无迹卡尔曼滤波器详解:超越扩展卡尔曼的优势与应用

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"这篇文档是关于无迹卡尔曼滤波器( Unscented Kalman Filter, UKF)的介绍,主要讨论了其在非线性估计中的应用,以及相对于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的优势。作者Eric A. Wan和Rudolph van der Merwe在文中揭示了EKF存在的问题,并提出了UKF作为改进方案。UKF由Julier和Uhlman首次提出,其核心是对高斯随机变量的处理方式进行了改进,避免了EKF中的线性化误差。" 正文: 无迹卡尔曼滤波器(无迹卡尔曼)是一种用于非线性系统状态估计的算法,它是对经典扩展卡尔曼滤波器的一个重要补充。扩展卡尔曼滤波器虽然广泛应用于各种非线性问题,但由于依赖于系统的线性化,可能会导致误差积累,尤其是在系统非线性程度较高时。无迹卡尔曼滤波器的出现,正是为了克服EKF的这些局限性。 在传统的扩展卡尔曼滤波中,非线性系统的状态分布通常通过第一阶泰勒展开进行近似,即线性化处理。这种方法在非线性程度较弱的情况下可能有效,但当非线性较强时,这种线性化会导致估计精度下降,甚至产生错误的结果。 无迹卡尔曼滤波器的核心思想是使用“无迹变换”来更准确地代表高斯随机变量在非线性函数下的传播。与EKF的局部线性化不同,UKF通过选择一组特定的采样点(称为“无迹点”或“sigma点”),并将这些点通过非线性函数进行变换,然后再重新组合成新的概率分布。这种方式可以更好地保留原始分布的信息,从而提高估计的精度。 UKF的具体步骤包括:(1) 生成sigma点,这些点既包含均值和协方差信息,又考虑到非线性函数的影响;(2) 应用非线性函数于这些点上;(3) 使用这些变换后的点来计算预测的均值和协方差;(4) 更新过程类似于EKF,但使用了经过非线性变换的sigma点信息;(5) 最后,通过观测值更新滤波器状态。 在实际应用中,无迹卡尔曼滤波器被广泛用于许多领域,如机器人定位、传感器融合、动态系统建模、参数估计等。例如,在神经网络的权重学习中,UKF可以用来估计网络参数,同时在期望最大化(EM)算法中,它可以同时估计状态和参数。 无迹卡尔曼滤波器提供了一种更为精确的非线性系统状态估计方法,它避免了扩展卡尔曼滤波器的线性化误差,适用于非线性程度较高的系统。对于初学者来说,理解和掌握UKF的原理和应用,对于提升在非线性估计领域的技能非常有益。