kalman滤波器算法的详细介绍

合集下载

stm32卡尔曼滤波算法

卡尔曼滤波器（Kalman Filter）是一种用于估计系统状态的数学滤波算法，常用于传感器数据融合、航空航天导航、机器人控制等领域。

在STM32微控制器上实现卡尔曼滤波算法通常需要使用C或C++编程语言，并涉及以下关键步骤：
1. **初始化滤波器**：
- 首先，您需要初始化卡尔曼滤波器的状态变量和协方差矩阵。

这些变量将用于存储系统状态的估计值和估计误差的信息。

2. **预测步骤**：
- 在每个时间步，使用系统的动态模型进行状态预测。

这一步通常包括以下几个子步骤：
- 预测状态：使用系统的状态转移矩阵和输入（如果有的话）来预测下一个状态。

- 预测协方差：使用状态转移矩阵和过程噪声协方差来估计状态的协方差矩阵。

3. **更新步骤**：
- 在接收新的传感器测量值后，使用测量模型来更新状态估计和协方差矩阵。

这一步包括以下子步骤：
- 计算卡尔曼增益：通过卡尔曼增益来权衡系统模型和测量模型的信息。

- 更新状态估计：使用卡尔曼增益和测量残差来更新状态估计。

- 更新协方差：使用卡尔曼增益来更新状态协方差矩阵。

4. **循环**：
- 重复预测和更新步骤，以处理连续的测量数据。

在STM32上实现卡尔曼滤波算法需要适应具体的应用和硬件环境。

您需要了解传感器的性能特点、系统动态模型和测量模型，以调整滤波器的参数和初始化值。

此外，需要适当的数学库和定时器/中断来确保算法能够以正确的频率运行。

对于具体的STM32型号和开发环境，请查看相关文档和资源，以获取更详细的实现细节和示例代码。

同时，了解卡尔曼滤波的数学理论是理解和实现算法的关键。

扩展Kalman滤波算法原理及应用

扩展Kalman滤波算法原理及应用随着科技的发展，各种传感器和控制系统的应用越来越广泛，很多智能化的设备需要使用滤波算法，提高其精度和鲁棒性。

在滤波算法中，扩展Kalman滤波（EKF）算法是一种非常常用的算法，可以广泛应用于各种工程领域，如自动控制、机器人导航、图像处理等，本文将介绍EKF算法的原理、特点以及应用。

一、Kalman滤波算法简介Kalman滤波算法是一种常用的状态估计算法，具有优秀的滤波效果。

它是由R.E. Kalman于1960年提出的，主要用于随机信号的滤波和估计。

Kalman滤波是一种基于线性系统和高斯噪声模型的最优估计算法。

它通过对样本点之间的关系建立一个能够描述它们在时间上的演变的状态模型，并根据观测值推算出状态量的概率分布，然后利用这个分布，根据Bayes公式进行矫正，得到最终的估计值。

二、扩展Kalman滤波算法原理扩展Kalman滤波算法是对Kalman滤波算法的一种改进，主要应用于非线性系统的估计。

与Kalman滤波相比，EKF基本思想是通过在预测和更新阶段线性化非线性系统模型来解决非线性系统问题。

EKF的步骤如下：1.定义状态变量向量：通过时间t来定义系统状态x（t），包含系统的全部状态信息。

2.建立状态转移方程：利用状态向量和噪声过程，建立状态转移方程，描述系统在各时间点的演变规律。

3.定义观测变量向量：通过时间t来定义系统的观测值Y（t），包含应用于系统的观测传感器的测量信息。

4.建立系统量测方程：通过状态转移方程和状态向量，以及观测传感器测量值，建立系统量测方程。

5.系统预测：预测状态的无偏估计值和方差。

6.状态更新：利用观测数据校正预测状态的无偏估计值和方差。

以上步骤在线性系统中都是可直接实现的，但非线性系统由于噪声，量测误差和模型误差等原因，使得状态转移方程和系统量测方程无法直接用之前的线性方程来解决。

因此，EKF在预测和更新过程中，均采用泰勒展开式对非线性芯片进行线性化处理，通过对状态转移和系统量测方程进行一阶泰勒展开，将非线性函数在某点的值近似为线性函数的值，从而得到线性化的状态转移方程和系统量测方程。

控制系统中的Kalman滤波器原理与应用

控制系统中的Kalman滤波器原理与应用控制系统是现代工业发展过程中不可或缺的一部分。

为了使控制系统能够更加准确、可靠地运行，通常需要对传感器采集到的数据进行滤波处理。

而Kalman滤波器就是一种被广泛应用于控制系统中的滤波技术，它的出现大大提高了系统的精度和可靠性。

一、Kalman滤波器的原理Kalman滤波器最初是由R.E. Kalman于1960年提出的，它具有一种比较特殊的滤波思想，主要是通过特定的方式来优化传感器采集的数据，使其更加符合实际情况。

Kalman滤波器主要是用线性数学模型描述采样过程中各种误差的随机漂移规律，根据数据的特点构建出目标模型，使滤波后得到的数据更加接近真实值。

Kalman滤波器的核心思想是基于以下两种数据：1. 系统状态（State）：表示被测量的真实值，通常情况下是无法直接测量。

2. 测量值（Measurement）：表示传感器给出的测量值，它受到噪声等因素的影响，会存在一定的偏差。

Kalman滤波器认为，通过将测量值与系统状态进行加权平均，可以得到更加准确的结果。

具体来说，它通过建立数学模型，将系统状态与测量值联系起来，然后根据这个联系，在不断的采样、滤波过程中，来逐步优化估计值。

二、Kalman滤波器的应用Kalman滤波器在工业控制系统、航空航天、自动驾驶汽车、智能家居等领域均得到了广泛的应用。

在工业控制系统中，Kalman滤波器主要用于对工业生产线上的重要参数进行处理，以保证生产线的正常运行。

例如，在汽车生产线上，由于传感器采集到的测量值通常存在噪声等干扰，因此需要使用Kalman滤波器来对测量值进行优化，以保证汽车的生产质量。

在航空航天领域中，Kalman滤波器被广泛应用于飞行器的导航和控制系统中。

航空器的飞行需要依赖于精确的定位和航向数据，而通过使用Kalman滤波器来处理采集到的数据，可以提高数据的准确性和可靠性，从而使飞行安全得到保障。

在智能家居领域中，Kalman滤波器可以用于处理家庭生活中的传感器数据，并对物联网设备进行智能化管理。

Kalman滤波原理及算法

Kalman滤波原理及算法kalman滤波器一(什么是卡尔曼滤波器卡尔曼全名Rudolf Emil Kalman，匈牙利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯, 我们现在要学习的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》(线性滤波与预测问题的新方法)。

二.卡尔曼滤波器算法的介绍以下是卡尔曼滤波器核心的5个式子。

首先，我们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)。

对于满足上面的条件(线性随机微分系统，过程和测量都是高斯白噪声)，卡尔曼滤波器是最优的信息处理器。

下面我们来用他们结合他们的covariances来估算系统的最优化输出。

首先我们要利用系统的过程模型，来预测下一状态的系统。

卡尔曼滤波器介绍

卡尔曼滤波器介绍摘要在1960年，R.E.Kalman发表了关于递归解决线性离散数据滤波器的著名论文，从那时间起，由于在数字计算的大部分提高，Kalman滤波器已成为广泛研究和应用的学科，尤其是自动或辅助导航系统。

Kalman滤波器是一套数学等式，它提供了一种有效的以最小均方误差来估计系统状态的计算(递归的)方法。

它在以下几方面是非常强大的：它支持过去、现在、甚至将来估计，甚至在系统准确模型也未知的情况下。

本文的目的是提供一种对离散的Kalman滤波器的实用介绍。

这些介绍包括对基本离散kalman滤波器、起源和与之相关的简单(有形)的带有真实数字和结果的描述和讨论。

1、离散的kalman滤波器在1960年，R.E.Kalman发表了关于递归解决线性离散数据滤波器的著名论文，从那时间起，由于在数字计算的大部分提高，Kalman滤波器已成为广泛研究和应用的学科，尤其是自动或辅助导航系统。

关于kalman滤波器一般方法的友好介绍可以在〔maybeck79〕的Chapter.1中找到，但是更完整部分的讨论能在〔Sorenson70〕中发现，它还包括许多有趣的历史解释。

在〔Gelb74；Grewal93；Maybeck79；Lewis86；Brown92；jacobs93〕中有更多参考。

估值过程Kalman滤波器解决估计离散时间控制过程的状态X∈R n的一般性问题，定义线性随机差分方程其中，测量值Z∈R m，定义为随机变量W K和V K各自表示系统噪声和测量噪声，我们假定它们为相互独立的、白噪声且为正常概率分布在实际中，系统噪声协方差矩阵Q和测量噪声协方差矩阵R可能随过程和测量时间而改变，无论怎样，我们在这里假定它们是常量。

在差分方程（1.1）中，n×n阶矩阵A与前一时刻（K－1）和当前时刻K相关，这里缺少传递函数或系统噪声。

注意的是，在实际中，A可能随各自时刻改变，但这里我们假定其为常量，n×l阶矩阵R与非强制性输入U∈R l和状态x有关，在测量公式（1.2）中，m×n阶矩阵H 与状态及测量值Z K有关，在实际中，H可能随各自过程或测量时刻而改变，这里假定它们是常数。

卡尔曼滤波原理

卡尔曼滤波原理卡尔曼滤波（Kalman Filtering）是一种用于估计、预测和控制的最优滤波方法，由美国籍匈牙利裔数学家卡尔曼（Rudolf E. Kalman）在1960年提出。

卡尔曼滤波是一种递归滤波算法，通过对测量数据和系统模型的融合，可以得到更准确、更可靠的估计结果。

在各种应用领域，如导航、机器人、航空航天、金融等，卡尔曼滤波都被广泛应用。

1. 卡尔曼滤波的基本原理卡尔曼滤波的基本原理是基于状态空间模型，将系统的状态用随机变量来表示。

它假设系统的状态满足线性高斯模型，并通过线性动态方程和线性测量方程描述系统的演化过程和测量过程。

具体而言，卡尔曼滤波算法基于以下两个基本步骤进行：1.1 预测步骤：通过系统的动态方程预测当前时刻的状态，并计算预测的状态协方差矩阵。

预测步骤主要是利用前一时刻的状态和控制输入来预测当前时刻的状态。

1.2 更新步骤：通过系统的测量方程，将预测的状态与实际测量值进行融合，得到最优估计的状态和状态协方差矩阵。

更新步骤主要是利用当前时刻的测量值来修正预测的状态。

通过不断迭代进行预测和更新，可以得到连续时间上的状态估计值，并获得最优的估计结果。

2. 卡尔曼滤波的优势卡尔曼滤波具有以下几个优势：2.1 适用于线性系统与高斯噪声：卡尔曼滤波是一种基于线性高斯模型的滤波方法，对于满足这些条件的系统，卡尔曼滤波能够给出最优的估计结果。

2.2 递归计算：卡尔曼滤波是一种递归滤波算法，可以在每个时刻根据当前的测量值和先前的估计结果进行迭代计算，不需要保存过多的历史数据。

2.3 最优性：卡尔曼滤波可以通过最小均方误差准则，给出能够最优估计系统状态的解。

2.4 实时性：由于卡尔曼滤波的递归计算特性，它可以实时地处理数据，并及时根据新的测量值进行估计。

3. 卡尔曼滤波的应用卡尔曼滤波在多个领域都有广泛的应用，以下是一些典型的应用例子：3.1 导航系统：卡尔曼滤波可以用于导航系统中的位置和速度估计，可以结合地面测量值和惯性测量传感器的数据，提供精确的导航信息。

kalman滤波器算法原理

卡尔曼滤波总结假设条件：系统的状态由图1所给出的模型决定。

假定),1(k k+Φ，),1(k k+Γ，)0(P 和)(k Q 是已知的，并且是确定性的。

而观测模型由图2给出，其中)1(+kH 和)(k R 也是已知的，并且是确定性的。

它们可以写为,1,0),(),1()(),1()1(=+Γ++Φ=+k k w k k k x k k k x 状态方程)1()1()1()1(++++=+k v k x k H k z 量测方程)1(+k w激励)1(+k图1 一个离散-时间线性系统的状态方程和输出方程的矢量结构图观测转移矩阵 )1(+k xv (k+1)矢量求和激励)1(+k观测矢量观测误差新状态矢量图2 观测模型的矢量结构图卡尔曼滤波算法：滤波估计由Kalman 所给出的最优线性滤波估计)1|1(ˆ++k k x是由下面的递归矩阵公式决定的，即,0)0|0(ˆ)]|(ˆ),1()1()1()[1()|(ˆ),1()1|1(≥=+Φ+-++++Φ=++k xk k xk k k H k z k K k k xk k k k x 初始条件这里)1(+kK 称为卡尔曼增益卡尔曼增益卡尔曼增益的表达式为,1,0,)]1()1()|1()1([)1()|1()1(1=+++++⨯++=+-k k R k H k k P k H k H k k P k K TT其中)|1(k kP +表示单步预测误差协方差矩阵。

单步预测误差协方差矩阵（单步性能）1,0)0()0|0(),1()(),1(),1()|(),1()|1(==+Γ+Γ++Φ+Φ=+k P P k k k Q k k k k k k P k k k k P TT，初始条件滤波误差的误差协方差矩阵（协方差递归形式）1,0),|1()]1()1([)1|1(=+++-=+k k k P k H k K I k k P ＋性能评价（系统状态的卡尔曼滤波估计的协方差矩阵）1,0],))1|1(ˆ)1(ˆ))(1|1(ˆ)1([()1|1(=++-+++-+=+k k k x k x k k xk x E k k P T＋11|11|----Γ+Φ=k k k k k k kW XXkkk k V XH Z +=式中：k X —— 是一个1⨯n 维矢量，称为k t 时刻的状态矢量。

卡尔曼算法原理详细讲解

卡尔曼算法原理详细讲解
卡尔曼滤波（Kalman Filter）是由美国工程师卡尔曼（Rudolf Emil Kalman）在1960年代提出的一种递推算法。

以下是卡尔曼算法原理的详细解释：
首先，假设系统具有线性状态方程和观测方程，且噪声具有高斯分布。

卡尔曼滤波器使用两个主要步骤，即预测和更新，来估计系统的状态。

1. 预测步骤：基于系统的前一状态预测当前状态。

这包括预测状态变量的期望值和协方差。

2. 更新步骤：根据新的观测数据，对预测的状态进行修正。

这包括计算卡尔曼增益、更新期望值和协方差。

这两个步骤一起形成一个递归过程，其中每个步骤都基于前一步的结果进行计算。

通过不断地重复这两个步骤，卡尔曼滤波器可以逐渐更新对系统状态的估计，以反映新的信息和数据。

此外，卡尔曼滤波器有多种变种和应用，包括扩展卡尔曼滤波器、无迹卡尔曼滤波器和粒子滤波器等。

这些变种可以处理非线性系统和不确定性，扩展了卡尔曼滤波器的应用范围。

总的来说，卡尔曼滤波器是一种高效、递归的算法，用于在不确定的环境中估计系统状态。

它通过融合不同来源的信息，如测量数据和模型预测，来估计系统状态，并且简单易实现，通常在许多应用中都能提供良好的性能。

如需更多信息，可以阅读卡尔曼滤波相关的学术文献或在线教程。

卡尔曼滤波五个公式推导过程

卡尔曼滤波五个公式推导过程卡尔曼滤波（Kalman Filter）是一种用于估计动态系统状态的最优估计算法。

它能够根据系统的测量和先验信息来动态地更新状态估计，并具有较好的性能和鲁棒性。

卡尔曼滤波算法可分为两个主要步骤：预测和更新。

预测步骤基于系统的动态模型进行状态的预测，更新步骤则利用观测数据对状态进行修正。

下面将分别推导卡尔曼滤波的五个公式。

1.状态预测（状态转移方程）：在卡尔曼滤波中，状态是由有限个变量组成的向量，通常表示为x。

状态转移方程描述了状态在连续时间下的变化过程。

假设我们有以下状态转移方程：x(k+1)=F(k)*x(k)+B(k)*u(k)+w(k)其中，x(k+1)表示在时间步k+1时刻的状态；F(k)是状态转移矩阵，描述状态在相邻时间步之间的线性变化关系；B(k)是控制矩阵，描述外部控制输入u(k)如何影响状态的变化；w(k)是零均值高斯白噪声，描述状态转移的不确定性。

2.预测协方差（状态预测协方差）：预测协方差描述了状态估计在预测步骤中的不确定性。

根据状态转移方程，我们可以将预测协方差表示为：P(k+1，k)=F(k)*P(k)*F(k)^T+Q(k)其中，P(k+1，k)表示在时间步k+1时刻的预测协方差；P(k)是在时间步k时刻的状态协方差；Q(k)是过程噪声协方差矩阵，表示状态转移的不确定性。

3.更新卡尔曼增益（卡尔曼增益）：更新卡尔曼增益描述了如何将观测数据用于修正状态估计。

卡尔曼增益由观测模型和预测协方差计算得出，可以表示为：K(k+1)=P(k+1，k)*H(k+1)^T*(H(k+1)*P(k+1，k)*H(k+1)^T+R(k+1))^(-1)其中，K(k+1)表示在时间步k+1时刻的卡尔曼增益；H(k+1)是观测矩阵，描述观测数据与状态之间的线性关系；R(k+1)是观测噪声协方差矩阵，描述观测数据的不确定性。

4.状态更新（状态更新方程）：状态更新方程用于根据观测数据修正状态估计。

卡尔曼滤波基础知识

卡尔曼滤波基础知识卡尔曼滤波(Kalman filtering)是一种常用于估计被测量的物理系统状态的算法。

它最初在20世纪60年代由Rudolf Kalman发明，并被广泛应用于自动控制、导航、机器人、计算机视觉、信号处理等领域。

卡尔曼滤波的基本原理是通过测量系统中的输入和输出信号，得出最优的状态估计。

它利用数学模型来描述系统的动态行为，并从中预测未来状态。

此外，它还使用实际测量的数据来校正预测结果，从而提高估计的准确性。

卡尔曼滤波主要分为两个阶段：预测阶段和更新阶段。

预测阶段通过数学模型预测系统的状态，并计算出其协方差矩阵。

更新阶段则使用实际测量的数据进行校正，进一步提高估计的准确性。

卡尔曼滤波的数学模型通常以状态空间形式表示。

状态空间是一个向量空间，可以将系统的状态表示为该空间中的一个向量。

在状态空间中，系统状态和测量数据可以表示为向量和矩阵的形式，从而简化了卡尔曼滤波的计算。

卡尔曼滤波的估计过程涉及多个概率分布的计算，包括状态先验分布、状态后验分布、观测先验分布和观测后验分布等。

这些分布都可以通过贝叶斯公式进行计算，从而得出最优的状态估计。

卡尔曼滤波具有许多优点，最主要的是它可以通过测量数据自适应地调整估计的精度，因此可以很好地应用于动态和噪声环境下的系统。

此外，它还可以处理多个输入和输出，以及随时间变化的系统参数。

然而，卡尔曼滤波也有一些局限性。

例如，在高噪声环境下，其精度可能会受到限制。

此外，它对测量数据的特性和系统参数的行为做了一些假设，因此可能不适用于某些特殊情况。

在实际应用中，卡尔曼滤波通常需要与其他算法一起使用。

例如，它可以与模糊逻辑、神经网络等算法相结合，以提高估计的精度和鲁棒性。

此外，它还可以与传感器融合技术一起使用，以利用多个传感器的信息，进一步提高估计的准确性。

总之，卡尔曼滤波是一种强大的估计算法，可以应用于各种物理系统，并在自动控制、导航、机器人、计算机视觉、信号处理等领域取得了广泛应用。

卡尔曼滤波算法 pdf

H H
ß
由此可以求出权矩阵的表达式：
= W1 (k ) R(k )
W1 (k ) = E{x(n + 1)α H (k )}R −1 ( K )............(20)
3、kalman滤波算法
ß
将式（20）代入式（18），状态向量的一步预测的最小均方估计可表示为
(n + 1) = ∑ E{x(n + 1)α H (k )}R −1 (k )α ( k ) x1
H E{v1 (n)v2 (k )} = 0, ∀n, k ......(5)
2、新息过程
ß
考虑一步预测问题，给定观测值y(1), ...，y(n-1)，求观测向量y(n)的最小二乘估计，记作
y 1(n ) = y(n y(1),...,y(n − 1)) ˆ ˆ
（1）、新息过程的性质 y(n)的新息过程定义为：
将式(27)代入式(24)，便得到kalman增益的计算公式如下：
G (n) = F (n + 1, n) K (n, n − 1)C H (n) R −1 (n)............( 28)
式中R(n)是信息过程的相关矩阵，由式(10)定义。
3、kalman滤波算法
ß
（3）、Riccati方程
∧
3、kalman滤波算法
ß
应该与已知值正交，故有
E{e(n + 1, n)α (k )} = E{[ x(n + 1) x1 (n + 1)α (k )}
H H
∧
= 0, k = 1,..., n.........(19)
ß
将式（18）代入（19），并利用新息过程的正交性，得到

卡尔曼滤波器的五个公式

卡尔曼滤波器的五个公式
卡尔曼滤波器主要有两个公式，分别是状态预测公式和状态更新公式。

而状态预测公式又可以细分为系统状态预测公式和状态协方差预测公式。

因此，卡尔曼滤波器总共有五个公式，具体如下：
1. 系统状态预测公式（状态方程）：
x(k) = F * x(k-1) + B * u(k-1) + w(k-1)
其中，x(k)为当前时刻的状态向量，F为状态转移矩阵，x(k-1)为上一时刻的状态向量，B为控制输入矩阵，u(k-1)为控制输入向量，w(k-1)为过程噪声向量。

2. 状态协方差预测公式（协方差方程）：
P(k) = F * P(k-1) * F^T + Q(k-1)
其中，P(k)为当前时刻的状态协方差矩阵，Q(k-1)为过程噪声协方差矩阵。

3. 状态更新公式（测量方程）：
z(k) = H * x(k) + v(k)
其中，z(k)为当前时刻的测量向量，H为测量矩阵，v(k)为测量噪声向量。

4. 估计协方差更新公式：
S(k) = H * P(k) * H^T + R(k)
其中，S(k)为当前时刻的估计协方差矩阵，R(k)为测量噪声协方差矩阵。

5. 状态修正公式：
K(k) = P(k) * H^T * (H * P(k) * H^T + R(k))^-1
其中，K(k)为卡尔曼增益矩阵。

通过以上五个公式的迭代运算，可以实现卡尔曼滤波器的状态预测和状态更新，从而提高状态估计的准确性。

卡尔曼滤波器原理详解

卡尔曼滤波器原理详解卡尔曼滤波器将状态估计模型分为两个部分：状态预测和状态更新。

在状态预测阶段，滤波器根据上一时刻的状态估计值和状态转移模型预测当前时刻的状态。

在状态更新阶段，滤波器根据当前时刻的观测值和状态观测模型更新对当前时刻状态的估计。

状态预测模型可表示为：x(k)=F(k-1)*x(k-1)+B*u(k-1)+w(k-1)其中x(k)为k时刻的状态向量，F(k-1)为状态转移矩阵，u(k-1)为输入向量，B为输入矩阵，w(k-1)为过程噪声。

状态预测模型描述了下一个时刻状态如何由当前时刻的状态得到，并考虑了外部输入和过程噪声的影响。

状态观测模型可表示为：z(k)=H(k)*x(k)+v(k)其中z(k)为k时刻的观测向量，H(k)为观测矩阵，v(k)为观测噪声。

状态观测模型描述了观测向量与状态向量之间的关系，并考虑了观测噪声的影响。

卡尔曼滤波器的更新步骤分为两个步骤：预测和更新。

预测步骤根据上一时刻的状态估计值和预测模型得到当前时刻的预测状态和预测误差协方差矩阵。

更新步骤根据当前时刻的观测值和观测模型计算卡尔曼增益和更新后的状态估计值。

预测步骤中的预测状态和预测误差协方差矩阵可由以下公式计算：x^(k，k-1)=F(k)*x(k-1，k-1)+B*u(k)P(k，k-1)=F(k)*P(k-1，k-1)*F(k)^T+Q(k)其中x(k，k-1)为当前时刻的预测状态，P(k，k-1)为当前时刻的预测误差协方差矩阵，x(k-1，k-1)为上一时刻的状态估计值，P(k-1，k-1)为上一时刻的状态估计误差协方差矩阵，Q(k)为过程噪声的协方差矩阵。

更新步骤中的卡尔曼增益和更新后的状态估计值可由以下公式计算：K(k)=P(k，k-1)*H(k)^T*(H(k)*P(k，k-1)*H(k)^T+R(k))^-1x(k，k)=x(k，k-1)+K(k)*(z(k)-H(k)*x(k，k-1))P(k，k)=(I-K(k)*H(k))*P(k，k-1)其中K(k)为卡尔曼增益，x(k，k)为当前时刻的更新后的状态估计值，P(k，k)为当前时刻的更新后的状态估计误差协方差矩阵，R(k)为观测噪声的协方差矩阵。

Kalman卡尔曼滤波(由射影定理引申而来)

递推射影公式是推寻Kalman滤波器的递推算法的出发点。
四、Kalman滤波器
1、五个递推公式
初值x(0 0), P(0 0)
2、递推算法流程图：
读y(t)
ˆ x (t t 1)
(t )
P (t t 1)
t t 1
K (t )
ˆ x (t t )
P (t t )
Kalman滤波递推算法框图
谢谢！
ˆ y (k k 1)
新息 (k ) 的几何意义
定理一：新息序列
(k )
是零均值白噪声。
注：白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。
证明：因为射影是无偏差的，所以 ˆ E (k ) Ey(k ) Ey (k k 1) Ey(k ) Ey(k ) 0, k 1 不妨设 i j, 因为 (i) L( y(1), , y(i 1)), 且有 L( y(1), , y( j )) L( y(1), , y(i 1)), 故有 (i) L( y(1), , y( j )), ˆ 而 ( j ) y ( j ) y ( j j 1) L( y (1), , y ( j )), 因而 (i) ( j ), 即 E[ (i ) T ( j ) 0], 所以 (i) 是白噪声。
• 定理三：（递推射影公式）设随机变量 x R , 随机序列 y(1), , y(k ), R m , 且它们存在二阶矩，则有递推射影公式
n
proj( x y (1), y (k )) proj( x ห้องสมุดไป่ตู้ (1), , y (k 1)) E ( x T (k )][ E ( (k ) T (k )] 1 (k )

(完整)卡尔曼滤波介绍

卡尔曼滤波一、卡尔曼滤波的起源谈到信号的分析与处理，就离不开滤波两个字。

通常，信号的频谱处于有限的频率范围内，而噪声的频谱则散布在很广的频率范围内，为了消除噪声，可以把FIR滤波器或者IIR滤波器设计成合适的频带滤波器，进行频域滤波。

但在许多应用场合，需要直接进行时域滤波,从带噪声的信号中提取有用信号。

虽然这样的过程其实也算是对信号的滤波，但其所依据的理论，即针对随机信号的估计理论,是自成体系的.人们对于随机信号干扰下的有用信号不能“确知”，只能“估计”.为了“估计"，要事先确定某种准则以评定估计的好坏程度.最小均方误差是一种常用的比较简单的经典准则。

对于平稳时间序列的最小均方误差估计的第一个明确解是维纳在1942年2月首先给出的.当时美国的一个战争研究团体发表了一个秘密文件，其中就包括维纳关于滤波问题的研究工作，这项研究是用于防空火力控制系统的.维纳滤波器是基于最小均方误差准则的估计器。

为了寻求维纳滤波器的冲激响应,需要求解著名的维纳–霍夫方程。

这种滤波理论所求的是使均方误差最小的系统最佳冲激响应的明确表达式。

从维纳–霍夫方程来看，维纳滤波算法是十分低效的。

这种算法要求设置大量的存储器来保存过去的测量数据,一个新的数据到来后，要进行刷新，重新计算自相关和互相关序列。

再者，求解这个方程需要耗费大量时间对高阶矩阵求逆。

因此,维纳滤波算法难以运用于实时处理中，尤其是无法用于军事、航空航天等领域。

为此,许多科技工作者进行了多方探索，但在解决非平稳过程的滤波问题时,能给出的方法很少。

到20世纪50年代中期，随着空间技术的发展，要求对卫星轨道进行精确地测量，这种方法越来越不能满足实际应用的需要。

为此，人们将滤波问题以微分方程表示,提出了一系列适应空间技术应用的精炼算法。

1960年和1961年，卡尔曼（R. E. Kalman）和布西（R. S。

Bucy)提出了递推滤波算法，成功的将状态变量引入到滤波理论中来，用消息与干扰的状态空间模型代替了通常用来描述它们的协方差函数，将状态空间描述与离散数间刷新联系起来，适于计算机直接进行计算，而不是去寻求滤波器冲激响应的明确公式。

锂离子电池soc估算-扩展kalman滤波算法

锂离子电池SOC估算-扩展Kalman滤波算法随着电动汽车和可再生能源的快速发展，锂离子电池作为一种重要的储能设备，受到了广泛的关注。

在锂离子电池的管理系统中，状态的估计是十分重要的，而电池的状态包括了电量和电量对应的SOC即State of Charge。

如何准确地估算锂离子电池的SOC成为了近年来研究的热点之一。

扩展Kalman滤波（EKF）算法是一种常用的估计方法，它利用非线性系统的状态方程和观测方程，通过迭代计算来逼近真实系统的状态。

在锂离子电池SOC的估算中，EKF算法可以通过对电池模型的状态方程和观测方程进行非线性拟合，从而实现对SOC的准确估计。

本文主要分析了锂离子电池SOC估算中EKF算法的应用与改进，具体内容如下：一、锂离子电池SOC估算的背景和意义1. 锂离子电池作为储能设备在电动汽车、航空航天等领域具有重要作用；2. SOC作为电池的重要状态参数，对于电池的使用和管理具有重要意义；3. 准确的SOC估算可以提高电池的使用效率，延长电池的使用寿命，降低系统的故障率。

二、EKF算法的原理和应用1. EKF算法是一种基于线性近似的非线性系统状态估计方法，主要由状态方程和观测方程构成；2. 在锂离子电池SOC估算中，可以通过建立电池的状态方程和观测方程，利用EKF算法对电池的SOC进行估计；3. EKF算法的应用可以通过离散化模型和状态更新得到当前时刻的SOC值。

三、锂离子电池模型的建立1. 锂离子电池模型是SOC估算的基础，包括了电池的电化学特性和动态特性；2. 电池模型可以采用等效电路模型、基于粒子的模型或者电化学动力学模型等；3. 在建立电池模型时需要考虑电池的特性参数、充放电过程、温度变化等因素。

四、基于EKF算法的SOC估算方法1. EKF算法在SOC估算中的应用可以分为离线估算和在线估算两种方式；2. 离线估算是利用电池的历史数据进行参数辨识和模型拟合，得到电池的状态方程和观测方程；3. 在线估算是利用实时的电池数据进行状态更新，通过EKF算法实现对SOC的实时估算。

卡尔曼(kalman)滤波算法特点及其应用

Kalman滤波算法的特点：（1）由于Kalman滤波算法将被估计的信号看作在白噪声作用下一个随机线性系统的输出，并且其输入/输出关系是由状态方程和输出方程在时间域内给出的，因此这种滤波方法不仅适用于平稳随机过程的滤波，而且特别适用于非平稳或平稳马尔可夫序列或高斯-马尔可夫序列的滤波，所以其应用范围是十分广泛的。

（2）Kalman滤波算法是一种时间域滤波方法，采用状态空间描述系统。

系统的过程噪声和量测噪声并不是需要滤除的对象，它们的统计特征正是估计过程中需要利用的信息，而被估计量和观测量在不同时刻的一、二阶矩却是不必要知道的。

（3）由于Kalman滤波的基本方程是时间域内的递推形式，其计算过程是一个不断地“预测-修正”的过程，在求解时不要求存储大量数据，并且一旦观测到了新的数据，随即可以算的新的滤波值，因此这种滤波方法非常适合于实时处理、计算机实现。

（4）由于滤波器的增益矩阵与观测无关，因此它可预先离线算出，从而可以减少实时在线计算量。

在求滤波器增益矩阵时，要求一个矩阵的逆，它的阶数只取决于观测方程的维数，而该维数通常很小，这样，求逆运算是比较方便的。

另外，在求解滤波器增益的过程中，随时可以算出滤波器的精度指标P，其对角线上的元素就是滤波误差向量各分量的方差。

Kalman滤波的应用领域一般地，只要跟时间序列和高斯白噪声有关或者能建立类似的模型的系统，都可以利用Kalman滤波来处理噪声问题，都可以用其来预测、滤波。

Kalman滤波主要应用领域有以下几个方面。

（1）导航制导、目标定位和跟踪领域。

（2）通信与信号处理、数字图像处理、语音信号处理。

（3）天气预报、地震预报。

（4）地质勘探、矿物开采。

（5）故障诊断、检测。

（6）证券股票市场预测。

具体事例：（1）Kalman滤波在温度测量中的应用；（2）Kalman滤波在自由落体运动目标跟踪中的应用；（3）Kalman滤波在船舶GPS导航定位系统中的应用；（4）Kalman滤波在石油地震勘探中的应用；（5）Kalman滤波在视频图像目标跟踪中的应用；。

卡尔曼滤波(Kalman Filter)原理与公式推导

一、背景---卡尔曼滤波的意义随着传感技术、机器人、自动驾驶以及航空航天等技术的不断发展，对控制系统的精度及稳定性的要求也越来越高。

卡尔曼滤波作为一种状态最优估计的方法，其应用也越来越普遍，如在无人机、机器人等领域均得到了广泛应用。

对于Kalman Filter的理解，用过的都知道“黄金五条”公式，且通过“预测”与“更新”两个过程来对系统的状态进行最优估计，但完整的推导过程却不一定能写出来，希望通过此文能对卡尔曼滤波的原理及状态估计算法有更一步的理解。

二、卡尔曼滤波的基本模型假设一离散线性动态系统的模型如下所示：x_{k} = A*x_{k-1} + B*u_{k} + w_{k-1}-------(1)z_{k} = H*x_{k} + v_{k} --------------------(2)其中，各变量表征的意义为：———————————————————————————x_{k}\Rightarrow 系统状态矩阵，-------， z_{k}\Rightarrow 状态阵的观测量（实测）A\Rightarrow 状态转移矩阵，-------， B\Rightarrow 控制输入矩阵H\Rightarrow 状态观测矩阵w_{k-1}\Rightarrow 过程噪声，-------，v_{k}\Rightarrow 测量噪声———————————————————————————如果大家学过《现代控制理论》的话，对上述模型的描述形式一定不会陌生，只是多了变量 w_{k-1} 与 v_{k} 。

其中，随机变量w_{k-1} 代表过程噪声（process noise）， v_{k} 代表测量噪声（measurement noise），且为高斯白噪声，协方差分别为 Q 和 R ，即 p(w) \in N(0,Q) ， p(v) \in N(0,R) 。

为什么要引入这两个变量呢？对于大多数实际的控制系统（如倒立摆系统）而言，它并不是一个严格的线性时变系统(Linear Time System)，亦或系统结构参数的不确定性，导致估计的状态值x_{k} 存在偏差，而这个偏差值由过程噪声 w_{k} 来表征。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

kalman滤波器
一．什么是卡尔曼滤波器
卡尔曼全名Rudolf Emil Kalman，匈牙利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯, 我们现在要学习的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》（线性滤波与预测问题的新方法）。

二.卡尔曼滤波器算法的介绍
以下是卡尔曼滤波器核心的5个式子。

X(k|k-1)=A X(k-1|k-1)+B U(k) ………(1)由（K-1）时刻的最优值X(k-1|k-1)得出K 时刻系统的预测值X(k|k-1)，U(k)为控制量。

三．卡尔曼滤波的Matlab仿真
源程序如下：
clear
clc;
N=600;%采样点的个数
CON=25;%室内温度的理论值
x=zeros(1,N);%用来记录温度的最优化估算值
y=randn(1,N)+CON;%温度计的观测值，其中叠加了噪声
x(1)=20;%为x(k)赋初值
p(1)=2;%x(1)对应的协方差
Q=cov(randn(1,N));%过程噪声的协方差
R=cov(randn(1,N));%测量噪声的协方差
for k=2:N%循环里面是卡尔曼滤波的具体过程
x(k)=x(k-1);
p(k)=p(k-1)+Q;
Kg(k)=p(k)/(p(k)+R);%Kg为Kalman Gain,卡尔曼增益
x(k)=x(k)+Kg(k)*(y(k)-x(k));
p(k)=(1-Kg(k))*p(k);
end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%这个模块起到平滑滤波作用
Filter_Width=10;%滤波器带宽
Smooth_Result=zeros(1,N);%用来存放滤波后的各个采样点的值
for i=Filter_Width+1:N
Temp_Sum=0;
for j=i-Filter_Width:(i-1)
Temp_Sum=x(j)+Temp_Sum;
end
Smooth_Result(i)=Temp_Sum/Filter_Width;%每一个点的采样值等于这个点之前的filter_width长度的采样点的平均值
end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
t=1:N;
figure('Name','Kalman Filter Simulation','NumberTitle','off');
expected_Value=zeros(1,N);
for i=1:N
expected_Value(i)=CON;
end
plot(t,expected_Value,'-b',t,y,'-g',t,x,'-k',t,Smooth_Result,'-m');%依次输出理论值，叠加测量噪声的温度计测量值，
legend('expected','measure','estimate','smooth result'); %经过kalman 滤波后的最优化估算值，平滑滤波后的输出值
xlabel('sample time');
ylabel('temperature');
title('Kalman Filter Simulation');。