Kalman filtering with state constraints: a survey of linear and nonlinear algorithms

卡尔曼滤波器 控制理论(社会学) 非线性系统 国家(计算机科学) 计算机科学 算法 线性系统 状态向量 应用数学
作者
Daniel J. Simon
出处
期刊:Iet Control Theory and Applications [Institution of Engineering and Technology]
卷期号:4 (8): 1303-1318 被引量:708
标识
DOI:10.1049/iet-cta.2009.0032
摘要

The Kalman filter is the minimum-variance state estimator for linear dynamic systems with Gaussian noise. Even if the noise is non-Gaussian, the Kalman filter is the best linear estimator. For nonlinear systems it is not possible, in general, to derive the optimal state estimator in closed form, but various modifications of the Kalman filter can be used to estimate the state. These modifications include the extended Kalman filter, the unscented Kalman filter, and the particle filter. Although the Kalman filter and its modifications are powerful tools for state estimation, we might have information about a system that the Kalman filter does not incorporate. For example, we may know that the states satisfy equality or inequality constraints. In this case we can modify the Kalman filter to exploit this additional information and get better filtering performance than the Kalman filter provides. This paper provides an overview of various ways to incorporate state constraints in the Kalman filter and its nonlinear modifications. If both the system and state constraints are linear, then all of these different approaches result in the same state estimate, which is the optimal constrained linear state estimate. If either the system or constraints are nonlinear, then constrained filtering is, in general, not optimal, and different approaches give different results.

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