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Datei:Kalman Polynom Test.svg

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Beschreibung

Beschreibung
Deutsch: Der Kalman-Filter wird auf ein Polynom 3. Grades angewendet und versucht aus den verrauschten Daten die Polynomparameter zu schätzen. Im Laufe der Iterationen nährt sich die Schätzung immer mehr an den unverrauschten Verlauf an.
Datum
Quelle Eigenes Werk
Urheber Physikinger
SVG‑Erstellung
InfoField
 
Der SVG-Code ist valide.
 
Dieser Plot wurde mit Matplotlib erstellt.
Quelltext
InfoField

Python code

# This source code is public domain
# Autor: Christian Schirm

import numpy
import matplotlib.pyplot as plt

# Generate polynomial
nSteps = 301
coeff = [-50, 70, -16, 1]
sigmaNoise = 50
sigmaPrior = 100
xMax = 10

ts = numpy.linspace(0,xMax,nSteps)
deltaT = ts[1] - ts[0]
nPoly = len(coeff)
A = numpy.array([ts**i for i in range(nPoly)])
y_polynomial = coeff @ A

# Noise
numpy.random.seed(1)
noise = sigmaNoise*numpy.random.randn(nSteps)

# Add noise to the signal
y = y_polynomial + noise

# Prepare Kalman estimation
D = numpy.zeros((nPoly,nPoly))
D[(numpy.arange(nPoly-1), numpy.arange(nPoly-1)+1)] = 1
Dt = D*deltaT
F = numpy.identity(nPoly) + Dt + Dt @ Dt/2 + Dt @ Dt @ Dt/6
H = numpy.zeros((1,nPoly))
H[0,0] = 1

# Initialize Kalman estimation
x = numpy.zeros(nPoly)
components = A / nSteps
# P = sigmaPrior**2 * numpy.identity(nPoly)
P = sigmaPrior**2 * numpy.linalg.inv(components @ components.T)  # Constant variance prior model

# Start Kalman iteration
yEst = []
ySigma = []
for i in range(len(y)):
    # Propagate
    if i > 0:
        x = F @ x
        P = F @ P @ F.T

    # Estimate
    K = P @ H.T @ numpy.linalg.inv(H @ P @ H.T + sigmaNoise**2)
    x = x + K @ (y[i] - H @ x)
    P = (numpy.identity(nPoly) - K @ H) @ P
    ySigma.append(P[0,0])
    yEst.append(x[0])

ySigma = numpy.sqrt(ySigma)

# Plot
plt.figure(figsize=(5,3.5))
plt.plot(ts,y_polynomial,'C3-', label='Polynom 3. Grades', zorder=1)
plt.plot(ts,y,'.-', color='C1', markersize=4, linewidth=0.4, alpha=0.6, label='Polynom + Rauschen', zorder=2)
plt.plot(ts,yEst,'C0-',  label='Kalman-Schätzung', zorder=3)
plt.fill_between(ts,y_polynomial-ySigma, y_polynomial+ySigma, color='0.2', alpha=0.17,
        label='Fehlerschätzung\n(relativ zu wahrer Kurve)', lw=0, zorder=0)
plt.xlabel('Zeit')
plt.legend(loc=4)
plt.tight_layout()
plt.savefig('Kalman_Polynom_Test.svg')
plt.savefig('Kalman_Polynom_Test.png')
# plt.show()

Lizenz

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Creative Commons CC-Zero Diese Datei wird unter der Creative-Commons-Lizenz „CC0 1.0 Verzicht auf das Copyright“ zur Verfügung gestellt.
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Kurzbeschreibungen

Kalman-Filter Beispiel angewendet auf ein verrauschtes Polynom.

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01:30, 6. Mai 2021Vorschaubild der Version vom 01:30, 6. Mai 2021450 × 315 (76 KB)PhysikingerUploaded own work with UploadWizard

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