利用卡尔曼滤波进行状态估计

本文详细介绍了车辆运动模型,包括匀速、匀加速、恒定速度和转速、恒定加速度和转速以及恒定曲率半径和加速度模型。接着探讨了卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波和无损卡尔曼滤波在状态估计中的原理和应用。通过实例展示了如何利用卡尔曼滤波对车辆的匀速运动进行状态估计,对比了EKF和UKF的差异,并给出了UKF的计算过程。

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本文主要介绍如何利用卡尔曼滤波进行状态估计,因为需要用到一些车辆的运动模型,所以首先简单介绍几种常见的模型

车辆运动模型

匀速模型(Constant Velocity, CV)

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四个状态变量依次为横坐标,纵坐标,与x轴夹角(逆时针为正),线速度
匀速和匀加速模型的状态转移方程都很好理解,可以直接得到
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匀加速模型(Constant Acceleration, CA)

状态变量多了一个加速度
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恒定速度和转速模型(Constant Turn Rate and Velocity, CTRV)

恒定速度和转速可以看做一段圆弧运动
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该模型利用简单的几何关系也不难得到,后面两个模型稍微复杂一些。另外,CTRV实际上是CV的一般形式,当 ω = 0 \omega=0 ω=0时(这里需要用到洛必达法则),就是CV的形式。

恒定加速度和转速模型(Constant Turn Rate and Acceleration, CTRA)

同CTRV相比,转速不变,说明在相同时间内转过的角度是一样的,径向由匀速变成匀加速,那么对应的,位移会变长(可以参见CCA部分橘色轨迹)
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其中
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这个模型怎么得到呢?首先 θ \theta θ v v v的增量我们很好理解,而前两项利用CTRV的结果结合微元法,假设从t时刻开始,经历一个很小的时间dt内我们可以将CTRA模型近似为CTRV模型(回忆一下一起物理中利用微元法推导匀加速运动的过程),那么,dt时间内x,y的增量可以表示为
Δ x = v + a t ω [ sin ⁡ ( θ k + ω t + w d t ) − sin ⁡ ( θ k + ω t ) ] \Delta_x=\frac{v+at}{\omega}[\sin(\theta_k+\omega t + wdt)-\sin(\theta_k + \omega t)] Δx=ωv+at[sin(θk+ωt+wdt)sin(θk+ωt)]
Δ y = v + a t ω [ cos ⁡ ( θ k + ω t ) − cos ⁡ ( θ k + ω t + w d t ) ] \Delta_y=\frac{v+at}{\omega}[\cos(\theta_k + \omega t) -\cos(\theta_k+\omega t + wdt)] Δy=ωv+at[cos(θk+ωt)cos(θk+ωt+wdt)]
化简,当dt为小量时, Δ x \Delta_x Δx可以近似为
Δ x = v + a t ω cos ⁡ ( θ k + ω t ) w d t \Delta_x=\frac{v+at}{\omega}\cos(\theta_k+\omega t)wdt Δx=ωv+atcos(θk+ωt)wdt
对该式从0到t积分,利用分部积分即可得到结果。

恒定曲率半径和加速度模型(Constant Curvature and Acceleration, CCA)

最后一种模型是将CTRA中的转速一定改为曲率半径一定,由 r = v / ω r=v/\omega r=v/ω可知,当曲率半径一定,又要做匀加速运动,那么角速度必然是时变的,因此同样时间内转过的角度必然会增大。CTRV(黑),CTRA(橘),CCA(红)的关系如下图所示
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设曲率半径 c = 1 / r c=1/r c=1/r,则状态变量如下
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此时,弧长为
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则对应的旋转角 b k c b_kc bkc,知道角度了求解转移关系的方法和CTRV一样,最后结果为
x k + 1 = x k + [ 1 / c ( sin ⁡ ( θ + b k c ) − sin ⁡ θ ) 1 / c ( cos ⁡ θ − cos ⁡ ( θ + b k c ) ) b k c a T k 0 0 ] x_{k+1}=x_k+ \left[ \begin{matrix} 1/c(\sin(\theta+b_kc)-\sin \theta) \\ 1/c(\cos\theta -\cos(\theta+b_kc)) \\ b_kc \\ aT_k \\ 0 \\ 0 \end{matrix} \right] xk+1=xk+

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