【文章內(nèi)容簡介】 估計為線性最小方差估計，卡爾曼濾波即屬此類估計?？柭鼮V波理論的創(chuàng)立是科學(xué)技術(shù)和社會需要發(fā)展到一定程度的必然結(jié)果。早在1795年，高斯（Karl Gauss）為測定行星運(yùn)動軌道而提出了最小二乘估計法。本世紀(jì)40年代，為了解決火力控制系統(tǒng)精確跟蹤問題，維納（）于1942年提出了維納濾波理論。維納根據(jù)有用信號和干擾信號的功率譜確定出線性濾波器的頻率特性，首次將數(shù)理統(tǒng)計理論與線性系統(tǒng)理論有機(jī)的聯(lián)系在一起，形成了對隨機(jī)信號作平滑、估計或預(yù)測的最優(yōu)估計新理論。比維納稍早，前蘇聯(lián)科學(xué)家戈?duì)柲肆_夫（）于1941年也曾提出過類似的理論。維納給出了由功率譜求解維納濾波器頻率特性閉合解的一般方法，包括對功率譜的上、下平面分解及傅里葉變換和反變換，運(yùn)算繁雜，解析求解十分困難。1950年，伯特和香農(nóng)給出了功率譜為有理譜這一特殊條件下，由功率譜直接求取維納濾波器傳遞函數(shù)的設(shè)計方法，這一方法簡單易行，具有一定的工程實(shí)用價值。維納濾波的最大缺點(diǎn)是適用范圍極其有限，它要求被處理信號必須是平穩(wěn)的，且是一維的。人們試圖將維納濾波推廣到非平穩(wěn)和多維的情況，都因無法突破計算上的困難而難以推廣和應(yīng)用。采用頻域設(shè)計法是造成維納濾波器設(shè)計困難的根本原因。因此人們逐漸轉(zhuǎn)向?qū)で笤跁r域內(nèi)直接設(shè)計最優(yōu)濾波器的新方法，其中卡爾曼的研究最具有代表性，他提出的遞推最優(yōu)估計理論也因此而被稱為卡爾曼濾波。由于采用了狀態(tài)空間法描述系統(tǒng)，算法采用遞推形式，所以卡爾曼濾波能處理多維和非平穩(wěn)的隨機(jī)過程?？柭鼮V波理論一經(jīng)提出，立即受到了工程界的重視，而工程應(yīng)用中遇到的實(shí)際問題又使卡爾曼濾波的研究更加深入和完善。1959年起，美國太空署即NASA開始研究載人太空船登月方案，當(dāng)時提出了兩個主要問題：①中途導(dǎo)航和制導(dǎo)；②液體燃料助推器大撓度條件下的自動駕駛問題。因這兩項(xiàng)研究的工作量都很龐大，所以主要研究前者，即宇宙飛船的測軌問題。導(dǎo)航問題中主要解決太空船運(yùn)動狀態(tài)的估計。估計方法曾試圖采用遞推加權(quán)最小二乘和維納濾波，均因精度滿足不了要求和計算過于繁雜而不得不放棄。1960年秋，卡爾曼在NASA埃姆斯研究中心訪問時，發(fā)現(xiàn)他的方法對于解決阿波羅計劃的軌道預(yù)測很有用，后來阿波羅飛船的導(dǎo)航電腦使用了這種濾波器?？柭鼮V波比維納濾波的應(yīng)用范圍廣，設(shè)計方法也簡單易行得多，但它必須在計算機(jī)上執(zhí)行，而60年代初，無論是速度、字長、容量，計算機(jī)還處于低水平階段。為了適應(yīng)當(dāng)時的技術(shù)水平，避免由于字長不夠產(chǎn)生的舍入誤差引起卡爾曼濾波的計算發(fā)散，Bierman，Carlson和Schmidt等人提出了平方根濾波算法和UDU分解濾波算法，以確?？柭鼮V波增益回路中的濾波方差陣始終正定?？柭畛跆岢龅臑V波基本理論只適用于線性系統(tǒng)，并且要求量測也必須是線性的。在之后的10多年的時間里，Bucy，Sunahara等人致力于研究卡爾曼濾波理論在非線性系統(tǒng)和非線性量測情況下的推廣，拓寬了卡爾曼濾波理論的適用范圍。卡爾曼濾波是一種有著相當(dāng)廣泛應(yīng)用的濾波方法，但它既需要假定系統(tǒng)是線性的，又需要認(rèn)為系統(tǒng)中的各個噪聲與狀態(tài)變量均呈高斯分布，而這兩條并不總是確切的假設(shè)限制了卡爾曼濾波器在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）極大地拓寬了卡爾曼濾波的適用范圍。EKF的基本思路是，假定卡爾曼濾濾對當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)估計值非常接近于其真實(shí)值，于是將非線性函數(shù)在當(dāng)前狀態(tài)估計值處進(jìn)行臺勞展開并實(shí)現(xiàn)線性化。另一種非線性卡爾曼濾波叫線性化卡爾曼濾波。它與EKF的主要區(qū)別是前者將非線函數(shù)在濾波器對當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計值處線性化，而后者因?yàn)轭A(yù)先知道非線性系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)大致按照所要求、希望的軌跡變化，所以這些非線性化函數(shù)在實(shí)際狀態(tài)處的值可以表達(dá)為在希望的軌跡處的臺勞展開式，從而完成線性化。不敏卡爾曼濾波器（UKF）是針對非線性系統(tǒng)的一種改進(jìn)型卡爾曼濾波器。UKF處理非線性系統(tǒng)的基本思路在于不敏變換，而不敏變換從根本上講是一種描述高斯隨機(jī)變量在非線性化變換后的概率分布情況的方法。不敏卡爾曼濾波認(rèn)為，與其將一個非線性化變換線性化、近似化，還不如將高斯隨機(jī)變量經(jīng)非線性變換后的概率分布情況用高斯分布來近似那樣簡單，因而不敏卡爾曼濾波算法沒有非線性化這一步驟。在每一定位歷元，不敏卡爾曼濾波器按照一套公式產(chǎn)生一系列樣點(diǎn)，每一樣點(diǎn)均配有一個相應(yīng)的權(quán)重，而這些帶權(quán)的樣點(diǎn)被用來完整地描述系統(tǒng)狀態(tài)向量估計值的分布情況，它們替代了原先卡爾曼濾波器中的狀態(tài)向量估計值及協(xié)方差。不敏卡爾曼濾器讓這些樣點(diǎn)一一經(jīng)歷非線性狀態(tài)方程與測量方程，然后再將這些經(jīng)非線性變換后的樣點(diǎn)按照它們的權(quán)重而綜合出對當(dāng)前時刻的系統(tǒng)狀態(tài)向量估計值。多態(tài)自適應(yīng)（MMA）卡爾曼濾波器是一種受到廣泛關(guān)注的濾波器，它由好多個并聯(lián)、同時運(yùn)行的卡爾曼濾波器組成。在這組卡爾曼濾波器中，每一個濾波器對未知的濾波參數(shù)分別做出相互不同的假設(shè)，然后各自按照自己的模型假設(shè)進(jìn)行濾波計算，而多態(tài)自適應(yīng)濾波器最后將它們對系統(tǒng)狀態(tài)的各個估計值進(jìn)行加權(quán)，并以此作為最優(yōu)估計值輸出。3 估計原理和卡爾曼濾波 DS18B20的通信協(xié)議 DS18B20的測溫原理4 編程軟件VB的特點(diǎn)VB(Visual Basic)之所以受到廣大編程者的喜愛，是由于它強(qiáng)大的功能：(1) 可視化編程：最直觀的編程方法，程序人員只需繪制界面，無需編程，VB自動產(chǎn)生界面代碼，就可以完成許多步驟。這樣大大的提高了程序設(shè)計的效率。這些在以前的編程語言下是要經(jīng)過相當(dāng)復(fù)雜的工作的。(2) 結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言：VB具有豐富的數(shù)據(jù)類型，是一種符合結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想的語言，簡單易學(xué)。此外VB作為程序設(shè)計語言還有其獨(dú)特的一面。(3) 面向?qū)ο螅篤B采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想。把復(fù)雜的程序設(shè)計問題分解為一個個簡單的能夠完成獨(dú)立功能的對象集合，就是此程序設(shè)計最基本的思想。所謂“對象”就是一個可操作的實(shí)體，如窗體、窗體中的命令按鈕、標(biāo)簽、時鐘、文本框等。面向?qū)ο蟮木幊叹秃孟翊罘e木一樣，程序員可根據(jù)程序和界面設(shè)計的要求，直接在屏幕上“畫”出窗口、菜單、按鈕等不同類型的對象，并在屬性窗口改寫每個對象屬性，從而達(dá)到所要求的目的。(4) 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫訪問功能。(5) 多個應(yīng)用程序向?qū)?，支持動態(tài)交換、動態(tài)鏈接技術(shù)，等等。 編程軟件VB中MSComm控件的介紹VB開發(fā)串口通信程序利用VB自身提供的控件MSComm 控件來實(shí)現(xiàn)。MSComm 控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通訊功能。MSComm（Microsoft Communications Control）是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應(yīng)用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。 MSComm控件兩種處理通訊的方式 MSComm提供兩種處理通訊的方法：事件驅(qū)動方式和查詢方式。該論文所采用的方法是事件驅(qū)動方式，在初始化代碼中將Rthreshold設(shè)置為1。這樣接收緩沖區(qū)中接收到一個字符，就產(chǎn)生一次OnComm事件。事件驅(qū)動通訊是一種功能很強(qiáng)的處理串口活動的方法，它是利用MSm控件的OnComm事件觸發(fā)機(jī)制來完成的。在大多數(shù)情況下，用戶需要獲知事件發(fā)生的時間，例如，在串口接收緩沖區(qū)中有字符，或者CD (Carrier Detect) 或RTS (Request To Send) 線上一個字符到達(dá)或一個變化發(fā)生時。在這些情況下，可以利用 MSComm 控件的 OnComm 事件捕獲并處理這些通訊事件。OnComm 事件還可以捕獲和處理通訊中的錯誤。在編程過程中，就可以在OnComm事件處理函數(shù)中加入自己的處理代碼。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是程序響應(yīng)及時，可靠性高。每個MSComm 控件對應(yīng)著一個串行端口。 查詢法是通過周期性地讀取緩