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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(bō)器的區別是什麽

作者:聯集(jí)AGV 2025-01-14 943

在AGV小(xiǎo)車係統中,擴展卡爾曼(màn)濾(lǜ)波器(qì)(EKF)和標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波(bō)器(KF)的區別主要(yào)體(tǐ)現在以下幾個方麵:

適用(yòng)係統

  • KF:主要處理線性係統,即(jí)係統的狀態轉移方程和觀測方程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,車輛的運動可以近似為勻速直線運動,傳感器的觀測(cè)值(如位置、速(sù)度等)與係統狀態之間也存在線性關係,此時KF能夠有效地對係統狀態(tài)進行最優估計。

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

原理

  • KF:以最小均方誤差為估計的最佳準則,通過(guò)信號與噪聲的狀態空間模型,利用前一時刻的估計值(zhí)和現時刻的觀測值來更(gèng)新對狀態變量的估計,從而求得現時刻的最優估計值。其基本思想可以概括為預測和更新兩個步驟。預測階段根據前一個狀態(tài)預(yù)測下一(yī)個狀態,包括位置和相應的協方差矩陣。更新階段則通(tōng)過觀(guān)測數據對預測結(jié)果進行(háng)修正,得到(dào)最終的狀態估計。

  • EKF:是(shì)KF的擴展形式,其基(jī)本原理(lǐ)是將非線性函數在(zài)估計值附近進行泰勒級(jí)數展開,並忽略二階及以上的高階項,從而將非線性問題近似為線性(xìng)問(wèn)題。然後,利(lì)用KF的(de)框架進(jìn)行狀態估計,也包括(kuò)預測和更新兩個步(bù)驟。在預測步(bù)驟(zhòu)中,根據上(shàng)一時刻的狀(zhuàng)態估計值和控製輸入,預測當(dāng)前時刻的狀態值;在更新(xīn)步驟中,根據(jù)當前時刻的(de)觀測值(zhí)和(hé)預測值,計算卡爾曼增益,並更新狀態估計值。

精度

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

  • EKF:通過對非線性(xìng)係統進行線性化近似,能(néng)夠(gòu)在一定程度上處理非線性問題,在(zài)非線性程度不是特別高的(de)情況(kuàng)下,相比KF能夠得(dé)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(xì)統的非線(xiàn)性程度較高時,線性化誤差可能會累積,導(dǎo)致估計精度下降。

計算量

  • KF:算法相對簡單(dān),計算量較小,比較容易滿足實時計算的(de)要求,適合在對實時性要求較高且計算(suàn)資(zī)源有限的AGV小車係統中應用。

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

應用場景

  • KF:適用於線(xiàn)性度較好,或者對精度(dù)要求不高的AGV小車係統。例如在一些簡單的、運動較為平穩的(de)AGV小車導航場景中,KF可以滿足基本的狀態估計(jì)需求。

  • EKF:更適合非線性程度(dù)較高,對精度要求較高的AGV小車係統(tǒng)。例如在複雜的(de)AGV小車運動場景中,車輛需要頻繁轉向、加(jiā)速、減速,或者在存在複雜環境幹擾的情況下,EKF能夠更好地處理非線性問題,提(tí)供更(gèng)準(zhǔn)確的狀態估計,從而提高AGV小車(chē)的導航精度和穩定性。


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