1. 仿真场景
水面上有条船在做匀速直线航行,航行过程中由于风和浪的影响,会有些随机的干扰,也就是会有些随机的加速度作用在船身上,这个随机加速度的均方差大约是0.1,也就是说方差是0.01。船上搭载GPS设备,能够给出船的位置信息,目前GPS的定位误差为10m,也就它的定位方差是100。船的初始坐标为(-100, 200),水平两个方向的初始速度为(2, 20)。用kalman滤波器对船的航行位置等信息进行滤波估计。
2. 建模
这是一个平面运动的模型,先看一维情况。
这个跟上一个例子有些类似,不过就是没有确定的加速度,而只有随机的加速度而已。模型如下:
这里面的那个就是场景描述中说的那个随机干扰加速度。我们在状态方程里把它当成系统的随机噪声处理。把s和v作为状态量。注意,由于实际场景是平面二维的,所以实际的状态有四个,也就是四维的向量。
于是状态方程为:
系统量测方程就很好写了,只把GPS测量的位置信息作为量测量。
接下来确定Q和R。取GPS数据周期为1s,根据场景描述:
再看初值。根据场景描述。
P(0)不知道。就随便给个单位矩阵好了
检查一下,好像都齐了,那么开始仿真!
3. C++仿真程序
程序方面的话,只改Model那个类就好了,模型啥样照着写就行:
cpp
//model.cpp
#include "model.h"
Model::Model(): Q(Matrix::unit(4)), R(100*Matrix::unit(2))
{
double delta_w = 1e-2;
Q(0, 0) = 0.5;
Q(2, 2) = 0.5;
Q = Q*delta_w;
}
Matrix Model::StateTrans(Matrix &X)
{
double T = 1;
Matrix F(Matrix::unit(4));
F(0, 1) = T;
F(2, 3) = T;
return F*X;
}
void Model::StateUpdate(Matrix &X)
{
X = StateTrans(X);
X = X + Sqrtm(Q)*Matrix::randn(4, 1);
}
Matrix Model::MeasurPre(const Matrix &X)
{
Matrix H(Matrix::zeros(2, 4));
H(0, 0) = 1;
H(1, 2) = 1;
return H*X;
}
Matrix Model::Measur(const Matrix &X)
{
return MeasurPre(X) + Sqrtm(R)*Matrix::randn(2, 1);
}
Matrix Model::GetF()
{
double T = 1;
Matrix F(Matrix::unit(4));
F(0, 1) = T;
F(2, 3) = T;
return F;
}
Matrix Model::GetH()
{
Matrix H(Matrix::zeros(2, 4));
H(0, 0) = 1;
H(1, 2) = 1;
return H;
}
然后是主程序:
cpp
//main.cpp
#include "model.h"
#include "kalman.h"
#include <stdio.h>
int main()
{
FILE *fp;
fp = fopen("F:/data/data3.txt", "w");
Model M;
Matrix X(4);
Matrix Z(2);
X(0) = -100;
X(1) = 2;
X(2) = 200;
X(3) = 20;
Matrix P0(Matrix::unit(4));
Kalman kf(4, 2);
kf.Init(X, P0, &M);
for(size_t i = 0; i < 120; i++)
{
M.StateUpdate(X);
Z = M.Measur(X);
kf.SetMeasur(Z);
kf.Iterator();
fprintf(fp, "%lf,%lf,%lf,%lf,%lf,%lf\n", X(0), X(2), kf.GetX()(0), kf.GetX()(2), Z(0), Z(1));
}
fclose(fp);
cout << "done!";
return 0;
}
只有初始化部分跟上一次的代码不一样。仿真120s,把仿真结果存到文件中。运行!ok!最后,把真实轨迹、测量轨迹和滤波后的轨迹放在一张图上比较一下:
![](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/fa250cda0e4f41b0883013581a65f754.jpeg)
红线是滤波后的轨迹,深蓝线是真实轨迹,浅蓝线是GPS轨迹。滤波后的轨迹当然与真实轨迹有些偏差,但比GPS输出的轨迹确实好太多了。