在AGV小車係統中,擴展卡爾曼濾波器(EKF)和標(biāo)準卡爾曼濾波器(KF)的區別主要體現在(zài)以下幾個方麵:
適用(yòng)係統
KF:主要處理線性係統,即(jí)係統的狀態(tài)轉移(yí)方程和(hé)觀測方程都可以用線性關(guān)係來描述(shù)。例如在一些簡單的AGV小(xiǎo)車(chē)導航場景中,車輛的運動可以近似為(wéi)勻速直線運動,傳感器的觀測值(zhí)(如位置、速度等)與(yǔ)係統狀態之間也(yě)存在線性關係,此時KF能夠(gòu)有效地對係統狀態進行最優估計。
EKF:適用於非(fēi)線性係統的狀態估計。在AGV小車係統中,車輛的運動方程和觀測方(fāng)程往往是非線性的,例如車輛的轉向、加速(sù)、減(jiǎn)速等動作會導致運(yùn)動狀態的非線性(xìng)變化(huà),傳感器(qì)的測量模型也(yě)可(kě)能存在非線性關係,這時候就需要使用EKF來處理。
原理
KF:以最小均方誤差(chà)為估計的最佳準則,通過信號與噪聲的狀態空間模型,利用前一時刻(kè)的估計值和現時刻的觀測值來更新對狀態變量的估(gū)計,從而求得現時刻的最優估計值。其基本思(sī)想可以(yǐ)概括為預測和(hé)更新兩個步驟。預測階段根據前(qián)一個狀態預測下一個狀態,包括位置和相應的協方差矩陣。更新階段(duàn)則通過觀測數據對預測結果進行修正,得到最終的狀態估計。
EKF:是KF的(de)擴展形式,其基(jī)本原理是將非線性函數在估計值附(fù)近進行泰勒級數展開,並(bìng)忽(hū)略二階及以上的高階項,從而將非線性問題近似為線性問題。然後(hòu),利用KF的(de)框架進行狀態估計,也包括預測和更新兩個步驟。在預測步驟中,根據(jù)上一時刻的狀態估計值和控製輸(shū)入,預測當前時刻的狀態值;在更新步驟中(zhōng),根據當前時刻的觀測值和預測值,計算卡爾曼增(zēng)益,並(bìng)更新狀(zhuàng)態(tài)估計(jì)值。
精度
KF:在(zài)處理線性係(xì)統時,能夠得到較為精確的(de)狀態估計。但對於非線性係統,由(yóu)於其假設係統是線性的,當(dāng)係統存在非線性特性時,直接使用KF可能會導致(zhì)較大(dà)的估計誤差(chà),甚(shèn)至無法準確估計係統狀態。
EKF:通過對非線性係統進(jìn)行線性化近似,能(néng)夠在一定(dìng)程度上(shàng)處理非線性問題,在(zài)非線性(xìng)程度(dù)不是特(tè)別(bié)高的情況下(xià),相比KF能夠得到更(gèng)準確的狀態估計。但由於其線性化過程會引入一定的誤差,當係統的非線性程度較高(gāo)時,線性化誤差可能會累積,導致(zhì)估計精(jīng)度下降。
計算量
KF:算(suàn)法相對簡單,計算量較小,比較容易滿足(zú)實時計(jì)算的要求,適合在對實(shí)時(shí)性(xìng)要求較高且計算資源有限的AGV小車係統中應用。
EKF:需要對非線性函數進行泰勒級數展開和求導等操作,計算過程(chéng)相對複雜,計算量比KF大。在一些對實(shí)時性要求較高的AGV小車係統中,可能需要對算法進行優化,以減(jiǎn)少計算量(liàng),滿足(zú)實時性要求。
應用場景
KF:適用於線性度較好,或者對精度要求不高的AGV小(xiǎo)車係統。例如在一些(xiē)簡單的、運動較為平穩的AGV小車(chē)導航場景中,KF可以滿足基本的狀態估計需求(qiú)。
EKF:更適合非線性程度較高,對精(jīng)度要求較高的AGV小車係(xì)統。例如在複雜(zá)的AGV小車運動場景中(zhōng),車輛需要頻繁轉(zhuǎn)向、加速、減速,或者在存在複雜環境幹擾的情況下,EKF能夠更好地(dì)處(chù)理非(fēi)線性問題,提供(gòng)更準確的狀態估計,從而提(tí)高(gāo)AGV小車的(de)導航精(jīng)度和穩定性。