px4 EKF中Q、R阵设置的思考

2023-05-16

关于Q R的讨论

Q阵

状态转移误差矩阵,代表从Xt-1到Xt过程中,状态转移和真实过程之间的误差,具体其中变量可能是对状态转移有影响的变量,比如在有一些场景下,可能为速度,位移,加速度等。加速度对状态扰动最大,所以用加速度对速度和位移的协方差来初始化Q矩阵,是运动模型和物体真实运动之间的差别噪声,预测噪声、系统噪声在这里插入图片描述
图片来着公众号MultiMCU EDU,侵删
ekf matlib中Q的输入元素
daxVar =(dt*param.prediction.angRateNoise)^2
dvx= deltaVelocity(1)
指定IMU角和速度上的噪声方差

在这里插入图片描述
设置加速度计和陀螺仪噪声

在这里插入图片描述
constrain函数对噪声大小进行限制,随后噪声用于计算daxVar(ekf matlib中Q阵的输入元素)

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px4中EKF Q阵就由加速度计、陀螺仪噪声获取,与下面过程噪声processNoise不一样

在这里插入图片描述
constrain函数
**

R阵

**,测量误差矩阵,代表用Xt得到Zt的时候的测量误差。R矩阵会影响卡尔曼增益,R越小,卡尔曼增益就越大,收敛就越快。具体其中参数可能是对观测有影响的变量,比如,IMU输入,GPS输入,里程计运动模型输入等。但是这个矩阵过大和过小都会影响滤波的效果。所以在实际调参的过程中要注意,是传感器本身的误差性能情况,量测过程噪声。如GPS不确定度(标准差等),px4中是观测值方差,是提前设置好的传感器误差以及根据测量值样本获取的误差。
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px4中过程噪声processNoise的设置
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添加过程噪声(非R阵)

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px4 ekf gps 气压计等观测值噪声的设置(如上)
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上面是默认设置参数表
上图中gps_sample_delayed由下图获取
上图中

// Set observation noise variance and innovation consistency check gate size for the NE position observations
		R[0] = _velObsVarNE(0);
		R[1] = _velObsVarNE(1);
		gate_size[1] = gate_size[0] = _hvelInnovGate;
--------------------------------------------------------------------------------
Vector2f _velObsVarNE;		///< 1-STD observation noise variance used for the fusion of NE velocity data (m/sec)**2
--------------------------------------------------------------------------------
_velObsVarNE(1) = _velObsVarNE(0) = sq(fmaxf(_gps_sample_delayed.sacc, _params.gps_vel_noise));
/// _gps_sample_delayed.sacc是时间范围内的测量值样本 速度误差的1个标准差;gps_vel_noise=0.5m/sgps速度融合的最小允许观测噪声
if (_fuse_vert_vel) {
		fuse_map[2] = true;
		// observation variance - use receiver reported accuracy with parameter setting the minimum value
		R[2] = fmaxf(_params.gps_vel_noise, 0.01f);
		// use scaled horizontal speed accuracy assuming typical ratio of VDOP/HDOP
		R[2] = 1.5f * fmaxf(R[2], _gps_sample_delayed.sacc);
		R[2] = R[2] * R[2];
		// innovation gate size
		gate_size[2] = fmaxf(_params.vel_innov_gate, 1.0f);
	}

	if (_fuse_pos) {
		// enable fusion for the NE position axes
		fuse_map[3] = fuse_map[4] = true;

		// Set observation noise variance and innovation consistency check gate size for the NE position observations
		R[4] = R[3] = sq(_posObsNoiseNE);
		gate_size[4] = gate_size[3] = _posInnovGateNE;

	}

上图中gps_sample_delayed由下图获取
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获取gps_sample数据
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然后对GPS数据进行处理,之后更新buffer
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数据缓冲区,buffer给gps sample
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所以R中的数据,是取 参数param 还是 测量sample,看fmaxf判断。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
如果P0、Q、R无法精确获得,只知道可能的取值范围,则采用可能的较大值(保守)。如果不确切知道Q、R、P0的准确先验信息,应适当增大Q的取值,以增大对实时量测值的利用权重,俗称调谐。但是调谐存在盲目性,无法知道Q要调到多大才行。
——《卡尔曼滤波与组合导航原理》秦永元
针对 q,根据经典教材Estimation with Applications to Tracking and Navigation一书所讲,通过最高阶状态量对其他量的扰动来初始化,比如位置,速度和加速度三个状态量,就用加速度变化对另外两个量的扰动来初始化,最后得到的是一个 3*3矩阵。
针对 r,根据Gaussian假设,取各个观测值最大偏差的三倍。尽管这在很多应用中并不合适(比如某些实验不可重复),但有一个准则还是好于任意取值。

P阵

在这里插入图片描述

所以整个过程,由IMU测量结果进行一步预测Xk/k-1 Pk/k-1
GPS等测量结果进行量测更新Zk Kk Pk Xk

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