一种解决非线性估计问题的kalman滤波器
2010_第四章_非线性系统的Kalman滤波
4.1 扩展的卡尔曼滤波方程前面讲的Kalman滤波要求系统状态方程和观测方程都是线性的。
然而，许多工程系统往往不能用简单的线性系统来描述。
例如，导弹控制问题，测轨问题和惯性导航问题的系统状态方程往往不是线性的。
因此，有必要研究非线性滤波问题。
对于非线性模型的滤波问题，理论上还没有严格的滤波公式。
一般情况下，都是将非线性方程线性化，而后，利用线性系统Kalman滤波基本方程。
这一节我们就给出非线性系统的Kalman滤波问题的处理方法。
为了方便描述，下面仅限于讨论下列情况的非线性模型kkxkk=k+(3.2.8.1)Φ+Γx+x),1(])w[()(k()1),(kkv=+kk+z(3.2.8.2)hx),1]1()1([+(+)1+式中，1)(⨯∈n R k x 是状态向量，1)(⨯∈m R k z 是观测向量，)(k w 和)(k v 是噪声；1⨯∈Φn R 是k k x ),(的非线性函数，具有一阶连续导数；1⨯∈m R h 是1),1(++k k x 的非线性函数，具有一阶连续导数。
)(k w 和)(k v 都是均值为零的白噪声序列，其统计特性如下{}{}0)(,0)(==k v E k w E ，{}kj T k Q j w k w E δ)()()(=，{}kj T k R j v k v E δ)()()(=另外，已知初始条件，即)0(x 的统计特性。
下面仅介绍推广的Kalman 滤波方法，即围绕滤波值)|(ˆk k x的线性化滤波方法，这种方法是先将非线性模型线性化，而后应用线性系统的Kalman 滤波基本公式。
由系统状态方程(3.2.8.1)可得)(]),|(ˆ[)]|(ˆ)([)),|(ˆ()1()|(ˆ)(k w k k k x k k xk x xk k k xk x k k xk x Γ+-∂Φ∂+Φ≈+= (2.3.8.3)),1()|(ˆ)(k k xk k xk x +Φ=∂Φ∂= (2.3.8.4))()|(ˆ]),|(ˆ[)|(ˆ)(k f k k xxk k k xk k xk x =∂Φ∂-Φ= (2.3.8.5) 则状态方程为)()(]),|(ˆ[)(),1()1(k f k w k k k xk x k k k x +Γ++Φ=+ (3.2.8.6) 初始值为{}000ˆm x E x==。
非线性卡尔曼滤波器
UKF计算步骤：
PF
PF
● 粒子滤波(PF: Particle Filter)的思想基于蒙特卡洛方法(Monte Carlo methods)，它是 利用粒子集来表示概率，可以用在任何形式的状态空间模型上。其核心思想是通过从后 验概率中抽取的随机状态粒子来表达其分布，是一种顺序重要性采样法(Sequential Importance Sampling)。简单来说，粒子滤波法是指通过寻找一组在状态空间传播的随 机样本对概率密度函数进行近似，以样本均值代替积分运算，从而获得状态最小方差分 布的过程。这里的样本即指粒子,当样本数量N→∝时可以逼近任何形式的概率密度分布。
EKF
首先围绕滤波值 xˆk 将非线性函数 f , g 展开Taylor级数并
略去二阶及以上项，得到一个近似的线性化模型，然后应用 Kalman滤波完成对其目标的滤波估计等处理。
1.对状态模型的一阶Taylor展示：
xk f
xˆk 1
f xˆk 1
xk 1 xˆk 1 k
令
f
F
xˆk 1
f1 f1
xˆ1
xˆ2
f xˆk 1
F
f2 xˆ1
f2 xˆ2
fn fn
xˆ1 xˆ2
f1
xˆn
f2 xˆn
fn
xˆn
g1 g1
xˆ1
xˆ2
g xˆk
H
g2 xˆ1
g2 xˆ2
扩展卡尔曼滤波 调参
扩展卡尔曼滤波调参1. 什么是卡尔曼滤波？卡尔曼滤波（Kalman Filter）是一种用于估计系统状态的递归滤波器。
它能够通过融合来自传感器的测量数据和系统模型的预测值，提供对系统状态的最优估计。
卡尔曼滤波器的核心思想是通过不断迭代的方式，根据当前的观测值和先验估计值，计算出最优的后验估计值。
它的优点在于对于线性系统，能够得到最优解，并且具有较低的计算复杂度。
2. 扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）扩展卡尔曼滤波是卡尔曼滤波的一种扩展，用于非线性系统的状态估计。
与传统的卡尔曼滤波相比，扩展卡尔曼滤波能够通过线性化非线性系统模型，将其转化为线性系统模型，从而实现状态的估计。
在扩展卡尔曼滤波中，通过使用泰勒级数展开，将非线性函数线性化为一阶导数的形式。
然后，使用线性卡尔曼滤波的方法进行状态估计。
这样一来，扩展卡尔曼滤波能够处理一些非线性系统，并提供对系统状态的最优估计。
3. 扩展卡尔曼滤波调参在使用扩展卡尔曼滤波进行状态估计时，需要对滤波器进行一些参数的调整，以获得更好的估计结果。
下面介绍一些常用的调参方法。
3.1 系统模型在使用扩展卡尔曼滤波进行状态估计时，首先需要定义系统的状态方程和观测方程。
系统的状态方程描述了系统状态的演化规律，而观测方程描述了观测值与系统状态之间的关系。
在调参时，需要根据实际情况对系统模型进行调整。
对于非线性系统，可以通过改变状态方程和观测方程的形式，使其更好地与实际系统相匹配。
3.2 过程噪声和观测噪声在卡尔曼滤波中，过程噪声和观测噪声是用来描述系统模型和观测模型中的不确定性的参数。
过程噪声表示系统状态的演化过程中的不确定性，观测噪声表示观测值的不确定性。
在调参时，需要根据实际情况对过程噪声和观测噪声进行调整。
过程噪声和观测噪声的大小与系统的动态特性和传感器的性能有关。
通过调整这两个参数，可以使滤波器更好地适应实际情况。
3.3 初始状态和协方差在卡尔曼滤波中，初始状态和协方差用来表示对系统状态的初始估计。
扩展卡尔曼滤波雅可比矩阵
扩展卡尔曼滤波雅可比矩阵扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter, EKF）是一种用于非线性系统状态估计的优化算法。
而雅可比矩阵则是EKF中的重要工具，用于线性化系统中的非线性函数。
在实际应用中，许多系统的动态特性往往具有非线性的特点，这意味着传统的卡尔曼滤波算法无法直接应用于这些系统。
为了解决这一问题，EKF被提出。
EKF通过对系统状态和观测方程进行线性化，将非线性系统转化为线性系统，从而利用卡尔曼滤波算法进行状态估计。
而在EKF中，雅可比矩阵扮演着至关重要的角色。
雅可比矩阵本质上是非线性函数在某一点的线性化矩阵。
它通过对非线性函数进行一阶泰勒展开，近似地计算了函数在该点的变化率。
因此，雅可比矩阵的计算是EKF中一个关键的环节。
在实际应用中，计算雅可比矩阵有很多种方法，最常用的是数值差分法和解析法。
数值差分法通过取小的增量，计算函数在该点的微分，然后将微分值作为该点的近似导数。
这种方法简单直观，但由于计算误差和数值不稳定性的存在，可能会影响到滤波器的性能。
而解析法则是通过求取函数的一阶偏导数来计算雅可比矩阵。
这种方法通常要求对非线性函数进行符号推导，然后计算导数。
虽然解析法的计算精度更高，但由于非线性函数的复杂性，求解过程可能会比较困难和繁琐。
因此，在实际应用中，选择合适的计算雅可比矩阵的方法是非常重要的。
数值差分法适用于简单的非线性函数，而解析法则适用于复杂的非线性函数。
根据系统的特性和性能需求，我们可以选择最适合的方法。
总之，扩展卡尔曼滤波雅可比矩阵在非线性系统状态估计中具有重要的意义。
通过对系统进行线性化，EKF能够有效地处理非线性系统，并提供准确的状态估计结果。
雅可比矩阵的计算方法因应用而异，选择适合的方法是保证滤波器性能的关键。
在未来的研究和应用中，我们可以进一步探索改进雅可比矩阵计算方法的技术，以提高EKF的性能和适用范围。
扩展卡尔曼粒子滤波优化
扩展卡尔曼粒子滤波优化扩展卡尔曼粒子滤波优化扩展卡尔曼粒子滤波（Extended Kalman Particle Filter）是一种常用的非线性滤波器，用于在测量数据包含噪声的情况下对系统状态进行估计。
在本文中，我们将逐步介绍扩展卡尔曼粒子滤波的优化方法。
1. 了解卡尔曼滤波：在深入研究扩展卡尔曼粒子滤波之前，首先需要了解卡尔曼滤波的基本原理。
卡尔曼滤波是一种递归滤波器，通过使用系统模型和测量模型来估计系统状态，其中系统模型和测量模型通常是线性的。
然而，实际应用中，我们经常遇到非线性问题，这就需要使用扩展卡尔曼滤波。
2. 扩展卡尔曼滤波：扩展卡尔曼滤波通过在线性化非线性系统模型和测量模型来处理非线性问题。
具体而言，它使用泰勒级数展开来近似非线性函数，并通过计算雅可比矩阵来线性化系统模型和测量模型。
然后，通过应用卡尔曼滤波来处理线性化的系统和测量模型。
3. 粒子滤波：粒子滤波是一种基于蒙特卡洛方法的滤波器，用于处理非线性和非高斯的系统。
它通过使用一组粒子来表示系统的状态分布，并通过对每个粒子进行重采样和更新来更新状态分布。
这使得粒子滤波能够更好地适应非线性和非高斯分布的系统。
4. 扩展卡尔曼粒子滤波：扩展卡尔曼粒子滤波是将扩展卡尔曼滤波和粒子滤波相结合的一种方法。
它使用粒子滤波来近似状态分布，并通过在线性化非线性系统模型和测量模型来处理非线性问题。
具体而言，它使用粒子滤波来生成一组粒子，然后通过计算每个粒子的权重来更新状态分布。
最后，通过对具有较高权重的粒子进行重采样来更新粒子集合。
5. 优化方法：为了进一步优化扩展卡尔曼粒子滤波，可以采取以下方法：- 调整粒子数目：增加粒子的数量可以提高滤波器的精度，但也会增加计算复杂度。
因此，需要权衡精度和计算复杂度之间的关系，选择适当的粒子数目。
- 选择合适的重采样方法：重采样是粒子滤波的关键步骤，可以通过对低权重粒子进行更多采样来提高滤波器的性能。
常用的重采样方法包括系统性重采样、残差重采样和分层重采样等。
扩展卡尔曼滤波器原理
扩展卡尔曼滤波器原理一、引言扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter，EKF）是一种常用的非线性滤波器，其原理是对非线性系统进行线性化处理，从而利用卡尔曼滤波器的优势进行状态估计和滤波。
本文将介绍扩展卡尔曼滤波器的原理及其应用。
二、卡尔曼滤波器简介卡尔曼滤波器是一种基于最优估计理论的滤波算法，广泛应用于估计系统状态。
卡尔曼滤波器通过对系统状态和观测数据进行加权平均，得到对系统状态的估计值。
其基本原理是通过系统的动力学方程和观测方程，利用贝叶斯概率理论计算系统状态的后验概率分布。
三、非线性系统的滤波问题在实际应用中，许多系统都是非线性的，而卡尔曼滤波器是基于线性系统模型的。
因此，当系统模型非线性时，传统的卡尔曼滤波器无法直接应用。
扩展卡尔曼滤波器就是为了解决这个问题而提出的。
四、扩展卡尔曼滤波器原理扩展卡尔曼滤波器通过对非线性系统进行线性化处理，将非线性系统转化为线性系统，然后利用卡尔曼滤波器进行状态估计。
其基本思想是通过一阶泰勒展开将非线性系统进行线性逼近。
具体步骤如下：1. 系统模型线性化：将非线性系统的动力学方程和观测方程在当前状态下进行一阶泰勒展开，得到线性化的系统模型。
2. 预测步骤：利用线性化的系统模型进行状态预测，得到预测的状态和协方差矩阵。
3. 更新步骤：利用观测方程得到的测量值与预测的状态进行比较，计算卡尔曼增益。
然后利用卡尔曼增益对预测的状态和协方差矩阵进行更新，得到最终的状态估计和协方差矩阵。
五、扩展卡尔曼滤波器的应用扩展卡尔曼滤波器广泛应用于各个领域，包括机器人导航、目标跟踪、航天器姿态估计等。
以机器人导航为例，机器人在未知环境中通过传感器获取的信息是非线性的，而机器人的运动模型也是非线性的。
因此，利用扩展卡尔曼滤波器可以对机器人的位置和姿态进行估计，从而实现导航功能。
六、总结扩展卡尔曼滤波器是一种处理非线性系统的滤波算法，通过对非线性系统进行线性化处理，利用卡尔曼滤波器进行状态估计和滤波。
卡尔曼滤波法( Kalman滤波)用于SOC估算
反馈控制法估计状态
符号惯例
• • • • • • • X：状态变量 U：输入量（如电流） Z：测量值 H：Z = H * X（H – 系数） P：协方差 K（Kg）：Kalman增益 Q、R：估算与测量噪声的方差
线性Kalman滤波：一般理论
• 状态方程 X(k) = A * X(k-1) + B * U(k) + W(k) Cov(W(k)) = Q • 测量方程 Z(k) = H * X(k) + V(k) Cov(V(k)) = R
Nernst模型系数
• K0 = 534.0017 • K1 = 2.6273 • K2 = -131.7037 • K3 = 95.4526 • K4 = -6.2601 确定：放电实验 + 最小二乘法
扩展卡尔曼滤波（ EKF ）
对非线性的观测方程做线性化 • Y(k) = f(Ik, xk) + Vk • f(Ik, xk) 对xk在某一时刻的xk0做泰勒展开 • 其一次项系数为
==》用上面2个值估算下一时刻的温度
Kalman Filter的实质
• 是一种数据处理算法 • 利用测量数据来滤波 • 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 • “没有时间把一件事情做好，却有时间把 一件事情反复做”
K 时刻
温度 估算值 测量值 更新值 最优值 24.915 25.5（更新值不需测量值） 先计算P(k+1,k)及Kg(k) P(k+1,k) = P(k) + Q 25.5 + Kg(k) * (24.915 – 25.5) Kg(k) = P(k+1,k) / (P(k+1,k) + R) 方差
一类非线性系统的新型扩展Kalman滤波器
于９ Ｏ年代末 在提 出 ｕＴ 变 换 的基 础 上 给 出 了 ＵＫＦ
（ ｎ ｃｎ ｅ ａｍａ ｉ ｅ ） ｕ ｓｅ ｔｄＫ ｌ ｎ ｆｔｒ ．虽 然 ＵＫＦ避 免 了线 性 ｌ
２ ０ ８１ 稿 。２ ０ —１８收修 改 稿 ０ ５０ —２收 ０ ５１— ＊ 教 育 部科 学 技 术 研 究 重 大项 目资助 （ 准 号 ：１４ ０ ） 批 ０ ０ ７
系 统是非 线性 的 ，在 之后 的 １ Ｏ多 年 时 间 中 Ｂ ｃ ｕ ｙ等
致 力 于研究 Ｋａｍａ ｌ ｎ滤 波 理 论 在 非 线 性 系统 中 的 推
滤 波 器与 Ｅ ＫＦ 的 根 本 区 别 在 于 不需 要 进行 线 性 化 工 作 ， 也 不 像 ＵＫＦ那 样 需 要 选 择 采 样 点 并 对 其 且 进 行递 推运 算 ．仿真 结果 表 明本 文 提 出 的 ＮＥ ＫＦ能 够提供比 Ｅ ＫＦ更高 的估 计精 度 ．
（） ２
假定 ２ ＝ Ｈｋ ＦＥ ， （） ８
为实数 域 内适 当维数 的 已 知 时变 矩 阵 ， ｆ （・） ” ：
Ｅ ｍａ ； ｚ ８ ｍａｌ． ｓ ｇ ｕ ． ｄ ． Ｄ — ｉ ｄ９ ＠ ｌ ｉ ｔｉ ｈ ａ ｅ ｕ Ｃ． ｓ ｎ
维普资讯
自鞋科荸盈展 ． 第１卷 第６ ２０年６ ６ 期 ０６ 月
其 中 ｘ ∈ ” 状 态 ，Ｙ ∈ 是 测 量 输 出 ，Ｗ ∈ 为 为过程 噪声 ， ∈ 。 测 量 噪声 ，Ａ ，Ｂ ， 是 ，Ｄ 与 满足 Ｐ 其 中 ∈
得到 的．仿 真结 果表 明该 滤 波器 是 可行 的 ，并能够提 供 比经典 扩展 Ｋ ｌ ａ 波器更 高的估计精度． ａｍ ｎ滤
关键词 非线性系统 状态估计 Ｋ ｜ａ 滤波 ａ ｎ ｍ
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
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。
ukf原理
ukf原理UKF（Unscented Kalman Filter）是一种基于卡尔曼滤波理论的状态估计方法，通过在非线性系统上使用无味卡尔曼滤波算法解决了线性卡尔曼滤波算法无法应用于非线性系统的问题。
UKF在状态估计中广泛应用，例如机器人导航、车辆控制、航空航天、信号处理等领域。
UKF的基本原理是利用无味变换（Unscented Transformation）将非线性系统的状态空间坐标通过线性变换映射到高斯分布向量上，然后在高斯分布向量上进行传统的卡尔曼滤波。
具体来说，UKF通过选取一组sigma点（即采样点）来表示高斯分布的状态，通过经过非线性变换后的这些sigma点来代替原系统的状态向量。
其中sigma 点的选取方法可以根据需要自行设计，一般常用的是Merwe’s分布，这种方法比较高效且数值稳定。
UKF算法的流程如下：1. 预测阶段：预测下一个状态向量及其协方差矩阵，通过状态转移方程将上一时刻的状态向量转移到当前时刻，同时通过卡尔曼增益矩阵将上一时刻的协方差矩阵也转移过来。
2. 无味变换阶段：利用选定的sigma点集合通过非线性变换来表示当前时刻的状态向量，通过对这些sigma点执行状态转移方程同样得到每个sigma点的预测值和协方差矩阵。
3. 更新阶段：利用经过非线性变换的sigma点描述当前状态向量的协方差矩阵和观测值，针对sigma点计算观测模型产生的高斯分布，然后计算新的状态向量和协方差矩阵。
其中，UKF的误差协方差矩阵与传统的卡尔曼滤波一样，具有递推的性质，即时间步长每增加一次，误差协方差阵的大小就增加一次。
总之，UKF通过无味变换将非线性系统转化到高斯分布向量上的思想，让卡尔曼滤波得以应用于复杂非线性系统上，并可以用于状态估计、轨迹跟踪、控制和优化等多个领域。
三维扩展卡尔曼滤波
三维扩展卡尔曼滤波三维扩展卡尔曼滤波（3D extended Kalman filter）是一种常用的估计方法，用于估计系统状态的滤波器。
它是对卡尔曼滤波算法的扩展，能够处理非线性系统，并在三维空间中进行状态估计。
在实际应用中，很多系统的状态变化是非线性的，例如机器人的运动轨迹、飞机的飞行姿态等。
传统的卡尔曼滤波算法只能处理线性系统，对于非线性系统的估计效果并不理想。
而三维扩展卡尔曼滤波通过引入非线性函数来近似系统的非线性特性，从而能够更准确地估计系统的状态。
三维扩展卡尔曼滤波的工作原理如下：首先，根据系统的动力学模型和观测模型，建立状态空间方程和观测方程。
然后，利用非线性函数对状态方程进行扩展，得到扩展状态方程。
接着，通过对观测方程进行线性化，得到扩展观测方程。
最后，利用卡尔曼滤波算法，通过递推的方式，对系统的状态进行估计。
在三维扩展卡尔曼滤波中，通过状态预测和观测更新两个步骤来实现状态估计。
首先，根据上一时刻的状态估计值和系统的动力学模型，进行状态预测，得到预测状态和预测误差协方差。
然后，根据观测模型和观测值，进行观测更新，得到最新的状态估计值和误差协方差。
三维扩展卡尔曼滤波在实际应用中具有广泛的应用。
例如，在自动驾驶领域，通过三维扩展卡尔曼滤波，可以准确地估计车辆的位置和姿态，从而实现精确的路径规划和控制。
在无人机导航中，三维扩展卡尔曼滤波可以用于估计无人机的位置和速度，实现精确的飞行控制。
在机器人定位和导航中，三维扩展卡尔曼滤波可以用于估计机器人的姿态和位置，实现精确的自主导航。
尽管三维扩展卡尔曼滤波在非线性系统的状态估计方面取得了很大的成功，但它也存在一些局限性。
首先，三维扩展卡尔曼滤波对初始状态的估计误差比较敏感，误差累积会导致估计结果的不准确。
其次，三维扩展卡尔曼滤波假设系统的噪声是高斯分布的，但实际系统中的噪声往往是非高斯的，这会导致估计结果的偏差。
为了克服这些问题，研究者们提出了许多改进的算法。
matlab simulink 拓展卡尔曼滤波
matlab simulink 拓展卡尔曼滤波概述
拓展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）是一种用于非线性系统状态估计的滤波器。
在MATLAB Simulink中，可以使用EKF进行状态估计和参数估计。
下面是一个简单的步骤来说明如何在MATLAB Simulink中实现拓展卡尔曼滤波：
1. 打开MATLAB Simulink并创建一个新模型。
2. 在模型中添加一个EKF模块。
在Simulink库中找到EKF模块，并将其拖动到模型中。
3. 配置EKF模块的参数。
打开EKF模块的参数对话框，配置以下参数：
* 状态转移矩阵A：根据系统模型进行设置。
* 测量矩阵H：根据传感器测量模型进行设置。
* 过程噪声协方差矩阵Q：根据系统噪声模型进行设置。
* 测量噪声协方差矩阵R：根据传感器测量噪声模型进行设置。
4. 添加输入和输出模块。
在模型中添加输入模块（如模拟输入模块）来接收系统的输入信号，并添加输出模块（如模拟输出模块）来输出
估计结果。
5. 连接输入和输出模块到EKF模块。
将输入模块的输出信号连接到EKF模块的输入端口，将EKF模块的输出信号连接到输出模块的输入端口。
6. 运行模型并进行仿真。
点击Simulink窗口中的“运行”按钮，运行模型并进行仿真。
在仿真期间，输入信号将被处理并通过EKF进行状态估计和参数估计，最终输出估计结果。
需要注意的是，拓展卡尔曼滤波器的参数设置对于估计结果的准确性和稳定性至关重要。
因此，需要仔细选择合适的参数并根据实际系统进行验证和调整。
scilab 扩展卡尔曼滤波-概述说明以及解释
scilab 扩展卡尔曼滤波-概述说明以及解释1.引言1.1 概述卡尔曼滤波是一种用于估计系统状态的优秀方法，可以从一系列的无噪声或有噪声的观测数据中推断出系统的真实状态。
通过递归地结合先验知识和新的观测数据，卡尔曼滤波器能够提供对系统状态的最优估计，同时考虑系统的模型和观测误差。
本文将探讨在Scilab中扩展卡尔曼滤波的应用。
我们将介绍什么是卡尔曼滤波，以及Scilab在卡尔曼滤波中的具体应用。
此外，我们还将深入研究扩展卡尔曼滤波及其在Scilab中的实现，为读者提供更深入的了解和指导。
通过本文的阐述，希望读者能够对卡尔曼滤波及其扩展版本有更清晰的认识，并了解在Scilab这一优秀的科学计算软件中如何实现和应用这些技术。
这将有助于读者在实际工程和科研项目中更好地利用卡尔曼滤波的优势，提高系统的性能和稳定性。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以描述整篇文章的组织结构和各部分的内容安排。
在这一部分中，可以详细介绍每个章节的主题和内容，让读者对整篇文章有一个清晰的了解。
具体地，可以包括以下内容：在本文中，我们将首先介绍卡尔曼滤波的基本概念和原理，以及Scilab 在卡尔曼滤波中的应用。
接着，我们将深入探讨扩展卡尔曼滤波及其在Scilab中的实现，从而帮助读者深入理解和运用这一先进的滤波算法。
最后，我们将对本文进行总结，展望扩展卡尔曼滤波在未来的应用前景，并提出一些思考和建议。
通过本文的阐述，读者将能够全面了解和掌握scilab 扩展卡尔曼滤波的相关知识和技术，为其在实际应用中的运用提供参考和指导。
1.3 目的：本文旨在探讨在Scilab环境下使用卡尔曼滤波技术进行数据处理的方法和实现。
通过介绍卡尔曼滤波的基本原理，以及Scilab在卡尔曼滤波中的应用，我们将重点讨论扩展卡尔曼滤波的概念，并展示在Scilab中如何实现扩展卡尔曼滤波算法。
通过本文的阐述，读者将能够了解卡尔曼滤波的工作原理和应用场景，同时掌握在Scilab中编写和应用扩展卡尔曼滤波算法的方法。
ckf公式
CKF（Cubature Kalman Filter）是一种基于卡尔曼滤波器的状态估计算法，它通过对非线性系统进行线性化来提高卡尔曼滤波器的性能。
下面我们将详细介绍CKF算法的数学原理及应用。
一、卡尔曼滤波器卡尔曼滤波器是一种用于估计系统状态的算法，其主要思想是利用系统的观测值和控制量来对系统状态进行预测和更新。
卡尔曼滤波器主要由两个步骤组成：预测和更新。
预测步骤中，根据系统的动态模型和控制量，预测系统的状态，并计算出状态的协方差矩阵。
更新步骤中，根据观测量和预测值计算出卡尔曼增益，并用其来更新预测值和协方差矩阵。
二、CKF算法CKF算法是一种基于卡尔曼滤波器的非线性系统状态估计算法。
CKF算法通过对非线性系统进行线性化来提高卡尔曼滤波器的性能。
CKF算法采用多维高斯积分来对非线性函数进行近似，从而将非线性系统线性化。
CKF算法的数学原理如下：1. 卡尔曼滤波器模型假设系统状态为$x_k$，控制量为$u_k$，观测值为$z_k$。
则卡尔曼滤波器模型可以表示为：预测：$$\hat{x}_{k} = f(\hat{x}_{k-1},u_{k-1})$$$$P_{k} = F_{k-1} P_{k-1} F_{k-1}^T + Q_{k-1}$$更新：$$K_k = P_k H_k^T(H_k P_k H_k^T + R_k)^{-1}$$$$\hat{x}_k = \hat{x}_k + K_k(z_k - H_k \hat{x}_k)$$ $$P_k = (I - K_k H_k)P_k(I - K_k H_k)^T + K_k R_k K_k^T$$其中$f$为系统的动态模型，$F_{k-1}$为状态转移矩阵，$Q_{k-1}$为过程噪声协方差矩阵，$H_k$为观测矩阵，$R_k$为观测噪声协方差矩阵，$K_k$为卡尔曼增益，$\hat{x}_k$为估计值，$P_k$为估计协方差矩阵。
2. CKF算法CKF算法中，首先需要对非线性函数进行线性化，将非线性函数转化为多维高斯分布函数。
扩展卡尔曼滤波器的状态方程和观测方程
扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter，EKF）是一种针对非线性系统的估计方法。
它基于卡尔曼滤波器的框架，通过引入泰勒级数展开来近似非线性函数的线性化，从而实现对非线性系统的状态估计。
扩展卡尔曼滤波器的核心在于其状态方程和观测方程的非线性处理。
状态方程描述了系统状态随时间的演变。
对于非线性系统，状态方程通常可以表示为：x_k+1 = f(x_k, u_k)其中，x_k 表示k 时刻的系统状态，u_k 表示k 时刻的控制输入，f 是非线性状态转移函数。
扩展卡尔曼滤波器通过对 f 函数进行泰勒级数展开，并保留一阶项，得到近似的线性化状态方程：x_k+1 ≈ x_k + F_k(x_k - x_k−1) + w_k其中，F_k 是 f 函数在x_k 处的雅可比矩阵，w_k 表示过程噪声。
观测方程描述了系统状态与观测值之间的关系。
对于非线性系统，观测方程通常可以表示为：z_k = h(x_k)其中，z_k 表示k 时刻的观测值，h 是非线性观测函数。
同样地，扩展卡尔曼滤波器通过对h 函数进行泰勒级数展开，并保留一阶项，得到近似的线性化观测方程：z_k ≈ H_k x_k + v_k其中，H_k 是h 函数在x_k 处的雅可比矩阵，v_k 表示观测噪声。
扩展卡尔曼滤波器通过迭代更新状态估计值，实现对非线性系统的状态估计。
在每个时刻，它首先根据上一时刻的状态估计值和控制输入预测当前时刻的状态，然后结合当前时刻的观测值进行修正，得到当前时刻的状态估计值。
通过不断迭代，扩展卡尔曼滤波器能够逐渐逼近非线性系统的真实状态。
总之，扩展卡尔曼滤波器的状态方程和观测方程通过泰勒级数展开实现非线性函数的线性化，从而实现对非线性系统的状态估计。
这种方法在导航、控制、机器人等领域具有广泛的应用前景。
无迹卡尔曼滤波简单理解
无迹卡尔曼滤波简单理解
无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter，简称UKF）是一种高效可靠的滤波算法，它基于卡尔曼滤波（Kalman Filter，简称KF）的基础上，通过采用一种新的状态估计方法，能够更好地处理非线性系统。
下面分步骤进行简单介绍：
1. 卡尔曼滤波介绍
卡尔曼滤波是一种线性系统状态估计方法，它能够通过对系统的测量和模型的状态估计，推断出系统真实的状态。
卡尔曼滤波有一个重要的前提条件，即系统必须满足高斯分布和线性性质。
2. 无迹变换介绍
无迹变换是UKF算法的核心，它通过一种非线性变换的方式，将原始高斯分布的均值和协方差矩阵映射到一组新的高斯分布的均值和协方差矩阵。
这样就可以将非线性系统中的状态估计问题转化为线性系统中的状态估计问题。
3. 无迹卡尔曼滤波原理
无迹卡尔曼滤波的原理是将卡尔曼滤波的预测和更新过程中的均值和协方差矩阵进行无迹变换，并根据新的变换后的均值和协方差矩阵对系统状态进行估计。
无迹卡尔曼滤波中关键的一步是通过一组特殊的采样点来近似非线性系统的状态分布。
4. 无迹卡尔曼滤波优点
相比于普通的卡尔曼滤波，无迹卡尔曼滤波具有以下优点：
（1）适用于非线性系统，效果更好；
（2）算法的稳定性更好；
（3）计算复杂度较低。
总的来说，无迹卡尔曼滤波算法是一种高效可靠的滤波算法，能够很好地解决非线性系统状态估计问题，因此在实际的工程应用中有着广泛的应用前景。
无迹卡尔曼滤波原理
无迹卡尔曼滤波原理无迹卡尔曼滤波原理 (Unscented Kalman Filter, UKF) 是卡尔曼滤波 (Kalman Filter) 的一个扩展，主要用于状态变量非线性的情况下进行估计和控制。
相比于标准的卡尔曼滤波，UKF 可以更好地处理非线性系统，并且不需要进行线性化处理，因此得到了广泛的应用。
在了解无迹卡尔曼滤波之前，需要先了解一下卡尔曼滤波的基本原理。
卡尔曼滤波是一种用于处理动态系统的估计算法，能够预测和纠正由传感器测量引起的误差，同时也能够处理系统噪声和随机干扰等问题。
其基本思想是通过对过去的状态进行估计，来预测未来状态的值，同时将实际测量的值和预测的值进行比较，从而得到最优的状态估计值。
具体来说，卡尔曼滤波通过两个步骤来实现状态的估计和控制。
第一步是预测。
在这一步中，卡尔曼滤波通过对当前状态的预测，来得到下一时刻状态的预测值。
具体来说，它通过计算状态转移矩阵和控制矩阵，进行状态的预测，得到状态向量的先验估计值。
第二步是更新。
在这一步中，卡尔曼滤波通过将实际测量值和预测值进行比较，来得到最优估计值。
具体来说，卡尔曼滤波通过计算协方差矩阵和测量矩阵，对状态向量的先验估计值和实际测量值进行综合，得到状态向量的后验估计值。
然而，在实际应用中，许多系统存在非线性情况，如航空航天技术领域的航空姿态控制、无人机控制等。
对于这种非线性系统，卡尔曼滤波的性能将会受到很大的影响。
这时候，就需要使用无迹卡尔曼滤波。
无迹卡尔曼滤波的基本思路是利用一组状态向量和相应的加权参数，来代替系统中实际存在的状态向量。
这种状态向量的选择需要满足两个条件：一是必须包括系统中所有的状态变量；二是必须能够描述系统的非线性特性。
通过这种方式，无迹卡尔曼滤波能够在不进行系统线性化处理的情况下，对非线性系统进行估计和控制。
具体来说，无迹卡尔曼滤波将状态向量进行投影，得到一组采样点。
这些采样点将会以等权重的方式，用于估计预测状态和更新状态。
《Kalman滤波器》课件
网络流量预测
Kalman滤波器可以用于对网 络流量进行预测和控制，以 提高网络质量和资源利用率。
飞机定位和导航
Kalman滤波器可以用于飞机 的定位和导航，可以提高飞 行的精度和安全性。
Kalman滤波器的优点和缺点Kalman滤波器的应用场景
航空航天
Kalman滤波器可以用于飞机和航天器的导航、控制和姿态估计等方面。
自动驾驶
在自动驾驶汽车中，Kalman滤波器可以用于预测和纠正车辆位置、速度和方向等信息。
工业生产
Kalman滤波器可以用于监测和控制工业过程中的变量，如温度、湿度和流量等。
Kalman滤波器的原理和流程
《Kalman滤波器》PPT课件
本次课件主要介绍Kalman滤波器的基本理论、应用场景、原理和流程、实现 方法、应用案例，以及其优缺点和应用前景。
什么是Kalman滤波器
Kalman滤波器是一种处理测量数据并估计系统状态的数学算法。它可以快速且准确地处理大量的数据，并获 得更准确的状态估计值。
基本理论
优点
• 精确性高 • 处理速度快 • 能够处理包含噪声的数据
缺点
• 需要对系统建立准确的模型 • 对初始状态的估计比较敏感 • 不适用于非线性系统
总结
1 Kalman滤波器的优缺点
优点包括高精度、高速度和能够处理噪声数据等，缺点包括需要准确的模型和对初始状 态的估计敏感等。
2 Kalman滤波器的应用前景
Kalman滤波器在航空航天、自动驾驶和工业领域等众多领域有着广泛的应用前景，将会 在更多领域发挥其作用。
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状态空间模型
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本文为解决雷达跟踪系统中产生的非线性估计问题，提出了 Blue- kalman 滤波器，这种滤波器能够给予非线性量测进行最优 无偏滤波，并且最终输出的是笛卡儿坐标系下的滤波状态，较转 换量测方法减小了误差。从仿真实验可以看出，Blue- kalman 滤波 器比传统的 kalman 滤波器在估计的准确性上要好很多。两种滤 波器的算法复杂度大致相当。本文中讨论的滤波器是在二维情况 下进行的，以后的工作将对三维的情况展开研究。
社会视窗·Social Studies
2009 年 第 7 期（下）总第 329 期
中外企业家
一种解决非线性估计问题的 kalm an 滤 波 器
张杰
(四川大学 计算机学院,成都 610064)
摘 要：在雷达目标跟踪系统中，目标动态模型通常是在笛卡儿坐标系中进行建模，然而雷达量测通常是在极坐标系
下得到的。从而，雷达目标跟踪就成为一个非线性估计问题。为了解决雷达目标跟踪的非线性估计问题，提出了一种基于最
时，用 BLUE 用卡尔曼滤波计算得到的结果是一样的，所以我们
可以采用卡尔曼滤波来计算它们。而由于观测是非线性的，我
们需要利用
采用最优无偏估计来计算 zk，
和
。限于篇幅原因，这里不再详述计算过程。
二、仿真实验及结果
为了简单起见，假设目标在水平面运动，模拟条件是：2D 雷 达位于原点，目标的初始位置的横坐标和纵坐标分别为均值是
收稿日期：2009- 06- 11 作者简介：张杰(1985- )，河南周口市人，硕士研究生，主要从事图像处理研究。
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参考文献： [1] 韩崇昭,朱洪艳,段战胜，等.多源信息融合[M].北京:清华大
学出版社,2006. [2] 刘丹,王宏强,黎湘.基于交互多模算法在非线性测量方程下
的机动目标跟踪[J].电光与控制.2002,9(4). [3] 党建武,王瑞玲,黄建国.机动目标的 Monte Carlo 仿真研究
[J].计算机工程与应用,2003,39(13). （责任编辑：吴剑雄）
从上表可以看到，Blue- kalman 滤波器要比传统的滤波器在 目标状态各个量的均方误差上要小得多。
三、结语
由此状态估计及其协方差为：
最优线性无偏估计解决雷达目标跟踪系统中的非线性问题
的关键是把目标的状态转换为笛卡尔坐系下，而量测的误差
保留在极坐标下。由于目标动态模型是线性的，所以计算 xk，Pk
优线性无偏估计的 kalman 滤波器—Blue- kalman 滤波器。
关键词：最优线性无偏估计;kalman 滤波器;机动目标跟踪
中图分类号：T N 957
文献标志码：A
文章编号：1000- 8772(2009)14- 0184- 01
一、最优线性无偏估计（BLUE）滤波器
假设目标运动模型是线性的，用 zk 和 xk 分别表示 k 时刻的 雷达量测和目标的状态，zk-1 是 k 时刻以前所有量测的序列集，
E*[y|z]代表 y 基于 z 的最优线性无偏估计。假设 k- 1 时刻的状
态估计和协方差分别是
，则最优线性无偏估计
的递推状态估计如下：
- 50m 和 200m， 标 准 差 都 为 5m 的 随 机 数 值 。 初 速 度 为 (v=300m/s,0m/s)，前 110s 做匀速直线运动，从第 110s 开始以 的角速度做 180 度的匀速转弯运动，之后以(- 2g,0)的加速度做 匀加速直线运动。