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状态空间模型与卡尔曼滤波.pdf

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状状态态空空间间模模型型与与卡卡尔尔曼曼滤滤波波深深度度解解析析

一一、、状状态态空空间间模模型型的的基基本本概概念念

状态空间模型(StateSpaceModel)是现代控制理和信号处理领域的核心数学框架,用于描述动态系统的演化规律和观测

过程。它将系统的内部状态与外部输入、输出联系起来,为动态系统的建模、预测和控制提供了统一的理基础。

1.1模模型型的的数数学学形形式式

状态空间模型由两个核心方程构成:

状态方程(系统方程):[\mathbf{x}t=f(\mathbf{x}_t)]其中:(\mathbf{x}_t\in\mathbb{R}^n)表示t时刻的系统状态向量

(\mathbf{u}_t\in\mathbb{R}^m)是系统输入(控制量)(\mathbf{w}_t)是过程噪声(系统噪声)(f(\cdot))是状态转移函数},

\mathbf{u}_t,\mathbf{w

观测方程(量测方程):[\mathbf{}_t=h(\mathbf{x}_t,\mathbf{v}_t)]其中:(\mathbf{}_t\in\mathbb{R}^p)是观测向量

(\mathbf{v}_t)是观测噪声(h(\cdot))是观测函数

1.2线线性性与与非非线线性性模模型型

当状态转移函数和观测函数均为线性时,模型可以简化为:[\begin{aligned}\mathbf{x}t=\mathbf{F}_t\mathbf{x}_t\

\mathbf{}_t=\mathbf{H}_t\mathbf{x}_t+\mathbf{v}_t\end{aligned}]其中:(\mathbf{F}_t)是状态转移矩阵(\mathbf{B}_t)是控

制输入矩阵(\mathbf{H}_t)是观测矩阵}+\mathbf{B}_t\mathbf{u}_t+\mathbf{w

非线性模型常见于实际系统中,如:机器人运动学模型飞行器姿态动力学复杂环境下的目标跟踪

1.3噪噪声声特特性性假假设设

通常假设过程噪声和观测噪声满足:零均值高斯分布:(\mathbf{w}_t\sim\mathcal{N}(0,\mathbf{Q}_t)),(\mathbf{v}_t\sim

\mathcal{N}(0,\mathbf{R}_t))时间独立性:不同时刻的噪声相互独立噪声之间的独立性:过程噪声与观测噪声互不相关

二二、、卡卡尔尔曼曼滤滤波波原原理理与与推推导导

2.1滤滤波波问问题题本本质质

卡尔曼滤波要解决的核心问题是:在存在噪声干扰的观测数据中,如何最优地估计系统的真实状态。这需要同时处理两个矛

盾:1.系统动态模型提供的先验信息2.观测数据提供的后验信息

2.2算算法法框框架架

卡尔曼滤波通过递归方式进行状态估计,包含两个主要阶段:

预测阶段(时间更新):基于前一时刻的估计值预测当前状态同时预测估计误差的协方差

更新阶段(量测更新):利用新获得的观测数据修正预测值计算最优的卡尔曼增益以平衡模型预测与观测数据

2.3详详细细推推导导过过程程

考虑线性高斯系统,推导步骤如下:

1.先验状态预测:[\hat{\mathbf{x}}{t|t-1}=\mathbf{F}_t\hat{\mathbf{x}}_t]}+\mathbf{B}_t\mathbf{u

2.先验协方差预测:[\mathbf{P}{t|t-1}=\mathbf{F}_t\mathbf{P}_t]}\mathbf{F}_t^\top+\mathbf{Q

3.卡尔曼增益计算:[\mathbf{K}t=\mathbf{P}}\mathbf{Ht^\top(\mathbf{H}_t\mathbf{P}]}\mathbf{H}_t^\top+

\mathbf{R}_t)^{-1

4.后验状态更新:[\hat{\mathbf{x}}{t|t}=\hat{\mathbf{x}}}+\mathbf{Kt(\mathbf{z}_t\mathbf{H}_t\hat{\mathbf{x}})]

5.后验协方差更新:[\mathbf{P}{t|t}=(\mathbf{I}\mathbf{K}_t\mathbf{H}_t)\mathbf{P}]

2.4卡卡尔尔曼曼增增益益的的物物理理意意义义

卡尔曼增益(\mathbf{K}_t)

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