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在AGV係統中,擴展卡爾曼濾波器和標準卡爾曼濾波器的區別是什(shí)麽

作者:聯集AGV 2025-01-14 941

在AGV小車係統中,擴展卡爾曼濾波器(EKF)和標準卡爾曼濾波器(KF)的區別主要體現在以下幾個(gè)方麵:

適(shì)用係統

  • KF:主要處理線性係統,即係統的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和(hé)觀測方程(chéng)都可以用線性關係來描述。例如在一些簡單的AGV小車導航場景中,車輛的運動(dòng)可以近似為勻速直線運動,傳感器的觀測值(zhí)(如位(wèi)置、速度等)與係統狀態之間也(yě)存(cún)在線性關係,此時KF能夠有效地對係統狀態進行最優估(gū)計。

  • EKF:適用於非線性係統的狀態估(gū)計。在AGV小車係統中,車輛的運動方程和觀測方程往往是非線(xiàn)性的,例如車輛的轉向、加(jiā)速(sù)、減速等動作會導(dǎo)致運(yùn)動狀態的非線性變化,傳感(gǎn)器的測量模型也可能存在非線性關係,這時候就需要使用EKF來處理。

原理

  • KF:以最小均方誤(wù)差為(wéi)估計的最佳(jiā)準則,通過(guò)信號與噪聲的狀(zhuàng)態(tài)空間模型,利用前一時刻的估計值和現時(shí)刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計,從而求得現時刻的最優估計值(zhí)。其基本思想可(kě)以概括為預測和更新兩(liǎng)個步驟。預測階段根據前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的擴展形式,其(qí)基本原理是將非線性函數在估計值附近進行泰勒級數展開,並忽略二階及以上的(de)高階(jiē)項,從而將非線性問題近似為(wéi)線性問題。然後,利用KF的框架進行狀態估計,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(jì)值和控製輸入,預測當前時刻的狀態值;在更新步驟中,根據當前時刻(kè)的觀測值(zhí)和預測值,計算卡爾曼增(zēng)益,並更新(xīn)狀態估計值。

精度

  • KF:在處理(lǐ)線性係統時,能夠得(dé)到較為精確的狀態估計。但對於非線性係統,由於其假設係(xì)統是線性的,當係統存在非線性特性時,直接使(shǐ)用KF可能會導致較大的估(gū)計(jì)誤差,甚至無法準確估計係統狀態。

  • EKF:通(tōng)過對(duì)非線性係統進行線性化近似,能夠在一定程度上處理非線性問題,在非線性程度不(bú)是特別高的情況(kuàng)下,相比KF能夠得到更準確的狀態估計。但由(yóu)於其線性化過(guò)程會引入一定的誤差(chà),當係統的非線(xiàn)性(xìng)程度較高時,線性化誤差可(kě)能會累積,導致估計精度下降。

計算量

  • KF:算法相對簡(jiǎn)單,計算量較小,比較容易滿足實(shí)時計算的要求,適(shì)合在對實(shí)時性要求較高且計算資源有限的AGV小車係統中(zhōng)應用。

  • EKF:需要對非線性函(hán)數進行泰勒級數展開和求導等操作,計算過程相對複雜,計算量比KF大。在一些對實時性要求較高(gāo)的AGV小車係統中,可能需要對算法進行優化,以減少計算量,滿足實時性要求。

應用場景

  • KF:適(shì)用於線性度較好,或者對精度要求不高的(de)AGV小車(chē)係統。例如在一些簡單的、運動(dòng)較為平穩的AGV小車導航場景中,KF可(kě)以滿足基本的狀態估計需求。

  • EKF:更適合非線性程度較高,對精度要(yào)求較高的AGV小車係統。例如(rú)在複雜的AGV小(xiǎo)車運動場景中,車(chē)輛需要頻繁轉(zhuǎn)向、加速、減速,或者(zhě)在存在複雜環境幹擾的(de)情況下,EKF能夠更好地處理非線性問題,提供更準確的狀態估計,從(cóng)而提高AGV小車的導航精度和穩定性。


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