嵌入式开发 发表于 2014-1-1 16:56:13

卡尔曼滤波简介+ 算法实现代码

最佳线性滤波理论起源于40年代美国科学家Wiener和前苏联科学家Kолмогоров等人的研究工作,后人统称为维纳滤波理论。从理论上说,维纳滤波的最大缺点是必须用到无限过去的数据,不适用于实时处理。为了克服这一缺点,60年代Kalman把状态空间模型引入滤波理论,并导出了一套递推估计算法,后人称之为卡尔曼滤波理论。卡尔曼滤波是以最小均方误差为估计的最佳准则,来寻求一套递推估计的算法,其基本思想是:采用信号与噪声的状态空间模型,利用前一时刻地估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计,求出现时刻的估计值。它适合于实时处理和计算机运算。


现设线性时变系统的离散状态防城和观测方程为:


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)'×^(-1)
R(k) = N(k)×N(k)'
更新估计
X(k)~=X(k)^+K(k)×
计算更新后估计协防差矩阵
C(k)~ = ×C(k)^×'+K(k)×R(k)×K(k)'
X(k+1) = X(k)~
C(k+1) = C(k)~
重复以上步骤
其c语言实现代码如下:

#include "stdlib.h"
#include "rinv.c"
int lman(n,m,k,f,q,r,h,y,x,p,g)
int n,m,k;
double f[],q[],r[],h[],y[],x[],p[],g[];
{ int i,j,kk,ii,l,jj,js;
    double *e,*a,*b;
    e=malloc(m*m*sizeof(double));
    l=m;
    if (l<n) l=n;
    a=malloc(l*l*sizeof(double));
    b=malloc(l*l*sizeof(double));
    for (i=0; i<=n-1; i++)
      for (j=0; j<=n-1; j++)
      { ii=i*l+j; a=0.0;
          for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
            a=a+p*f;
      }
    for (i=0; i<=n-1; i++)
      for (j=0; j<=n-1; j++)
      { ii=i*n+j; p=q;
          for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
            p=p+f*a;
      }
    for (ii=2; ii<=k; ii++)
      { for (i=0; i<=n-1; i++)
      for (j=0; j<=m-1; j++)
          { jj=i*l+j; a=0.0;
            for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
            a=a+p*h;
          }
      for (i=0; i<=m-1; i++)
      for (j=0; j<=m-1; j++)
          { jj=i*m+j; e=r;
            for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
            e=e+h*a;
          }
      js=rinv(e,m);
      if (js==0)
          { free(e); free(a); free(b); return(js);}
      for (i=0; i<=n-1; i++)
      for (j=0; j<=m-1; j++)
          { jj=i*m+j; g=0.0;
            for (kk=0; kk<=m-1; kk++)
            g=g+a*e;
          }
      for (i=0; i<=n-1; i++)
          { jj=(ii-1)*n+i; x=0.0;
            for (j=0; j<=n-1; j++)
            x=x+f*x[(ii-2)*n+j];
          }
      for (i=0; i<=m-1; i++)
          { jj=i*l; b=y[(ii-1)*m+i];
            for (j=0; j<=n-1; j++)
            b=b-h*x[(ii-1)*n+j];
          }
      for (i=0; i<=n-1; i++)
          { jj=(ii-1)*n+i;
            for (j=0; j<=m-1; j++)
            x=x+g*b;
          }
      if (ii<k)
          { for (i=0; i<=n-1; i++)
            for (j=0; j<=n-1; j++)
            { jj=i*l+j; a=0.0;
                for (kk=0; kk<=m-1; kk++)
                  a=a-g*h;
                if (i==j) a=1.0+a;
            }
            for (i=0; i<=n-1; i++)
            for (j=0; j<=n-1; j++)
            { jj=i*l+j; b=0.0;
                for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
                  b=b+a*p;
            }
            for (i=0; i<=n-1; i++)
            for (j=0; j<=n-1; j++)
            { jj=i*l+j; a=0.0;
                for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
                  a=a+b*f;
            }
            for (i=0; i<=n-1; i++)
            for (j=0; j<=n-1; j++)
            { jj=i*n+j; p=q;
                for (kk=0; kk<=n-1; kk++)
                  p=p+f*a;
            }
          }
      }
    free(e); free(a); free(b);
    return(js);
}
C++实现代码如下:
============================kalman.h================================
// kalman.h: interface for the kalman class.
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////
#if !defined(AFX_KALMAN_H__ED3D740F_01D2_4616_8B74_8BF57636F2C0__INCLUDED_)
#define AFX_KALMAN_H__ED3D740F_01D2_4616_8B74_8BF57636F2C0__INCLUDED_
#if _MSC_VER > 1000
#pragma once
#endif // _MSC_VER > 1000
#include <math.h>
#include "cv.h"


class kalman
{
public:
void init_kalman(int x,int xv,int y,int yv);
CvKalman* cvkalman;
CvMat* state;
CvMat* process_noise;
CvMat* measurement;
const CvMat* prediction;
CvPoint2D32f get_predict(float x, float y);
kalman(int x=0,int xv=0,int y=0,int yv=0);
//virtual ~kalman();

};
#endif // !defined(AFX_KALMAN_H__ED3D740F_01D2_4616_8B74_8BF57636F2C0__INCLUDED_)

============================kalman.cpp================================
#include "kalman.h"
#include <stdio.h>

/* tester de printer toutes les valeurs des vecteurs*/
/* tester de changer les matrices du noises */
/* replace state by cvkalman->state_post ??? */

CvRandState rng;
const double T = 0.1;
kalman::kalman(int x,int xv,int y,int yv)
{   
    cvkalman = cvCreateKalman( 4, 4, 0 );
    state = cvCreateMat( 4, 1, CV_32FC1 );
    process_noise = cvCreateMat( 4, 1, CV_32FC1 );
    measurement = cvCreateMat( 4, 1, CV_32FC1 );
    int code = -1;
   
    /* create matrix data */
   const float A[] = {
   1, T, 0, 0,
   0, 1, 0, 0,
   0, 0, 1, T,
   0, 0, 0, 1
};
   
   const float H[] = {
    1, 0, 0, 0,
    0, 0, 0, 0,
   0, 0, 1, 0,
   0, 0, 0, 0
};
      
   const float P[] = {
    pow(320,2), pow(320,2)/T, 0, 0,
   pow(320,2)/T, pow(320,2)/pow(T,2), 0, 0,
   0, 0, pow(240,2), pow(240,2)/T,
   0, 0, pow(240,2)/T, pow(240,2)/pow(T,2)
    };
   const float Q[] = {
   pow(T,3)/3, pow(T,2)/2, 0, 0,
   pow(T,2)/2, T, 0, 0,
   0, 0, pow(T,3)/3, pow(T,2)/2,
   0, 0, pow(T,2)/2, T
   };
   
   const float R[] = {
   1, 0, 0, 0,
   0, 0, 0, 0,
   0, 0, 1, 0,
   0, 0, 0, 0
   };
   
   
    cvRandInit( &rng, 0, 1, -1, CV_RAND_UNI );
    cvZero( measurement );
   
    cvRandSetRange( &rng, 0, 0.1, 0 );
    rng.disttype = CV_RAND_NORMAL;
    cvRand( &rng, state );
    memcpy( cvkalman->transition_matrix->data.fl, A, sizeof(A));
    memcpy( cvkalman->measurement_matrix->data.fl, H, sizeof(H));
    memcpy( cvkalman->process_noise_cov->data.fl, Q, sizeof(Q));
    memcpy( cvkalman->error_cov_post->data.fl, P, sizeof(P));
    memcpy( cvkalman->measurement_noise_cov->data.fl, R, sizeof(R));
    //cvSetIdentity( cvkalman->process_noise_cov, cvRealScalar(1e-5) );   
    //cvSetIdentity( cvkalman->error_cov_post, cvRealScalar(1));
//cvSetIdentity( cvkalman->measurement_noise_cov, cvRealScalar(1e-1) );
    /* choose initial state */
    state->data.fl=x;
    state->data.fl=xv;
    state->data.fl=y;
    state->data.fl=yv;
    cvkalman->state_post->data.fl=x;
    cvkalman->state_post->data.fl=xv;
    cvkalman->state_post->data.fl=y;
    cvkalman->state_post->data.fl=yv;
cvRandSetRange( &rng, 0, sqrt(cvkalman->process_noise_cov->data.fl), 0 );
    cvRand( &rng, process_noise );

    }
   
CvPoint2D32f kalman::get_predict(float x, float y){
   
    /* update state with current position */
    state->data.fl=x;
    state->data.fl=y;
   
    /* predict point position */
    /* x'k=A鈥k+B鈥k
       P'k=A鈥k-1*AT + Q */
    cvRandSetRange( &rng, 0, sqrt(cvkalman->measurement_noise_cov->data.fl), 0 );
    cvRand( &rng, measurement );
   
   /* xk=A?xk-1+B?uk+wk */
    cvMatMulAdd( cvkalman->transition_matrix, state, process_noise, cvkalman->state_post );
   
    /* zk=H?xk+vk */
    cvMatMulAdd( cvkalman->measurement_matrix, cvkalman->state_post, measurement, measurement );
   
    /* adjust Kalman filter state */
    /* Kk=P'k鈥T鈥?H鈥'k鈥T+R)-1
       xk=x'k+Kk鈥?zk-H鈥'k)
       Pk=(I-Kk鈥)鈥'k */
    cvKalmanCorrect( cvkalman, measurement );
    float measured_value_x = measurement->data.fl;
    float measured_value_y = measurement->data.fl;
   
const CvMat* prediction = cvKalmanPredict( cvkalman, 0 );
    float predict_value_x = prediction->data.fl;
    float predict_value_y = prediction->data.fl;
    return(cvPoint2D32f(predict_value_x,predict_value_y));
}
void kalman::init_kalman(int x,int xv,int y,int yv)
{
state->data.fl=x;
    state->data.fl=xv;
    state->data.fl=y;
    state->data.fl=yv;
    cvkalman->state_post->data.fl=x;
    cvkalman->state_post->data.fl=xv;
    cvkalman->state_post->data.fl=y;
    cvkalman->state_post->data.fl=yv;
}
页: [1]
查看完整版本: 卡尔曼滤波简介+ 算法实现代码