基于Kalman滤波的地图匹配方法
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kalman滤波算法流程Kalman滤波算法是一种常用的线性状态估计算法,广泛应用于各个领域,如导航、信号处理、机器人等。
本文将介绍Kalman滤波算法的基本流程及其主要应用。
一、Kalman滤波算法的基本流程1. 初始化:初始化状态变量和协方差矩阵。
状态变量表示系统的状态,协方差矩阵表示状态变量的不确定性。
2. 预测:根据系统的数学模型,预测当前时刻的状态变量和协方差矩阵。
预测的过程可以通过状态转移方程来实现,同时考虑过程噪声的影响。
3. 更新:根据当前时刻的测量值,更新状态变量和协方差矩阵。
更新的过程可以通过观测方程来实现,同时考虑测量噪声的影响。
4. 重复预测和更新步骤:重复进行预测和更新步骤,实现对系统状态的连续估计。
二、Kalman滤波算法的主要应用1. 导航系统:Kalman滤波算法可以用于导航系统中的位置和速度估计。
通过结合惯性传感器和GPS等测量设备,可以实现对飞行器、汽车等的准确定位和导航。
2. 信号处理:Kalman滤波算法可以用于信号处理中的噪声滤除和信号恢复。
通过对观测信号进行滤波,可以减小噪声对信号的影响,提高信号质量。
3. 机器人:Kalman滤波算法可以用于机器人中的定位和路径规划。
通过结合传感器测量和运动模型,可以实现对机器人位置和运动轨迹的估计。
4. 金融领域:Kalman滤波算法可以用于金融领域中的股价预测和投资组合管理。
通过对历史数据的分析和预测,可以帮助投资者做出更准确的决策。
5. 图像处理:Kalman滤波算法可以用于图像处理中的目标跟踪和图像恢复。
通过对连续帧图像的分析和处理,可以实现对目标位置和图像质量的估计。
6. 控制系统:Kalman滤波算法可以用于控制系统中的状态估计和控制优化。
通过对系统状态的连续估计,可以实现对控制器的优化和系统性能的提高。
三、总结Kalman滤波算法是一种基于状态估计的优化算法,具有广泛的应用前景。
通过对系统的预测和更新,可以实现对状态变量的连续估计,提高系统的精度和稳定性。
globk卡尔曼滤波、平差流程及相关公式,特别是解算哪些状态
量
GLObal Kalman (GLOBK) 是一种经典的卡尔曼滤波技术,用于对全球定位系统(GPS)观测数据进行精确的平差和解算。
它可以估计包括位置、速度、钟差、大气延迟等在内的多种状态量。
GLOBK的平差流程一般分为以下几个步骤:
1. 预处理:对GPS观测数据进行预处理,包括剔除异常值、修正电离层延迟等。
2. 初始状态估计:使用初始条件估计状态向量的初始值,包括位置、速度、钟差等。
3. 状态预测:根据系统的动态模型,通过预测状态转移矩阵和过程噪声协方差矩阵,预测下一个时刻的状态向量。
4. 观测更新:根据GPS观测数据和测量模型,计算观测矩阵和测量噪声协方差矩阵,并通过卡尔曼增益对状态向量进行更新。
5. 迭代优化:通过迭代更新步骤3和4,直到满足收敛条件为止,得到最优的状态估计结果。
相关公式包括:
1. 状态预测公式:
X(k+1|k) = F(k) * X(k|k) + G(k) * w(k)
其中,X(k+1|k)是下一个时刻的状态向量的预测值,X(k|k)是当前时刻的状态向量的估计值,F(k)是状态转移矩阵,G(k)是过程噪声协方差矩阵,w(k)是过程噪声。
2. 观测更新公式:
X(k|k) = X(k|k-1) + K(k) * (Y(k) - H(k) * X(k|k-1))
其中,X(k|k)是当前时刻状态向量的估计值,K(k)是卡尔曼增益,Y(k)是GPS观测数据,H(k)是观测矩阵。
解算的状态量包括位置、速度、钟差等。
通过卡尔曼滤波,可以准确估计这些状态量,并提供相应的协方差矩阵用于评估其精度。
Kalman滤波原理及算法kalman滤波器一(什么是卡尔曼滤波器卡尔曼全名Rudolf Emil Kalman,匈牙利数学家,1930年出生于匈牙利首都布达佩斯, 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《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》(线性滤波与预测问题的新方法)。
二.卡尔曼滤波器算法的介绍以下是卡尔曼滤波器核心的5个式子。
X(k|k-1)=A X(k-1|k-1)+B U(k) (1)P(k|k-1)=A P(k-1|k-1) A’+Q (2)X(k|k)= X(k|k-1)+Kg(k) (Z(k)-H X(k|k-1)) (3)Kg(k)= P(k|k-1) H’ / (H P(k|k-1) H’ + R) (4)P(k|k)=(I-Kg(k) H)P(k|k-1) (5)下面我们详细介绍卡尔曼滤波的过程。
首先,我们要引入一个离散控制过程的系统。
该系统可用一个线性随机微分方程来描述: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时刻对系统的控制量。
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(这里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来估算系统的最优化输出。
首先我们要利用系统的过程模型,来预测下一状态的系统。
卡尔曼滤波原理及应用
一、卡尔曼滤波原理
卡尔曼滤波(Kalman filter)是一种后验最优估计方法。
它以四个步骤:预测、更新、测量、改善,不断地调整估计量来达到观测的最优估计的目的。
卡尔曼滤波的基本思想,是每次观测到某一位置来更新位置的参数,并用更新结果来预测下一次的位置参数,再由预测时产生的误差来改善当前位置参数。
从而可以达到滤波的效果,提高估计精度。
二、卡尔曼滤波应用
1、导航系统。
卡尔曼滤波可以提供准确的位置信息,把最近获得的各种定位信息和测量信息,如GPS、ISL利用卡尔曼滤波进行定位信息融合,可以提供较准确的空中、地面导航服务。
2、智能机器人跟踪。
在编队技术的应用中,智能机器人往往面临着各种复杂环境,很难提供精确的定位信息,而卡尔曼滤波正是能解决这一问题,将持续不断的测量信息放在卡尔曼滤波器中,使机器人能够在范围内定位,跟踪更新准确可靠。
3、移动机器人自主避障。
对于移动机器人来说,很多时候在前传感器检测不到
人或障碍物的时候,一般将使用卡尔曼滤波来进行自主避障。
卡尔曼滤波的定位精度很高,相对于静止定位而言,移动定位有更多的参数要考虑,所以能提供更准确的定位数据来辅助自主避障,准确的定位信息就可以让我们很好的实现自主避障。
4、安防监控。
与其他传统的安防场景比,安防场景如果需要运动物体位置估计或物体检测,就必须使用卡尔曼滤波技术来实现,这是一种行为检测和行为识别的先进技术。
(注:安防监控可用于感知移动物体的位置,并在设定的范围内监测到超出范围的物体,以达到安全防护的目的。
)。
传统组合导航中的实⽤Kalman滤波技术评述严恭敏,邓瑀(西北⼯业⼤学⾃动化学院,西安710072)摘要:在随机线性系统建模准确的情况下,Kalman滤波是线性最⼩⽅差⽆偏估计。
针对传统惯导/卫导组合导航的实际应⽤,难以精确建模,给出了常⽤的建模⽅法、状态量选取原则、离散化⽅法及滤波快速计算⽅法。
讨论了平⽅根滤波、⾃适应滤波、联邦滤波和⾮线性滤波等技术的适⽤场合,并给出了使⽤建议。
针对前⼈研究可观测度中未考虑随机系统噪声的缺陷,提出了更加合理的以初始状态均⽅误差阵为参考的可观测度定义和分析⽅法。
提出了均⽅误差阵边界限制⽅法,可有效抑制滤波器的过度收敛和滤波发散。
该讨论可为⼯程技术⼈员提供⼀些有实⽤价值的参考。
关键词:捷联惯导系统;组合导航;Kalman滤波;评述0 前⾔估计理论是概率论与数理统计的⼀个分⽀,它是根据受扰动的观测数据来提取系统某些参数或状态的⼀种数学⽅法。
1795年,⾼斯提出了最⼩⼆乘法;1912年,费歇尔(R.A.Fisher)提出了极⼤似然估计法,从概率密度的⾓度考虑估计问题;1940年,维纳提出了在频域中设计统计最优滤波器的⽅法,称为维纳滤波,但它只能处理平稳随机过程问题且滤波器设计复杂,应⽤受到很⼤限制;1960年,卡尔曼基于状态⽅程描述提出了⼀种最优递推滤波⽅法,称为Kalman滤波,它既适⽤于平稳随机过程,也适⽤于⾮平稳过程,⼀经提出便得到了⼴泛应⽤。
在Kalman滤波器出现以后,针对随机动态系统的估计理论的发展基本上都是以它的框架为基础的⼀些扩展和改进[1]。
Kalman滤波器最早和最成功的应⽤实例便是在组合导航领域。
惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)是最重要的⼀种导航⽅式,它能提供姿态、⽅位、速度和位置,甚⾄还包括加速度和⾓速率等导航信息,可⽤于运载体的正确操纵和控制。
惯导具有⾃主性强、动态性能好、导航信息全⾯且输出频率⾼等优点,但其误差随时间不断累积,长期精度不⾼。
卡尔曼滤波数据融合算法首先,我们需要了解卡尔曼滤波算法中的一些重要概念,包括状态、测量、观测方程、状态转移方程和卡尔曼增益。
状态是指需要估计的系统状态,通常用向量x表示。
测量是对系统状态的观测,通常用向量z表示。
观测方程描述了测量和状态之间的关系,可以表示为z=Hx+v,其中H是观测矩阵,v是观测噪声。
状态转移方程描述了系统状态的发展过程,可以表示为x(k+1)=Fx(k)+w,其中F是状态转移矩阵,w是系统噪声。
卡尔曼滤波算法的核心是卡尔曼增益,它通过对系统的状态估计误差和测量噪声的协方差矩阵进行线性组合,得到对系统状态的最优估计。
卡尔曼增益可以表示为K=P(k)H^T(HP(k)H^T+R)^-1,其中P(k)是状态估计误差的协方差矩阵,R是观测噪声的协方差矩阵。
卡尔曼滤波算法主要包括两个步骤:预测和更新。
预测步骤根据系统状态的转移方程,通过对上一时刻的状态估计和系统噪声的预测,得到对当前时刻状态的预测。
预测过程可以表示为x(k,k-1)=Fx(k-1,k-1)和P(k,k-1)=FP(k-1,k-1)F^T+Q,其中Q是系统噪声的协方差矩阵。
更新步骤根据观测方程和预测得到的状态预测,通过对当前时刻的测量和观测噪声的更新,得到对当前时刻状态的更新。
更新过程可以表示为x(k,k)=x(k,k-1)+K(z(k)–Hx(k,k-1))和P(k,k)=(I–KH)P(k,k-1),其中I是单位矩阵。
在数据融合中,卡尔曼滤波算法可以应用于多传感器数据的融合。
通过合理选择观测方程和状态转移方程,以及对系统噪声和观测噪声的建模,可以实现对多传感器数据的最优估计。
总结来说,卡尔曼滤波算法是一种常用的数据融合算法,它通过对系统状态和测量数据进行线性组合,得到对系统状态的最优估计。
卡尔曼滤波算法具有较好的估计性能和实时性,在各种数据融合应用中被广泛应用。
kalman滤波原理Kalman滤波是一种用于估计系统状态的算法,广泛应用于信号处理、导航和控制领域。
它的原理基于贝叶斯定理和线性系统的动态模型。
本文将为您详细介绍Kalman滤波的原理和它的应用。
一、贝叶斯定理贝叶斯定理是一种基于先验概率和观测数据来更新我们对事件发生概率的方法。
在Kalman滤波中,我们使用贝叶斯定理来更新对系统状态的估计。
贝叶斯定理公式如下:P(A B) = (P(B A) * P(A)) / P(B)其中,P(A B)表示已知事件B发生的条件下事件A发生的概率,P(B A)表示已知事件A发生的条件下事件B发生的概率,P(A)和P(B)分别表示事件A和事件B的概率。
二、线性系统模型Kalman滤波的原理基于线性系统模型,即系统的状态转移和观测模型都是线性的。
线性系统模型可以用下面的方程表示:状态转移模型:x(k) = F(k-1) * x(k-1) + B(k-1) * u(k-1) + w(k-1)观测模型:z(k) = H(k) * x(k) + v(k)其中,x(k)表示系统在时刻k的状态向量,u(k)表示控制输入向量,z(k)表示时刻k的观测向量,F(k-1)和H(k)分别表示状态转移矩阵和观测矩阵,B(k-1)表示控制输入矩阵,w(k-1)和v(k)分别表示状态转移和观测噪声。
三、Kalman滤波的步骤Kalman滤波的基本步骤包括两个阶段:预测和更新。
在预测阶段,根据系统的状态转移模型和控制输入,我们通过预测当前状态的概率分布。
在更新阶段,我们根据观测数据对状态进行修正。
1. 初始化阶段:首先,我们对系统的状态变量进行初始化,即设置初始状态向量x(0)和初始状态协方差矩阵P(0)。
2. 预测阶段:a. 状态预测:根据状态转移模型,我们通过计算状态的预测值x'(k) = F(k-1) * x(k-1) + B(k-1) * u(k-1)来估计状态。
b. 协方差预测:根据状态转移模型和状态协方差矩阵,我们计算协方差矩阵的预测值P'(k) = F(k-1) * P(k-1) * F(k-1)^T + Q(k-1)。
卡尔曼滤波数据融合算法卡尔曼滤波是一种用于数据融合的算法,它可以根据多个传感器的测量值来估计系统的真实状态。
卡尔曼滤波算法通过考虑传感器的测量误差和系统模型的不确定性,有效地减少了噪声对系统估计的影响,提高了融合结果的准确性和稳定性。
卡尔曼滤波算法的核心思想是将系统的状态和传感器的测量结果建模为高斯分布,并通过最小化均方误差的方式,计算状态的最优估计。
首先,通过系统动力学方程和观测方程建立状态转移模型和观测模型,并假设状态和测量误差均为零均值的高斯白噪声。
然后,利用状态传递和观测矩阵对当前状态和测量结果进行预测,得到先验状态估计和先验误差协方差矩阵。
接下来,根据系统的测量结果和传感器的测量误差协方差矩阵,利用卡尔曼增益对先验状态估计进行修正,得到后验状态估计和后验误差协方差矩阵。
最后,根据后验状态估计和后验误差协方差矩阵,更新系统的状态估计和误差协方差矩阵,用于下一次迭代。
卡尔曼滤波算法的关键是卡尔曼增益的计算,它表示观测结果和先验状态估计之间的相关性。
卡尔曼增益的大小取决于观测误差协方差矩阵和状态误差协方差矩阵的相对权重。
当观测误差较大时,卡尔曼增益较小,更多地依赖于先验状态估计;当观测误差较小时,卡尔曼增益较大,更多地依赖于测量结果。
通过动态调整卡尔曼增益,卡尔曼滤波算法可以适应不同的噪声和不确定性。
卡尔曼滤波算法在许多领域中都有广泛应用,特别是在导航、跟踪和定位等实时系统中,可以对多个传感器的数据进行融合,提高系统的精度和鲁棒性。
例如,在自动驾驶中,卡尔曼滤波算法可以结合GPS、激光雷达和摄像头等传感器的数据,对车辆的位置和速度进行准确的估计,帮助车辆实现精确定位和路径规划。
在无人机领域,卡尔曼滤波算法可以将惯性测量单元(IMU)和视觉传感器的测量值进行融合,实现高精度的飞行姿态估计和导航控制。
总结来说,卡尔曼滤波是一种重要的数据融合算法,通过考虑传感器的测量误差和系统模型的不确定性,有效地减少了噪声对系统估计的影响,提高了融合结果的准确性和稳定性。
卡尔曼滤波应用实例卡尔曼滤波(KalmanFiltering)是一种状态估计方法,主要应用于定位、导航、目标跟踪以及模式识别等技术中。
它可以用来估计未知系统或过程的状态,也可以将一个测量值序列转换成更准确的状态序列,以消除噪声对测量结果的影响。
卡尔曼滤波是一种概率算法,它以一种可以提供模型描述的方式来估计状态变量的未知过程。
它的主要思想是,当一次测量值被收集后,将其与历史测量值进行比较,根据观测序列和模型参数,使用最优状态估计方法来更新状态估计器的预测数据。
卡尔曼滤波的应用实例非常多,下面将介绍其在定位、导航、目标跟踪以及模式识别等领域中的典型应用实例。
1)定位:卡尔曼滤波在定位领域中最常用的是GPS定位。
GPS 是一种全球定位系统,它使用太空技术进行定位。
GPS定位系统使用微波载波技术来定位,用于计算两个位置之间的距离,然后根据计算出的距离和测量结果,使用卡尔曼滤波算法来估计当前位置。
2)导航:在航海导航领域,卡尔曼滤波算法可以应用于军用导航系统中,以便将航行状态传递给其他航行设备,以及用于精细的航行定位、航迹计算和轨迹规划等。
3)目标跟踪:卡尔曼滤波在目标跟踪领域也得到广泛应用,它可以用来跟踪目标物体,如机器人、无人机、汽车等。
例如,可以使用卡尔曼滤波算法来跟踪机器人在空间中的位置,以及汽车在高速公路上行驶的轨迹。
4)模式识别:卡尔曼滤波还可以应用于模式识别领域,可以用来识别视觉系统中的图像模式,以及用于图像处理领域中的边缘检测和轮廓提取等。
以上是卡尔曼滤波在定位、导航、目标跟踪以及模式识别等领域中的应用实例,该算法在实际工程中得到了广泛应用,但也存在一些问题和缺陷,如对模型参数的依赖性太强、不适用于动态系统以及模型中噪声太多等问题。
因此,需要持续改进卡尔曼滤波的算法,以使其能够在更复杂的场景中得到更好的应用。
总之,卡尔曼滤波是一种广泛应用于定位、导航、目标跟踪以及模式识别等领域的优秀技术,它以一种可以提供模型描述的方式来估计状态变量的未知过程,在实际应用中发挥着巨大作用,但也需要不断完善和改进,以满足更多的需求。
利用Kalman滤波修正卫星导航差分RTK定位坐标熊杰;安毅;康荣雷;李阳;杨少帅;左芝勇【摘要】卫星导航差分RTK(Real Time Kinematic)定位方法的定位精度极易受到载波相位整周模糊度固定算法的影响,在模糊度固定失败的情况下,差分RTK定位将出现大幅偏差.针对该问题,基于Jerk模型提出了一种利用Kalman滤波修正差分RTK定位坐标的方法.在传统Jerk模型基础上,将卫星导航系统输出的载体运动速度信息引入状态空间模型的观测方程.基于扩展状态空间模型,利用Kalman滤波器实时修正载体的位置坐标.半实物仿真表明,所提方法能大幅改善卫星导航差分RTK定位精度.%The positioning accuracy of the differential global navigation satellite system(DGNSS) real time kinematic (RTK) system is extremely influenced by the carrier phase integer ambiguity resolution algorithms.Especially,when the integer ambiguity is failed to be fixed,the positioning deviation is bound to sharply increase.Against this issue,based on the Jerk model,a DGNSS RTK positioning coordinate adjusting algorithm via the Kalman filtering is proposed in this paper.The traditional Jerk model is augmented by adding the velocity information obtained from the GNSS single-point positioning into the observation equations.Based on this augmented state space model,the Kalman filtering is used to real-time adjust the DGNSS RTK positioning coordinate.The hardware-in-the-loop simulation results show that the suggested adjusting algorithm can significantly improve the positioning accuracy of the DGNSS RTK system.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2017(057)006【总页数】6页(P666-671)【关键词】全球卫星导航系统;RTK技术;Jerk模型;Kalman滤波【作者】熊杰;安毅;康荣雷;李阳;杨少帅;左芝勇【作者单位】中国西南电子技术研究所,成都610036;中国西南电子技术研究所,成都610036;中国西南电子技术研究所,成都610036;中国西南电子技术研究所,成都610036;中国西南电子技术研究所,成都610036;中国西南电子技术研究所,成都610036【正文语种】中文【中图分类】TN961卫星导航差分RTK(Real Time Kinematic)技术具有高精度实时定位能力,越来越多地应用到飞行器编队飞行、无人机着陆、空中加油、电力、水利、数据链时间同步、CORS网、遥感测绘等诸多技术领域[1-4]。
轨迹跟踪方法
1. 卡尔曼滤波器(Kalman Filter):卡尔曼滤波器是一种常用
的跟踪方法,其基本原理是通过对目标的预测和观测结果进行融合,得到更准确的目标位置估计。
卡尔曼滤波器适用于线性系统,并且对测量误差和过程噪声有一定的假设。
2. 粒子滤波器(Particle Filter):粒子滤波器是一种非参数的
贝叶斯滤波器,它通过在状态空间中的随机样本上进行重要性采样和重采样来近似目标的后验概率分布。
粒子滤波器适用于非线性系统,并且可以处理非高斯噪声。
3. 模板匹配方法:模板匹配方法是基于目标物体与背景之间的差异来进行跟踪的。
首先,利用训练集或者手动标注的模板,提取目标物体的特征;然后,通过计算当前帧图像与模板的相似性来确定目标的位置。
常用的模板匹配方法有:均方差匹配、互相关匹配等。
4. 光流法:光流法是一种基于图像中像素的运动信息来进行跟踪的方法。
它利用连续两帧图像中的像素灰度值变化来计算像素的位移。
基于光流的轨迹跟踪方法有:基于金字塔的光流法、基于半全局的光流法等。
5. 深度学习方法:近年来,深度学习方法在目标跟踪领域取得了很大的突破。
通过使用卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)等深度学习模型,可以自动学习目标的特征
表示,并实现对目标的准确跟踪。
这些方法各有优势和适用场景,选择合适的方法需要考虑目标物体的运动特点、环境条件以及计算资源等因素。
电子技术• Electronic Technology92 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】导航 GPS Kalman 滤波1 引言导航是获取载体运动参数(载体的即时姿态、速度和位置)的技术或方法。
导航是现在很多系统诸如无人机、无人驾驶等的关键。
有了导航系统,就可以获取导航参数,进行导航定位,然后,就可以进行控制,进行制导。
2 GPS导航原理基于GPS 定位导航已经应用到诸如车载导航,船舶导航定位,自主农业收割。
GPS 全系统由空间卫星星座、地面监控系统、用户接收设备组成。
GPS 的空间部分由21颗卫星和3颗备用卫星组成,这样可以使地球上任何地点、任何时刻都能接收至少4颗卫星的信号。
GPS 就是利用空间可观测的4颗卫星的位置数据,然后再利用卫星到接收用户间的伪距计算绝对位置。
GPS 导航定位系统稳定性好,精度高,但是它也含有误差和大气传播误差。
3 基于自适应Kalman滤波的GPS导航方法实际信号中均含有噪声,这会影响测量,需要过滤。
当前线性系统的模型可以假设为:(1)z k =H k ·x k +v k (2)Kalman 滤波需要对当前时刻信号作出最优估计,即使得估计值与实际值间的均方误差达到最小。
它的时间更新方程如下:(3)(4)其量测更新方程为:(5)(6) (7)滤波过程主要分两个阶段:时间更新阶段和量测修正阶段。
前者利用系统初始值估计系统状态和协方差;后者在前者的基础上,即利用先验的系统状态和协方差以及新得到的量基于自适应Kalman 滤波的GPS 导航方法文/朱荣华 杨德林 李林美 蒋体浩测值来计算Kalman 增益以及估计后验值。
状态数据是可以观测的,所以可以不断地得到新的估计值与实际值,使Kalman 滤波的估计值与实际值间的均方误差达到最小。
采用自适应Kalman 滤波的方法(图1),即判断系统状态和估计值间的差值,不断根据噪声统计来调整模型参数,可以更加减小均方误差,既做到系统辨识,又做到滤波估计,并且能动态调整。
轨迹纠偏的原理
轨迹纠偏是一种对GPS轨迹进行修正的技术,其原理是通过对轨迹点进行处理,消除GPS信号误差、干扰和漂移等因素所造成的轨迹偏移。
轨迹纠偏的实现主要依靠以下几种算法:
1. Kalman滤波算法:通过对GPS信号进行概率估计和滤波,减少轨迹点之间的跳跃和漂移。
2. 地图匹配算法:将GPS轨迹点与电子地图上的道路进行匹配,通过道路拓扑关系和道路特征信息纠正轨迹点。
3. 简单平滑算法:通过对轨迹点进行平滑处理,消除轨迹点之间的突变和波动,使轨迹更加平滑连续。
4. 转向角度算法:通过计算轨迹点之间的转向角度,识别车辆的转弯、掉头等行驶状态,从而纠正轨迹点。
5. 历史轨迹算法:根据历史轨迹点的行驶路径和速度信息,推断当前轨迹点的真实位置和速度,从而纠正轨迹偏移。
以上算法可以单独或组合使用,根据具体应用场景和精度要求选择不同的轨迹纠偏方法。
轨迹纠偏技术在出租车调度、物流配送、移动轨迹分析等领域有着广泛的应用。
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邮局订阅号:82-946360元/年技术创新博士论坛《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注1引言在车辆导航系统中,车辆位置一般是通过GPS 接收机按照单机动态绝对定位方法得到的,其优点是只需一台接收机即可独立完成定位,数据处理相对简单;缺点是定位精度较差,信号易受干扰,得到的实时定位数据都有一定的误差。
由于矢量化电子地图道路数据是相对精确的,利用电子地图的地理数据对得到的车辆定位数据进行配准纠正,可以相对提高当前定位数据的精度,地图匹配MM(Map Matching)方法就是这种思想的体现。
地图匹配的常规算法有位置点匹配的方法、相关性算法,另外,还包括基于模式识别的方法、半确定法、概率统计法等。
近年来,不断有学者研究新的地图匹配方法,包括基于曲线相似度的地图匹配方法、基于遗传算法等。
而本系统采用基于Kalman 滤波的地图匹配方法。
2基于Kalman 滤波的地图匹配采用最近点估计这种地图辅助位置更新的办法通常能消除一些与道路垂直方向的误差,而在实际的GPS 定位系统中,平行道路方向同样具有很多的误差。
大量的实际观测结果表明,所有这些定位误差的总和表现出非常明显的随机噪声特性,在两个坐标轴方向的定位误差总和可分别等效为二阶马尔可夫过程。
设车辆测量位置为,地图匹配的最近点估计为,车辆的实际位置为,如图1所示,那么:(1)式中,为GPS 的测量白噪声,为GPS 偏差,和分别为垂直道路方向和平行道路方向的偏差,且,和分别是GPS 偏差在地图坐标系统中x 和y 方向的分量。
在这里,我们把GPS 的偏差分解为两个部分:平行于道路方向的偏差和垂直于道路方向的偏差,通过常规的地图匹配和最近点估计方法,可以计算出与道路垂直方向的误差量测值。
考虑到GPS 的误差特性可以用二阶马尔可夫过程来描述,因此可以用Kalman 滤波方法对GPS 的偏差进行估计。
图1真实位置与测量位置、匹配位置的关系图2基于Kalman 滤波的地图匹配方法通过地图匹配和最近估计方法,可以计算出与道路垂直方向的误差量测值Z,它与状态变量的关系为:(2)因此可以写出量测方程如下(3)基于Kalman 滤波的地图匹配方法Map Matching Method by Kalman Filter(重庆科技学院)杨波王雪雷亮YANG Bo WANG Xue LEI Liang摘要:地图匹配方法利用电子地图的地理数据对GPS 定位数据进行校正,可有效提高定位数据的精度。
本文首先采用最近点估计方法计算道路垂直方向的GPS 误差,对该误差采用Kalman 滤波方法获得GPS 偏差估计,以此偏差估计修正GPS 测量值并进行地图匹配。
实验表明利用该方法可将定位数据准确地匹配到道路上,使匹配后的定位精度得到提高。
关键词:GPS 偏差估计;地图匹配;Kalman 滤波;最近点估计中图分类号:TP391文献标识码:A Abstract:Map matching is used in GPS position data correction by geo-information of electronic map,which can effectively improvethe position precision.In this paper,Nearest Point Estimate (NPE)is firstly used to calculate the GPS errors in road vertical orientation.GPS biased estimate,which is applied to correct the GPS measurement values in map matching,can then be calculated through this GPS errors by a Kalman filter.Experiments shows that position data are accurately match with the road according to this method,and the position precision is improved after the map matching.Key words:GPS biased estimate;map matching;Kalman filter;nearest point estimate文章编号:1008-0570(2010)05-1-0045-02杨波:副教授博士ÁÂÃv B Áb Áb ÁÂÃÄb b b b ??? Áb Áb Áb Ábcos sin ÁÂÃÄÅÁÆÇZ b u v u b b ????????? ÁÁÁÁZ H X V ???45--技术创新《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第5-1期360元/年邮局订阅号:82-946《现场总线技术应用200例》博士论坛式中,V K ~(0,),为匹配路段与北向夹角。
如果需要对道路方向的GPS 偏差进行估计,那么可以通过一个转换矩阵T K 来完成。
转换矩阵和量测矩阵分别为:(4)(5)4实现方法与实验结果图2显示了基于Kalman 滤波的数字道路地图辅助车辆的定位方法的过程。
该算法完整描述如下:(1)获取GPS 接收机测量位置,采用最近点估计方法计算道路垂直方向的GPS 误差。
(2)根据Kalman 滤波递推算法计算GPS 偏差估计。
(3)利用偏差估计结果对GPS 测量值进行修正,。
(4)根据修正的GPS 测量位置和数字道路地图文件,采用地图匹配算法选取匹配路段。
经过Kalman 滤波的地图匹配后的车辆航迹在电子地图上的实际显示效果见图3。
图3地图匹配后的车辆轨迹由图3可以看出,经Kalman 滤波的地图匹配后,车辆行使轨迹基本被匹配到了车辆实际行驶的路段上。
多次实验的匹配结果表明,绝大多数(>96%)定位数据都能相对准确地匹配到道路上,匹配后的定位精度得到提高。
5结论本文作者创新点:采用最近点估计方法计算道路垂直方向的GPS 误差,对GPS 道路垂直方向误差采用Kalman 滤波实现GPS 偏差估计,以此偏差估计修正GPS 测量值并进行地图匹配。
采用这种方法可以有效减小道路垂直方向的GPS 定位误差,同时降低道路方向的GPS 定位误差,以满足GPS 定位导航的需要。
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Biography:YANG Bo (1973-),male,Chongqing,School of Electronic Information Engineering,Chongqing University ofScience and Technology,associate professor,Ph.D.,main research interests in image processing and recognition,machine vision,and image measurement.(401331重庆科技学院电子信息工程学院)杨波王雪雷亮(School of Electronic Information Engineering,Chongqing University of Science and Technology 401331,China)YANG Bo WANG Xue LEI Liang 通讯地址:(401331重庆虎溪大学城重庆科技学院电子信息工程学院)杨波(收稿日期:2009.05.18)(修稿日期:2009.08.18)(上接第80页)本文作者创新点:本文的设计将模糊控制应用到智能机器人行进策略设计中,使电脑鼠机器人的行进效率大大提高。
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