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卡尔曼滤波算法原理详解：核心公式、C 语言代码实现及电机控制 / 目标追踪应用

news 2025/11/2 8:33:42

本文全面拆解卡尔曼滤波算法，从核心思想到落地应用，为工程开发与理论学习提供完整参考。首先明确卡尔曼滤波“融合预测与观测”的递归本质，详细分析其“高效实时处理、高斯假设下最优估计、多源信息融合”等优点，同时指出“线性高斯依赖、模型参数敏感、高维计算复杂”等局限性，帮读者精准判断算法适用场景。

卡尔曼滤波算法的核心思想是融合预测和观测，通过递归的方式，在存在不确定性的情况下，计算最优的估计。

优点：

高效递归：计算量小，只需当前时刻的估计和测量，无需保存大量历史数据，适合实时处理。
最优估计：在系统线性且噪声为高斯的假设下，能提供统计意义下的最优估计（最小方差估计）。
处理噪声：能有效处理系统和测量中的随机噪声。融合多源信息：天然适合多传感器数据融合，能综合不同传感器的优点，提供更鲁棒的估计。

局限性：

线性与高斯假设：标准的卡尔曼滤波要求系统动态模型和观测模型是线性的，且过程噪声和观测噪声均为高斯白噪声。实际系统常存在非线性。
模型依赖性：滤波效果严重依赖于系统模型（F, H）和噪声统计特性（Q, R）的准确性。这些参数若设置不当，会导致估计偏差甚至发散。
计算复杂度随状态维数增加：对于高维状态空间，矩阵运算的计算量会显著增加

由于卡尔曼滤波的计算量小，所以在实时性的场景下应用较为广泛。

应用领域	具体应用场景	卡尔曼滤波的作用
目标追踪	雷达、视频监控、无人驾驶中的车辆 / 行人跟踪	预测目标下一时刻位置，融合多传感器（如雷达、摄像头）数据，平滑轨迹，估计更准确的位置、速度、加速度。
电机控制与滤波	伺服电机、机器人关节电机、无人机旋翼控制（如 STM32 测电机速度）	滤除编码器反馈信号中的噪声，更准确地估计电机转速和位置；结合电流传感器等，实现更精密的状态观测和控制。
导航与定位	无人机、自动驾驶汽车、机器人、手机导航	多传感器融合的核心算法。例如，融合 GPS（绝对位置但更新慢、有噪声）和 IMU（惯性测量单元，高频但误差累积）数据，提供连续、高精度的位置、速度和姿态估计。
信号处理与经济预测	去除信号中的噪声、股票价格预测、经济指标分析	从含噪声的时间序列数据中提取真实趋势，或基于历史数据进行短期预测。
航空航天	卫星轨道确定、导弹制导、飞行器姿态控制	估计飞行器的精确位置、速度和姿态，是导航和控制系统的重要组成部分。

卡尔曼滤波计算量小、效果明显和无需保存历史数据，适合实时信号处理。下图为某次电机运转后，电机速度的原始图像和卡尔曼滤波后的曲线图（橘红色为滤波后曲线，蓝色为原始曲线）。

卡尔曼滤波算法原理详解：核心公式、C 语言代码实现及电机控制 / 目标追踪应用

根据上述公式编写 C 语言代码如下：

float Kalman_Filter(Kalman* p,float dat)
{if(!p) return 0;p->X =p->A*p->X_last;                   p->P = p->A*p->P_last+p->Q;              p->kg = p->P/(p->P+p->R);           p->X_now = p->X+p->kg*(dat-p->X);     p->P_now = (1-p->kg)*p->P;               p->P_last = p->P_now;p->X_last = p->X_now;return p->X_now;
}

Kalman 结构体中变量解释：

A: 状态转移矩阵（或系数），表示状态如何随时间变化。

Q: 过程噪声协方差，表示系统模型的不确定性。

R: 观测噪声协方差，表示传感器测量的不确定性。

X_last: 上一时刻的后验状态估计 (k-1|k-1)。

P_last: 上一时刻的估计误差协方差 (k-1|k-1)。

X: 当前时刻的先验状态预测 (k|k-1)。

P: 当前时刻的预测误差协方差 (k|k-1)。

kg: 卡尔曼增益 (Kk)，决定了我们更相信预测还是测量。

X_now: 当前时刻的后验状态估计 (k|k)，即最终的滤波输出。

P_now: 当前时刻的估计误差协方差 (k|k)。

（1）预测阶段 (Prediction)