四个小车相对导航集中式无迹卡尔曼滤波(fullyCN-EKF)

news2024/9/20 9:00:34

背景

二维情况下,四个小车各自有绝对定位(GNSS),相互之间部分有相对定位(UWB)时,一个滤波器搞定四个小车的状态滤波。使用EKF。

建模

四个小车,每个有x、y两个轴,所以状态量有4*2=8维,观测量为各自的GNSS绝对定位+相对定位(1对2+2对1+2对3+3对3+4对3),所以观测量Z的维度为(4+5)*2=18维。
定义系统误差矩阵Q和观测误差协方差矩阵R为:

Q = 0.1*diag(ones(8,1))
R = 0.1*diag([ones(18,1)])

定义四个小车的初值为:(1,0)、(2,0)、(3,0)、(4,0),各自的状态方程设置简单一点,统一为:
X ˙ k + 1 = f ( X k ) + u ( k ) = X k + ( cos ⁡ ( 0.1 k ) cos ⁡ ( 0.1 k ) + 1 ) ) \dot{X}_{k+1}=f(X_{k})+u(k)=X_{k}+\left.\left(\begin{matrix}\cos(0.1k)\\\cos(0.1k)+1)\end{matrix}\right.\right) X˙k+1=f(Xk)+u(k)=Xk+(cos(0.1k)cos(0.1k)+1))
因此四个小车混在一起,可以得到状态量:
x k = [ ( x k 1 ) T , ( x k 2 ) T , … , ( x k 4 ) T ] T \mathbf{x}_{k}=\left[\left(\mathbf{x}_{k}^{1}\right)^{\mathrm{T}},\left(\mathbf{x}_{k}^{2}\right)^{\mathrm{T}},\ldots,\left(\mathbf{x}_{k}^{4}\right)^{\mathrm{T}}\right]^{\mathrm{T}} xk=[(xk1)T,(xk2)T,,(xk4)T]T
X对应的状态变换矩阵为8维的主对角矩阵:

F = eye(8);

观测数据生成:

Q_abs = 0.2*diag([1,1]);w_abs=sqrt(Q_abs)*randn(size(Q_abs,1),length(t));Zflight.a = flight.a+w_abs; %生成飞机a的绝对观测量
Q_abs = 0.2*diag([1,1]);w_abs=sqrt(Q_abs)*randn(size(Q_abs,1),length(t));Zflight.b = flight.b+w_abs;
Q_abs = 0.2*diag([1,1]);w_abs=sqrt(Q_abs)*randn(size(Q_abs,1),length(t));Zflight.c = flight.c+w_abs;
Q_abs = 0.2*diag([1,1]);w_abs=sqrt(Q_abs)*randn(size(Q_abs,1),length(t));Zflight.d = flight.d+w_abs;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.ab = flight.a-flight.b+w_coo; %生成a-b的相对观测量
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.ac = flight.a-flight.c+w_coo;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.ad = flight.a-flight.d+w_coo;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.ba = flight.b-flight.a+w_coo;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.bc = flight.b-flight.c+w_coo;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.bd = flight.b-flight.d+w_coo;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.ca = flight.c-flight.a+w_coo;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.cb = flight.c-flight.b+w_coo;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.cd = flight.c-flight.d+w_coo;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.da = flight.d-flight.a+w_coo;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.db = flight.d-flight.b+w_coo;
Q_coo = 0.1*diag([1,1]);w_coo=sqrt(Q_coo)*randn(size(Q_coo,1),length(t));Zflight.dc = flight.d-flight.c+w_coo;

再定义观测方程:

Z_hat =[Xpre(1);Xpre(2);Xpre(3);Xpre(4);Xpre(5);Xpre(6);Xpre(7);Xpre(8);
    Xpre(1*2-1)-Xpre(2*2-1);Xpre(1*2)-Xpre(2*2); %Zab
    Xpre(2*2-1)-Xpre(1*2-1);Xpre(2*2)-Xpre(1*2); %Zba
    Xpre(2*2-1)-Xpre(2*3-1);Xpre(2*2)-Xpre(2*3); %Zbc
    Xpre(2*3-1)-Xpre(2*2-1);Xpre(2*3)-Xpre(2*2);%Zcb
    Xpre(2*4-1)-Xpre(2*3-1);Xpre(2*4)-Xpre(2*3)%Zdc
    ];

上述代码第一行代表四个小车的绝对观测量(每个小车2个维度,所以共8维)。
第二行表示第一个的坐标减去第二个的坐标(2→1的观测量),第三行至第六行以此类推。
由Z可以得到观测矩阵:

H = [1,0,0,0,0,0,0,0;
        0,1,0,0,0,0,0,0;
        0,0,1,0,0,0,0,0;
        0,0,0,1,0,0,0,0;
        0,0,0,0,1,0,0,0;
        0,0,0,0,0,1,0,0;
        0,0,0,0,0,0,1,0;
        0,0,0,0,0,0,0,1;
        1,0,-1,0,0,0,0,0;
        0,1,0,-1,0,0,0,0;
        -1,0,1,0,0,0,0,0;
        0,-1,0,1,0,0,0,0;
        0,0,1,0,-1,0,0,0;
        0,0,0,1,0,-1,0,0;
        0,0,-1,0,1,0,0,0;
        0,0,0,-1,0,1,0,0;
        0,0,0,0,-1,0,1,0;
        0,0,0,0,0,-1,0,1];

滤波

PP=F*P*F'+Q;
Kk=PP*H'/(H*PP*H'+R);
flight_ekf.fully(:,k)=Xpre+Kk*(flightZ.fully(:,k)-Z_hat);
P=PP-Kk*H*PP;
flightP_num.fully(k,:,:) = P;

绘图

a机的x轴与y轴位移:
a机的x轴与y轴位移
a机的x轴与y轴误差曲线图:
a机的x轴与y轴误差曲线图
a机x轴和y轴的累积误差概率曲线图:
a机x轴和y轴的累积误差概率曲线图

b机x轴和y轴的累积误差概率曲线图:
在这里插入图片描述

c机x轴和y轴的累积误差概率曲线图:
在这里插入图片描述

d机x轴和y轴的累积误差概率曲线图:
在这里插入图片描述
完整程序下载链接:
https://download.csdn.net/download/callmeup/88471122
有疑问留言or联系电子邮箱:evandworld@foxmail.com,看到了一一般都会回复

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