IDENTIFICAZIONE dei MODELLI e ANALISI dei DATI. Lezione 40: Filtro di Kalman - introduzione. Struttura ricorsiva della soluzione.



Documenti analoghi
Automazione Industriale (scheduling+mms) scheduling+mms.

Computazione per l interazione naturale: Modelli dinamici

IDENTIFICAZIONE dei MODELLI e ANALISI dei DATI. Lezione 41: Filtro di Kalman - soluzione. Un problema di ottimo

Federico Laschi. Conclusioni

e-dva - eni-depth Velocity Analysis

Teoria delle code. Sistemi stazionari: M/M/1 M/M/1/K M/M/S

Dimensione di uno Spazio vettoriale

Analisi di scenario File Nr. 10

UNIVERSITA DI PISA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRONICA ANNO ACCADEMICO TESI DI LAUREA

Pro e contro delle RNA

COMPITO DI SEGNALI E SISTEMI 18 Dicembre 2004

Rappresentazione nello spazio degli stati

Preprocessamento dei Dati

L idea alla base del PID èdi avere un architettura standard per il controllo di processo

Esempi di algoritmi. Lezione III

OSSERVAZIONI TEORICHE Lezione n. 4

Circolare N.24 del 07 Febbraio Sicurezza sul lavoro. Obblighi e scadenze

Comune di San Martino Buon Albergo

Strutturazione logica dei dati: i file

Lezione 9: Cambio di base

La gestione di un calcolatore. Sistemi Operativi primo modulo Introduzione. Sistema operativo (2) Sistema operativo (1)

Chi è il Rappresentante dei Lavoratori per la Sicurezza RLS

Progettaz. e sviluppo Data Base

b) Il responsabile del servizio di prevenzione e protezione dai rischi;

Termodinamica: legge zero e temperatura

Determinazione del pka per un acido moderatamente debole per via potenziometrica C.Tavagnacco - versione

GESTIONE MANUTENZIONI

Calcolatori Elettronici. La Pipeline Criticità sui dati Criticità sul controllo Cenni sull unità di controllo

Introduzione alla Programmazione

INTRODUZIONE ALLO STUDIO DEI SISTEMI DI CONTROLLLO AUTOMATICO: APPROCCIO CLASSICO APPROCCIO MODERNO

Informatica 3. Informatica 3. LEZIONE 10: Introduzione agli algoritmi e alle strutture dati. Lezione 10 - Modulo 1. Importanza delle strutture dati

Indice. 1 Introduzione alle Equazioni Differenziali Esempio introduttivo Nomenclatura e Teoremi di Esistenza ed Unicità...

ARCHITETTURA DI RETE FOLEGNANI ANDREA

Fondamenti dei linguaggi di programmazione

(a cura di Francesca Godioli)

SPORTELLO UNICO DELLE ATTIVITÀ PRODUTTIVE MANUALE OPERATIVO FUNZIONI DI PAGAMENTO ONLINE. Versione 05

Corrispondenze e funzioni

Linee Guida per la Rendicontazione dei Progetti

La funzione di trasferimento

Università degli Studi di Salerno

Documentazione esterna al software matematico sviluppato con MatLab

Introduzione alla teoria dei database relazionali. Come progettare un database

Olga Scotti. Basi di Informatica. Excel

Università di Napoli Parthenope Facoltà di Ingegneria

INTRODUZIONE AL CONTROLLO OTTIMO

Manuale Utente SCELTA REVOCA MEDICO ON LINE. Versione 1.0.0

Matematica generale CTF

INTRODUZIONE I CICLI DI BORSA

E possibile modificare la lingua dei testi dell interfaccia utente, se in inglese o in italiano, dal menu [Tools

Problemi e formula di Bayes. Daniela Valen), Treccani Scuola

Il sapere tende oggi a caratterizzarsi non più come un insieme di contenuti ma come un insieme di metodi e di strategie per risolvere problemi.

ESERCIZI DI ALGEBRA LINEARE E GEOMETRIA

Capitolo 3. L applicazione Java Diagrammi ER. 3.1 La finestra iniziale, il menu e la barra pulsanti

Transitori del primo ordine

Corso di Visione Artificiale. Filtri parte I. Samuel Rota Bulò

LABORATORIO DI MATEMATICA I PROBLEMI DI SCELTA IN CONDIZIONI DI INCERTEZZA CON EXCEL

Ringraziamenti dell editore. Introduzione. Parte I MODELLISTICA 1

SPECIFICHE DI PROGETTO DI SISTEMI DI CONTROLLO

Soluzione degli esercizi sul moto rettilineo uniformemente accelerato

Corso di Informatica

17 Gli scenari. cartelle di lavoro; unendoli poi in un

INTRODUZIONE A EXCEL ESERCITAZIONE I

Indice generale. OOA Analisi Orientata agli Oggetti. Introduzione. Analisi

Gestione Turni. Introduzione

monitoraggio aslromag.info analisi anno 2013

Tecniche di Prototipazione. Introduzione

LEZIONE 23. Esempio Si consideri la matrice (si veda l Esempio ) A =

Sistemi Informativi Territoriali. Map Algebra

Esercizi sul moto rettilineo uniformemente accelerato

Le fattispecie di riuso

( x) ( x) 0. Equazioni irrazionali

Distributed P2P Data Mining. Autore: Elia Gaglio (matricola n ) Corso di Sistemi Distribuiti Prof.ssa Simonetta Balsamo

Particelle identiche : schema (per uno studio più dettagliato vedi lezione 2) φ 1

Statistica e biometria. D. Bertacchi. Variabili aleatorie. V.a. discrete e continue. La densità di una v.a. discreta. Esempi.

TECNICHE DI SIMULAZIONE

. A primi passi con microsoft a.ccepss SommarIo: i S 1. aprire e chiudere microsoft access Start (o avvio) l i b tutti i pro- grammi

Circolare N.85 del 23 Maggio 2013

Coordinazione Distribuita

Scheduling della CPU. Sistemi multiprocessori e real time Metodi di valutazione Esempi: Solaris 2 Windows 2000 Linux

Verranno descritti di seguito brevemente gli algoritmi di calcolo utilizzati per l interpretazione nei tre metodi inseriti all interno del programma.

Le parole dell informatica: modello di calcolo, complessità e trattabilità

Strumenti di indagine per la valutazione psicologica

Ottimizzazione Multi Obiettivo

Rapporto dal Questionari Insegnanti

La valutazione nella didattica per competenze

2.1 Definizione di applicazione lineare. Siano V e W due spazi vettoriali su R. Un applicazione

Ricorsione in SQL-99. Introduzione. Idea di base

Luigi Piroddi

LA FORMULA. TERZA PARTE: DOVE TROVARLI Indirizzi e recapiti per viaggiare sicuri. I QUADERNI SI ARTICOLANO IN TRE PARTI:

Rendering air show e verifica della sincronizzazione

IL SISTEMA INFORMATIVO

La schermata è divisa in due parti: a sinistra per registrarsi come nuovo utente ed a destra per fare il login se ci si è già registrati.

Laboratorio di Informatica

MODULO 5 ACCESS Basi di dati. Lezione 4

J. Assfalg Appunti di Sistemi Operativi

Guida all uso di Java Diagrammi ER

Compressione del Segnale (Audio)

PROCEDURA PER LA GESTIONE ESAMI DI STATO AREA ALUNNI AXIOS

Pagamento Pratiche off-line

Transcript:

IDENTIFICAZIONE dei MODELLI e ANALISI dei DATI Lezione 40: Filtro di Kalman - introduzione Cenni storici Filtro di Kalman e filtro di Wiener Formulazione del problema Struttura ricorsiva della soluzione 40-1

Cenni storici Il Filtro di Kalman venne sviluppato, alla fine degli anni 50, dall ingegnere di origine ungherese R.E. Kalman mentre lavorava presso la NASA allo sviluppo del programma spaziale americano. Al suo nome viene talvolta affiancato quello del suo collega R.S. Bucy. La motivazione applicativa che portò allo sviluppo del filtro fu lo sviluppo di algoritmi che permettessero di tracciare, cioè di determinare posizione e velocità con la maggior precisione possibile, dei satelliti, e successivamente delle navette spaziali, lanciati nell ambito del programma spaziale. Nello sviluppo del filtro, grande attenzione venne dedicata agli aspetti implementativi, cercando di ottenere una soluzione a questo problema di stima che fosse computazionalmente economica e numericamente robusta. Infatti si doveva implementare questo algoritmo su dispositivi di calcolo dalle prestazioni assai limitate. 40-2

Confronto tra Filtro di Kalman e filtro di Wiener L interesse del Filtro di Kalman (e la fama del suo autore) non risiede tanto nell aver risolto un importante problema applicativo, quanto nell aver inquadrato brillantemente un problema di stima all interno della Teoria dei Sistemi, che in quegli anni, per merito dello stesso Kalman, compiva passi decisivi, scoprendo nozioni quali controllabilità, osservabilità, controllo ottimo, dualità, etc. Da un punto di vista dei contenuti il filtro di Kalman é una generalizzazione del filtro di Wiener. Infatti risolve un problema di stima a MEQM per segnali non stazionari e, potenzialmente almeno, per sistemi non lineari. Per questo motivo il filtro di Kalman opera nel dominio del tempo. Il filtro di Wiener appare quindi come un sottoprodotto del filtro di Kalman, ottenuto quando il filtro di Kalman raggiunge lo stato stazionario. Come il filtro di Wiener, anche il filtro di Kalman ha una versione tempo discreta e una versione tempo continua (più difficile da ricavare). 40-3

Formulazione del problema (1/3) (caso lineare t.d.) Si consideri il seguente sistema dinamico lineare, t.d., sottoposto ad ingressi aleatori x(k + 1) = Ax(k) + Bu(k) + w(k) (1) y(k) = Cx(k) + v(k) dove x(k) è lo stato, u(k) l ingresso, y(k) l uscita, w(k) il disturbo di processo e v(k) il disturbo di misura. Osservazione - Tutte queste grandezze (e non solo lo stato) possono essere vettoriali. Si adottano le seguenti ipotesi statistiche: w(k) WN (0, Q) v(k) WN (0, R) x(0) (m0, P0) x(0), w(l), v(j) fra loro incorrelati l, j 0 Osservazione - Anche se non espressamente indicato, tutti i parametri del modello possono variare nel tempo. 40-4

Formulazione del problema (2/3) L informazione disponibile è rappresentata dalle misure {y k = y(1), y(2),..., y(k)}. Si desidera stimare il valore assunto dallo stato. Più precisamente si desidera calcolare: ˆx(j k) R n : stima lineare a MEQM di x(j) basata sulle osservazioni y k. P (j k) = E[ x(j k) x (j k)]: matrice di varianza dell errore di stima x(j k) = x(j) ˆx(j k) Inoltre il calcolo deve avvenire in maniera ricorsiva rispetto agli indici j e/o k. La stima cioè deve essere generata da equazioni ricorsive. 40-5

Formulazione del problema (3/3) Classificazione della stima: Predizione se j > k. Filtraggio se j = k. Interpolazione se j < k. Osservazione - Il filtro di Kalman in sostanza mira a stimare lo stato di un sistema dinamico sulla base di misure sull uscita in un contesto statistico. Lo stesso problema viene affrontato nell Analisi dei Sistemi in un contesto deterministico, cioè in assenza di disturbi, e viene risolto introducendo il ricostruttore dello stato. Come vedremo il filtro di Kalman appare una generalizzazione del ricostruttore dello stato. 40-6

Struttura ricorsiva della soluzione(1/2) Nella formulazione del problema sono individuati due indici temporali: j che denota l istante per il quale desideriamo la stima; k che denota l istante dell ultima misura disponibile. Quando cerchiamo una soluzione ricorsiva dobbiamo quindi specificare rispetto a quale indice temporale la ricorsione deve avvenire. Il filtro di Kalman ha una struttura ricorsiva particolare, secondo la quale vengono aggiornate, in prima battuta, la stima ˆx(j k) e la matrice di varianza P (j k). Essa è rappresentata dal seguente grafo: y(k) ˆx(k k 1) = ˆx(k k) = ˆx(k + 1 k) P (k k 1) = P (k k) = P (k + 1 k) (3) La struttura ricorsiva sopra descritta rappresenta il nucleo del Filtro di Kalman. Essa si articola in due aggiornamenti: Aggiornamento alla misura: la stima predittiva (e la rispettiva matrice di varianza dell errore) viene aggiornata per effetto di una nuova misura diventando una stima filtrata. 40-7

Aggiornamento temporale: la stima filtrata viene aggiornata per inseguire l evoluzione dello stato, diventando nuovamente stima predittiva, ma all istante successivo. Le frecce del grafo sopra descritto indicano le informazioni necessarie per calcolare una certa grandezza. Risulta pertanto: L aggiornamento della matrice di varianza avviene indipendentemente dalle misure e dalla stima dello stato. Di fatto può essere precalcolato. L aggiornamento della stima dello stato ad un nuova misura, dipende non solo dalla misura (ovvio), ma anche dalla matrice di varianza dell errore di stima. Quest ultima pertanto non solo consente di valutare la qualità della stima ma è indispensabile per ottenerla. Rappresenta quindi un onere computazionale inevitabile.

Struttura ricorsiva della soluzione(2/2) Dopo aver implementato la ricorsione di base è possibile implementare altre due ricorsioni per calcolare: Stima predittiva (nel futuro): ˆx(k + l k) = ˆx(k + l + 1 k) P (k + l k) = P (k + l k) l = 1, 2,... (4) Interpolazione (nel passato) y(k + l + 1) ˆx(k k + l) = ˆx(k k + l + 1) P (k k + l) = P (k k + l + 1) l = 1, 2,... (5) 40-9