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Part2.Data_Fusion,Covariance_Matrix,State_Space_Representation,Observation

\(Data\ Fusion(数据融合)\)

\(eg:\)

\[\begin{align*} &\begin{aligned} \color{blue}{z_1=30g,\sigma_1=2g;}\\ \color{red}{z_2=32g,\sigma_2=4g.}\\ \end{aligned} \Rightarrow 符合Normal/Gaussian \ Distribution (正态/高斯分布)\\ &估计真实值\hat{z}=?&\\ &\hat{z}={\color{blue}{z_1}}+K_k({\color{red}{z_2}}-{\color{blue}{z_1}}),K_k\in[0,1]\\ &K_k=0:\hat{z}={\color{blue}{z_1}};\\ &K_k=1:\hat{z}={\color{red}{z_2}}.\\ &求K_k使得\sigma_{\hat{z}}最小\Rightarrow方差Var(\hat{z})最小\\ &\begin{aligned} \sigma_{\hat{z}}^2&=Var[z_1+K_k(z_2-z_1)]\\ &=Var(z_1+K_k z_2-K_k z_1)\\ &=Var[{\color{red}{\underline{(I-K_k)z_1}}}+{\color{red}{\underline{K_k z_2}}}] \Rightarrow 相互独立\\ &=Var[(I-K_k)z_1]+Var(K_k z_2)\\ &=(I-K_k)^2 Var(z_1)+K_k^2 Var(z_2)\\ &=(I-K_k)^2 \sigma_1^2 +K_k^2 \sigma_2^2\\ \end{aligned}\\ &\frac{d \sigma_{\hat{z}}^2}{d K_k}=-2(I-K_k) \sigma_1^2+2K_k\sigma_2^2 =0\\ 即:&\\ &-\sigma_1^2+K_k \sigma_1^2 +K_k \sigma_2^2=0\\ &K_k(\sigma_1^2+\sigma_2^2)=\sigma_1^2\\ 求:&\\ &K_k=\frac{\sigma_1^2}{\sigma_1^2+\sigma_2^2}\\ 代入:&\\ &K_k=\frac{2^2}{2^2+4^2}=0.2\\ &\hat{z}={\color{blue}{30}}+0.2 \cdot ({\color{red}{32}}-{\color{blue}{30}})=30.4\\ 则:&\\ &\sigma_{\hat{z}}^2=(1-0.2)^2\cdot2^2+0.2^2\cdot4^2=3.2\\ &\sigma_{\hat{z}}=\sqrt{3.2}\approx1.79 \\ \end{align*} \]

Normal_Distribution


\(Covariance\ Matrix(协方差矩阵)\)

$\rightarrow 方差和协方差在一个矩阵中表现出来\ \color{red}{\rightarrow 变量间的联动关系} $

\(eg:\)
球员 身高\((x)\) 体重\((y)\) 年龄\((z)\)
瓦尔迪 \(179\) \(74\) \(33\)
奥巴梅扬 \(187\) \(80\) \(31\)
萨拉赫 \(175\) \(71\) \(28\)
平均 \(180.3\) \(75\) \(30.7\)

\[\begin{align*} 方差:&\\ \sigma_x^2&=\frac{1}{3}\cdot[(179-180.3)^2+(187-180.3)^2+(175-180.3)^2]=24.89&\\ \sigma_y^2&=\frac{1}{3}\cdot[(74-75)^2+(80-75)^2+(71-75)^2]=14\\ \sigma_z^2&=\frac{1}{3}\cdot[(33-30.7)^2+(31-30.7)^2+(28-30.7)^2]=4.22\\ 协方差:&\\ Cov(x,y)&=\sigma_x\sigma_y=\sigma_y\sigma_x\\ &=\frac{1}{3}\cdot[(179-180.3)\cdot(74-75)+(187-180.3)\cdot(80-75)+(175-180.3)\cdot(71-75)]\\ &=18.7 \Rightarrow结果{\color{red}{>0}},为{\color{red}{正相关}}\\ Cov(x,z)&=\sigma_x\sigma_z=\sigma_z\sigma_x=4.4\\ Cov(y,z)&=\sigma_y\sigma_z=\sigma_z\sigma_y=3.3\\ P&= \begin{bmatrix} \sigma_x^2 & \sigma_x\sigma_y & \sigma_x\sigma_z \\ \sigma_y\sigma_x & \sigma_y^2 & \sigma_y\sigma_z \\ \sigma_z\sigma_x & \sigma_z\sigma_y & \sigma_z^2 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 24.89 & 18.7 & 4.4 \\ 18.7 & 14 & 3.3 \\ 4.4 & 3.3 &4.22\\ \end{bmatrix}\\ \end{align*} \]

\(求过渡矩阵:\)

\[\begin{align*} a&= \begin{bmatrix} x_1 & y_1 & z_1 \\ x_2 & y_2 & z_2 \\ x_3 & y_3 & z_3 \\ \end{bmatrix} -\frac{1}{3} \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 \\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 & y_1 & z_1 \\ x_2 & y_2 & z_2 \\ x_3 & y_3 & z_3 \\ \end{bmatrix}&\\ P&=\frac{1}{3}a^Ta \end{align*} \]


\(State\ Space\ Representation(状态空间表达)\)

\(eg:\)

Mechanical_System

\[\begin{align*} m\ddot{x}+B\dot{x}+kx&=F{\color{blue}{\ \rightarrow(u:Input)}}\\ state(状态变量):&\\ x_1=x,x_2&=\dot{x}\\ &\Downarrow\\ \dot{x}_1=x_2,\dot{x}_2&=\ddot{x}=\frac{1}{m}u-\frac{B}{m}\dot{x}-\frac{k}{m}x=\frac{1}{m}u-\frac{B}{m}x_2-\frac{k}{m}x_1&\\ Measurement&(测量量):\\ z_1=x&=x_1(位置),z_2=\dot{x}=x_2(速度);\\ \Rightarrow &\begin{cases} \begin{bmatrix} \dot{x}_1 \\ \dot{x}_2 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ -\frac{k}{m} & -\frac{B}{m} \\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2\\ \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 0 \\ \frac{1}{m} \\ \end{bmatrix} u\\ \begin{bmatrix} z_1\\ z_2\\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \\ \end{bmatrix} \end{cases}\\ \color{blue}{\Rightarrow 连续:} &\color{blue}{\begin{cases} \dot{X}(t)=AX(t)+Bu(t)\rightarrow随时间的变化\\ Z(t)=HX(t)\\ \end{cases}}\\ \color{brown}{\Rightarrow 离散:} &\color{brown}{\begin{cases} X_k=AX_{k-1}+Bu_{k-1}\\ Z_k=HX_k\\ \end{cases}}\\ 下标k,k-1&,k+1代表一个时间单位,即Sample\ Time(采样时间)\\ 存在{\color{red}{不确定性}}:&\\ &\begin{cases} X_k=AX_{k-1}+Bu_{k-1}+{\color{red}{w_{k-1} \rightarrow Process\ Noise(过程噪音)}} \\ Z_k=HX_k+{\color{red}{v_k \rightarrow Measurement\ Noise(测量噪音)}} \\ \end{cases} \end{align*} \]

http://www.jsqmd.com/news/159591/

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