KaFormer个人笔记整理

好处很多：实现简单， 是一个纯时域的filter,不需要进行频域变换，所以在工程上有很多应用。

举个经典的例子:

        有辆汽车在行驶，我们用位置和速度表示它当前的状态，写成矩阵形式就是一个二维的列向量，这个列向量里面的两个元素就是它的状态，位置与速度,另外驾驶员可以踩油门或者刹车，有一个向前或者向后的加速度,表示对车的一个控制量，如果驾驶员没有踩油门或者刹车,就等于0，车就会做匀速直线运动。

        如果我们已知上一时刻的状态,那么当前状态表达会是什么呢，如图所示

         我们观察这两个公式发现输出变量都只是输入变量的线性组合，这就是我们为什么说卡尔曼滤波器是最佳的线性滤波器，因为它只能描述状态与状态之间的线性关系，既然是线性关系，我们就可以把它写成矩阵的形式，我们再进一步的把两个状态变换矩阵提取出来，然后公式可以简化成右下角所示公式 。

         这个公式就是卡尔曼滤波器第一个公式(状态预测公式)，其中就叫做状态转移矩阵，它表示我们如何从上一时刻的状态来推测当前时刻的状态，其中叫做控制矩阵，它表示控制量如何作用于当前状态（看左上角公式能很好的理解）

 

这里。表示对的估计量，而不是的真实值，因为汽车的真实状态我们是无法知道的，我们只能通过观测来尽可能的估计的值。还有个减号的上标，表示这个值是通过上一时刻的状态推测而来的，待会儿我们还要通过观测量来修正的值，修正之后才可以算是最佳的估计值。也就是没有减号上标的，有了状态预测公式，我们就可以推测当前时刻的状态，但我们知道所有的推测都是包含噪声的，噪声越大不确定性就越大，我们如何来表示推测带来多少不确定性呢，这时候我们就要用协方差矩阵来表示，那么什么是协方差矩阵呢？我们从一维简单情况来解释一下···

        假设我们有一个一维包含噪声的数据，每次测量的值都不同，但都是围绕在一个中心值的周围，那我们表示它们分布状况最简单的方法就是记下它的中心值和方差，这实际上是假设这些数据是高斯的一个分布

        我们再来看看二维的情况，把二维数据分别在两个坐标轴上进行投影，在两个轴上都是高斯分布(图左)，那我们在表示它的分布的时候，是不是分别记下来两个高斯分布的中心值和方差就可以了呢。如果两个噪声是独立的时候，是可以这么表示的，但是两个维度有相关性的情况下，比如在一个维度噪声增大的时候，另一个维度噪声也增大(图中)，比如在一个维度噪声增大的时候，另一个维度噪声减小(图右)，这时候在两个坐标轴的投影与图左是完全没有差别的，仍然是高斯分布，所以为了表示这两个维度之间的相关性,除了要记录两个维度的方差外，还要有一个协方差来表示两个维度之间的相关程度。

        把二维（位置，速度）的协方差写成矩阵的形式就是这样的，对角线的两个值是两个维度各自的方差，反对角线上的两个值是相等的，是这堆二维数据的协方差。在这三种情况中，协方差=0（独立），>0（正相关）,<0（负相关）.

重点 ：在卡尔曼滤波器中所有关于不确定性的表述都要用到协方差矩阵

        在我们小汽车的例子中，每一个时刻状态的不确定性都是由协方差矩阵P来表示的，那么下一个问题就是，我们如何让这种不确定性在每个时刻之间传递呢？答案就是乘上状态转移矩阵F,这次是要在左右两边各乘一次

         写的具体一点就是这样的,从上一时刻推测当前时刻的协方差，就等于上一时刻协方差的两边乘以状态转移矩阵，至于为什么要乘以两边，这是协方差矩阵的一个性质，

         x的协方差是P,想计算FX的协方差，就可以把F从里面提到两边来，这时候我们还要考虑一件事情，就是我们的预测模型并不是100%准确的，它本身也是包含噪声的，

         所以我们要在后面加上一个协方差矩阵Q来表示预测模型本身带来的噪声，

        这个公式代表卡尔曼滤波器第二个公式，它表示不确定性在各个时刻之间的传递关系。

         回到我们这个小汽车的模型，假设我们在公路的一端放置激光测距仪，在每个时刻都可以观测到汽车的位置，观测到的值记作Zt,那么从汽车本身的状态Xt到观测状态Zt之间有一个变换关系，我们记作H，当然这个关系也只能是线性关系，因为卡尔曼滤波器是线性滤波器，所以我们理所当然的要把H写成矩阵形式，X与Z的维度不一定是相同的，在我们的例子里，X是一个二维的列向量，Z只是一个标量的值，H应该是一个一行两列的矩阵，里面的元素分别是1和0，这样H和X相乘的时候就可以得到一个标量的值Z，而Z也就是汽车的位置，它和X第一个元素是相等的，那为什么后面加一个小写的v呢，因为我们观测值也不是100%可靠，所以我们后面要加上一个v来表示观测噪声，而这个噪声的协方差矩阵，我们用R来表示，由于在我们这个例子里，观测值是一个一维的值， 所以这个R的形式也不是一个矩阵而是一个单独的值，仅仅表示Z的方差，假设我们除了激光测距仪外，还有别的测量方法可以观察到汽车的某项特征，那么Z就会变成一个多维的列向量，它会包含每一种测量方式的测量值，而每一个测量值都只是真实状态的一种不完全的表现，我们可以从几种不完整的表述里面推断出真实的状态，而卡尔曼滤波器数据融合的功能，就正是在这个测量矩阵中体现出来的，

         我们已经有了观测量Z和它的噪声协方差矩阵R,那我们如何把它们整合进我们对状态X的估计呢， 我们在前面已经得到了带减号的,现在我们只需要在它的后面加上一项来修正它的值（下图公式1），就可以得到我们的最佳估计值了，那么加上的这一项是什么东西呢？先看括号里面的东西，这表示实际的观测值和我们预期的观测值之间的残差，这个残差乘上一个系数Kt，就可以用来修正的值了，这个Kt十分关键，叫做卡尔曼系数，实际上它也是一个矩阵，它的公式是这样的（下图公式二），这个公式的推导比较复杂，所以我们只是定性的分析一下，这个卡尔曼系数K作用主要有两个方面，一是权衡预测状态协方差P和观察量的协方差矩阵R的大小，来决定我们相信预测模型多一点还是相信观察模型多一点，如果相信预测模型多一点，这个残差的权重就会小一点，反之亦然。二是把残差的表现形式从观察域转换到状态域，这什么意思呢？

         我们刚才讲到观察值Z是一个一维的向量，状态X是一个二维的列向量，他们所用的单位甚至描述的特征都有可能是不同的，那我们怎么可以用观察值(只有位置信息)的残差去更新状态值(位置和速度)呢？实际上这个卡尔曼系数K呢就是在替我们做这样的一个转换，在这个小车的例子，我们只观察到汽车的位置，但K里面已经包含了协方差矩阵P的信息，所以它利用位置和速度这两个维度的相关性，从位置的残差里面来推算出了速度的残差，从而让我们可以对状态X的两个维度同时进行修正，好了，现在只差最后一步了，最后一步就是更新最佳估计值的噪声分布，这个值是留给下一轮迭代时用的，在这步里，状态的不确定性是减小的，而在下一轮迭代中呢，由于传递噪声的引入，不确定性又会增大，卡尔曼滤波器就是在这种不确定性的变化中寻求一种平衡的。

         到现在为止，已经有了卡尔曼滤波器的五个公式，把他们完整的列出来看一下，在这五个公式中，前两个是通过上一时刻的状态来预测当前时刻的状态，通过这两个公式我们得到的是带减号上标的X和P,这表示这并不是最佳的估计值，减号的上标表示它们还欠缺点什么东西，这个欠缺的东西就是从观测值那儿里面带来的信息，因为我们还没考虑当前时刻的观测值，后面三个公式就是用当前观测值来更新X和P,经过更新后的值就是最佳观测值了。

用Matlab实现的例子

 

 

1.需要把变量融入nn.Parameter
2.看看Karman-attention 2020 nuerips spotlight

参考资料

【不要再看那些过时的卡尔曼滤波老教程了】2022巨献，卡尔曼滤波-目标追踪从理论到实战最新版全套教程！建议收藏_哔哩哔哩_bilibili //内容大部分摘自该视频