2.5状态估计-卡尔曼滤波

卡尔曼滤波进行状态估计模型
卡尔曼滤波是一种用于状态估计的强大工具，它在许多现代科
学和工程领域中都得到了广泛的应用。

这种滤波器能够从一系列不
完全、噪声干扰的测量中，估计出系统的真实状态。

它的应用范围
包括但不限于航空航天、导航、无人机、自动控制系统和金融领域。

卡尔曼滤波的核心思想是通过将先验信息（系统的动态模型）
和测量信息（传感器测量）进行融合，来估计系统的真实状态。

它
能够有效地处理测量噪声和模型不确定性，并且能够提供对系统状
态的最优估计。

卡尔曼滤波的工作原理是通过不断地更新系统状态的估计值，
以使其与实际状态尽可能接近。

它通过两个主要步骤实现这一目标，预测和更新。

在预测步骤中，根据系统的动态模型和先验信息，估
计系统的下一个状态。

在更新步骤中，根据测量信息，修正先前的
状态估计，以获得最优的系统状态估计。

卡尔曼滤波的优势在于它能够在计算复杂度相对较低的情况下，提供对系统状态的最优估计。

它还能够有效地处理非线性系统，并
且能够适应不同类型的测量噪声。

总的来说，卡尔曼滤波是一种强大的状态估计工具，它在许多现代应用中都发挥着重要作用。

通过将先验信息和测量信息进行融合，它能够提供对系统状态的最优估计，为科学和工程领域的研究和应用提供了重要的支持。

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。

斯坦利施密特(Stanley Schmidt)首次实现了卡尔曼滤波器。

卡尔曼在NASA埃姆斯研究中心访问时，发现他的方法对于解决阿波罗计划的轨道预测很有用，后来阿波罗飞船的导航电脑使用了这种滤波器。

关于这种滤波器的论文由Swerli ng (1958), Kalman (I960) 与Kalma n and Bucy (1961) 发表。

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•中文名卡尔曼滤波器，Kalman滤波，卡曼滤波外文名KALMAN FILTER表达式X(k)=A X(k-1)+B U(k)+W(k)提岀者斯坦利施密特提岀时间1958应用学科天文，宇航，气象适用领域范围雷达跟踪去噪声适用领域范围控制、制导、导航、通讯等现代工程斯坦利施密特(Stanley Schmidt)首次实现了卡尔曼滤波器。

卡尔曼在NASA埃姆斯研究中心访问时，发现他的方法对于解决阿波罗计划的轨道预测很有用，后来阿波罗飞船的导—航电脑使用了这种滤波器。

关于这种滤波器的论文由Swerling (1958)， Kalman (1960)与Kalma n and Bucy (1961) 发表。

2定义传统的滤波方法，只能是在有用信号与噪声具有不同频带的条件下才能实现. 20世纪40年代，N .维纳和A. H .柯尔莫哥罗夫把信号和噪声的统计性质引进了滤波理论，在假设信号和噪声都是平稳过程的条件下，利用最优化方法对信号真值进行估计，达到滤波目的，从而在概念上与传统的滤波方法联系起来，被称为维纳滤波。

卡尔曼滤波简介及其算法实现代码卡尔曼滤波算法实现代码（C，C＋＋分别实现）卡尔曼滤波器简介近来发现有些问题很多人都很感兴趣。

所以在这里希望能尽自己能力跟大家讨论一些力所能及的算法。

现在先讨论一下卡尔曼滤波器，如果时间和能力允许，我还希望能够写写其他的算法，例如遗传算法，傅立叶变换，数字滤波，神经网络，图像处理等等。

因为这里不能写复杂的数学公式，所以也只能形象的描述。

希望如果哪位是这方面的专家，欢迎讨论更正。

卡尔曼滤波器– Kalman Filter1．什么是卡尔曼滤波器（What is the Kalman Filter?）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）。

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

简单来说，卡尔曼滤波器是一个“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．卡尔曼滤波器的介绍（Introduction to the Kalman Filter）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。

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。

卡尔曼滤波估计算法卡尔曼滤波算法是一种用于估计系统状态的递归贝叶斯估计方法，由来自俄国的工程师R.E.卡尔曼在1960s提出。

具有递归、最优和有效等特性。

它可以用于估计线性动态系统的状态，并能够通过观测到的数据进行实时更新。

卡尔曼滤波算法的基本思想是利用系统的动态模型和观测数据，通过迭代的方式估计出系统的状态。

它假设系统的状态变量是多元正态分布，并利用贝叶斯定理在每次迭代中更新状态的估计。

其主要步骤包括预测和更新两个阶段。

预测阶段是根据系统的动态模型，通过预测系统状态的均值和协方差矩阵来预测下一个时刻的状态。

预测的状态估计值是基于上一时刻的状态估计值和状态转移矩阵进行预测的。

预测的协方差矩阵则是通过上一时刻的协方差矩阵和状态转移矩阵以及噪声协方差矩阵计算得出的。

更新阶段是根据观测数据，通过计算卡尔曼增益和观测噪声协方差矩阵来更新状态估计。

卡尔曼增益是用于调整预测的状态估计和实际观测值之间的权重，它的计算需要使用预测的协方差矩阵、测量模型矩阵和观测噪声协方差矩阵。

通过卡尔曼增益的计算，可以根据观测值来对状态估计进行修正，得到更准确的状态估计。

卡尔曼滤波算法的应用非常广泛，特别是在导航、控制和信号处理领域有着重要的作用。

例如，它可以用于无人机的自主导航和目标跟踪，通过对GPS定位数据的滤波和融合来提高导航的精度；在自动驾驶汽车中，卡尔曼滤波算法可以用于估计车辆的位置和速度，并帮助控制系统进行路径规划和决策。

另外，卡尔曼滤波算法还具有递归、最优和有效的特点。

递归是指在每一时刻，只需利用上一时刻的状态估计和协方差矩阵，就可以对当前时刻的状态进行估计，无需保存历史状态数据。

最优是指在给定观测数据的情况下，卡尔曼滤波算法是最小均方误差估计。

有效是指卡尔曼滤波算法的计算复杂度比较低，适用于实时应用。

总之，卡尔曼滤波算法是一种重要的状态估计算法，具有广泛的应用前景。

通过利用系统动态模型和观测数据，它能够实时更新系统的状态估计，并具有递归、最优和有效等特点。

经典卡尔曼滤波算法公式卡尔曼滤波算法是一种用于估计系统状态的递归滤波器，被广泛应用于控制系统、定位导航等领域。

本文将介绍卡尔曼滤波算法的经典公式及其推导过程。

1.卡尔曼滤波算法介绍卡尔曼滤波算法以观测数据和系统模型为输入，通过递归地计算系统状态的最优估计值，并通过观测数据进行修正，得到真实状态的估计。

卡尔曼滤波算法基于以下两个假设：1)系统模型是线性的；2)系统噪声和观测噪声均为高斯分布。

2.卡尔曼滤波的数学模型假设我们的系统模型可以用如下状态方程表示：x(t+1)=A*x(t)+B*u(t)+w(t)---(1)其中，x(t)表示系统状态向量，u(t)表示控制输入向量，A是状态转移矩阵，B是输入矩阵，w(t)是状态噪声。

观测模型可以表示为：z(t)=H*x(t)+v(t)---(2)其中，z(t)是观测向量，H是观测矩阵，v(t)是观测噪声。

3.卡尔曼滤波算法的预测步骤预测步骤用于根据上一时刻的状态估计和控制输入，预测当前时刻系统的状态估计和协方差估计。

预测状态估计：x^(t)=A*x(t-1)+B*u(t-1)---(3)预测协方差估计：P^(t)=A*P(t-1)*A'+Q---(4)其中，x^(t)是预测的状态估计值，P^(t)是预测的协方差估计矩阵，Q是系统噪声的协方差矩阵。

4.卡尔曼滤波算法的更新步骤更新步骤利用观测数据来修正预测得到的状态估计。

计算卡尔曼增益：K(t)=P^(t)*H'*(H*P^(t)*H'+R)^(-1)---(5)其中，K(t)是卡尔曼增益，R是观测噪声的协方差矩阵。

更新状态估计：x(t)=x^(t)+K(t)*(z(t)-H*x^(t))---(6)更新协方差估计：P(t)=(I-K(t)*H)*P^(t)---(7)其中，I是单位矩阵。

卡尔曼滤波算法的核心思想在于将多个时刻的信息进行融合，利用过去的状态估计和当前的观测数据来最优估计当前时刻的系统状态。

状态最优估计的Kalman 滤波算法摘要：Kalman 滤波器的提出，是为了解决最优控制无法实现全部状态均用于反馈。

对于那些无法反馈的状态，则需要根据测量到的信号对其进行估计，再作为反馈。

Kalman 滤波器的突破点在于采用状态空间，把信号作为白噪声作用的线性输出，并且是将概率论与数理统计的新成果引用与问题的求解。

本文中详细论述了Kalman 滤波器的推导过程和其增益计算公式，以及对其增益计算过程进行了仿真。

关键词：状态估计，Kalman 滤波器，最优控制一、引言在一定条件下，最优控制保证系统是渐近稳定的，而且具有令人满意的性能。

但是它要求全部状态均可用于反馈，这在实际上是难以做到的。

实际上常常只能测量系统的一部分状态，而且在测量到的信号中还可能包含有测量噪声。

因此需首先根据量测到的信号估计出全部状态，然后按照最优控制规律反馈估计的状态。

对于最优估计，Kalman 给出了适合计算机计算的状态最优估计递推算法，即Kalman 滤波器。

针对连续系统和离散系统，Kalman 滤波问题又有着连续和离散Kalman 滤波器的提法[1]，本文将主要讨论离散模型。

二、离散系统的Kalman 滤波问题设控制对象的离散模型[2]为：(1)()()()()()()x k Fx k Gu k v k y k Cx k w k +=++⎧⎨=+⎩ (1) 其中x (k )为n 维状态向量，u (k )为m 维控制向量，y (k )为r 维输出向量，v (k )为n 维过程干扰向量，w (k )为r 维测量噪声向量。

假设v (k )和w (k )均为离散的高斯白噪声序列，且有T T ()0,()()()0,()()kj kj Ev k Ev k v j V Ew k Ew k w j W δδ==== (2) 其中：10kj k j k j δ=⎧=⎨≠⎩ (3) 同时设V 为非负定对称阵，W 为正定对称阵，并设v (k )和w (k )不相关。

一、背景---卡尔曼滤波的意义随着传感技术、机器人、自动驾驶以及航空航天等技术的不断发展，对控制系统的精度及稳定性的要求也越来越高。

卡尔曼滤波作为一种状态最优估计的方法，其应用也越来越普遍，如在无人机、机器人等领域均得到了广泛应用。

对于Kalman Filter的理解，用过的都知道“黄金五条”公式，且通过“预测”与“更新”两个过程来对系统的状态进行最优估计，但完整的推导过程却不一定能写出来，希望通过此文能对卡尔曼滤波的原理及状态估计算法有更一步的理解。

二、卡尔曼滤波的基本模型假设一离散线性动态系统的模型如下所示：x_{k} = A*x_{k-1} + B*u_{k} + w_{k-1}-------(1)z_{k} = H*x_{k} + v_{k} --------------------(2)其中，各变量表征的意义为：———————————————————————————x_{k}\Rightarrow 系统状态矩阵，-------， z_{k}\Rightarrow 状态阵的观测量（实测）A\Rightarrow 状态转移矩阵，-------， B\Rightarrow 控制输入矩阵H\Rightarrow 状态观测矩阵w_{k-1}\Rightarrow 过程噪声，-------，v_{k}\Rightarrow 测量噪声———————————————————————————如果大家学过《现代控制理论》的话，对上述模型的描述形式一定不会陌生，只是多了变量 w_{k-1} 与 v_{k} 。

其中，随机变量w_{k-1} 代表过程噪声（process noise）， v_{k} 代表测量噪声（measurement noise），且为高斯白噪声，协方差分别为 Q 和 R ，即 p(w) \in N(0,Q) ， p(v) \in N(0,R) 。

为什么要引入这两个变量呢？对于大多数实际的控制系统（如倒立摆系统）而言，它并不是一个严格的线性时变系统(Linear Time System)，亦或系统结构参数的不确定性，导致估计的状态值x_{k} 存在偏差，而这个偏差值由过程噪声 w_{k} 来表征。