【EKF】EKF原理

原理简述

卡尔曼滤波可以在线性模型，误差为高斯模型的情况下，对目标状态得出很好的估计效果，但如果系统存在非线性的因素，其效果就没有那么好了。比较典型的非线性函数关系包括平方关系，对数关系，指数关系，三角函数关系等。

对于非线性系统的问题，比较常用的方法是将非线性的部分进行线性化处理，其中，EKF 就是对非线性系统进行线性化，使用泰勒展开式，略去二阶及以上项(数据较小)，得到一个近似的线性化模型，然后应用卡尔曼滤波完成估计。

EKF与KF的对比推导

卡尔曼滤波的五个公式：

泰勒展开式为：

在 EKF 中，泰勒展开式只保留前两项，即：

f(x) ≈ f(x0) + f'(x0)*(x - x0)

在进行展开时，将估计值作为 x0 ，因为估计值是确定的值，实际状态 x 作为 x来展开

对泰勒展开式来说，f(x0) 相当于是常数项。

估计方程与量测方程

线性卡尔曼滤波的离散估计状态方程与量测方程为：

其中 z(k) 为量测值，H 为量测值与状态 x 之间的关系矩阵。

在 EKF 中，将等式右侧的项都看作是一个非线性函数，也就是状态方程中，将等式右边的关于x_hat 与 u 关系式都记作 f，量测方程中，等式右边的函数关系记作是 h 即：

其中，f 是非线性状态函数，h 是非线性量测函数，w 与 v 分别是高斯噪声，协方差矩阵为 Q 与 R，在上式中省略了。

在 EKF 的求解中，将 f 与 h 进行泰勒展开，f(x0)与h(x0) 当作是常数项，x0 代入 x_hat，然后只保留前两项(在 x_hat(k) 处进行展开)，将一阶偏导数分别记作 F 与 H，后续的卡尔曼公式会用到 F 与 H，其实 F 与 H 都是雅可比矩阵：

将偏导部分记作 F：

量测方程的非线性函数展开为：

将偏导部分记作 H：

结合上面的非线性方程，之后将线性化的泰勒展开式代入上面的非线性方程。

状态估计方程

即，将非线性函数，在上次估计值 x_hat(k-1) 处进行泰勒展开，其中，f(x_hat(k-1)) 就是上一次的先验估计值，与 F*x_hat(k-1) 都是非随机值，将两个非随机值提出，得到：

量测方程

x_mea 为量测状态，同样的，将非随机值提出，得到：

协方差矩阵与卡尔曼增益

根据先验估计的表达式，由 F 来代替，可以得出先验误差的协方差公式：

卡尔曼增益为：

后验估计与协方差矩阵更新

后验估计与协方差矩阵都与KF是相同的。

后验估计 = 先验估计值 + 卡尔曼增益*(量测值 - 先验估计输出)：

更新协方差：

EKF的更新公式

预测

先验估计值计算：

先验误差协方差计算：

校正

卡尔曼增益计算：

后验估计值计算：

更新估计误差协方差：

一维非线性例子

这里直接采用了一本书上的比较典型的非线性例子，假设系统方程包含非线性项：

x(k) = 0.5*x(k-1) + 2.5*x(k-1) / (1 + x(k-1)^2) + 8*cos(1.2k) + w(k)

其中 w 为系统过程噪声。

观测方程为：

z(k) = x(k)^2 / 20 + v(k)

其中 v 为测量噪声

在上述例子中，系统方程与观测方程都包含非线性部分，在求解时，可以按照如下步骤：

1）状态预测，计算先验估计值

x(k)- = 0.5*x(k-1) + 2.5*x(k-1) / (1 + x(k-1)^2) + 8*cos(1.2k)

2）将上一步计算的先验估计值代入F与H更新线性化方程的偏导雅可比矩阵，分式求导法则： (u/v)' = (u'v-uv')/v²

F = 0.5 + (2.5 * (1+x^2) - 2.5*x*2*x) / (1+x^2)^2 = 0.5 + 2.5*(1-x^2) / (1+x^2)^2

H = x/10

3）求协方差矩阵的预测矩阵 Pk-

4）求卡尔曼滤波增益K

5）更新状态

例如：xt 为上时刻的估计状态，x为当前的先验估计值，则：

h(x) = h(xt) + H*(x - xt)

6）更新协方差 Pk

在实际测试中，将量测值加入一定范围的噪声，最后的效果如图：