Kapan menggunakan EKF dan kapan Kalman Filter?

13

Saya belajar Filter Kalman selama seminggu sekarang. Saya baru saja menemukan bahwa EKF (extended Kalman Filter) mungkin lebih sesuai untuk kasus saya.

Jangan kira saya menerapkan KF / EKF untuk variometer (perangkat yang memberi tahu pesawat dan penerjun payung apa posisi dan kecepatan vertikal mereka). Dalam kasus saya, saya telah menghasilkan beberapa data sampel: beberapa detik pertama ia (penerjun misalnya) jatuh (kecepatannya positif) kemudian ia naik (kecepatannya negatif).

Sejauh yang saya tahu sistem ini linear. Jadi haruskah saya menggunakan KF atau EKF?

Primož Kralj
sumber
Saya ingin tahu tentang msckf secara detail? Saya sedang mengerjakan proyek?
Sushanth Kalva

Jawaban:

16

Jawabannya sederhana: jika sistem Anda linier, maka filter Kalman (biasa) akan baik-baik saja. Ringkasan yang sangat singkat tentang perbedaan antara keduanya:

Itu diperpanjang Kalman Filter (EKF) adalah ekstensi yang dapat diterapkan untuk sistem nonlinear. Persyaratan persamaan linier untuk model pengukuran dan transisi-negara sudah longgar; sebagai gantinya, model-modelnya bisa nonlinear dan hanya perlu dibedakan.

EKF bekerja dengan mengubah model nonlinear pada setiap langkah waktu menjadi sistem persamaan yang dilinearisasi. Dalam model variabel tunggal, Anda akan melakukan ini menggunakan nilai model saat ini dan turunannya; generalisasi untuk banyak variabel dan persamaan adalah matriks Jacobian. Persamaan linear kemudian digunakan dalam cara yang mirip dengan filter Kalman standar.

Seperti dalam banyak kasus di mana Anda memperkirakan sistem nonlinear dengan model linier, ada beberapa kasus di mana EKF tidak akan berkinerja baik. Jika Anda memiliki dugaan awal yang buruk tentang status sistem yang mendasarinya, maka Anda bisa mengeluarkan sampah. Berbeda dengan filter Kalman standar untuk sistem linier, EKF tidak terbukti optimal dalam arti apa pun; ini hanyalah perpanjangan dari teknik sistem linear ke kelas masalah yang lebih luas.

Jason R
sumber
Terima kasih. Bisakah Anda menunjukkan satu atau dua contoh kehidupan nyata di mana seseorang harus menggunakan EKF?
Primož Kralj
2
Perhatikan contoh radar yang melacak target yang bebas bergerak di ruang 3D. Radar dapat mengukur sudut elevasi dan azimuth antara itu dan target, serta jangkauan ke target. Ini adalah sistem koordinat bola. Namun, dinamika target (posisi, kecepatan, akselerasi) paling baik dinyatakan dalam koordinat Kartesius, sehingga Anda dapat menyatakan status sistem pelacakan sebagai posisi Kartesius target. Jadi, ada hubungan nonlinear antara pengukuran dan status sistem, yang akan menyarankan penggunaan filter Kalman yang diperluas.
Jason R
Jadi KF atau EKF tidak ada hubungannya dengan kebisingan kan? Gagasan bahwa hanya ketika kebisingan normal seseorang dapat menerapkan KF salah, kan?
Sibbs Gambling
@ perfectionm1ng: Salah satu asumsi utama dari keseluruhan kerangka kerja filter Kalman adalah bahwa proses noise yang terlibat adalah Gaussian. Namun, jika ini tidak benar, itu masih bisa "cukup baik" untuk aplikasi Anda. Perbedaan EKF vs KF adalah hubungan linear versus nonlinear antara pengukuran dan keadaan seperti dijelaskan di atas.
Jason R
@JasonR Oh! Saya melihat. Bisakah Anda membantu 2 pertanyaan terkait ini? robotics.stackexchange.com/questions/1767/… dan dsp.stackexchange.com/questions/10387/…
Sibbs Gambling
6

Jawaban saya adalah jika itu sistem linear Anda harus menggunakan KF; jika sistem nonlinier dengan nonlinier yang lemah Anda harus menggunakan EKF, jika sistem nonlinear dengan nonlinier tinggi Anda dapat mempertimbangkan UKF yang terkenal. Saya menggambar grafik untuk ini, semoga bermanfaat. masukkan deskripsi gambar di sini

wayne
sumber
5

Survei literatur singkat memberi tahu saya bahwa EKF umumnya digunakan dalam GPS, sistem lokasi / navigasi dan juga pada kendaraan udara tak berawak. [Lihat misalnya `` Penerapan Extended Kalman Filter Menuju Identifikasi UAV, '' Abhijit G. Kallapur, Shaaban S. Ali dan Sreenatha G. Anavatti, Springer (2007)].

Jika Anda memiliki alasan untuk percaya bahwa pendekatan linier terhadap nonlinier dalam sistem Anda tidak terlalu merugikan maka EKF dapat memberikan hasil yang lebih baik daripada KF. Tetapi tidak ada jaminan teoritis akan optimalitas.

Atul Ingle
sumber
Terima kasih. Saya sedang bekerja dengan sistem aeronautika tetapi saya belum disajikan dengan kasus yang sebenarnya - hanya ingin membersihkan semuanya sebelumnya.
Primož Kralj