Měření dat Filtrace dat, Kalmanův filtr

Podobné dokumenty
Měření dat Filtrace dat, Kalmanův filtr

Odhad stavu matematického modelu křižovatek

Jan Škoda. 29. listopadu 2013

Stavový model a Kalmanův filtr

Aktivní detekce chyb

1. Vlastnosti diskretních a číslicových metod zpracování signálů... 15

Aplikovaná numerická matematika

Časové řady, typy trendových funkcí a odhady trendů

UČENÍ BEZ UČITELE. Václav Hlaváč

Časové řady, typy trendových funkcí a odhady trendů

Přednáška 13 Redukce dimenzionality

Návrh nelineárního systému odhadu v úlohách filtrace, predikce a vyhlazování

AVDAT Nelineární regresní model

Řízení a optimalizace Stavové modely a model-prediktivní řízení

Pravděpodobnost a matematická statistika Doc. RNDr. Gejza Dohnal, CSc. dohnal@nipax.cz

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

SLAM. Simultaneous localization and mapping. Ing. Aleš Jelínek 2015

Návrh a vyhodnocení experimentu

naopak více variant odpovědí, bude otázka hodnocena jako nesprávně zodpovězená.

Eva Fišerová a Karel Hron. Katedra matematické analýzy a aplikací matematiky Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci.

Charakterizují kvantitativně vlastnosti předmětů a jevů.

11MAMY LS 2017/2018. Úvod do Matlabu. 21. února Skupina 01. reseni2.m a tak dále + M souborem zadané funkce z příkladu 3 + souborem skupina.

Matematika III 10. týden Číselné charakteristiky střední hodnota, rozptyl, kovariance, korelace

1 Lineární stochastický systém a jeho vlastnosti. 2 Kovarianční funkce, výkonová spektrální hustota, spektrální faktorizace,

aneb jiný úhel pohledu na prvák

11 Analýza hlavních komponet

4EK211 Základy ekonometrie

LINEÁRNÍ MODELY. Zdeňka Veselá

Návrh a vyhodnocení experimentu

VYUŽITÍ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ METODY MONTE CARLO V SOUDNÍM INŽENÝRSTVÍ

Náhodný vektor. Náhodný vektor. Hustota náhodného vektoru. Hustota náhodného vektoru. Náhodný vektor je dvojice náhodných veličin (X, Y ) T = ( X

Řízení a optimalizace Stavové modely a model-prediktivní řízení

Pravděpodobnost a matematická statistika Doc. RNDr. Gejza Dohnal, CSc.

Úvodem Dříve les než stromy 3 Operace s maticemi

Cvičení ze statistiky - 3. Filip Děchtěrenko

Číslicové zpracování signálů a Fourierova analýza.

8. Sběr a zpracování technologických proměnných

2 Zpracování naměřených dat. 2.1 Gaussův zákon chyb. 2.2 Náhodná veličina a její rozdělení

Náhodný vektor. Náhodný vektor. Hustota náhodného vektoru. Hustota náhodného vektoru. Náhodný vektor je dvojice náhodných veličin (X, Y ) T = ( X

Časová a prostorová složitost algoritmů

Chyba predikce při rezervování metodou Chain Ladder u korelovaných vývojových trojúhelníků

Aplikovaná statistika v R - cvičení 2

Katedra kybernetiky laboratoř Inteligentní Datové Analýzy (IDA) Katedra počítačů, Computational Intelligence Group

Modelování a simulace Lukáš Otte

Teorie náhodných matic aneb tak trochu jiná statistika

Kamerový senzor polohy, rychlosti a zrychlení

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Neuronové časové řady (ANN-TS)

7 th International Scientific Technical Conference PROCESS CONTROL 2006 June 13 16, 2006, Kouty nad Desnou, Czech Republic REGULÁTORU JOSEF BÖHM

Dnešní látka Opakování: normy vektorů a matic, podmíněnost matic Jacobiova iterační metoda Gaussova-Seidelova iterační metoda

1. Přednáška. Ing. Miroslav Šulai, MBA

Úloha 1. Napište matici pro případ lineárního regresního spline vyjádřeného přes useknuté

Vytěžování znalostí z dat

stránkách přednášejícího.

Cvičná bakalářská zkouška, 1. varianta

Statistika. Regresní a korelační analýza Úvod do problému. Roman Biskup

Úvod do zpracování signálů

4EK211 Základy ekonometrie

Klasifikace a rozpoznávání. Lineární klasifikátory

FOURIEROVA ANAL YZA 2D TER ENN ICH DAT Karel Segeth

K možnostem krátkodobé předpovědi úrovně znečištění ovzduší statistickými metodami. Josef Keder

Aplikovaná numerická matematika - ANM

WORKSHEET 1: LINEAR EQUATION 1

Intervalová data a výpočet některých statistik

TERMINOLOGIE ... NAMĚŘENÁ DATA. Radek Mareček PŘEDZPRACOVÁNÍ DAT. funkční skeny

na magisterský studijní obor Učitelství matematiky pro střední školy

SOLVER UŽIVATELSKÁ PŘÍRUČKA. Kamil Šamaj, František Vižďa Univerzita obrany, Brno, 2008 Výzkumný záměr MO0 FVT

Statistická analýza dat

8 Coxův model proporcionálních rizik I

Interpolace pomocí splajnu

Úloha - rozpoznávání číslic

19 Hilbertovy prostory

Měření závislosti statistických dat

5 Časové řady. Definice 16 Posloupnost náhodných veličin {X t, t T } nazveme slabě stacionární, pokud

Hledání kořenů rovnic jedné reálné proměnné metoda půlení intervalů Michal Čihák 23. října 2012

Newtonova metoda. 23. října 2012

Náhodný vektor a jeho charakteristiky

Aplikovaná statistika v R - cvičení 3

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

Odhad parametrů N(µ, σ 2 )

4EK211 Základy ekonometrie

Simulace. Simulace dat. Parametry

4EK311 Operační výzkum. 1. Úvod do operačního výzkumu

Konvoluční model dynamických studií ledvin. seminář AS UTIA

Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta aplikovaných věd. Katedra kybernetiky. Diplomová práce. Fúze odhadů stavu pro stochastické dynamické systémy

Řízení a optimalizace Stavové modely a model-prediktivní řízení

AVDAT Klasický lineární model, metoda nejmenších

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

1 Modelování systémů 2. řádu

metoda Regula Falsi 23. října 2012

Matematika a fyzika. René Kalus KAM, FEI, VŠB-TUO

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

Vybrané partie z obrácených úloh. obrácených úloh (MG452P73)

Agent pracující v částečně pozorovatelném prostředí udržuje na základě senzorického modelu odhaduje, jak se svět může vyvíjet.

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Skalární součin. študenti MFF 15. augusta 2008

Statistická teorie učení

4EK201 Matematické modelování. 2. Lineární programování

Regresní analýza. Ekonometrie. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie FVL UO Brno kancelář 69a, tel

Vlastnosti a modelování aditivního

Vypracovat přehled paralelních kinematických struktur. Vytvořit model a provést analýzu zvolené PKS

Transkript:

Měření dat Filtrace dat, Matematické metody pro ITS (11MAMY) Jan Přikryl Ústav aplikované matematiky ČVUT v Praze, Fakulta dopravní 3. přednáška 11MAMY čtvrtek 28. února 2018 verze: 2018-02-28 12:20

Obsah přednášky 1

Motivace Máme signál libovolného typu (měření teploty, zvuk, radarová data o vzdálenosti), tento signál je zašumněný. Jak odstranit šum? Třeba klouzavý průměr ale z kolika prvků a jaké mají mít váhy? V reálném světě to nefunguje. Potřebujeme trochu statistiky

Princip Princip: Odhad správné hodnoty měřené veličiny je vážený průměr naměřené a modelované hodnoty. ŷ[k] = K[k]z + (1 K[k])y[k] Matice K[k] je časově proměnná, vážený průměr se adaptuje na odhad chyby modelované veličiny odhad chyby měřené veličiny Uvažujeme velmi jednoduchý stavový model systému x[k + 1] = A[k]x[k] + v[k] y[k] = C[k]x[k] + w[k]

Kroky Postupně vykonáváme následující kroky 1 Sestavení dynamického stavového modelu 2 Nastavení parametrů (počáteční podmínky, kovariance) 3 Iterace: 1 Filtrace (angl. measurement update) 2 Predikce (angl. time update)

Kroky Postupně vykonáváme následující kroky 1 Sestavení dynamického stavového modelu 2 Nastavení parametrů (počáteční podmínky, kovariance) 3 Iterace: 1 Predikce (angl. time update) 2 Filtrace (angl. measurement update)

Model lineárního dynamického systému Nové hodnoty x[k + 1] jsou lineární kombinací předchozích hodnot řídicího signálu u[k] šumu procesu V mnoha případech je u[k] = 0 Předpokládaná hodnota měření je lineární kombinací stavu šumu měření

Entity A, B a C jsou obecně časově proměnné matice. V mnoha problémech zpracování dat ale jde pouze o skalární hodnoty, protože i vnitřní stav je skalární, jde o hodnoty konstantní v čase Z již tak zjednodušeného stavového modelu dynamického systému x[k + 1] = A[k]x[k] + v[k] y[k] = C[k]x[k] + w[k]

Entity A, B a C jsou obecně časově proměnné matice. V mnoha problémech zpracování dat ale jde pouze o skalární hodnoty, protože i vnitřní stav je skalární, jde o hodnoty konstantní v čase dostaneme zcela primitivní model dynamického SISO systému x[k + 1] = a x[k] + v[k] y[k] = c x[k] + w[k]

Pokud přepíšeme popis modelu do lineární stavové formy (což je ve většině případů možné), potřebujeme pouze nějak zadat kovariance (respektive rozptyl) šumů v[k] a w[k]. Šumy v[k] i w[k] jsou Gaussovské navzájem statisticky nezávislé v[k] N (0, Q) w[k] N (0, R)

V praxi stačí, že oba šumy jsou přibližně normální. I v případě, kdy kovarianční matice Q a R odhadneme pouze nepřesně, algoritmus Kalmanova filtru většinou konverguje ke korektním odhadům. Základní pravidlo zní: Jak dobrý je váš odhad šumových parametrů, tak kvalitní dostanete odhady veličiny.

Predikce: 1 předpovíme stav pro k + 1 pomocí rovnice vývoje stavu (střední hodnota šumu je nulová, ve stavu se tedy neprojeví nijak) x[k + 1] = Ax[k] + Bu[k] 2 promítneme současné zašumnění stavu do dalšího kroku kovariance stavu nulová není, navíc máme nenulové Q P [k + 1] = AP[k]A T + Q

The most remaining painful thing is to determine R and Q. R is rather simple to find out, because, in general, we re quite sure about the noise in the environment. But finding out Q is not so obvious. And at this stage, I can t give you a specific method. To start the process, we need to know the estimate of x0, and P0.

1 aktualizujeme hodnotu Kalmanova zisku ( ) 1 K[k] = P[k]C T CP[k]C T + R 2 korigujeme stav na základě odchylky výstupu modelu y[k] od měření z[k] 3 aktualizujeme kovarianci chyb ˆx[k] = x[k] + K[k] (z[k] y[k]) P[k] = (I K[k]C) P[k]

Shrnutí hledá optimální průměrování pro každý diskrétní časový okamžik. Díky modelu systému má uloženy informace o historii stavu. Není to signálový filtr, je to estimátor. Lze ukázat, že se jedná o rekurzivní Bayesovský estimátor. Považován za jeden z nejvýznamnějších objevů 20. století. Plné odvození je netriviální, ale jsou k dispozici implementace pro většinu běžných programovacích jazyků. Odvozen pro lineární systémy, existují i varianty pro nelineární systémy (EKF, UKF, DD1). Ty jsou však výrazně složitější a pomalejší.