使用中忽略；B ∈ R n × l B \in R^{n \times l}B∈Rn×l 表示控制输入到当前状态的转换矩阵；z ∈ R m z \in R^m z∈Rm 表示测量值；H ∈ R m × n H \in R^{m \times n}H∈Rm×n 表示当前状态到测量的转换矩阵；w ∈ R n w \in R^n w∈Rn 表示过程噪声，主要是从上一状态进入到当前状态时，会有许多外界因素的干扰；v ∈ R m v \in R^m v∈Rm 表示测量噪声，主要是任何测量仪器都会有一定的误差；在上面转换矩阵 A A A B B B H H H w ww v v v 是随着状态变化的，在这里没有添加下标，假设是不变的。