假设有三个可以测量航向角的传感器 A 、 B和C,通过联邦卡尔曼滤波器来融合各自的估计结果。在每个时间步骤中,三个传感器分别执行局部卡尔曼滤波器的预测和更新步骤,然后将结果传递给全局融合器。全局融合器通过加权平均来融合三个局部滤波器的结果,得到更准确的状态估计。你可以给出相应的c语言程序么

时间: 2024-03-16 11:41:54 浏览: 19
以下是用 C 语言实现联邦卡尔曼滤波器的示例代码。由于代码比较长,我会分步骤进行解释: 1. 定义状态向量、控制向量和观测向量的数据类型: ``` typedef struct { double x; double y; double theta; double dx; double dy; double dtheta; } state_t; typedef struct { double u; } control_t; typedef struct { double z; } observation_t; ``` 2. 定义状态转移矩阵 A、控制输入矩阵 B、观测矩阵 H、过程噪声协方差矩阵 Q 和观测噪声协方差矩阵 R: ``` double A_data[6][6] = {{1, 0, 0, 1, 0, 0}, {0, 1, 0, 0, 1, 0}, {0, 0, 1, 0, 0, 1}, {0, 0, 0, 1, 0, 0}, {0, 0, 0, 0, 1, 0}, {0, 0, 0, 0, 0, 1}}; matrix_t A = {6, 6, &A_data[0][0]}; double B_data[6][1] = {{0}, {0}, {0}, {0.1}, {0.1}, {0.1}}; matrix_t B = {6, 1, &B_data[0][0]}; double H_data[1][6] = {{0, 0, 1, 0, 0, 0}}; matrix_t H = {1, 6, &H_data[0][0]}; double Q_data[6][6] = {{0.001, 0, 0, 0, 0, 0}, {0, 0.001, 0, 0, 0, 0}, {0, 0, 0.001, 0, 0, 0}, {0, 0, 0, 0.001, 0, 0}, {0, 0, 0, 0, 0.001, 0}, {0, 0, 0, 0, 0, 0.001}}; matrix_t Q = {6, 6, &Q_data[0][0]}; double R_data[1][1] = {{1}}; matrix_t R = {1, 1, &R_data[0][0]}; ``` 3. 定义局部滤波器的状态向量和协方差矩阵: ``` typedef struct { state_t x; matrix_t P; } local_filter_t; ``` 4. 定义全局融合器的权重: ``` double w_A = 0.3; double w_B = 0.3; double w_C = 0.4; ``` 5. 定义卡尔曼滤波器的辅助函数: ``` // 计算卡尔曼增益 K matrix_t kalman_gain(matrix_t P, matrix_t H, matrix_t R) { matrix_t PHt = matrix_multiply(P, matrix_transpose(H)); matrix_t HPHtR = matrix_add(matrix_multiply(matrix_multiply(H, P), matrix_transpose(H)), R); matrix_t K = matrix_multiply(PHt, matrix_inverse(HPHtR)); matrix_free(PHt); matrix_free(HPHtR); return K; } // 局部滤波器的预测步骤 void local_predict(local_filter_t *filter, control_t u) { matrix_t x = matrix_from_array(6, 1, &filter->x); matrix_t P = filter->P; matrix_t u_mat = matrix_from_array(1, 1, &u.u); matrix_t Ax = matrix_add(matrix_multiply(A, x), matrix_multiply(B, u_mat)); matrix_t APAtQ = matrix_add(matrix_multiply(matrix_multiply(matrix_multiply(A, P), matrix_transpose(A)), Q), Q); matrix_t P_new = matrix_clone(APAtQ); state_t x_new = {matrix_get(Ax, 0, 0), matrix_get(Ax, 1, 0), matrix_get(Ax, 2, 0), matrix_get(Ax, 3, 0), matrix_get(Ax, 4, 0), matrix_get(Ax, 5, 0)}; matrix_free(x); matrix_free(u_mat); matrix_free(APAtQ); filter->x = x_new; filter->P = P_new; } // 局部滤波器的更新步骤 void local_update(local_filter_t *filter, observation_t z) { matrix_t x = matrix_from_array(6, 1, &filter->x); matrix_t P = filter->P; matrix_t z_mat = matrix_from_array(1, 1, &z.z); matrix_t Hx = matrix_multiply(H, x); matrix_t z_Hx = matrix_subtract(z_mat, Hx); matrix_t K = kalman_gain(P, H, R); matrix_t KH = matrix_multiply(K, H); matrix_t I_KH = matrix_subtract(matrix_identity(6), KH); matrix_t P_new = matrix_multiply(I_KH, P); matrix_t x_new = matrix_add(x, matrix_multiply(K, z_Hx)); state_t x_new_array = {matrix_get(x_new, 0, 0), matrix_get(x_new, 1, 0), matrix_get(x_new, 2, 0), matrix_get(x_new, 3, 0), matrix_get(x_new, 4, 0), matrix_get(x_new, 5, 0)}; matrix_free(x); matrix_free(P); matrix_free(z_mat); matrix_free(Hx); matrix_free(z_Hx); matrix_free(K); matrix_free(I_KH); filter->x = x_new_array; filter->P = P_new; } // 全局融合器 state_t global_fusion(local_filter_t *filter_A, local_filter_t *filter_B, local_filter_t *filter_C, double w_A, double w_B, double w_C) { matrix_t x_A = matrix_from_array(6, 1, &filter_A->x); matrix_t x_B = matrix_from_array(6, 1, &filter_B->x); matrix_t x_C = matrix_from_array(6, 1, &filter_C->x); matrix_t P_A = filter_A->P; matrix_t P_B = filter_B->P; matrix_t P_C = filter_C->P; matrix_t w_A_mat = matrix_from_array(1, 1, &w_A); matrix_t w_B_mat = matrix_from_array(1, 1, &w_B); matrix_t w_C_mat = matrix_from_array(1, 1, &w_C); matrix_t x = matrix_multiply(w_A_mat, x_A); matrix_add_to(x, matrix_multiply(w_B_mat, x_B)); matrix_add_to(x, matrix_multiply(w_C_mat, x_C)); matrix_t P = matrix_add(matrix_add(matrix_multiply(matrix_multiply(w_A_mat, P_A), matrix_subtract(matrix_identity(6), matrix_multiply(w_A_mat, matrix_transpose(w_A_mat)))), matrix_add(matrix_multiply(matrix_multiply(w_B_mat, P_B), matrix_subtract(matrix_identity(6), matrix_multiply(w_B_mat, matrix_transpose(w_B_mat)))), matrix_multiply(matrix_multiply(w_C_mat, P_C), matrix_subtract(matrix_identity(6), matrix_multiply(w_C_mat, matrix_transpose(w_C_mat)))))); state_t x_array = {matrix_get(x, 0, 0), matrix_get(x, 1, 0), matrix_get(x, 2, 0), matrix_get(x, 3, 0), matrix_get(x, 4, 0), matrix_get(x, 5, 0)}; matrix_free(x_A); matrix_free(x_B); matrix_free(x_C); matrix_free(P_A); matrix_free(P_B); matrix_free(P_C); matrix_free(w_A_mat); matrix_free(w_B_mat); matrix_free(w_C_mat); matrix_free(x); return x_array; } ``` 6. 在主函数中执行卡尔曼滤波器: ``` int main() { // 定义局部滤波器 A、B 和 C local_filter_t filter_A = {{0, 0, 0, 0, 0, 0}, matrix_identity(6)}; local_filter_t filter_B = {{0, 0, 0, 0, 0, 0}, matrix_identity(6)}; local_filter_t filter_C = {{0, 0, 0, 0, 0, 0}, matrix_identity(6)}; // 定义观测值 z observation_t z_A = {1.2}; observation_t z_B = {1.3}; observation_t z_C = {1.1}; for (int i = 0; i < 10; i++) { // 机器人 A 的局部滤波器 control_t u_A = {0.1}; local_predict(&filter_A, u_A); local_update(&filter_A, z_A); // 机器人 B 的局部滤波器 control_t u_B = {0.2}; local_predict(&filter_B, u_B); local_update(&filter_B, z_B); // 机器人 C 的局部滤波器 control_t u_C = {0.3}; local_predict(&filter_C, u_C); local_update(&filter_C, z_C); // 全局融合器 state_t x = global_fusion(&filter_A, &filter_B, &filter_C, w_A, w_B, w_C); printf("State estimate: (%lf, %lf, %lf, %lf, %lf, %lf)\n", x.x, x.y, x.theta, x.dx, x.dy, x.dtheta); } return 0; } ``` 该示例中假设有三个可以测量航向角的传感器 A、B 和 C,它们分别执行局部卡尔曼滤波器的预测和更新步骤,然后将结果传递给全局融合器。全局融合器通过加权平均来融合三个局部滤波器的结果,得到更准确的状态估计。在每个时间步骤中,传感器 A、B 和 C 分别测量航向角,并将观测值传递给各自的局部滤波器进行处理。最后,主函数中执行全局融合器来融合三个局部滤波器的结果,并输出状态估计值。

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