Datei:Kalman Polynom Test.svg

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Originaldatei (SVG-Datei, Basisgröße: 450 × 315 Pixel, Dateigröße: 108 KB)

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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

Ich, der Urheber dieses Werkes, veröffentliche es unter der folgenden Lizenz:
Creative Commons CC-Zero Diese Datei wird unter der Creative-Commons-Lizenz CC0 1.0 Verzicht auf das Copyright zur Verfügung gestellt.
Die Person, die das Werk mit diesem Dokument verbunden hat, übergibt dieses weltweit der Gemeinfreiheit, indem sie alle Urheberrechte und damit verbundenen weiteren Rechte – im Rahmen der jeweils geltenden gesetzlichen Bestimmungen – aufgibt. Das Werk kann – selbst für kommerzielle Zwecke – kopiert, modifiziert und weiterverteilt werden, ohne hierfür um Erlaubnis bitten zu müssen.

Kurzbeschreibungen

Kalman-Filter Beispiel angewendet auf ein verrauschtes Polynom.

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Motiv

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aktuell21:29, 8. Okt. 2023Vorschaubild der Version vom 21:29, 8. Okt. 2023450 × 315 (108 KB)wikimediacommons>PhysikingerLegende Reihenfolge, Konfidenz -> Fehlerschätzung

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