卡尔曼滤波两例题含matlab程序
卡尔曼滤波器及matlab代码
信息融合大作业——维纳最速下降法滤波器，卡尔曼滤波器设计及Matlab仿真时间：2010-12-6专业：信息工程班级：09030702姓名：马志强1.滤波问题浅谈估计器或滤波器这一术语通常用来称呼一个系统，设计这样的系统是为了从含有噪声的数据中提取人们感兴趣的，接近规定质量的信息。
由于这样一个宽目标，估计理论应用于诸如通信、雷达、声纳、导航、地震学、生物医学工程、金融工程等众多不同的领域。
例如，考虑一个数字通信系统，其基本形式由发射机、信道和接收机连接组成。
发射机的作用是把数字源(例如计算机)产生的0、1符号序列组成的消息信号变换成为适合于信道上传送的波形。
而由于符号间干扰和噪声的存在，信道输出端收到的信号是含有噪声的或失真的发送信号。
接收机的作用是，操作接收信号并把原消息信号的一个可靠估值传递给系统输出端的某个用户。
随着通信系统复杂度的提高，对原消息信号的还原成为通信系统中最为重要的环节，而噪声是接收端需要排除的最主要的干扰，人们也设计出了针对各种不同条件应用的滤波器，其中最速下降算法是一种古老的最优化技术，而卡尔曼滤波器随着应用条件的精简成为了普适性的高效滤波器。
2．维纳最速下降算法滤波器2.1 最速下降算法的基本思想考虑一个代价函数J(J)，它是某个未知向量J的连续可微分函数。
函数J(J)将J的元素映射为实数。
这里，我们要寻找一个最优解J。
使它满足如下条件J(J0)≤J(J)(2.1)这也是无约束最优化的数学表示。
特别适合于自适应滤波的一类无约束最优化算法基于局部迭代下降的算法：从某一初始猜想J(0)出发，产生一系列权向量J(1),J(2),，使得代价函数J(J)在算法的每一次迭代都是下降的，即J(J(J+1))<J(J(J))其中J(J)是权向量的过去值，而J(J+1)是其更新值。
我们希望算法最终收敛到最优值J0。
迭代下降的一种简单形式是最速下降法，该方法是沿最速下降方向连续调整权向量。
扩展卡尔曼滤波（EKF）理论讲解与实例（matlab、python和C++代码）
扩展卡尔曼滤波（EKF）理论讲解与实例（matlab、python和C++代码）扩展卡尔曼滤波（EKF）理论讲解与实例（matlab、python和C++代码）⽂章⽬录我们上篇提到的 （参见我的另⼀篇⽂章： ）是⽤于线性系统，预测（运动）模型和观测模型是在假设⾼斯和线性情况下进⾏的。
简单的卡尔曼滤波必须应⽤在符合⾼斯分布的系统中，但是现实中并不是所有的系统都符合这样 。
另外⾼斯分布在⾮线性系统中的传递结果将不再是⾼斯分布。
那如何解决这个问题呢？扩展卡尔曼滤波就是⼲这个事的。
理论讲解扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）通过局部线性来解决⾮线性的问题。
将⾮线性的预测⽅程和观测⽅程进⾏求导，以切线代替的⽅式来线性化。
其实就是在均值处进⾏⼀阶泰勒展开。
数学中，泰勒公式是⼀个⽤函数在某点的信息描述其附近取值的公式（ ⼀句话描述：就是⽤多项式函数去逼近光滑函数 ）。
如果函数⾜够平滑的话，在已知函数在某⼀点的各阶导数值的情况之下，泰勒公式可以⽤这些导数值做系数构建⼀个多项式来近似函数在这⼀点的邻域中的值。
泰勒公式还给出了这个多项式和实际的函数值之间的偏差。
表⽰ 在第 阶导数的表达式，带⼊⼀个值计算后得到的结果（注意，它是个值）是⼀个系数（⼀个值），每⼀项都不同，第⼀项 ，第⼆项 …… 依此类推是⼀个以为⾃变量的表达式 。
是泰勒公式的余项，是 的⾼阶⽆穷⼩KF 和EKF 模型对⽐⾸先，让卡尔曼先和扩展卡尔曼滤波做⼀个对⽐。
在对⽐过程中可以看出，扩展卡尔曼是⼀个简单的⾮线性近似滤波算法，指运动或观测⽅程不是线性的情况,在预测模型部分，扩展卡尔曼的预测模型和量测模型已经是⾮线性了。
为了简化计算，EKF 通过⼀阶泰勒分解线性化运动、观测⽅程。
KF 与EKF 具有相同的算法结构，都是以⾼斯形式描述后验概率密度的，通过计算贝叶斯递推公式得到的。
最⼤的不同之处在于，计算⽅差时，EKF 的状态转移矩阵（上⼀时刻的状态信息）和观测矩阵（⼀步预测）都是状态信息的雅克⽐矩阵（ 偏导数组成的矩阵）。
卡尔曼滤波轨迹预测matlab
卡尔曼滤波是一种由芬兰控制理论专家卡尔曼（R.E.Kalman）于20世纪60年代提出的一种适用于线性动态系统的状态估计方法，它的原理是根据系统的数学模型通过观测数据对系统状态进行动态估计，具有对系统参数模型的误差进行校正、对系统运动的预测与跟踪的优点。
在今天的科学技术发展中，卡尔曼滤波已经广泛应用于航空航天、导航、通信、天文测量、生物医学工程等众多领域。
其中，在轨迹预测方面，卡尔曼滤波可以通过对目标的动态模型进行建模，结合观测数据，实现对目标位置的精确预测。
而在使用matlab进行卡尔曼滤波轨迹预测时，通常需要按照以下步骤进行操作：1. 建立系统模型在matlab中，首先需要根据目标运动的特点建立系统的动态模型。
这个过程通常会涉及到目标的运动方程、动态参数、观测误差等内容。
在建立好系统模型后，可以将系统模型表示为状态方程和观测方程。
2. 初始化滤波器参数在进行卡尔曼滤波之前，需要对滤波器的初始状态进行初始化，这包括系统状态向量的初始估计、系统噪声和观测噪声的协方差矩阵等参数的初始化。
3. 观测数据处理在实际应用中，通常会通过传感器或者其他设备获取目标的观测数据，这些数据需要进行预处理，包括去噪、滤波等操作，以提高滤波器的效果。
4. 卡尔曼滤波预测在完成上述准备工作后，就可以利用matlab中的卡尔曼滤波函数进行轨迹预测了。
这个过程通常包括对观测数据和系统模型进行融合，实现对目标轨迹的准确预测。
5. 评估与调整需要对滤波结果进行评估与调整。
这个过程包括对滤波器参数的调整优化以及与实际观测数据进行对比等步骤，以保证滤波器的准确性与稳定性。
总结来看，matlab在卡尔曼滤波轨迹预测中具有良好的适用性和灵活性，可以帮助用户快速、准确地实现对目标轨迹的预测与跟踪。
但在实际应用中，用户需要根据具体的系统模型和观测数据特点来合理选择滤波参数，以最大程度地发挥卡尔曼滤波的优势。
在进行卡尔曼滤波轨迹预测时，用户除了需要掌握matlab的基本操作以外，更需要对卡尔曼滤波理论有着深刻的理解与应用能力，这样才能更好地利用卡尔曼滤波来实现目标轨迹的准确预测与跟踪，为实际应用提供更好的支持与保障。
扩展卡尔曼滤波算法的matlab程序
clear allv=150; %%目标速度v_sensor=0;%%传感器速度t=1; %%扫描周期xradarpositon=0; %%传感器坐标yradarpositon=0; %%ppred=zeros(4,4);Pzz=zeros(2,2);Pxx=zeros(4,2);xpred=zeros(4,1);ypred=zeros(2,1);sumx=0;sumy=0;sumxukf=0;sumyukf=0;sumxekf=0;sumyekf=0; %%%统计的初值L=4;alpha=1;kalpha=0;belta=2;ramda=3-L;azimutherror=0.015; %%方位均方误差rangeerror=100; %%距离均方误差processnoise=1; %%过程噪声均方差tao=[t^3/3 t^2/2 0 0;t^2/2 t 0 0;0 0 t^3/3 t^2/2;0 0 t^2/2 t]; %% the input matrix of process G=[t^2/2 0t 00 t^2/20 t ];a=35*pi/180;a_v=5/100;a_sensor=45*pi/180;x(1)=8000; %%初始位置y(1)=12000;for i=1:200x(i+1)=x(i)+v*cos(a)*t;y(i+1)=y(i)+v*sin(a)*t;endfor i=1:200xradarpositon=0;yradarpositon=0;Zmeasure(1,i)=atan((y(i)-yradarpositon)/(x(i)-xradarpositon))+random('Normal',0,azimutherror,1,1); Zmeasure(2,i)=sqrt((y(i)-yradarpositon)^2+(x(i)-xradarpositon)^2)+random('Normal',0,rangeerror,1,1);xx(i)=Zmeasure(2,i)*cos(Zmeasure(1,i));%%观测值yy(i)=Zmeasure(2,i)*sin(Zmeasure(1,i));measureerror=[azimutherror^2 0;0 rangeerror^2];processerror=tao*processnoise;vNoise = size(processerror,1);wNoise = size(measureerror,1);A=[1 t 0 0;0 1 0 0;0 0 1 t;0 0 0 1];Anoise=size(A,1);for j=1:2*L+1Wm(j)=1/(2*(L+ramda));Wc(j)=1/(2*(L+ramda));endWm(1)=ramda/(L+ramda);Wc(1)=ramda/(L+ramda);%+1-alpha^2+belta; %%%权值if i==1xerror=rangeerror^2*cos(Zmeasure(1,i))^2+Zmeasure(2,i)^2*azimutherror^2*sin(Zmeasure(1,i))^2; yerror=rangeerror^2*sin(Zmeasure(1,i))^2+Zmeasure(2,i)^2*azimutherror^2*cos(Zmeasure(1,i))^2; xyerror=(rangeerror^2-Zmeasure(2,i)^2*azimutherror^2)*sin(Zmeasure(1,i))*cos(Zmeasure(1,i));P=[xerror xerror/t xyerror xyerror/t;xerror/t 2*xerror/(t^2) xyerror/t 2*xyerror/(t^2);xyerror xyerror/t yerror yerror/t;xyerror/t 2*xyerror/(t^2) yerror/t 2*yerror/(t^2)];xestimate=[Zmeasure(2,i)*cos(Zmeasure(1,i)) 0 Zmeasure(2,i)*sin(Zmeasure(1,i)) 0 ]'; endcho=(chol(P*(L+ramda)))';%for j=1:LxgamaP1(:,j)=xestimate+cho(:,j);xgamaP2(:,j)=xestimate-cho(:,j);endXsigma=[xestimate xgamaP1 xgamaP2];F=A;Xsigmapre=F*Xsigma;xpred=zeros(Anoise,1);for j=1:2*L+1xpred=xpred+Wm(j)*Xsigmapre(:,j);endNoise1=Anoise;ppred=zeros(Noise1,Noise1);for j=1:2*L+1ppred=ppred+Wc(j)*(Xsigmapre(:,j)-xpred)*(Xsigmapre(:,j)-xpred)';endppred=ppred+processerror;chor=(chol((L+ramda)*ppred))';for j=1:LXaugsigmaP1(:,j)=xpred+chor(:,j);XaugsigmaP2(:,j)=xpred-chor(:,j);endXaugsigma=[xpred XaugsigmaP1 XaugsigmaP2 ];for j=1:2*L+1Ysigmapre(1,j)=atan(Xaugsigma(3,j)/Xaugsigma(1,j)) ;Ysigmapre(2,j)=sqrt((Xaugsigma(1,j))^2+(Xaugsigma(3,j))^2);endypred=zeros(2,1);for j=1:2*L+1ypred=ypred+Wm(j)*Ysigmapre(:,j);endPzz=zeros(2,2);for j=1:2*L+1Pzz=Pzz+Wc(j)*(Ysigmapre(:,j)-ypred)*(Ysigmapre(:,j)-ypred)';endPzz=Pzz+measureerror;Pxy=zeros(Anoise,2);for j=1:2*L+1Pxy=Pxy+Wc(j)*(Xaugsigma(:,j)-xpred)*(Ysigmapre(:,j)-ypred)';endK=Pxy*inv(Pzz);xestimate=xpred+K*(Zmeasure(:,i)-ypred);P=ppred-K*Pzz*K';xukf(i)=xestimate(1,1);yukf(i)=xestimate(3,1); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% EKF PRO%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%if i==1ekf_p=[xerror xerror/t xyerror xyerror/t;xerror/t 2*xerror/(t^2) xyerror/t 2*xyerror/(t^2);xyerror xyerror/t yerror yerror/t;xyerror/t 2*xyerror/(t^2) yerror/t 2*yerror/(t^2)];ekf_xestimate=[Zmeasure(2,i)*cos(Zmeasure(1,i)) 0 Zmeasure(2,i)*sin(Zmeasure(1,i)) 0 ]';ekf_xpred=ekf_xestimate;end;F=A;ekf_xpred=F*ekf_xestimate;ekf_ppred=F*ekf_p*F'+processerror;H=[-ekf_xpred(3)/(ekf_xpred(3)^2+ekf_xpred(1)^2) 0 ekf_xpred(1)/(ekf_xpred(3)^2+ekf_xpred(1)^2)0;ekf_xpred(1)/sqrt(ekf_xpred(3)^2+ekf_xpred(1)^2) 0 ekf_xpred(3)/sqrt(ekf_xpred(3)^2+ekf_xpred(1)^2) 0];ekf_z(1,1)=atan(ekf_xpred(3)/ekf_xpred(1)) ;ekf_z(2,1)=sqrt((ekf_xpred(1))^2+(ekf_xpred(3))^2);PHHP=H*ekf_ppred*H'+measureerror;ekf_K=ekf_ppred*H'*inv(PHHP);ekf_p=(eye(L)-ekf_K*H)*ekf_ppred;ekf_xestimate=ekf_xpred+ekf_K*(Zmeasure(:,i)-ekf_z);traceekf(i)=trace(ekf_p);xekf(i)=ekf_xestimate(1,1);yekf(i)=ekf_xestimate(3,1);errorx(i)=xx(i)+xradarpositon-x(i);errory(i)=yy(i)+yradarpositon-y(i);ukferrorx(i)=xestimate(1)+xradarpositon-x(i);ukferrory(i)=xestimate(3)+yradarpositon-y(i);ekferrorx(i)=ekf_xestimate(1)+xradarpositon-x(i); ekferrory(i)=ekf_xestimate(3)+yradarpositon-y(i);aa(i)=xx(i)+xradarpositon-x(i);;bb(i)=yy(i)+yradarpositon-y(i);sumx=sumx+(errorx(i)^2);sumy=sumy+(errory(i)^2);sumxukf=sumxukf+(ukferrorx(i)^2);sumyukf=sumyukf+(ukferrory(i)^2);sumxekf=sumxekf+(ekferrorx(i)^2);sumyekf=sumyekf+(ekferrory(i)^2);mseerrorx(i)=sqrt(sumx/(i-1));%噪声的统计均方误差mseerrory(i)=sqrt(sumy/(i-1));mseerrorxukf(i)=sqrt(sumxukf/(i-1));%UKF的统计均方误差mseerroryukf(i)=sqrt(sumyukf/(i-1));mseerrorxekf(i)=sqrt(sumxekf/(i-1));%EKF的统计均方误差mseerroryekf(i)=sqrt(sumyekf/(i-1));endfigure(1);plot(mseerrorxukf,'r');hold on;plot(mseerrorxekf,'g');hold on;plot(mseerrorx,'.');hold on;ylabel('MSE of X axis','fontsize',15);xlabel('sample number','fontsize',15);legend('UKF','EKF','measurement error');figure(2)plot(mseerroryukf,'r');hold on;plot(mseerroryekf,'g');hold on;plot(mseerrory,'.');hold on;ylabel('MSE of Y axis','fontsize',15); xlabel('sample number','fontsize',15); legend('UKF','EKF','measurement error');figure(3)plot(x,y);hold on;plot(xekf,yekf,'g');hold on;plot(xukf,yukf,'r');hold on;plot(xx,yy,'m');ylabel(' X ','fontsize',15);xlabel('Y','fontsize',15);legend('TRUE','UKF','EKF','measurements');。
自适应扩展卡尔曼滤波matlab
自适应扩展卡尔曼滤波matlab自适应扩展卡尔曼滤波（Adaptive Extended Kalman Filter，AEKF）是一种用于非线性系统状态估计的滤波算法。
本文将介绍AEKF算法的原理、步骤和实现方法，并结合MATLAB 编写代码进行演示。
一、扩展卡尔曼滤波原理扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）是一种用于非线性系统状态估计的滤波算法。
它通过使用线性化系统模型的方式将非线性系统转换为线性系统，在每个时间步骤中用线性卡尔曼滤波器进行状态估计。
然而，EKF仅限于具有凸多边形测量特性的问题，并且对线性化过程误差敏感。
为了解决这些问题，AEKF通过自适应更新协方差矩阵的方式提高了滤波器的性能。
AEKF通过测量残差的方差更新协方差矩阵，从而提高了滤波器对非线性系统的适应能力。
AEKF算法的步骤如下：1. 初始化状态向量和协方差矩阵。
2. 根据系统的非线性动力学方程和测量方程计算预测状态向量和协方差矩阵。
3. 计算测量残差，即测量值与预测值之间的差值。
4. 计算测量残差的方差。
5. 判断测量残差的方差是否超过预设阈值，如果超过，则更新协方差矩阵。
6. 利用更新后的协方差矩阵计算最优滤波增益。
7. 更新状态向量和协方差矩阵。
8. 返回第2步，进行下一次预测。
二、AEKF算法的MATLAB实现下面，我们将使用MATLAB编写AEKF算法的代码，并通过一个实例进行演示。
首先，定义非线性系统的动力学方程和测量方程。
在本例中，我们使用一个双摆系统作为非线性系统模型。
```matlabfunction x_next = nonlinear_dynamics(x_current, u)% Nonlinear system dynamicstheta1 = x_current(1);theta2 = x_current(2);d_theta1 = x_current(3);d_theta2 = x_current(4);g = 9.8; % Gravitational accelerationd_theta1_next = d_theta1 + dt * (-3*g*sin(theta1) - sin(theta1-theta2) ...+ 2*sin(theta1-theta2)*(d_theta2^2 + d_theta1^2*cos(theta1-theta2))) .../ (3 - cos(2*(theta1-theta2)));d_theta2_next = d_theta2 + dt * (2*sin(theta1-theta2)*(2*d_theta2^2 ...+ d_theta1^2*cos(theta1-theta2) + g*cos(theta1) +g*cos(theta1-theta2))) .../ (3 - cos(2*(theta1-theta2)));theta1_next = theta1 + dt * d_theta1_next;theta2_next = theta2 + dt * d_theta2_next;x_next = [theta1_next; theta2_next; d_theta1_next;d_theta2_next];endfunction y = measurement_model(x)% Measurement model, measure the angles of the double pendulumtheta1 = x(1);theta2 = x(2);y = [theta1; theta2];end```然后，定义AEKF算法的实现。
卡尔曼滤波 matlab算法
卡尔曼滤波 matlab算法卡尔曼滤波是一种用于状态估计的数学方法，它通过将系统的动态模型和测量数据进行融合，可以有效地估计出系统的状态。
在Matlab中，实现卡尔曼滤波算法可以通过以下步骤进行：1. 确定系统的动态模型，首先需要将系统的动态模型表示为状态空间方程，包括状态转移矩阵、控制输入矩阵和过程噪声的协方差矩阵。
2. 初始化卡尔曼滤波器，在Matlab中，可以使用“kf = kalmanfilter(StateTransitionModel, MeasurementModel, ProcessNoise, MeasurementNoise, InitialState, 'State', InitialCovariance)”来初始化一个卡尔曼滤波器对象。
其中StateTransitionModel和MeasurementModel分别是状态转移模型和测量模型，ProcessNoise和MeasurementNoise是过程噪声和测量噪声的协方差矩阵，InitialState是初始状态向量，InitialCovariance是初始状态协方差矩阵。
3. 进行预测和更新，在每个时间步，通过调用“predict”和“correct”方法，可以对状态进行预测和更新，得到最优的状态估计值。
4. 实时应用，将测量数据输入到卡尔曼滤波器中，实时获取系统的状态估计值。
需要注意的是，在实际应用中，还需要考虑卡尔曼滤波器的参数调节、性能评估以及对不确定性的处理等问题。
此外，Matlab提供了丰富的工具箱和函数，可以帮助用户更便捷地实现和应用卡尔曼滤波算法。
总的来说，实现卡尔曼滤波算法需要对系统建模和Matlab编程有一定的了解和技能。
希望以上内容能够对你有所帮助。
容积卡尔曼滤波 matlab
容积卡尔曼滤波matlab摘要：1.容积卡尔曼滤波简介2.容积卡尔曼滤波算法原理3.容积卡尔曼滤波算法在MATLAB 中的实现4.容积卡尔曼滤波算法的应用案例5.结论正文：一、容积卡尔曼滤波简介容积卡尔曼滤波（Cubature Kalman Filter，简称CKF）是一种基于卡尔曼滤波理论的非线性滤波算法。
它通过将非线性系统的状态空间模型和观测模型进行离散化，采用立方插值方法对系统状态进行预测和更新，从而实现对非线性系统的状态估计。
相较于传统的卡尔曼滤波，容积卡尔曼滤波具有更好的性能和鲁棒性，被广泛应用于导航定位、目标跟踪、机器人控制等领域。
二、容积卡尔曼滤波算法原理容积卡尔曼滤波算法主要包括两个部分：预测阶段和更新阶段。
1.预测阶段在预测阶段，首先对系统的状态向量进行初始化，然后通过系统动态模型和观测模型，对系统的状态向量进行预测。
具体来说，根据系统的状态转移矩阵、控制矩阵、观测矩阵和过程噪声协方差矩阵，计算预测状态向量的均值和协方差矩阵。
2.更新阶段在更新阶段，根据预测的观测值和观测协方差矩阵，计算观测均值和协方差矩阵。
然后，利用卡尔曼增益公式，结合预测状态向量和观测均值，更新系统的状态向量和协方差矩阵。
三、容积卡尔曼滤波算法在MATLAB 中的实现在MATLAB 中，可以通过以下步骤实现容积卡尔曼滤波算法：1.导入所需库：`import numpy as np;`2.初始化状态向量和协方差矩阵：`x = np.zeros((2,1)); p =np.zeros((2,2));`3.设置系统参数：`F = np.array([[1, 0.1], [0, 1]]); Q = np.array([[0.1, 0], [0, 0.1]]); H = np.array([[1, 0], [0, 1]]);`4.预测阶段：`F_pred = F; Q_pred = Q; x_pred = F_pred @ x; S_pred = F_pred @ P @ F_pred.T + Q_pred;`5.更新阶段：`y=H@x;S_update=H@*****+R;`6.计算卡尔曼增益：`K=*****@np.linalg.inv(S_update);`7.更新状态向量和协方差矩阵：`x = x + K @ (y - H @ x); P = (np.eye(2) - K @ H) @ P;`四、容积卡尔曼滤波算法的应用案例容积卡尔曼滤波算法在各种领域都有广泛应用，例如：1.导航定位：利用GPS、惯性导航等传感器的数据，实现对飞行器、船舶等移动设备的精确定位。
卡尔曼滤波二维轨迹平滑 matlab
卡尔曼滤波二维轨迹平滑 matlab卡尔曼滤波是一种常用的信号处理技术，可用于对二维轨迹进行平滑处理。
在Matlab中，我们可以使用卡尔曼滤波算法对二维轨迹数据进行处理，以减少噪声和不确定性，提高轨迹的精确度和平滑度。
卡尔曼滤波的基本原理是通过对系统的状态进行估计和修正来减小误差。
对于二维轨迹平滑问题，我们可以将轨迹的位置和速度作为系统的状态，并通过观测数据对其进行修正。
具体而言，卡尔曼滤波算法包括两个主要步骤：预测和更新。
在预测步骤中，我们使用系统的动态模型来预测下一个时刻的状态。
对于二维轨迹平滑问题，常用的动态模型是匀速模型，即假设轨迹在每个时刻以相同的速度进行运动。
通过预测过程，我们可以得到下一个时刻的位置和速度的估计值。
在更新步骤中，我们利用观测数据对预测的状态进行修正。
观测数据是指我们通过传感器或其他手段获得的实际测量值。
对于二维轨迹平滑问题，观测数据通常包括轨迹的位置信息。
通过与预测的状态进行比较，我们可以计算出修正量，并将其应用于预测的状态，得到更新后的状态估计值。
在Matlab中，我们可以使用卡尔曼滤波函数`kalman`来实现对二维轨迹的平滑处理。
该函数需要输入预测的状态、系统的动态模型、观测数据以及系统的协方差矩阵等参数。
具体的使用方法可以参考Matlab的帮助文档。
值得注意的是，在实际应用中，我们可能需要根据具体的需求对卡尔曼滤波算法进行调优。
例如，可以通过调整协方差矩阵的参数来权衡预测和观测的精确度。
此外，对于一些特殊情况，如轨迹存在突变或非线性运动等，可能需要采用其他的滤波算法来处理。
卡尔曼滤波是一种常用的信号处理技术，可用于对二维轨迹进行平滑处理。
在Matlab中，我们可以使用`kalman`函数来实现该算法。
通过对系统的状态进行预测和更新，可以减小误差，提高轨迹的精确度和平滑度。
然而，在实际应用中，我们需要根据具体情况进行调优，并注意特殊情况的处理。
希望本文对读者在二维轨迹平滑处理方面有所帮助。
卡尔曼滤波原理及应用(含MATLAB程序)
《卡尔曼滤波原理及应用-MATLAB仿真》原理+实例+程序+中文注释基本信息书名：卡尔曼滤波原理及应用：MATLAB仿真原价：39.80元作者：黄小平,王岩出版社：电子工业出版社出版日期：2015-06-01ISBN：9787121263101字数：页码：188版次：1装帧：平装开本：16开商品重量：0.4kg内容简介本书主要介绍数字信号处理中的Kalman滤波算法及在相关领域应用的相关内容。
全书共7章组成。
第1章为绪论。
第2章介绍MATLAB 算法仿真的编程基础，只有掌握一定的编程能力，才能快捷高效地仿真算法。
第3章介绍线性Kalman滤波，它是经典的Kalman滤波算法，也是其他线性或非线性Kalman滤波算法的源头，如信息卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波等，都是以经典的线性Kaman滤波为蓝本的。
第4章讨论扩展卡尔曼滤波，并介绍其在目标跟踪和制导领域的应用和算法仿真。
第5章介绍UKF滤波算法，同时也给出其应用领域内的算法仿真实例。
第6章介绍了交互多模型卡尔曼滤波算法。
第7章介绍Simulink环境下，如何通过模块库和S函数构建Kalman滤波器，并给出了系统是线性和非线性两种情况的滤波器设计方法。
本书可以作为电子信息类各专业高年级本科生和硕士、博士研究生数字信号处理课程或者Kalman滤波原理的教材，也可以作为从事雷达、语音、图像等传感器数字信号处理的教师和科研人员的参考书。
目录第1章绪论t11．1 滤波的基础知识t11．2 Kalman滤波的背景t11．3 Kalman滤波的发展过程t2 1．4 Kalman滤波的应用领域t4第2章MATLAB仿真基础t62．1 MATLAB简介t62．1．1 MATLAB发展历史t6 2．1．2 MATLAB 7．1的系统简介t7 2．1．3 M文件编辑器的使用t10 2．2 数据类型和数组t122．2．1 数据类型概述t12 2．2．2 数组的创建t132．2．3 数组的属性t152．2．4 数组的操作t162．2．5 结构体和元胞数组t19 2．3 程序设计t212．3．1 条件语句t212．3．2 循环语句t232．3．3 函数t252．3．4 画图t272．4 小结t29第3章线性Kalman滤波t303．1 Kalman滤波原理t303．1．1 射影定理t303．1．2 Kalman滤波器t333．1．3 Kalman滤波的参数处理t373．2 Kalman滤波在温度测量中的应用t393．2．1 原理介绍t393．2．2 MATLAB仿真程序t423．3 Kalman滤波在自由落体运动目标跟踪中的应用t44 3．3．1 状态方程的建立t443．3．2 MATLAB仿真程序t473．4 Kalman滤波在船舶GPS导航定位系统中的应用t50 3．4．1 原理介绍t503．4．2 MATLAB仿真程序t533．5 Kalman滤波在石油地震勘探中的应用t55 3．5．1 石油地震勘探白噪声反卷积滤波原理t55 3．5．2 石油地震勘探白噪声反卷积滤波仿真实现t57 3．5．3 MATLAB仿真程序t583．6 Kalman滤波在视频图像目标跟踪中的应用t60 3．6．1 视频图像处理的基本方法t613．6．2 Kalman滤波对自由下落的皮球跟踪应用t683．6．3 目标检测MATLAB程序t703．6．4 Kalman滤波视频跟踪MATLAB程序t72第4章扩展Kalman滤波t774．1 扩展Kalman滤波原理t774．1．1 局部线性化t774．1．2 线性Kalman滤波t794．2 简单非线性系统的扩展Kalman滤波器设计t80 4．2．1 原理介绍t804．2．2 标量非线性系统EKF的MATLAB程序t83 4．3 EKF在目标跟踪中的应用t844．3．1 目标跟踪数学建模t844．3．2 基于观测距离的EKF目标跟踪算法t85 4．3．3 基于距离的目标跟踪算法MATLAB程序t87 4．3．4 基于EKF的纯方位目标跟踪算法t89 4．3．5 纯方位目标跟踪算法MATLAB程序t91 4．4 EKF在纯方位寻的导弹制导中的应用t94 4．4．1 三维寻的制导系统t944．4．2 EKF在寻的制导问题中的算法分析t96 4．4．3 仿真结果t974．4．4 寻的制导MATLAB程序t99第5章无迹Kalman滤波t1035．1 无迹Kalman滤波原理t1035．1．1 无迹变换t1035．1．2 无迹Kalman滤波算法实现t1055．2 无迹Kalman滤波在单观测站目标跟踪中的应用t107 5．2．1 原理介绍t1075．2．2 仿真程序t1085．3 UKF在匀加速度直线运动目标跟踪中的应用t111 5．3．1 原理介绍t1115．3．2 仿真程序t1135．4 UKF与EKF算法的应用比较t116第6章交互多模型Kalman滤波t1196．1 交互多模型Kalman滤波原理t1196．2 交互多模型Kalman滤波在目标跟踪中的应用t122 6．2．1 问题描述t1226．2．2 IMM滤波器设计t1236．2．3 仿真分析t1246．2．4 IMM Kalman滤波算法MATLAB仿真程序t126第7章Kalman滤波的Simulink仿真t1327．1 Simulink概述t1327．1．1 Simulink启动t1327．1．2 Simulink仿真设置t1347．1．3 Simulink模块库简介t1397．2 S函数t1437．2．1 S函数原理t1437．2．2 S函数的控制流程t1477．3 线性Kalman的Simulink仿真t1487．3．1 一维数据的Kalman滤波处理t148 7．3．2 状态方程和观测方程的Simulink建模t154 7．3．3 基于S函数的Kalman滤波器设计t160 7．4 非线性Kalman滤波t1677．4．1 基于Simulink的EKF滤波器设计t167 7．4．2 基于Simulink的UKF滤波器设计t174 7．5 小结t179书中部分内容截图完整版程序请看书中，此为部分截图（下同）。
(整理)卡尔曼滤波简介及其算法MATLAB实现代码.
式(2)中，P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的covariance，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的covariance，A’表示A的转置矩阵，Q是系统过程的covariance。式子1，2就是卡尔曼滤波器5个公式当中的前两个，也就是对系统的预测。
首先，我们先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（Linear Stochastic Difference equation）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）。
现在我们有了现在状态的预测结果，然后我们再收集现在状态的测量值。结合预测值和测量值，我们可以得到现在状态(k)的最优化估算值X(k|k)：
X(k|k)= X(k|k-1)+Kg(k) (Z(k)-H X(k|
Kg(k)= P(k|k-1) H’ / (H P(k|k-1) H’ + R)………(4)
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）。
扩展卡尔曼滤波算法的matlab程序
clear all v=150; %% 目标速度v_sensor=0;%% 传感器速度t=1; %% 扫描周期xradarpositon=0; %% 传感器坐标yradarpositon=0; %%ppred=zeros(4,4);Pzz=zeros(2,2);Pxx=zeros(4,2); xpred=zeros(4,1); ypred=zeros(2,1);sumx=0; sumy=0;sumxukf=0;sumyukf=0; sumxekf=0;sumyekf=0; %%% 统计的初值L=4; alpha=1; kalpha=0; belta=2; ramda=3-L;azimutherror=0.015; %% 方位均方误差rangeerror=100; %% 距离均方误差processnoise=1; %% 过程噪声均方差tao=[t A3/3 22/2 0 0;22/2 tO 0;0 0 tA3/3 tA2/2;0 0 tA2/2 t]; %% the input matrix of processG=[tA2/2 0t 00 tA2/20 t ];a=35*pi/180; a_v=5/100;a_sensor=45*pi/180; x(1)=8000; %% 初始位置y(1)=12000;for i=1:200 x(i+1)=x(i)+v*cos(a)*t; y(i+1)=y(i)+v*sin(a)*t; end for i=1:200xradarpositon=0;yradarpositon=0;Zmeasure(1,i)=atan((y(i)-yradarpositon)/(x(i)-xradarpositon))+random('Normal',0,azimutherror ,1,1);Zmeasure(2,i)=sqrt((y(i)-yradarpositon)A2+(x(i)-xradarpositon)A2)+random('Normal',0,rangeerror ,1,1);xx(i)=Zmeasure(2,i)*cos(Zmeasure(1,i));%% 观测值yy(i)=Zmeasure(2,i)*sin(Zmeasure(1,i));measureerror=[azimutherror A2 0;0 rangeerror A2];processerror=tao*processnoise;vNoise = size(processerror ,1);wNoise = size(measureerror ,1);A=[1 t 0 0;0 1 0 0;0 0 1 t;0 0 0 1];Anoise=size(A,1);for j=1:2*L+1Wm(j)=1/(2*(L+ramda));Wc(j)=1/(2*(L+ramda));endWm(1)=ramda/(L+ramda);Wc(1)=ramda/(L+ramda);%+1-alphaA2+belta; %%% 权值if i==1xerror=rangeerrorA2*cos(Zmeasure(1,i))A2+Zmeasure(2,i)A2*azimutherrorA2*sin(Zmeasure(1,i))A2; yerror=rangeerrorA2*sin(Zmeasure(1,i))A2+Zmeasure(2,i)A2*azimutherrorA2*cos(Zmeasure(1,i))A2; xyerror=(rangeerrorA2-Zmeasure(2,i)A2*azimutherrorA2)*sin(Zmeasure(1,i))*cos(Zmeasure(1,i)); P=[xerror xerror/t xyerror xyerror/t;xerror/t 2*xerror/(tA2) xyerror/t 2*xyerror/(tA2);xyerror xyerror/t yerror yerror/t;xyerror/t 2*xyerror/(t A2) yerror/t 2*yerror/(t A2)];xestimate=[Zmeasure(2,i)*cos(Zmeasure(1,i)) 0 Zmeasure(2,i)*sin(Zmeasure(1,i)) 0 ]'; endcho=(chol(P*(L+ramda)))';%for j=1:LxgamaP1(:,j)=xestimate+cho(:,j);xgamaP2(:,j)=xestimate-cho(:,j);endXsigma=[xestimate xgamaP1 xgamaP2];F=A;Xsigmapre=F*Xsigma;xpred=zeros(Anoise,1);for j=1:2*L+1xpred=xpred+Wm(j)*Xsigmapre(:,j);endNoise1=Anoise;ppred=zeros(Noise1,Noise1);for j=1:2*L+1 ppred=ppred+Wc(j)*(Xsigmapre(:,j)-xpred)*(Xsigmapre(:,j)-xpred)';endppred=ppred+processerror;chor=(chol((L+ramda)*ppred))';for j=1:LXaugsigmaP1(:,j)=xpred+chor(:,j);XaugsigmaP2(:,j)=xpred-chor(:,j);endXaugsigma=[xpred XaugsigmaP1 XaugsigmaP2 ];for j=1:2*L+1Ysigmapre(1,j)=atan(Xaugsigma(3,j)/Xaugsigma(1,j)) ; Ysigmapre(2,j)=sqrt((Xaugsigma(1,j))A2+(Xaugsigma(3,j))A2); endypred=zeros(2,1);for j=1:2*L+1ypred=ypred+Wm(j)*Ysigmapre(:,j);endPzz=zeros(2,2);for j=1:2*L+1Pzz=Pzz+Wc(j)*(Ysigmapre(:,j)-ypred)*(Ysigmapre(:,j)-ypred)';endPzz=Pzz+measureerror;Pxy=zeros(Anoise,2);for j=1:2*L+1Pxy=Pxy+Wc(j)*(Xaugsigma(:,j)-xpred)*(Ysigmapre(:,j)-ypred)';endK=Pxy*inv(Pzz); xestimate=xpred+K*(Zmeasure(:,i)-ypred);P=ppred-K*Pzz*K';xukf(i)=xestimate(1,1);yukf(i)=xestimate(3,1); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%% EKF PRO%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%if i==1ekf_p=[xerror xerror/t xyerror xyerror/t;xerror/t 2*xerror/(t A2) xyerror/t 2*xyerror/(t A2);xyerror xyerror/t yerror yerror/t;xyerror/t 2*xyerror/(tA2) yerror/t 2*yerror/(tA2)];ekf_xestimate=[Zmeasure(2,i)*cos(Zmeasure(1,i)) 0 Zmeasure(2,i)*sin(Zmeasure(1,i)) 0 ]';ekf_xpred=ekf_xestimate;end;F=A;ekf_xpred=F*ekf_xestimate;ekf_ppred=F*ekf_p*F'+processerror;H=[-ekf_xpred(3)/(ekf_xpred(3)A2+ekf_xpred(1)A2) 0 ekf_xpred(1)/(ekf_xpred(3)A2+ekf_xpred(1)A2)0;ekf_xpred(1)/sqrt(ekf_xpred(3)A2+ekf_xpred(1)A2) 0ekf_xpred(3)/sqrt(ekf_xpred(3)A2+ekf_xpred(1)A2) 0];ekf_z(1,1)=atan(ekf_xpred(3)/ekf_xpred(1)) ;ekf_z(2,1)=sqrt((ekf_xpred(1))A2+(ekf_xpred(3))A2);PHHP=H*ekf_ppred*H'+measureerror;ekf_K=ekf_ppred*H'*inv(PHHP);ekf_p=(eye(L)-ekf_K*H)*ekf_ppred;ekf_xestimate=ekf_xpred+ekf_K*(Zmeasure(:,i)-ekf_z);traceekf(i)=trace(ekf_p);xekf(i)=ekf_xestimate(1,1);yekf(i)=ekf_xestimate(3,1);errorx(i)=xx(i)+xradarpositon-x(i);errory(i)=yy(i)+yradarpositon-y(i);ukferrorx(i)=xestimate(1)+xradarpositon-x(i); ukferrory(i)=xestimate(3)+yradarpositon-y(i);ekferrorx(i)=ekf_xestimate(1)+xradarpositon-x(i); ekferrory(i)=ekf_xestimate(3)+yradarpositon-y(i);aa(i)=xx(i)+xradarpositon-x(i);; bb(i)=yy(i)+yradarpositon-y(i);sumx=sumx+(errorx(iF2);sumy=sumy+(errory(i)A2); sumxukf=sumxukf+(ukferrorx(iF2); sumyukf=sumyukf+(ukferrory(i)A2); sumxekf=sumxekf+(ekferrorx(i)A2); sumyekf=sumyekf+(ekferrory(i)A2);mseerrorx(i)=sqrt(sumx/(i-1));% 噪声的统计均方误差mseerrory(i)=sqrt(sumy/(i-1));mseerrorxukf(i)=sqrt(sumxukf/(i-1));%UKF 的统计均方误差mseerroryukf(i)=sqrt(sumyukf/(i-1));mseerrorxekf(i)=sqrt(sumxekf/(i-1));%EKF 的统计均方误差mseerroryekf(i)=sqrt(sumyekf/(i-1));endfigure(1);plot(mseerrorxukf,'r');hold on;plot(mseerrorxekf,'g');hold on;plot(mseerrorx,'.');hold on; ylabel('MSE of X axis','fontsize',15); xlabel('sample number','fontsize',15);legend('UKF','EKF','measurement error');figure(2) plot(mseerroryukf,'r');hold on;plot(mseerroryekf,'g'); hold on;plot(mseerrory,'.');hold on; ylabel('MSE of Y axis','fontsize',15); xlabel('sample number','fontsize',15);legend('UKF','EKF','measurement error');figure(3) plot(x,y); hold on; plot(xekf,yekf,'g'); hold on; plot(xukf,yukf,'r'); hold on; plot(xx,yy,'m'); ylabel(' X ','fontsize',15); xlabel('Y','fontsize',15); legend('TRUE','UKF','EKF','measurements');。
卡尔曼滤波matlab代码
卡尔曼滤波matlab代码
卡尔曼滤波（Kalman Filter）是一种有效融合测量数据的算法，由德国工程师卡尔曼博士发明，能够处理从随机过程中获得的非完全信息，将历史数据和测量信息进行综合的面向状态的算法。
它利用模型估计和更新未知状态，以达到估计未知状态的目的。
步骤1：设定卡尔曼滤波器：卡尔曼滤波器是利用上一时刻状态估计结果和当前测量值来对当前状态继续估计，因此每次只需输入一个新的测量值，即可完成所有的风险估计。
步骤2：确定状态转移模型：卡尔曼滤波用于处理非完全信息，从未知状态开始，将先验状态估计与新数据进行融合，在此过程中，必须根据状态转移模型确定状态转移参数。
步骤3：建立测量模型：通过测量模型将状态变量转换为可度量的测量量，即各状态变量与其输出测量变量之间的函数关系。
步骤4：在滤波器中实现卡尔曼滤波：。
卡尔曼滤波入门、简介及其算法MATLAB实现代码
卡尔曼滤波入门：卡尔曼滤波是用来进行数据滤波用的，就是把含噪声的数据进行处理之后得出相对真值。
卡尔曼滤波也可进行系统辨识。
卡尔曼滤波是一种基于统计学理论的算法，可以用来对含噪声数据进行在线处理，对噪声有特殊要求，也可以通过状态变量的增广形式实现系统辨识。
用上一个状态和当前状态的测量值来估计当前状态，这是因为上一个状态估计此时状态时会有误差，而测量的当前状态时也有一个测量误差，所以要根据这两个误差重新估计一个最接近真实状态的值。
信号处理的实际问题，常常是要解决在噪声中提取信号的问题，因此，我们需要寻找一种所谓有最佳线性过滤特性的滤波器。
这种滤波器当信号与噪声同时输入时，在输出端能将信号尽可能精确地重现出来，而噪声却受到最大抑制。
维纳(Wiener)滤波与卡尔曼(Kalman)滤波就是用来解决这样一类从噪声中提取信号问题的一种过滤(或滤波)方法。
(1)过滤或滤波 - 从当前的和过去的观察值x(n)，x(n-1)，x(n-2)，…估计当前的信号值称为过滤或滤波;(2)预测或外推 - 从过去的观察值，估计当前的或将来的信号值称为预测或外推; (3)平滑或内插 - 从过去的观察值，估计过去的信号值称为平滑或内插;因此，维纳过滤与卡尔曼过滤又常常被称为最佳线性过滤与预测或线性最优估计。
这里所谓“最佳”与“最优”是以最小均方误差为准则的。
维纳过滤与卡尔曼过滤都是解决最佳线性过滤和预测问题，并且都是以均方误差最小为准则的。
因此在平稳条件下，它们所得到的稳态结果是一致的。
然而，它们解决的方法有很大区别。
维纳过滤是根据全部过去的和当前的观察数据来估计信号的当前值，它的解是以均方误差最小条件下所得到的系统的传递函数H(z)或单位样本响应h(n)的形式给出的，因此更常称这种系统为最佳线性过滤器或滤波器。
而卡尔曼过滤是用前一个估计值和最近一个观察数据(它不需要全部过去的观察数据)来估计信号的当前值，它是用状态方程和递推的方法进行估计的，它的解是以估计值(常常是状态变量值)形式给出的。
卡尔曼滤波 matlab代码
卡尔曼滤波 matlab代码【实用版】目录一、卡尔曼滤波简介二、卡尔曼滤波算法原理三、MATLAB 代码实现卡尔曼滤波四、总结正文一、卡尔曼滤波简介卡尔曼滤波是一种线性高斯状态空间模型，主要用于估计动态系统的状态，具有良好的实时性、鲁棒性和准确性。
它广泛应用于导航、定位、机器人控制等领域。
二、卡尔曼滤波算法原理卡尔曼滤波主要包括两个部分：预测阶段和更新阶段。
预测阶段：1.初始化状态变量和协方差矩阵。
2.根据系统动态模型，预测系统的状态变量和协方差矩阵。
更新阶段：1.测量系统的状态变量，得到观测数据。
2.根据观测数据和预测的状态变量，计算卡尔曼增益。
3.使用卡尔曼增益，更新状态变量和协方差矩阵。
三、MATLAB 代码实现卡尔曼滤波以下是一个简单的卡尔曼滤波 MATLAB 代码示例：```MATLABfunction [x, P] = kalman_filter(x, P, F, Q, H, R, z)% 初始化x = 初始状态向量;P = 初始协方差矩阵;% 预测阶段F = 系统动态矩阵;Q = 测量噪声协方差矩阵;H = 观测矩阵;R = 观测噪声协方差矩阵;z = 观测数据;% 预测状态变量和协方差矩阵[x_pred, P_pred] = forward_prediction(x, P, F, Q, H, R);% 更新阶段[x_upd, P_upd] = update(x_pred, P_pred, z);% 输出结果x = x_upd;P = P_upd;endfunction [x_pred, P_pred] = forward_prediction(x, P, F, Q, H, R)% 预测状态变量和协方差矩阵x_pred = F * x;P_pred = F * P * F" + Q;endfunction [x_upd, P_upd] = update(x_pred, P_pred, z)% 更新状态变量和协方差矩阵S = H" * P_pred * H;K = P_pred * H" * S^-1;x_upd = x_pred + K * (z - H * x_pred);P_upd = (I - K * H") * P_pred;end```四、总结卡尔曼滤波是一种高效、准确的状态估计方法，适用于各种线性高斯动态系统。
卡尔曼滤波器的PID控制：kalman的PID控制教程(MATLAB优化算法案例分析应用PPT课件)
MATLAB优化算法案例分析与应用
•2 基于卡尔曼滤波器的PID控制
2.1 含噪音信号的滤波常见处理方法
（1）FIR 滤波器
重复100次，
0.11
平 均 MSE
0.105
0.1
0.095
0.09
0.085
0.08
0.075
0.07
0.065 0
10 20 30 40
50 60 70
80 90 100
x=A*x+Mn*(yv(k)-C*A*x);
ye(k)=C*x+D;
%滤波值
errcov(k)=C*P*C'; 值
%估计量协方差
%Time update x=A*x+B*u(k);
u_2=u_1;u_1=u(k); y_2=y_1;y_1=ye(k);
MATLAB优化算法案例分析与应用
•2 基于卡尔曼滤波器的PID控制
MATLAB优化算法案例分析与应用
•2 基于卡尔曼滤波器的PID控制
2.1 含噪音信号的滤波常见处理方法
卡尔曼滤波理论，该理论采用时域上的递推算法在数字计算机上进行 数据滤波处理。通过不断的更新和矫正协方差值，通过不断的获取系统测量 值，不断的把covariance递归，从而估算出最优估计值。Kalman滤波具有 实时性，通过测量跟踪实现信号的分析处理，较 LMS 滤波器和 FIR 滤波器 ，具有误差小、实时效果好、滤波平滑等特点，广泛应用于动态多变量系统 状态建模中。
图18 无滤波器时PID控制阶跃响应（M=1）
yd,yout
MATLAB优化算法案例分析与应用
•2 基于卡尔曼滤波器的PID控制
2.3 采用卡尔曼滤波PID控制
卡尔曼滤波器matlab代码
卡尔曼滤波器matlab代码卡尔曼滤波器是一种常用的状态估计算法，它能够根据系统的状态方程和测量方程，以及预测的误差和测量的误差，计算出最优的状态估计值和误差协方差矩阵，从而提高系统的精度和鲁棒性。
以下是卡尔曼滤波器的matlab代码：% 系统模型：% x(k) = A * x(k-1) + B * u(k) + w(k)% y(k) = H * x(k) + v(k)% 初始化模型参数：% 状态转移矩阵：A = [1, 1; 0, 1];% 控制输入矩阵：B = [0.5; 1];% 系统噪声方差：Q = [0.01, 0; 0, 0.1];% 测量噪声方差：R = 1;% 观测矩阵：H = [1, 0];% 初始化状态向量和协方差矩阵：x0 = [0; 0];P0 = [1, 0; 0, 1];% 设置时间和增量：dt = 0.1;t = 0:dt:10;u = sin(t);% 初始化输出向量和卡尔曼增益矩阵：x = zeros(2,length(t));y = zeros(1,length(t));K = zeros(2,length(t));% 执行卡尔曼滤波算法：x(:,1) = x0;for k = 2:length(t)% 预测状态和协方差：x_pre = A * x(:,k-1) + B * u(k-1);P_pre = A * P0 * A' + Q;% 计算卡尔曼增益：K(:,k) = P_pre * H' / (H * P_pre * H' + R);% 更新状态和协方差：x(:,k) = x_pre + K(:,k) * (y(k-1) - H * x_pre); P0 = (eye(2) - K(:,k) * H) * P_pre;% 计算输出：y(k) = H * x(:,k);end% 绘制结果：subplot(2,1,1)plot(t,x(1,:),'r',t,x(2,:),'b')legend('位置','速度')title('状态估计')subplot(2,1,2)plot(t,y,'g',t,u,'m')legend('测量值','控制输入')title('卡尔曼滤波')。
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实验结果分析 高度和速度滤波值基本不变，速度协方差和高度协方差开始要接近速度协方差和高度协方差的 初始值。但是经过几步之后，都趋于 0。 二．同样考虑自由落体运动的物体，用雷达（和物体落地点在同一水平面）进行测量，如图所
Ed 0 1995m d 0 5 0 0 示。如果 Eh0 2005m ,P0 var h0 0 5 0 ，且雷达测距和测角的测量噪声 1 m / s 0 0 2 EV V 0 0
辅助方程：
^ h (k 1| k ) ^2 2 h[ X (k 1), k 1] h (k 1| k ) d H (k 1) | ^ x ( k 1) x ( k 1|k ) X (k 1) d ^2 2 h (k 1| k ) d
^
^
^
P(k 1| k 1) [ I K (k 1) H (k 1)]P(k 1| k )
1995 X (0 | 0) 2005 1
扩展卡尔曼滤波公式，则有： 状态方程： X (k 1) (k 1, k ) X (k ) U (k ) W (k )
0 2 U (k ) 0.5 gt gt
1 (k 1, k ) ＝ 1 t 1 h 2 (k ) d 2 测量方程： Y (k 1) arctan h(k ) V (k ) d
时间[s] 高度[km] 时间[s] 高度[km] 时间[s] 高度[km]
设高度的测量误差是均值为 0、 方差为 1 的高斯白噪声随机序列， 该物体的初始高度 h0 和速度 V0 也是高斯分布的随机变量，且
Eh0 1900m h0 100 0 ,P0 var 。试求该物体高度 EV0 10m / s V0 0 2
^2 h (k 1| k ) d 2 0 ^ 0 h(k 1| k ) 2 ^ 2 h (k 1| k ) d d
一步预测： X (k 1| k ) (k 1, k ) X (k | k ) U (k )
^
^
P(k 1| k ) (k 1, k ) P(k | k ) T (k 1, k )
2
和速度随时间变化的最优估计。 （ g 9.80m / s ） 解： 1. 令 X (k )
h( k ) v(k )
tபைடு நூலகம்1 R（k）=1
Q(k)=0
根据离散时间卡尔曼滤波公式，则有：
X (k 1) (k 1, k ) X (k ) U (k ) Y (k 1) H (k 1) X (k 1) V (k 1)
一步预测： X (k 1| k ) (k 1, k ) X (k | k ) U (k )
^ ^
P(k 1| k ) (k 1, k ) P(k | k ) T (k 1, k )
滤波增益： K (k 1) P(k 1| k ) H (k 1)[ H (k 1) P(k 1| k ) H (k 1) R(k 1)]
0 0.04 ，试根据下列测量数据确定 0.01 0
俯仰角[rad]*1000 0.00075850435876 0.00083282260478 0.00067808241639
0.00200000000000 0.00250000000000 0.00300000000000 0.00350000000000 0.00400000000000 0.00450000000000 0.00500000000000 0.00550000000000 0.00600000000000 0.00650000000000 0.00700000000000 0.00750000000000 0.00800000000000 0.00850000000000 0.00900000000000 0.00950000000000 0.01000000000000 0.01050000000000 0.01100000000000 0.01150000000000 0.01200000000000 0.01250000000000 0.01300000000000 0.01350000000000 0.01400000000000 0.01450000000000 0.01500000000000 0.01550000000000 0.01600000000000 0.01650000000000 0.01700000000000 0.01750000000000 0.01800000000000 0.01850000000000 0.01900000000000 0.01950000000000 0.02000000000000
(k 1, k ) ＝
^
1 t 1
0.5 gt 2 U (k ) ＝ gt
1900 10
H (k 1) ＝ 1 0
滤波初值： X (0 | 0) EX (0)
100 P(0 | 0) var[ X (0)] P0 2
2.81487233105901 2.80671786536244 2.79725268974089 2.78664273475039 2.77320365026313 2.75919535464551 2.74331288628195 2.72538888482812 2.70664967712312 2.68632403406473 2.66386533852220 2.64093529707333 2.61621111727357 2.59038109850785 2.56298794272843 2.53498317950797 2.50647589372246 2.47571075016386 2.44560676000982 2.41403690772088 2.38252228611696 2.35016501182332 2.31790939837137 2.28597616656453 2.25418431681401 2.22259320219535 2.19237398969466 2.16290177997271 2.13441725793706 2.10811064690727 2.08322179823195 2.06148109026767 2.04219885094031 2.02610235314357 2.01290326863579 2.00463157388395 2.00058143251913
是高斯白噪声随机序列，均值为零、方差阵 R 物体的高度和速度随时间变化的估计值。 时间[s]*1000 斜距[km] 0.00050000000000 2.82741643781891 0.00100000000000 2.82519811729771 0.00150000000000 2.82066686966236
Eh0 2300m EV 30m / s 0
由实验结果分析可得 度滤波值和速度滤波值在开始几步接近初始值，协方差值基本不变。
2）当初始协方差值改变时，改为 P 0 var
h0 150 0 V0 0 10
T T 1
滤波计算： X (k 1| k 1) X (k 1| k ) K (k 1)[Y (k 1) H (k 1) X (k 1| k )]
^
^
^
P(k 1| k 1) [ I K (k 1) H (k 1)]P(k 1| k )
一.
已知一物体作自由落体运动，对其高度进行了 20 次测量，测量值如下表： 1 1.9945 8 1.6867 15 0.8980 2 1.9794 9 1.6036 16 0.7455 3 1.9554 10 1.5092 17 0.5850 4 1.9214 11 1.4076 18 0.4125 5 1.8777 12 1.2944 19 0.2318 6 1.8250 13 1.1724 20 0.0399 7 1.7598 14 1.0399
滤波增益： K (k 1) P(k 1| k ) H (k 1)[ H (k 1) P(k 1| k ) H (k 1) R(k 1)]
T T 1
滤波计算： X (k 1| k 1) X (k 1| k ) K (k 1)[Y (k 1) h( X (k 1| k ), k 1)]
2. 实验结果
高度随时间变化估计
速度随时间变化的最优估计
高度协方差
速度协方差
从以上的结果，可以得到高度和速度的估计值，再通过所得到的高度协方差和速度协方差，可 见用卡尔曼滤波法， 虽然刚开始的初始高度协方差很大为 100， 但通过 2 步之后减小到不超过 1， 逐渐接近于 0， 同样的速度协方差刚开始的时候也比较大，为 2，但是通过 5 步之后迅速减小， 到 10 步之后接近于 0。 3. 有关参数的影响（例如初始条件、噪声统计特性对滤波结果的影响等） ； 1）初始条件改变时，改变初始高度值，和速度值
0.00085279036802 0.00072900768452 0.00080072481819 0.00075095576213 0.00065762725379 0.00081186148545 0.00079783727034 0.00073060712986 0.00063242006530 0.00063656524495 0.00080659845639 0.00067704740069 0.00076573767706 0.00054955759081 0.00058487913971 0.00055602747368 0.00033550412588 0.00056012688452 0.00056694491978 0.00059380631025 0.00053681916544 0.00065871960781 0.00068598344328 0.00060922471348 0.00057086018918 0.00041308535708 0.00047302026281 0.00030949309972 0.00040552624986 0.00037545033142 0.00017282319262 0.00020758327980 0.00037186464579 0.00018082163465 0.00023323830160 -0.00004536186964 0.00003246284068