扩展卡尔曼滤波

mxleader / 2023-04-29 / 原文

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用于估计系统的状态,比如机器人的位姿、速度等信息,从而实现自主导航和控制

扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)是卡尔曼滤波的一种扩展形式,主要用于非线性系统的状态估计。与标准卡尔曼滤波不同的是,EKF使用非线性函数来预测和更新状态变量,因此需要通过一定的线性化处理来近似估计非线性函数的导数,以便于卡尔曼滤波的计算。

EKF的主要思路是将非线性系统模型用线性化的方式来处理。具体来说,EKF将非线性的动力学和测量方程在估计点处进行一阶泰勒展开,得到线性近似模型。然后使用卡尔曼滤波的方法对线性近似模型进行处理,得到对状态变量的最优估计。

EKF的步骤如下:

  1. 根据非线性系统的动力学方程和测量方程,计算出预测状态和预测协方差矩阵。

  2. 对非线性函数进行泰勒展开,得到其在预测状态处的一阶导数,从而得到近似线性的状态转移矩阵和测量矩阵。

  3. 利用线性近似模型,使用卡尔曼滤波的方法进行状态更新,得到最优状态估计和最优协方差矩阵。

  4. 重复进行预测和更新步骤,得到连续的状态估计和协方差矩阵。

相对于标准的卡尔曼滤波,EKF可以更好地处理非线性系统,并且具有较好的估计精度。但是,EKF在处理高度非线性的系统时,由于线性化误差的累积,可能会导致估计的不准确,因此需要一定的经验和技巧来选择合适的状态变量和观测变量,以及合适的线性化方法,以确保EKF的正确性和稳定性。