滤波笔记一：卡尔曼滤波（Kalman Filtering）详解
本笔记是总结了B站DR_CAN的卡尔曼滤波器的课程，他的B站主页为：DR_CAN的个人空间_哔哩哔哩_bilibili
PS:虽然我不是学自控的，但是老师真的讲的很好！
一个补充的参考链接，能够帮助进一步了解Q、R对这个实验的影响：
目录
Lesson2 数学基础_数据融合_协方差矩阵_状态空间方程
Lesson1 递归算法
Lesson2 数学基础_数据融合_协方差矩阵_状态空间方程
Lesson3 卡尔曼增益的详细推导
Lesson4 误差的协方差矩阵Pe的数学推导
Lesson5 直观理解卡尔曼滤波以及一个实例
下面具体看一下，之前反复提到过：如果模型计算误差Wk小，最终的估计值就更偏向计算值；
如果测量误差Vk小，最终的估计值就更偏向于测量值。
而在这个示例中，Wk/Vk的偏差是以其协方差矩阵来反映的（主对角线是方差）。
当计算误差Wk大于测量误差Vk时
Wk的协方差矩阵为Q，Vk的协方差矩阵为R:
结果图：
结果分析：
真实的实际速度是蓝色曲线，最终的估计速度即为后验估计速度，是黄色曲线。对比它们之间的偏差能够看出估计值与实际值之间的误差，从而判断算法的准确度。
在最优化方法中我们知道：最优估计有不同的准则，比如：最小二乘估计、最小方差估计、极大后验估计等等。具体内容不赘述。
我们要知道，如果没有不确定性（即Wk和Vk）,那么估计值就是实际值（精准估计）。
卡尔曼滤波中采用的就是使得误差的方差最小为最优估计准则：因为如果后验估计值和真实值越接近，那么误差ek的变化就很小，即误差ek的方差很小。
进一步推导，考虑到误差ek会有很多不同的分量（因为状态量不同，比如说此例子中就是有状态量X1表示位置，状态量X2表示速度，那么它们就分别有误差e1和e2）。要使得总误差方差最小，那么误差各个分量的方差之和加起来就要最小。而“误差各分量的方差之和”正好是误差的协方差矩阵的主对角线之和——迹。
故此我们引入了Wk的协方差矩阵为Q，Vk的协方差矩阵为R。然后其方差越大时，说明误差越大，即越不可以相信。所以此处计算误差较大，可以看到先验估计速度（灰色）偏离实际速度（蓝色）的程度要大于测量速度（红色）偏离实际速度（蓝色的程度）。
所以最后的估计值——后验估计速度（黄色）曲线也是更为接近测量速度（红色）曲线。
一种通俗的理解方式就是：建模计算值和测量值都是不准确的，两者的不准确程度分别以计算误差的方差和测量误差的方差来衡量，方差越大越不可以相信。在两个不准确的值的基础上尽量准确估计，就是谁方差越小，越相信谁，越靠近谁。
当计算误差Wk小于测量误差Vk时
结果分析：
由于此时测量误差的方差较大，导致测量值很不可信，其变化的程度可以看到也很离谱。但是由于后验估计值（黄色）更为依赖模型计算值（灰色），所以后验估计值也没离实际值（蓝色）太远。
而这，正是卡尔曼滤波的作用：在不准确之中得到最准确的估计值。
本例的python代码
源代码来源：B站用户东爱北的GitHubhttps://github.com/liuchangji/2D-Kalman-Filter-Example_Dr_CAN_in_python
我对其中的源码做了注释，以及对一个小错误进行了修改（产生符合高斯分布的变量时，scale输入的应该是标准差，而协方差矩阵里面主对角线上面是方差，所以要开根号，要注意开完根号要保证其类型仍为np.float）
import numpy as npimport mathimport matplotlib.pyplot as pltplt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] #用来正常显示中文标签plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False #用来正常显示负号#定义一个产生符合高斯分布的函数,均值为loc=0.0,标准差为scale=sigma,输出的大小为sizedef gaussian_distribution_generator(sigma): return np.random.normal(loc=0.0,scale=sigma,size=None)# 状态转移矩阵，上一时刻的状态转移到当前时刻A = np.array([[1,1],[0,1]])# 过程噪声w协方差矩阵Q，P(w)~N(0,Q)，噪声来自真实世界中的不确定性Q = np.array([[0.01,0],[0,0.01]])# 测量噪声协方差矩阵R，P(v)~N(0,R)，噪声来自测量过程的误差R = np.array([[1,0],[0,1]])# 传输矩阵/状态观测矩阵HH = np.array([[1,0],[0,1]])# 控制输入矩阵BB = None# 初始位置和速度X0 = np.array([[0],[1]])# 状态估计协方差矩阵P初始化P =np.array([[1,0],[0,1]])if __name__ == "__main__": #---------------------初始化----------------------------- #真实值初始化 这里还要再写一遍np.array是保证它的类型是数组array X_true = np.array(X0) #后验估计值Xk的初始化 X_posterior = np.array(X0) #第k次误差的协方差矩阵的初始化 P_posterior = np.array(P) #创建状态变量的真实值的矩阵 状态变量1：速度 状态变量2：位置 speed_true = [] position_true = [] #创建测量值矩阵 speed_measure = [] position_measure = [] #创建状态变量的先验估计值 speed_prior_est = [] position_prior_est = [] #创建状态变量的后验估计值 speed_posterior_est = [] position_posterior_est = [] #---------------------循环迭代----------------------------- #设置迭代次数为30次 for i in range(30): #--------------------建模真实值----------------------------- # 生成过程噪声w w=[w1,w2].T(列向量) # Q[0,0]是过程噪声w的协方差矩阵的第一行第一列，即w1的方差，Q[1,1]是协方差矩阵的第二行第二列，即为w2的方差 # python的np.random.normal(loc,scale,size)函数中scale输入的是标准差，所以要开方 Q_sigma = np.array([[math.sqrt(Q[0,0]),Q[0,1]],[Q[1,0],math.sqrt(Q[1,1])]]) w = np.array([[gaussian_distribution_generator(Q_sigma[0, 0])], [gaussian_distribution_generator(Q_sigma[1, 1])]]) # print('00',Q[0,0],'它的类型是',type(Q[0,0])) # print('开根号的00', Q_sigma[0, 0], '它的类型是', type(Q_sigma[0, 0])) # print('00的平方根',math.sqrt(Q[0,0]),"它的类型是",type(math.sqrt(Q[0,0]))) # print('w[',i,']=',w) # 真实值X_true 得到当前时刻的状态;之前我一直在想它怎么完成从Xk-1到Xk的更新，实际上在代码里面直接做迭代就行了，这里是不涉及数组下标的！！！ #dot函数用于矩阵乘法，对于二维数组，它计算的是矩阵乘积 X_true = np.dot(A, X_true) + w # 速度的真实值是speed_true 使用append函数可以把每一次循环中产生的拼接在一起，形成一个新的数组speed_true speed_true.append(X_true[1,0]) position_true.append(X_true[0,0]) #print(speed_true) # --------------------生成观测值----------------------------- # 生成过程噪声 R_sigma = np.array([[math.sqrt(R[0,0]),R[0,1]],[R[1,0],math.sqrt(R[1,1])]]) v = np.array([[gaussian_distribution_generator(R_sigma[0,0])],[gaussian_distribution_generator(R_sigma[1,1])]]) # 生成观测值Z_measure 取H为单位阵 Z_measure = np.dot(H, X_true) + v speed_measure.append(Z_measure[1,0]), position_measure.append(Z_measure[0,0]) # --------------------进行先验估计----------------------------- # 开始时间更新 # step1:基于k-1时刻的后验估计值X_posterior建模预测k时刻的系统状态先验估计值X_prior # 此时模型控制输入U=0 X_prior = np.dot(A, X_posterior) # 把k时刻先验预测值赋给两个状态分量的先验预测值 speed_prior_est = X_prior[1,0];position_prior_est=X_prior[0,0] # 再利用append函数把每次循环迭代后的分量值拼接成一个完整的数组 speed_prior_est.append(X_prior[1,0]) position_prior_est.append(X_prior[0,0]) # step2:基于k-1时刻的误差ek-1的协方差矩阵P_posterior和过程噪声w的协方差矩阵Q 预测k时刻的误差的协方差矩阵的先验估计值 P_prior P_prior_1 = np.dot(A, P_posterior) P_prior = np.dot(P_prior_1, A.T) + Q # --------------------进行状态更新----------------------------- # step3:计算k时刻的卡尔曼增益K k1 = np.dot(P_prior, H.T) k2 = np.dot(H, k1) + R #k3 = np.dot(np.dot(H, P_prior), H.T) + R k2和k3是两种写法，都可以 K = np.dot(k1, np.linalg.inv(k2)) # step4:利用卡尔曼增益K 进行校正更新状态，得到k时刻的后验状态估计值 X_posterior X_posterior_1 = Z_measure -np.dot(H, X_prior) X_posterior = X_prior + np.dot(K, X_posterior_1) # 把k时刻后验预测值赋给两个状态分量的后验预测值 speed_posterior_est = X_posterior[1,0];position_posterior_est = X_posterior[0,0] speed_posterior_est.append(X_posterior[1,0]) position_posterior_est.append(X_posterior[0,0]) # step5:更新k时刻的误差的协方差矩阵 为估计k+1时刻的最优值做准备 P_posterior_1 = np.eye(2) - np.dot(K, H) P_posterior = np.dot(P_posterior_1, P_prior) # ---------------------再从step5回到step1 其实全程只要搞清先验后验 k的自增是隐藏在循环的过程中的 然后用分量speed和position的append去记录每一次循环的结果----------------------------- # 可视化显示 画出速度比较和位置比较 if True: # 画出1行2列的多子图 fig, axs = plt.subplots(1,2) #速度 axs[0].plot(speed_true,"-",color="blue",label="速度真实值",linewidth="1") axs[0].plot(speed_measure,"-",color="grey",label="速度测量值",linewidth="1") axs[0].plot(speed_prior_est,"-",color="green",label="速度先验估计值",linewidth="1") axs[0].plot(speed_posterior_est,"-",color="red",label="速度后验估计值",linewidth="1") axs[0].set_title("speed") axs[0].set_xlabel('k') axs[0].legend(loc = 'upper left') #位置 axs[1].plot(position_true,"-",color="blue",label="位置真实值",linewidth="1") axs[1].plot(position_measure,"-",color="grey",label="位置测量值",linewidth="1") axs[1].plot(position_prior_est,"-",color="green",label="位置先验估计值",linewidth="1") axs[1].plot(position_posterior_est,"-",color="red",label="位置后验估计值",linewidth="1") axs[1].set_title("position") axs[1].set_xlabel('k') axs[1].legend(loc = 'upper left') # 调整每个子图之间的距离 plt.tight_layout() plt.figure(figsize=(60, 40)) plt.show()结果图1（迭代30次）：
图2（迭代60次）：
图1结果分析：
本次实例中，取了过程噪声的协方差矩阵为Q=[0.01,0;0,0.01]，即过程噪声的方差为0.01。取了测量噪声的协方差矩阵为R=[1,0;0,1]，即测量噪声的方差为1。根据最小方差估计准则，此时过程噪声方差小于测量噪声的误差，则先验估计值比测量值更可靠。
我们看图：
在速度的分析图中，明显看到速度测量值（灰色）偏离速度真实值（蓝色）的程度大于速度先验估计值（绿色）偏离速度真实值（蓝色）的程度，而经过卡尔曼滤波之后，后验估计值（红色）并没有非常偏离真实值（蓝色）。这就是因为此时卡尔曼滤波更为相信先验估计值。
位置分析同理。
突然想到一个问题：如何确定卡尔曼滤波要迭代多少次呢？
网上说不一定是迭代越多次越准确，由于采用最小方差估计准则，所以我想到了去看误差ek的协方差矩阵的迹，迹越小越好（误差分量的方差之和越小）。然后我又加了几行代码：
# 创建误差的协方差矩阵的迹 tr_P_posterior = []# 误差的协方差矩阵的迹，迹越小说明估计越准确 # print('ek1的方差:',P_posterior[0,0],'ek2的方差',P_posterior[1,1]) tr_P_posterior.append(P_posterior[0,0]+P_posterior[1,1]) #误差的协方差的迹 axs[2].plot(tr_P_posterior,"-",color="blue",label="误差的迹",linewidth="1")60次迭代的图：
可以看到，基本上在20次左右，误差的迹就已经收敛至min值了。
于是我把迭代次数调整成20次：
可以看到，大约在十几次的时候，误差的迹就收敛至极限值（约为0.38左右）
那么就是说，刚开始迭代时，卡尔曼滤波器的误差还是挺大的（方差之和大约为1） ，随着迭代的进行，滤波器误差逐步减少至最低点，此后的误差维持在这个点（误差无法完全消除，只存在最小误差），即预测精度达到最优值。
总结一下
1.算法迭代的五个步骤
2.算法的python代码实现
我自己从头开始写的时候最难受的点应该就是因为太久不碰后端，逻辑上会很卡，然后忘记了append函数的作用，搞得我一直在纠结怎么从k-1时刻更新到k时刻，在想是不是要对矩阵做下标的更新什么的，循环迭代这里卡了很久。还有就是对状态变量、先验估计量、后验估计量、协方差矩阵的先验估计量和后验估计量以及它们之间的关系、它们与时刻k、k-1之间的关系不熟。
其实在代码中，我们看一下这五个公式，对于当前时刻k：
step1中的（k-1）时刻的后验估计就是上一次step4估计得到的结果,它们是同一个变量X_posterior；
step2中的 Pk-1就是上一次step5计算得到的结果，它们是同一个变量P_posterior;
step3中的Pk先验，就是本次的step2计算得到的结果，它们是同一个变量P_prior；
step4中的Xk先验，就是本次的step1计算得到的结果，它们是同一个变量X_prior；
其次就是，我们要画图表示出速度、位置的迭代变化，就需要记录下每一次迭代产生的速度值和变量值，然后对它们进行可视化。
最后就是，如果你对先验、后验、时刻搞不清，用英文写清楚变量意思！！不要光贪图简洁！
来源地址：https://blog.csdn.net/ouok000/article/details/125578636
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