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在AGV系统中,扩展卡尔曼滤波器和标准卡尔曼滤波器的区别是什么

作者:联集AGV 2025-01-14 949

在AGV小车系统中,扩展卡尔曼滤波器(EKF)和标准卡尔曼滤波器(KF)的区别主要体现在以下几个方面:

适用系统

  • KF:主要处理线性系统,即系统的状态转移方程和观测方程都可以用线性关系来描述。例如在一些简单的AGV小车导航场景中,车辆的运动可以近似为匀速直线运动,传感器的观测值(如位置、速度等)与系统状态之间也存在线性关系,此时KF能够有效地对系统状态进行最优估计。

  • EKF:适用于非线性系统的状态估计。在AGV小车系统中,车辆的运动方程和观测方程往往是非线性的,例如车辆的转向、加速、减速等动作会导致运动状态的非线性变化,传感器的测量模型也可能存在非线性关系,这时候就需要使用EKF来处理。

原理

  • KF:以最小均方误差为估计的最佳准则,通过信号与噪声的状态空间模型,利用前一时刻的估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计,从而求得现时刻的最优估计值。其基本思想可以概括为预测和更新两个步骤。预测阶段根据前一个状态预测下一个状态,包括位置和相应的协方差矩阵。更新阶段则通过观测数据对预测结果进行修正,得到最终的状态估计。

  • EKF:是KF的扩展形式,其基本原理是将非线性函数在估计值附近进行泰勒级数展开,并忽略二阶及以上的高阶项,从而将非线性问题近似为线性问题。然后,利用KF的框架进行状态估计,也包括预测和更新两个步骤。在预测步骤中,根据上一时刻的状态估计值和控制输入,预测当前时刻的状态值;在更新步骤中,根据当前时刻的观测值和预测值,计算卡尔曼增益,并更新状态估计值。

精度

  • KF:在处理线性系统时,能够得到较为精确的状态估计。但对于非线性系统,由于其假设系统是线性的,当系统存在非线性特性时,直接使用KF可能会导致较大的估计误差,甚至无法准确估计系统状态。

  • EKF:通过对非线性系统进行线性化近似,能够在一定程度上处理非线性问题,在非线性程度不是特别高的情况下,相比KF能够得到更准确的状态估计。但由于其线性化过程会引入一定的误差,当系统的非线性程度较高时,线性化误差可能会累积,导致估计精度下降。

计算量

  • KF:算法相对简单,计算量较小,比较容易满足实时计算的要求,适合在对实时性要求较高且计算资源有限的AGV小车系统中应用。

  • EKF:需要对非线性函数进行泰勒级数展开和求导等操作,计算过程相对复杂,计算量比KF大。在一些对实时性要求较高的AGV小车系统中,可能需要对算法进行优化,以减少计算量,满足实时性要求。

应用场景

  • KF:适用于线性度较好,或者对精度要求不高的AGV小车系统。例如在一些简单的、运动较为平稳的AGV小车导航场景中,KF可以满足基本的状态估计需求。

  • EKF:更适合非线性程度较高,对精度要求较高的AGV小车系统。例如在复杂的AGV小车运动场景中,车辆需要频繁转向、加速、减速,或者在存在复杂环境干扰的情况下,EKF能够更好地处理非线性问题,提供更准确的状态估计,从而提高AGV小车的导航精度和稳定性。