UKF无迹卡尔曼滤波

UKF(Unscented Kalman Filter)无迹卡尔曼滤波是一种处理非线性系统的滤波算法,通过sigma点近似概率分布,避免了EKF中计算雅克比矩阵的问题,提高了估计精度。UKF适用于非线性系统,其基本原理包括UT变换构造sigma点,计算非线性函数的均值和方差,从而得到状态的后验概率密度。文章介绍了UKF的原理并提供了MATLAB代码实现。

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UKF无迹卡尔曼滤波是在卡尔曼滤波和变换的基础上发展而来的,它是利用无损变换使线性假设下的卡尔曼滤波应用于非线性系统。

之前提到的EKF算法简单易操作,在工业中有广泛的应用。但是它也存在很多缺点:需要计算非线性模型的雅克比矩阵,计算大,易出错,难得到;忽略高阶项,估计精度大受影响;模型不确定性的鲁棒性很差;在系统达到平稳状态时,将丧失对突变状态的跟踪能力;如果系统的误差传播函数不能很好的用线性函数来逼近,可能会导致滤波器发散。

UT就是针对EKF算法的缺点提出的,UT的主要思想是“近似概率分布要比近似非线性函数更容易”。UT变换计算均值和协方差,通过含有均值和协方差的确定的点集(称作sigma points)来近似概率分布,通过系统的非线性模型,产生繁衍的sigma point,经过选择合适的权值估计均值和协方差。避免了求解雅克比矩阵。这种方法把系统当作“黑盒”来处理,因而不依赖于非线性的具体形式。UKF和EKF计算复杂度相当,但是UKF具有更高的估计精度,满足了具有各种特殊要求的非线性滤波和控制方面的应用,在实现上也比EKF更为简单。

UT变换是用固定数量的参数去近似一个高斯分布,其实现原理为:在原先分布中按某一规则取一些点,使这些点的均值和协方差与原状态分布的均值和协方差相等;将这些点代入非线性函数中,相应得到非线性函数值点集,通过这些点集可求取变换的均值和协方差。对任何一种非线性系统,当高斯型状态微量经由非线性系统进行传递,进而利用这组采样点能获取精确到三阶矩的后验均值和协方差。

UT变换的特点是对非线性函数的概率密度分布进行近似,而不是对

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