Datei:Kalman Polynom vs GLS.svg
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Originaldatei (SVG-Datei, Basisgröße: 540 × 288 Pixel, Dateigröße: 44 KB)
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Beschreibung
| BeschreibungKalman Polynom vs GLS.svg |
English: Kalman filter comparted to generalized least square estimation
Deutsch: Kalman-filter im Vergleich mit einer Schätzung mit generalisierten kleinsten Quadraten |
| Datum | |
| Quelle | Eigenes Werk |
| Urheber | Physikinger |
| SVG‑Erstellung InfoField | |
| Quelltext InfoField | Python code# This source code is public domain
# Autor: Christian Schirm
import numpy
import matplotlib.pyplot as plt
# Generate polynomial
nSteps = 121
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)
P = sigmaPrior**2 * numpy.identity(nPoly)
# 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)
# Select prior state for GLS estimation
p = numpy.ones(nPoly)/sigmaPrior
p[2] *= 2
p[3] *= 6
# Iterative GLS estimation
yLSI = []
for i in range(nSteps):
nm = min(nPoly, i+1)
RN = numpy.zeros((i+1,i+1))
RN[numpy.diag_indices(RN.shape[0])] = 1/sigmaNoise**2
RI = numpy.zeros((nm,nm))
RI[numpy.diag_indices(RI.shape[0])] = p[:nm]**2
Ai = A[:nm,:i+1]
cLS = numpy.linalg.inv(Ai @ RN @ Ai.T + RI) @ Ai @ RN @ y[:i+1]
yLSI.append(cLS @ Ai[:,i])
# Plot
plt.figure(figsize=(6,3.2))
#plt.fill_between(ts,y_polynomial-ySigma, y_polynomial+ySigma, color='0.2', alpha=0.17, label='Konfidenzintervall', lw=0)
#plt.plot(ts,y,'.-', color='C1', markersize=4, linewidth=0.4, alpha=0.6, label='Polynom + Rauschen')
plt.plot(ts,y_polynomial,'C2', label='Polynom 3. Grades')
plt.plot(ts,yEst,'c-', color='#2f97ff', label='Kalman-Schätzung')
# please not that yLS is not defined in this code! the code will therefore result in an error, the following line should be commented out or the calculation of yLS must be included.
plt.plot(ts,yLS,'k-', alpha=0.25, label='Kleinste-Quadrate-Schätzung (ohne a-priori)')
plt.plot(ts,yLSI,'C3--' ,label='Kleinste-Quadrate-Schätzung (mit a-priori)')
plt.xlabel('Zeit')
plt.legend(loc=4)
plt.tight_layout()
plt.savefig('Kalman_Polynom_vs_GLS.svg')
plt.savefig('Kalman_Polynom_vs_GLS.png')
#plt.show()
|
Lizenz
Ich, der Urheber dieses Werkes, veröffentliche es unter der folgenden Lizenz:
| 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.
http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/deed.enCC0Creative Commons Zero, Public Domain Dedicationfalsefalse |
Kurzbeschreibungen
Kalman-Filter Vergleich mit generalisierten kleinsten Quadraten
Kalman filter vs. generalized least square estimation
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1. Februar 2022
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