现设线性时变系统的离散状态方程和观测方程
上传者:康涛|上传时间:2015-05-07|密次下载
现设线性时变系统的离散状态方程和观测方程
现设线性时变系统的离散状态方程和观测方程为:
X(k) = F(k,k-1)·X(k-1)+T(k,k-1)·U(k-1)
Y(k) = H(k)·X(k)+N(k)
其中
X(k)和Y(k)分别是k时刻的状态矢量和观测矢量
F(k,k-1)为状态转移矩阵
U(k)为k时刻动态噪声
T(k,k-1)为系统控制矩阵
H(k)为k时刻观测矩阵
N(k)为k时刻观测噪声
则卡尔曼滤波的算法流程为:
预估计X(k)^= F(k,k-1)·X(k-1)
计算预估计协方差矩阵
C(k)^=F(k,k-1)×C(k)×F(k,k-1)'+T(k,k-1)×Q(k)×T(k,k-1)'
Q(k) = U(k)×U(k)'
计算卡尔曼增益矩阵
K(k) = C(k)^×H(k)'×[H(k)×C(k)^×H(k)'+R(k)]^(-1)
R(k) = N(k)×N(k)'
更新估计
X(k)~=X(k)^+K(k)×[Y(k)-H(k)×X(k)^]
计算更新后估计协防差矩阵
C(k)~ = [I-K(k)×H(k)]×C(k)^×[I-K(k)×H(k)]'+K(k)×R(k)×K(k)'
X(k+1) = X(k)~
C(k+1) = C(k)~
重复以上步骤
**********************************************
Matlab实现代码
*********************************************************************************************************************************
%%%% Constant Velocity Model Kalman Filter Simulation %%%%
%==========================================================================
clear all; close all; clc;
%% Initial condition
ts = 1; % Sampling time
t = [0:ts:100];
T = length(t);
%% Initial state
x = [0 40 0 20]';
x_hat = [0 0 0 0]';
%% Process noise covariance
q = 5
Q = q*eye(2);
%% Measurement noise covariance
r = 5
R = r*eye(2);
%% Process and measurement noise
w = sqrt(Q)*randn(2,T); % Process noise
v = sqrt(R)*randn(2,T); % Measurement noise
%% Estimate error covariance initialization
p = 5;
P(:,:,1) = p*eye(4);
%==========================================================================
%% Continuous-time state space model
%{
x_dot(t) = Ax(t)+Bu(t)
z(t) = Cx(t)+Dn(t)
%}
A = [0 1 0 0;
0 0 0 0;
0 0 0 1;
0 0 0 0];
B = [0 0;
1 0;
0 0;
0 1];
C = [1 0 0 0;
0 0 1 0];
D = [1 0;
0 1];
%% Discrete-time state space model
%{
x(k+1) = Fx(k)+Gw(k)
z(k) = Hx(k)+Iv(k)
Continuous to discrete form by zoh
%}
sysc = ss(A,B,C,D);
sysd = c2d(sysc, ts, 'zoh');
[F G H I] = ssdata(sysd);
%% Practice state of target
for i = 1:T-1
x(:,i+1) = F*x(:,i);
%% Prediction phase
x_hat(:,i+1) = F*x_hat(:,i);
% State estimate predict
P(:,:,i+1) = F*P(:,:,i)*F'+G*Q*G';
% Tracking error covariance predict
P_predicted(:,:,i+1) = P(:,:,i+1);
%% Kalman gain
K = P(:,:,i+1)*H'*inv(H*P(:,:,i+1)*H'+R);
%% Updata step
x_hat(:,i+1) = x_hat(:,i+1)+K*(z(:,i+1)-H*x_hat(:,i+1)); % State estimate update
P(:,:,i+1) = P(:,:,i+1)-K*H*P(:,:,i+1); % Tracking error covariance update
P_updated(:,:,i+1) = P(:,:,i+1);
end
%==========================================================================
%% Estimate error
x_error = x-x_hat;
%% Graph 1 practical and tracking position
figure(1)
plot(x(1,:),x(3,:),'r');
hold on;
plot(x_hat(1,:),x_hat(3,:),'g.');
title('2D Target Position')
legend('Practical Position','Tracking Position')
xlabel('X axis [m]')
ylabel('Y axis [m]')
hold off;
%% Graph 2
figure(2)
plot(t,x(1,:)),grid on;
hold on;
plot(t,x_hat(1,:),'r'),grid on;
title('Practical and Tracking Position on X axis')
legend('Practical Position','Tracking Position')
xlabel('Time [sec]')
ylabel('Position [m]')
hold off;
%% Graph 3
figure(3)
plot(t,x_error(1,:)),grid on;
title('Position Error on X axis')
xlabel('Time [sec]')
ylabel('Position RMSE [m]')
hold off;
%% Graph 4
figure(4)
plot(t,x(2,:)),grid on;
hold on;
plot(t,x_hat(2,:),'r'),grid on;
title('Practical and Tracking Velocity on X axis')
legend('Practical Velocity','Tracking Velocity')
xlabel('Time [sec]')
ylabel('Velocity [m/sec]')
hold off;
%% Graph 5
figure(5)
plot(t,x_error(2,:)),grid on;
title('Velocity Error on X axis')
xlabel('Time [sec]')
ylabel('Velocity RMSE [m/sec]')
hold off;
%==========================================================================
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