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Kalman实际应用总结

Kalman实际应用总结

作者: 影醉阏轩窗 | 来源:发表于2019-08-04 16:47 被阅读0次

    @[toc]

    理论部分不详细说明,网上大部分都给出很好的解释

    网上大部分都是理论和简单的例子,很少看到实战的信息

    本博文是笔者实际使用的总结,如有错误,请不吝指教

    Kalman理论介绍

    一. 简单理论介绍理论

    二. 升华理论介绍

    Kalman基本应用

    一. Kalman跟踪/滤波

    <u>对单个数据滤波,无法建立运动学模型</u>

    <u>通过建立和自身相关的状态方程即可</u>

    <u>是一种平滑操作(上一时刻和当前时刻的关系)</u>

    举例:

    对一个平面运动的质点进行跟踪(X、Y)?

    • 速度v、\alpha,\omega都是未知状态

    求解:

    fig = plt.figure()
    axis = fig.add_subplot(1,1,1)
    
    func_data = lambda x : x + x^2
    z = np.mat(func_data(np.arange(1,100)))
    x_mat = np.mat([[0,],[0.]])#状态矩阵[x,delta_x]
    p_mat = np.mat([[1, 0], [0, 1]])#状态协方差矩阵
    f_mat = np.mat([[1, 1],[0.,1.]])#状态转移矩阵
    q_mat = np.mat([[0.0001, 0], [0, 0.0001]])
    h_mat = np.mat([1.,0])# 观测矩阵[x]
    r_mat = np.mat([1])#观测协方差矩阵
    result = []
    for i in range(z.shape[1]):
        x_predict = f_mat * x_mat
        p_predict = f_mat * p_mat * f_mat.T + q_mat
       
        kalman = p_predict * h_mat.T / (h_mat * p_predict * h_mat.T + r_mat)  
        
        x_mat = x_predict + kalman *(z[0, i] - h_mat * x_predict)
        p_mat = (np.eye(2) - kalman * h_mat) * p_predict
        result.append(x_predict[0,0])
    
    axis.plot(result,label='predict')
    axis.plot(z.tolist()[0],label='groundtruth')
    axis.legend()
    
    image

    二. Kalman预测/融合(单传感器)

    • [x] 运动学模型
    • [x] 单一传感器
    • [x] 速度v、\alpha,\omega推导可知

    举例一:

    一个运动小车的位置和速度的测量等信息可以被测量(一个传感器),也可以通过牛顿运动学方程进行解算,这两个到底谁占的比例高?使用Kalman的协方差矩阵进行比例的计算。。。。具体看文档

    image

    举例二:

    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    
    def kalman_xy(x, P, measurement, R,
                  motion = np.matrix('0. 0. 0. 0.').T,
                  Q = np.matrix(np.eye(4))):
        """
        Parameters:    
        x: initial state 4-tuple of location and velocity: (x0, x1, x0_dot, x1_dot)
        P: initial uncertainty convariance matrix
        measurement: observed position
        R: measurement noise 
        motion: external motion added to state vector x
        Q: motion noise (same shape as P)
        """
        return kalman(x, P, measurement, R, motion, Q,
                      F = np.matrix('''
                          1. 0. 1. 0.;
                          0. 1. 0. 1.;
                          0. 0. 1. 0.;
                          0. 0. 0. 1.
                          '''),
                      H = np.matrix('''
                          1. 0. 0. 0.;
                          0. 1. 0. 0.'''))
    
    def kalman(x, P, measurement, R, motion, Q, F, H):
        '''
        Parameters:
        x: initial state
        P: initial uncertainty convariance matrix
        measurement: observed position (same shape as H*x)
        R: measurement noise (same shape as H)
        motion: external motion added to state vector x
        Q: motion noise (same shape as P)
        F: next state function: x_prime = F*x
        H: measurement function: position = H*x
    
        Return: the updated and predicted new values for (x, P)
    
        See also http://en.wikipedia.org/wiki/Kalman_filter
    
        This version of kalman can be applied to many different situations by
        appropriately defining F and H 
        '''
        # UPDATE x, P based on measurement m    
        # distance between measured and current position-belief
        y = np.matrix(measurement).T - H * x
        S = H * P * H.T + R  # residual convariance
        K = P * H.T * S.I    # Kalman gain
        x = x + K*y
        I = np.matrix(np.eye(F.shape[0])) # identity matrix
        P = (I - K*H)*P
    
        # PREDICT x, P based on motion
        x = F*x + motion
        P = F*P*F.T + Q
    
        return x, P
    
    def demo_kalman_xy():
        x = np.matrix('0. 0. 0. 0.').T 
        P = np.matrix(np.eye(4))*1000 # initial uncertainty
    
        N = 20
        true_x = np.linspace(0.0, 10.0, N)
        true_y = true_x**2
        observed_x = true_x + 0.05*np.random.random(N)*true_x
        observed_y = true_y + 0.05*np.random.random(N)*true_y
        plt.plot(observed_x, observed_y, 'ro')
        result = []
        R = 0.01**2
        for meas in zip(observed_x, observed_y):
            x, P = kalman_xy(x, P, meas, R)
            result.append((x[:2]).tolist())
        kalman_x, kalman_y = zip(*result)
        plt.plot(kalman_x, kalman_y, 'g-')
        plt.show()
    
    demo_kalman_xy()
    

    这部分比较简单,网上的例子大部分都是基于此的。。。

    三. Kalman多传感器融合A

    • [x] 运动学模型
    • [x] 多个传感器
    • [x] 传感器时间序列不同

    举例:

    以汽车跟踪为例,目标是知道汽车时刻的状态x=(p_x,p_y,v_x,v_y)$$x=(p_x,p_y,v_x,v_y)

    已知的传感器有、lidar、radar

    lidar:笛卡尔坐标系。可检测到位置,没有速度信息。其测量值z=(px,py)z=(px,py)

    radar:极坐标系。可检测到距离,角度,速度信息,但是精度较低。其测量值z=(ρ,ϕ,ρ˙)z=(ρ,ϕ,ρ˙)

    这是优达学城的一个例子,具体我也没视频网址。

    matlab代码地址在这里python代码在这里

    注意:

    ​ 这里相当于建立了两个模型,一个线性模型,一个非线性模型,在不同的时刻使用不同的传感器进行更新

    ​ 其实就是单个传感器合并到一起了。。。。

    image

    四. Kalman多传感器融合B

    • [ ] 无运动学模型
    • [x] 多传感器
    • [x] 传感器时序相同

    举例:

    一个小车做不均则运动(速度、加速度、角速度等都是可变的),现在有两个传感器:仪器A仪器B,他们都能测量 \omegav ,那么如何进行融合两个传感器呢?

    • <u>具体的代码这里不方便给出,有需要可以一起讨论</u>

    这里其实和Kalman的滤波比较类似,就是把两个传感器当做一个传感器的不同时间序列 T_1,T_2 时刻测量的数据,然后滤波操作。

    五. Kalman多传感器融合C

    • [ ] 无运动学模型
    • [x] 多传感器
    • [x] 传感器时序相同

    条件和Kalman多传感器融合B相同,单处理方式不同

    由于部分传感器精度不同,进行特定的取舍很有必要(亲身经历

    假设求取小车的 \omegav

    传感器A对\omega 测量较为准确

    传感器B对 v 测量较为准确

    解决:

    其实我们如果直接按照Kalman多传感器融合B进行操作的话,误差基本不会缩小,可能还会增加

    这个时候笔者的解决方案是把传感器A和B当做一个整体传感器C,传感器C测量的 \omega 是A的,测量的 v 是B的

    那么我们就把这个合起来的传感器C进行滤波就行了

    实测可用。。。

    六. Kalman多传感器融合D

    • [x] 运动学模型
    • [x] 多传感器
    • [x] 传感器时序相同

    看到网上很多人问这个问题,这里笔者没有亲自实现,只是做了猜想,不正确还望读者指正

    解决:

    由于卡尔曼只能一次融合两个信息(预测和观测),所以只能进行如下想法

    1. 进行两次融合,一次是预测和传感器A,一次结果和传感器B(这部分就是多传感器B
    2. 进行一次融合,预测和新的传感器C(Kalman多传感器融合C

    七. Extend Kalman

    • 运动学模型不是线性的
    • 使用雅克比代替状态矩阵观测矩阵

    注意:

    笔者认为这种情况比较少见,因为 t 趋向于 \epsilon ,所以可以认为在无穷小的区间都近似于很恒定的

    实在没办法的时候就使用EKF,原理都很简单,计算代价大许多

    后续可以使用UKF进行操作,这部分笔者还未尝试

    本文总结

    最后来个简单的总结,什么是卡尔曼K

    两个相同信息:A 和 B

    都满足y=kx+b

    那么如何得到 y ?

    正常来说:y=(A+B)/2*x+b

    但是好像不是非常好,这个(A+B)/2总是不变的,假如他们某个时刻占比改变了呢?

    这个时候Kalman的作用的体现了,他计算A和B的关系(看公式吧)

    得出一个系数 K 这个K 和A、B相关

    此时:y=K*x+b

    输入的A、B不同,那么K也不同

    完毕!!!

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