卡尔曼滤波器原理分析

原理

卡尔曼滤波器是一种基础预测定位算法。原理非常简单易懂。核心过程可以用一个图说明：

本质上就是这两个状态过程的迭代，来逐步的准确定位。

预测：当前状态环境下，对下一个时间段t的位置估计计算的值。

更新：更具传感器获取到比较准确的位置信息后来更新当前的预测问位置，也就是纠正预测的错误。

你可能要问为什么有传感器的数据了还要进行更新？因为在现实世界中传感器是存在很多噪声干扰的，所以也不能完全相信传感器数据。卡尔曼算法依赖于线性计算，高斯分布，我们以一维定位来介绍算法的实现。

接下来我们开更新，预测后我们获取到传感器数据，表示目前传感器发现小车的位置应该是在26这个位置，在这种情况下，我们肯定是觉得传感器的准确度比我之前的预测瞎猜要来的准确。

所以方差自然会比较小，最终我们觉得真是的小车位置应该是更靠近传感器数据的，而且方差会缩小，以至于，想想也很清楚，我猜了一个预测值，现在有个专家告诉了我相对比较靠谱的数据，那我对小车的位置的自信度肯定会上升啊。

最终小车的位置经过这个时间段t的更新就是下图红色的高斯图：

就这样不停的移动更新，最终小车的位置就会越来越准确。

一维模型下的Kalman公式：

预测

更新

参考代码：

#include 
#include 
#include 


using namespace std;


double new_mean, new_var;


tuple measurement_update(double mean1, double var1, double mean2, double var2)
{
  new_mean = (var2 * mean1 + var1 * mean2) / (var1 + var2);
  new_var = 1 / (1 / var1 + 1 / var2);
  return make_tuple(new_mean, new_var);
}


tuple state_prediction(double mean1, double var1, double mean2, double var2)
{
  new_mean = mean1 + mean2;
  new_var = var1 + var2;
  return make_tuple(new_mean, new_var);
}


int main()
{
  //Measurements and measurement variance
  double measurements[5] = { 5, 6, 7, 9, 10 };
  double measurement_sig = 4;
  
  //Motions and motion variance
  double motion[5] = { 1, 1, 2, 1, 1 };
  double motion_sig = 2;
  
  //Initial state
  double mu = 0;
  double sig = 1000;


  for (int i = 0; i < sizeof(measurements) / sizeof(measurements[0]); i++) {
        tie(mu, sig) = measurement_update(mu, sig, measurements[i], measurement_sig);
        printf("update:  [%f, %f]
", mu, sig);
        tie(mu, sig) = state_prediction(mu, sig, motion[i], motion_sig);
        printf("predict: [%f, %f]
", mu, sig);
    }


    return 0;
}

审核编辑：汤梓红