卡尔曼滤波器原理的学习理解

mgiga

                                                                              卡尔曼滤波器原理



一、什么是卡尔曼。

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！1960年卡尔曼在他的博士论文和发表的论文《A New Approach toLinear Filtering and Prediction Problems》（线性滤波与预测问题的新方法中提出了这种算法。

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。


二、卡尔曼滤波器的通俗理解。

这是网上的关于解释卡尔曼滤波器原理的一个经典例子：

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（WhiteGaussian 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（GaussianDistribution）。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。可以看出，因为温度计的covariance比较小（比较相信温度计），所以估算出的最优温度值偏向温度计的值。

现在我们已经得到k时刻的最优温度值了，下一步就是要进入k+1时刻，进行新的最优估算。到现在为止，好像还没看到什么自回归的东西出现。对了，在进入k+1时刻之前，我们还要算出k时刻那个最优值（24.56度）的偏差。算法如下：((1-Kg)*5^2)^0.5=2.35。这里的5就是上面的k时刻你预测的那个23度温度值的偏差，得出的2.35就是进入k+1时刻以后k时刻估算出的最优温度值的偏差（对应于上面的3）。
就是这样，卡尔曼滤波器就不断的把covariance递归，从而估算出最优的温度值。他运行的很快，而且它只保留了上一时刻的covariance。上面的Kg，就是卡尔曼增益（Kalman Gain）。他可以随不同的时刻而改变他自己的值，是不是很神奇！

所以通过这个例子我们大概能够理解到：我们是通过上一状态的最优估算值以及这次的测量值，以及卡尔曼增益（什么事卡尔曼增益，到这里，我只能先说就是例子里面的Kg喽）可以得到现在状态的最优估算值。

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三、卡尔曼滤波器算法的原理。

说白了，卡尔曼滤波器就是五个公式达到滤波的效果的：

（1）预测当前系统状态的公式

X(k|k-1)=A X(k-1|k-1)+B U(k)

（2）对应当前系统状态值的协方差（covariance）

P(k|k-1)=A P(k-1|k-1) A’+Q

（3）计算卡尔曼增益Kg的公式

Kg(k)= P(k|k-1) H’ / (H P(k|k-1) H’ + R)

（4）得到当前状态的最优估算值

X(k|k)= X(k|k-1)+Kg(k) (Z(k)-H X(k|k-1))

（5）对应当前状态最优估算值的协方差

P(k|k)=（I-Kg(k) H）P(k|k-1)

对了，除了这五个公式还需引入一个有关系统的线性随机微分方程：

X(k)=A X(k-1)+B U(k)+W(k)

以及系统的测量值方程：

Z(k)=H X(k)+V(k)


这就是神奇的卡尔曼滤波的核心东西了，理解了这五个公式也就理解了卡尔曼滤波器的原理了。


四、一个卡尔曼滤波器的简单例子。

这里我们结合第二第三节，举一个非常简单的例子来说明卡尔曼滤波器的工作过程。所举的例子是进一步描述第二节的例子，而且还会配以程序模拟结果。

根据第二节的描述，把房间看成一个系统，然后对这个系统建模。当然，我们见的模型不需要非常地精确。我们所知道的这个房间的温度是跟前一时刻的温度相同的，所以A=1。没有控制量，所以U(k)=0。因此得出：
X(k|k-1)=X(k-1|k-1) ……….. (6)
式子（2）可以改成：
P(k|k-1)=P(k-1|k-1) +Q ……… (7)

因为测量的值是温度计的，跟温度直接对应，所以H=1。式子3，4，5可以改成以下：
X(k|k)= X(k|k-1)+Kg(k) (Z(k)-X(k|k-1)) ……… (8)
Kg(k)= P(k|k-1) / (P(k|k-1) + R) ……… (9)
P(k|k)=（1-Kg(k)）P(k|k-1) ……… (10)

现在我们模拟一组测量值作为输入。假设房间的真实温度为25度，我模拟了200个测量值，这些测量值的平均值为25度，但是加入了标准偏差为几度的高斯白噪声（在图中为蓝线）。

为了令卡尔曼滤波器开始工作，我们需要告诉卡尔曼两个零时刻的初始值，是X(0|0)和P(0|0)。他们的值不用太在意，随便给一个就可以了，因为随着卡尔曼的工作，X会逐渐的收敛。但是对于P，一般不要取0，因为这样可能会令卡尔曼完全相信你给定的X(0|0)是系统最优的，从而使算法不能收敛。我选了X(0|0)=1度，P(0|0)=10。

该系统的真实温度为25度，图中用黑线表示。图中红线是卡尔曼滤波器输出的最优化结果（该结果在算法中设置了Q=1e-6，R=1e-1）。




所以到此，卡尔曼滤波器就介绍的差不多了，相信你应该已经理解卡尔曼滤波器喽。

（什么，你还不明白? 那好吧，下面是一个流传在网上的卡尔曼滤波器的C源码，你拿去吧。）


//卡尔曼滤波---------------------------------------------------------

float Q_angle=0.001;//0.001  

float Q_gyro=0.003;//0.003

float R_angle=0.5;//0.5

float dt=0.014;//0.1                   //dt为kalman滤波器采样时间;

char  C_0 = 1;

float Q_bias, Angle_err;

float PCt_0, PCt_1, E;

float K_0, K_1, t_0, t_1;

float Pdot[4] ={0,0,0,0};

float PP[2][2] = { { 1, 0 },{ 0, 1 } };

//卡尔曼函数------------------------------------------------------

float Kalman_Filter(float Accel,float Gyro)//输入angleAx 和 gyroGy      

{

    Angle+=(Gyro - Q_bias) * dt; //先验估计



    Pdot[0]=Q_angle - PP[0][1] - PP[1][0]; // Pk-先验估计误差协方差的微分


    Pdot[1]=- PP[1][1];

    Pdot[2]=- PP[1][1];

    Pdot[3]=Q_gyro;



    PP[0][0] += Pdot[0] * dt;   // Pk-先验估计误差协方差微分的积分

    PP[0][1] += Pdot[1] * dt;   // =先验估计误差协方差

    PP[1][0] += Pdot[2] * dt;

    PP[1][1] += Pdot[3] * dt;



    Angle_err = Accel - Angle;  //zk-先验估计



    PCt_0 = C_0 * PP[0][0];

    PCt_1 = C_0 * PP[1][0];



    E = R_angle + C_0 * PCt_0;



    K_0 = PCt_0 / E;

    K_1 = PCt_1 / E;



    t_0 = PCt_0;

    t_1 = C_0 * PP[0][1];


    PP[0][0] -= K_0 * t_0;       //后验估计误差协方差

    PP[0][1] -= K_0 * t_1;

    PP[1][0] -= K_1 * t_0;

    PP[1][1] -= K_1 * t_1;



    Angle  += K_0 * Angle_err;   //后验估计

    Q_bias += K_1 * Angle_err;   //后验估计

    Gyro_y   = Gyro - Q_bias;    //输出值(后验估计)的微分=角速度


    return Angle;

}

mgiga

哈哈，我用卡尔曼滤波器做了一个基于GD32+MPU6050的小实验，感觉效果还不错。如果有需要源码做参考的同学可以加我QQ：2853951857

9robot

不错，谢谢分享