卡尔曼滤波算法简介与 Kotlin 实现

一、引言

卡尔曼滤波（Kalman Filter）是一种基于线性系统状态空间模型的最优递归估计算法，由鲁道夫・E・卡尔曼于 1960 年提出。其核心思想是通过融合系统动态模型预测值与传感器观测值，在最小均方误差准则下实现对系统状态的实时最优估计。该算法广泛应用于导航、目标跟踪、信号处理等领域，尤其适合处理带有噪声的动态系统数据融合问题。

二、数学基础

状态空间模型卡尔曼滤波基于线性离散时间系统，其状态方程和观测方程定义为：

$$\{\begin{array}{l}{x}_k=A{x}_{k-1}+B{u}_{k-1}+w_{k-1}\\ z_k=H{x}_k+v_k\end{array}$$

其中：

• $x_k$ 是 $k$ 时刻的系统状态向量

• $z_k$ 是 $k$ 时刻的观测向量

• $A$ 是状态转移矩阵

• $B$ 是控制输入矩阵（可选）

• $u_{k-1}$ 是控制输入

• $w_{k-1}$ 是过程噪声（高斯白噪声，协方差为 $Q$）

• $v_k$ 是观测噪声（高斯白噪声，协方差为 $R$）

• $H$ 是观测矩阵

最优估计准则卡尔曼滤波通过最小化估计误差的均方误差（MSE）来实现最优估计：

$\text{MSE}=E\left[(x_k-{\hat{x}}_k{)}^2\right]$

其中${\hat{x}}_k$ 是 $x_k$的估计值。

三、算法原理与步骤

卡尔曼滤波分为预测和更新两个核心步骤，通过递归方式不断优化状态估计。

预测步骤

• 状态预测：基于系统动态模型预测下一时刻状态：

${\hat{x}}_{k|k-1}=A{\hat{x}}_{k-1|k-1}+B{u}_{k-1}$

• 协方差预测：计算预测状态的不确定性：

$P_{k|k-1}=A{P}_{k-1|k-1}{A}^T+Q$

更新步骤

• 卡尔曼增益计算：权衡预测值与观测值的权重：

$K_k=P_{k|k-1}{H}^T{\left(H{P}_{k|k-1}{H}^T+R\right)}^{-1}$

• 状态更新：融合观测值修正预测状态：

${\hat{x}}_{k|k}={\hat{x}}_{k|k-1}+K_k\left(z_k-H{\hat{x}}_{k|k-1}\right)$

• 协方差更新：更新估计状态的不确定性：

$P_{k|k}=\left(I-K_{k}H\right)P_{k|k-1}$

四、Kotlin 代码实现

以下是一个基于标量卡尔曼滤波的 Kotlin 实现，适用于一维状态估计（如温度滤波）。

    class KalmanFilter(private val initialState: Double,private val initialCovariance: Double,private val processNoise: Double,private val measurementNoise: Double) {private var state = initialState  // 当前状态估计值private var covariance = initialCovariance  // 当前协方差矩阵// 预测步骤：基于系统模型预测下一状态fun predict(): Double {// 状态转移矩阵 F = 1（标量情况）state = state  // 无控制输入时，状态保持不变// 协方差预测：P = FPF^T + Qcovariance += processNoisereturn state}// 更新步骤：融合观测值修正状态fun update(measurement: Double): Double {// 计算卡尔曼增益 K = P H^T (HPH^T + R)^-1// 标量情况下 H = 1，简化为 K = P / (P + R)val kalmanGain = covariance / (covariance + measurementNoise)// 状态更新：x = x_pred + K(z - Hx_pred)state += kalmanGain * (measurement - state)// 协方差更新：P = (I - KH)Pcovariance *= (1.0 - kalmanGain)return state}}// 示例用法fun main() {// 初始化滤波器参数val initialState = 0.0val initialCovariance = 1.0val processNoise = 0.1  // 过程噪声方差val measurementNoise = 0.1  // 观测噪声方差val kalmanFilter = KalmanFilter(initialState,initialCovariance,processNoise,measurementNoise)// 模拟观测数据（含噪声）val measurements = listOf(1.1, 1.9, 3.2, 4.1, 5.0)// 执行滤波并输出结果for (measurement in measurements) {kalmanFilter.predict()val filteredValue = kalmanFilter.update(measurement)println("Measurement: $measurement, Filtered: $filteredValue")}}

五、参数调整与优化

1.关键参数说明

• 过程噪声：反映系统模型不确定性。增大 $Q$ 会提高对观测值的信任度，反之则更依赖模型预测。

• 观测噪声：反映传感器测量误差。增大 $R$ 会降低观测值的权重，适合处理高频噪声。

• 初始协方差：初始不确定性估计，通常设为较大值以保证收敛。

2.参数调整方法

• 静态调整：通过实验观察滤波效果，手动调整 $Q$ 和 $R$。例如，若滤波结果波动较大，可增大 $Q$；若响应滞后，可减小 $R$。

• 动态调整：采用自适应卡尔曼滤波（AKF），根据实时残差（观测值与预测值之差）自动调整参数。

• 可视化验证使用串口示波器或绘图工具，对比原始观测值、预测值和滤波结果，确保滤波曲线平滑且快速跟踪真实信号。

六、扩展应用与注意事项

多维卡尔曼滤波 当系统状态包含多个变量（如位置、速度、加速度）时，需将标量运算扩展为矩阵运算。此时需定义多维状态转移矩阵 $A$、观测矩阵 $H$，并处理协方差矩阵 $P$ 的维度。

扩展卡尔曼滤波（EKF） 对于非线性系统，可采用扩展卡尔曼滤波。通过对非线性函数进行泰勒展开（保留一阶项），将其线性化后应用标准卡尔曼滤波框架。EKF 的核心是计算雅克比矩阵（Jacobian）以近似非线性变换。

实时性优化

• 采用递归计算，避免存储历史数据。

• 优先使用矩阵运算库（如 Kotlin 的kotlinx.math）优化性能。

• 针对嵌入式系统，可简化状态模型以降低计算复杂度。

七、总结

卡尔曼滤波通过融合系统模型与观测数据，实现了对动态系统状态的最优估计。其递归特性和高效计算能力使其在实时应用中表现优异。通过合理调整参数并结合实际场景，卡尔曼滤波可有效提升数据融合精度，广泛应用于导航、控制、信号处理等领域。在实际工程中，需根据系统特性选择合适的滤波变种（如 EKF），并通过实验验证参数设置的合理性。