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Part6.Extended_Kalman_Filter(EKF)

\(Revisit\ Linear\ System:\)

\[\begin{align*} &X_k = A X_{k-1} + B u_{k-1} = w_{k-1},p(w) \sim N(0,Q)& \\ &Z_k = H_{k-1} + v_k,p(v) \sim N(0,R) \\ \end{align*} \]

\(Data\ Fusion:\)

\[\begin{align*} 预测:& \\ &先验: \hat{X}_k^- = A \hat{X}_{k-1}^- + B u_{k-1}& \\ &先验误差协方差: P_k^- = A P_{k-1} A^T + Q \\ 校正:& \\ &Kalman\ Gain:K_k =\frac{P_k^- H^T}{H P_k^- H^T + R} \\ &后验估计: \hat{X}_k = \hat{X}_k^- + K_k (Z_k - H \hat{X}_k^-) \\ &更新误差协方差: P_k = (I - K_k H) P_k^- \\ \end{align*} \]


\(Nonlinear\ System(非线性系统)\)

\[\begin{align*} &X_k = f(X_{k-1},u_{k-1},w_{k-1}),p(w) \sim N(0,Q)& \\ &Z_k = h(X_k,v_k),p(v) \sim N(0,R),f、h为非线性形式& \\ &{\color{red}{正态分布的随机变量通过非线性系统后就不再是正态的了!}} \\\end{align*} \]


\(Linearization(线性化)\)

\(Taylor\ Series(泰勒级数)\)

\(f(X) = f(X_0) + \frac{\partial f}{\partial X} (X - X_0)\)

Taylor_Series

\[\begin{align*} &{\color{brown}{系统有误差,无法在真实点线性化。}}& \\ &(1)f(X_k) 在 {\hat{X}_{k-1}}_{\color{red}{\rightarrow k-1时的后验估计(上一次)}} 处线性化 \\ &X_k = f(\hat{X}_{k-1},u_{k-1},w_{k-1}) + A (X_k - \hat{X}_{k-1}) + W_k w_{k-1} \\ &令w_{k-1} 误差假设为0,f(\hat{X}_{k-1},u_{k-1},0) = \widetilde{X}_k,A = \left. {\frac{\partial f}{\partial X}} \right|_{\hat{X}_{k-1},u_{k-1}},W_k = \left. \frac{\partial f}{\partial w} \right|_{\hat{X}_{k-1},u_{k-1}} \\ &EXample: \\ &X_1 = X_1 + sin X_2 =f_1 \\ &X_2 = X_1^2 = f_2 \\ &A = \frac{\partial f}{\partial X} = \begin{bmatrix} \frac{\partial f_1}{\partial X_1} & \frac{\partial f_1}{\partial X_2} \\ \frac{\partial f_2}{\partial X_1} & \frac{\partial f_2}{\partial X_2} \\ \end{bmatrix} = \left. \begin{bmatrix} 1 & cos X_2 \\ 2 X_1 & 0 \\ \end{bmatrix} \right|_{\hat{X}_{k-1},u_{k-1}} \\ &\color{red}{{\therefore A_k = \begin{bmatrix} 1 & cos {\hat{X}_{2_{k-1}}} \\ 2 {\hat{X}_{1_{k-1}}} & 0 \\ \end{bmatrix},A_k 随 k 变化}} \\ &(2)Z_k 在 \widetilde{X}_k 处线性化 \\ &Z_k= h(\widetilde{X}_k,v_k) + H(X_k - \widetilde{X}_k) + V v_k \\ &令 v_k 误差假设为0,h(\widetilde{X}_k,0) = \widetilde{Z}_k,H = \left. {\frac{\partial h}{\partial X}} \right|_{\widetilde{X}_k},V = \left. {\frac{\partial h}{\partial v}} \right|_{\widetilde{X}_k} \\ &{\color{red}{X_k = \widetilde{X}_k + A (X_{k-1} + \hat{X}_{k-1}) + W w_{k-1}}} \\ &{\color{red}{Z_k = \widetilde{Z}_k + H (X_k - \widetilde{X}_k) + V v_k}} \\ &注意: \\ &{\color{blue}{p(w) \sim N(0,Q),p(v) \sim N(0,R)}} \\ &{\color{blue}{p(W w_{k-1}) \sim N(0,W Q W^T),p(V v_k) \sim N(0,V R V^T)}} \\ \end{align*} \]


\(Extened\ Kalman\ Filter(EKF,扩展卡尔曼滤波器)的状态空间方程\)

\[\begin{align*} 预测:& \\ &先验: \hat{X}_k^- = f(\hat{X}_{k-1},u_{k-1},0)& \\ &先验误差协方差: P_k^- = A P_{k-1} A^T + W Q W^T \\ 校正:& \\ &Kalman\ Gain:K_k =\frac{P_k^- H^T}{H P_k^- H^T + V R V^T} \\ &后验估计: \hat{X}_k = \hat{X}_k^- + K_k (Z_k - h(\hat{X}_k^-,0) \\ &更新误差协方差: P_k = (I - K_k H) P_k^- \\ \end{align*} \]

http://www.gsyq.cn/news/174903.html

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