Фильтр Калмана — Введение

Фильтр Калмана — это, наверное, самый популярный алгоритм фильтрации, используемый во многих областях науки и техники. Благодаря своей простоте и эффективности его можно встретить в GPS-приемниках, обработчиках показаний датчиков, при реализации систем управления и т.д.

Про фильтр Калмана в интернете есть очень много статей и книг (в основном на английском), но у этих статей довольно большой порог вхождения, остается много туманных мест, хотя на самом деле это очень ясный и прозрачный алгоритм. Я попробую рассказать о нем простым языком, с постепенным нарастанием сложности.

Для чего он нужен?

Любой измерительный прибор обладает некоторой погрешностью, на него может оказывать влияние большое количество внешних и внутренних воздействий, что приводит к тому, что информация с него оказывается зашумленной. Чем сильнее зашумлены данные тем сложнее обрабатывать такую информацию.

Фильтр — это алгоритм обработки данных, который убирает шумы и лишнюю информацию. В фильтре Калмана есть возможность задать априорную информацию о характере системе, связи переменных и на основании этого строить более точную оценку, но даже в простейшем случае (без ввода априорной информации) он дает отличные результаты.

Рассмотрим простейший пример — предположим нам необходимо контролировать уровень топлива в баке. Для этого в бак устанавливается емкостный датчик, он очень прост в обслуживании, но обладает некоторыми недостатками — например, зависимость от заправляемого топлива (диэлектрическая проницаемость топлива зависит от многих факторов, например, от температуры), большое влияние «болтанки» в баке. В итоге, информация с него представляет типичную «пилу» с приличной амплитудой. Такого рода датчики часто устанавливаются на тяжелой карьерной технике (не смущайтесь объемам бака):

Фильтр Калмана

Немного отвлечемся и познакомимся с самим алгоритмом. Фильтр Калмана использует динамическую модель системы (например, физический закон движения), известные управляющие воздействия и множество последовательных измерений для формирования оптимальной оценки состояния. Алгоритм состоит из двух повторяющихся фаз: предсказание и корректировка. На первом рассчитывается предсказание состояния в следующий момент времени (с учетом неточности их измерения). На втором, новая информация с датчика корректирует предсказанное значение (также с учетом неточности и зашумленности этой информации):



Уравнения представлены в матричной форме, если вы не знаете линейную алгебру — ничего страшного, дальше будет упрощенная версия без матриц для случая с одной переменной. В случае с одной переменной матрицы вырождаются в скалярные значения.

Разберемся сначала в обозначениях: подстрочный индекс обозначает момент времени: k — текущий, (k-1) — предыдущий, знак «минус» в верхнем индексе обозначает, что это предсказанное промежуточное значение.

Описание переменных представлены на следующих изображениях:





Можно долго и нудно описывать, что означают все эти таинственные матрицы переходов, но лучше, на мой взгляд, на реальном примере попробовать применить алгоритм — чтобы абстрактные значения обрели реальный смысл.

Опробуем в деле

Вернемся к примеру с датчиком уровня топлива, так как состояние системы представлено одной переменной (объем топлива в баке), то матрицы вырождаются в обычные уравнения:

Определение модели процесса

Для того, чтобы применить фильтр, необходимо определить матрицы/значения переменных определяющих динамику системы и измерений F, B и H:

F — переменная описывающая динамику системы, в случае с топливом — это может быть коэффициент определяющий расход топлива на холостых оборотах за время дискретизации (время между шагами алгоритма). Однако помимо расхода топлива, существуют ещё и заправки… поэтому для простоты примем эту переменную равную 1 (то есть мы указываем, что предсказываемое значение будет равно предыдущему состоянию).

B — переменная определяющая применение управляющего воздействия. Если бы у нас были дополнительная информация об оборотах двигателя или степени нажатия на педаль акселератора, то этот параметр бы определял как изменится расход топлива за время дискретизации. Так как управляющих воздействий в нашей модели нет (нет информации о них), то принимаем B = 0.

H — матрица определяющая отношение между измерениями и состоянием системы, пока без объяснений примем эту переменную также равную 1.

Определение сглаживающих свойств

R — ошибка измерения может быть определена испытанием измерительных приборов и определением погрешности их измерения.

Q — определение шума процесса является более сложной задачей, так как требуется определить дисперсию процесса, что не всегда возможно. В любом случае, можно подобрать этот параметр для обеспечения требуемого уровня фильтрации.

Реализуем в коде

Чтобы развеять оставшиеся непонятности реализуем упрощенный алгоритм на C# (без матриц и управляющего воздействия):

    class KalmanFilterSimple1D
    {
        public double X0 {get; private set;} // predicted state
        public double P0 { get; private set; } // predicted covariance

        public double F { get; private set; } // factor of real value to previous real value
        public double Q { get; private set; } // measurement noise
        public double H { get; private set; } // factor of measured value to real value
        public double R { get; private set; } // environment noise

        public double State { get; private set; }
        public double Covariance { get; private set; }

        public KalmanFilterSimple1D(double q, double r, double f = 1, double h = 1)
        {
            Q = q;
            R = r;
            F = f;
            H = h;
        }

        public void SetState(double state, double covariance)
        {
            State = state;
            Covariance = covariance;
        }

        public void Correct(double data)
        {
            //time update - prediction
            X0 = F*State;
            P0 = F*Covariance*F + Q;

            //measurement update - correction
            var K = H*P0/(H*P0*H + R);
            State = X0 + K*(data - H*X0);
            Covariance = (1 - K*H)*P0;            
        }
    }



    // Применение...

    var fuelData = GetData();
    var filtered = new List<double>();

    var kalman = new KalmanFilterSimple1D(f: 1, h: 1, q: 2, r: 15); // задаем F, H, Q и R
    kalman.SetState(fuelData[0], 0.1); // Задаем начальные значение State и Covariance
    foreach(var d in fuelData)
    {
        kalman.Correct(d); // Применяем алгоритм

        filtered.Add(kalman.State); // Сохраняем текущее состояние 
    }

Результат фильтрации с данными параметрами представлен на рисунке (для настройки степени сглаживания — можно изменять параметры Q и R):



За рамками статьи осталось самое интересное — применение фильтра Калмана для нескольких переменных, задание взаимосвязи между ними и автоматический вывод значений для ненаблюдаемых переменных. Постараюсь продолжить тему как только появится время.

Надеюсь описание получилось не сильно утомительным и сложным, если остались вопросы и уточнения — добро пожаловать в комментарии )

UPD: Список источников:
CS373 — PROGRAMMING A ROBOTIC CAR — очень рекомендую
Википедия (русская)
Википедия (англ.)
На хабре: 1 и 2

Более серьезные источники:
Greg Welch, Gary Bishop, «An Introduction to the Kalman Filter», 2001
M.S.Grewal, A.P. Andrews, «Kalman Filtering — Theory and Practice Using MATLAB», Wiley, 2001

UPD2: приведенный в статье пример — чисто демонстрационный. Основное применение фильтра более сложные системы. Например, в случае определение координат автомобиля можно связать gps-координаты, угол поворота руля, обороты двигателя… и все это даст повышение точности координат.