JP3205758B2 - Filter device - Google Patents

Filter device

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JP3205758B2
JP3205758B2 JP13348892A JP13348892A JP3205758B2 JP 3205758 B2 JP3205758 B2 JP 3205758B2 JP 13348892 A JP13348892 A JP 13348892A JP 13348892 A JP13348892 A JP 13348892A JP 3205758 B2 JP3205758 B2 JP 3205758B2
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  • Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)
  • Filters That Use Time-Delay Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、カルマンフィルタを備
えたフィルタ装置に係り、特には、観測される状態変数
のパラメータが少ない場合においても、高雑音抑圧度を
有し、かつ、高応答性が得られるようにするための技術
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a filter device having a Kalman filter, and more particularly to a filter device having high noise suppression and high responsiveness even when the number of observed state variables is small. It relates to the technology for obtaining it.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、白色雑音を抑圧して真の信号を
抽出するために有効な手段として、移動平均を求めるも
のや、カルマンフィルタなどの技術がある。
2. Description of the Related Art In general, techniques for obtaining a moving average and techniques such as a Kalman filter are effective means for extracting a true signal by suppressing white noise.

【0003】前者の移動平均を求めるものでは、雑音抑
圧度と応答性とが正にトレードオフの関係にあって、雑
音抑圧度を高めるためには観測値のデータ量を増やす
と、それだけ応答性が悪くなり、逆に、応答性を高めよ
うとすると、雑音抑圧度が劣化するという難点がある。
In the former method of calculating a moving average, the degree of noise suppression and responsiveness are exactly in a trade-off relationship. In order to increase the degree of noise suppression, if the data amount of observed values is increased, the responsiveness is correspondingly increased. On the other hand, there is a problem that the noise suppression is degraded when trying to increase the responsiveness.

【0004】これに対して、後者のカルマンフィルタ
は、真の信号の生成過程を状態モデル化し、各種の計測
器で得られる状態変数(たとえば、位置、速度、加速度
等)の観測値に基づいて最小二乗推定を行うものであっ
て、単位時間ごとに上記の状態変数が更新される機構を
有しているため、各単位時間ごとに状態変数が得られる
ならば、その観測値のデータを蓄積することによって推
定誤差が次第に小さくなり、移動平均を求める場合に比
較して、高雑音抑圧度をもち、かつ、高応答性のものと
なる。
[0004] On the other hand, the latter Kalman filter forms a state model of a true signal generation process and obtains a minimum based on observation values of state variables (for example, position, velocity, acceleration, etc.) obtained by various measuring instruments. It performs square estimation and has a mechanism to update the above state variables every unit time, so if state variables are obtained every unit time, accumulate the data of the observation values As a result, the estimation error gradually decreases, and the noise has a higher degree of noise suppression and a higher responsiveness than when a moving average is obtained.

【0005】このカルマンフィルタにおいては、周知の
ように、状態変数(位置、速度、加速度等)の観測値Zm
(t)が得られるならば、ある時刻tで推定した同時刻tに
おける推定値(以下、最確値という)X(t/t)は、次式で
与えられる。
In this Kalman filter, as is well known, the observed values Zm of state variables (position, velocity, acceleration, etc.) are known.
If (t) is obtained, an estimated value (hereinafter referred to as the most probable value) X (t / t) at the same time t estimated at a certain time t is given by the following equation.

【0006】 X(t/t)=X(t/t−1)+G(t)・Zr(t) (1) ここに、 X(t/t−1)=Ф(t)・X(t−1/t−1) (2) Zr(t)=Zm(t)−H(t)・X(t/t−1) (3) であり、X(t/t−1)は時刻t−1で推定した次の時刻t
における推定値(以下、予測値という)、X(t−1/t−
1)は時刻t−1で推定した同時刻t−1における最確
値、G(t)はフィルタゲイン、Zr(t)は観測残差、H(t)
は観測マトリックス、Ф(t)は遷移マトリックスであ
る。
X (t / t) = X (t / t−1) + G (t) · Zr (t) (1) where X (t / t−1) = Ф (t) · X (t) −1 / t−1) (2) Zr (t) = Zm (t) −H (t) · X (t / t−1) (3) where X (t / t−1) is the time t Next time t estimated by -1
, X (t−1 / t−)
1) is the most probable value at the same time t-1 estimated at the time t-1, G (t) is the filter gain, Zr (t) is the observation residual, H (t)
Is the observation matrix, and Ф (t) is the transition matrix.

【0007】図3に、上記の(1)式〜(3)式をモデル化
したカルマンフィルタFのブロック図を示す。同図にお
いて、1は入力される状態変数の観測値Zm(t)から後述
の第3掛算器6で得られる観測推定値H(t)・X(t/t−
1)を減算することで観測残差Zr(t)を算出する減算
器、2は観測残差Zr(t)にフィルタゲインG(t)を掛け
る第1掛算器、3は第1掛算器2の出力G(t)・Zr(t)
と後述の第2掛算器5で得られる予測値X(t/t−1)と
を加算することで最確値X(t/t)を算出する加算器、4
は加算器3の出力X(t/t)を単位時間分だけ遅延させて
出力する遅延回路、5は遅延回路4から出力される最確
値X(t−1/t−1)に遷移マトリックスФ(t)を掛けて
予測値X(t/t−1)を算出する第2掛算器、6は第2掛
算器5の出力X(t/t−1)に観測マトリックスH(t)を
掛けて観測推定値H(t)・X(t/t−1)を算出する第3
掛算器である。
FIG. 3 shows a block diagram of a Kalman filter F that models the above equations (1) to (3). In the figure, reference numeral 1 denotes an observed estimated value H (t) .X (t / t-) obtained by a third multiplier 6, which will be described later, from the input observed value Zm (t) of the state variable.
1) a subtractor for calculating the observation residual Zr (t) by subtracting 1), 2 a first multiplier for multiplying the observation residual Zr (t) by the filter gain G (t), 3 a first multiplier 2 Output G (t) · Zr (t)
An adder that calculates the most probable value X (t / t) by adding the predicted value X (t / t-1) obtained by a second multiplier 5 described later to
Is a delay circuit that delays and outputs the output X (t / t) of the adder 3 by a unit time, and 5 is a transition matrix that converts the most probable value X (t−1 / t−1) output from the delay circuit 4 to Ф The second multiplier 6 calculates the predicted value X (t / t-1) by multiplying by (t), and the second multiplier 6 multiplies the output X (t / t-1) of the second multiplier 5 by the observation matrix H (t). To calculate the observation estimated value H (t) .X (t / t-1)
It is a multiplier.

【0008】図3に示す構成のカルマンフィルタFにお
いて、たとえば、状態変数の最確値X(t/t)として速度
データを得たい場合に、そのカルマンフィルタFのデー
タ入力部in1,in2に対して速度の観測値Zm1(t)のみな
らず、この速度の高次微分の加速度の観測値Zm2(t)が
共に入力されるならば、高精度な加速度推定が得られ、
速度予測値が正しく推定できる。この為、高雑音抑圧か
つ、高応答性の特性が得られることになる。
In the Kalman filter F having the configuration shown in FIG. 3, for example, when it is desired to obtain velocity data as the most probable value X (t / t) of the state variable, the data input sections in 1 and in 2 of the Kalman filter F are provided. If not only the observed value Zm 1 (t) of the velocity but also the observed value Zm 2 (t) of the acceleration of the higher-order derivative of this velocity is input, a highly accurate acceleration estimation can be obtained,
The speed prediction value can be correctly estimated. Therefore, characteristics of high noise suppression and high response can be obtained.

【0009】たとえば、船舶が定速状態から負の加速度
を受けて停止する場合を例にとると、図4に示すよう
に、速度の観測値Zm(t)は図中の符号zで示す曲線のよ
うに経時変化する。これに伴うカルマンフィルタFの速
度の最確値X(t/t)は、図中の符号x1で示すように変化
する。なお、移動平均において、カルマンフィルタと同
様な雑音抑圧度をもつ信号出力を得る場合には、その出
力は符号x3で示すように応答性が悪くなっている。
For example, assuming a case where the ship stops by receiving a negative acceleration from a constant speed state, as shown in FIG. 4, the observed speed value Zm (t) is represented by a curve z shown in FIG. Changes with time. Most probable value X of speed of the Kalman filter F associated therewith (t / t) changes as shown by reference numeral x 1 in FIG. It should be noted that in the moving average, in the case of obtaining a signal output having a Kalman filter similar to the noise suppression degree, the output response as shown by reference numeral x 3 is deteriorated.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】ところで、カルマンフ
ィルタFには、最確値X(t/t)を得るために必要なだけ
の観測値Zm(t)が常に入力されるとは限らない。たとえ
ば、船舶の場合には、速度計のみを装備し、加速度計ま
では装備しないものがある。この場合には、カルマンフ
ィルタFの一方のデータ入力部in1に速度の観測値Zm
1(t)が入力されるだけとなる。この場合は、加速度状態
変数の推定精度が悪くなり、高精度なX(t/t)速度成分
が得られなくなり、この結果応答性が悪くなる。たとえ
ば、図4に示した例では、カルマンフィルタFの速度の
最確値X(t/t)は、図中の符号x2で示すようになる。
Incidentally, it is not always the case that the observation values Zm (t) necessary for obtaining the most probable value X (t / t) are always input to the Kalman filter F. For example, some ships are equipped with only a speedometer and not an accelerometer. In this case, the velocity observation value Zm is input to one data input section in 1 of the Kalman filter F.
Only 1 (t) is input. In this case, the accuracy of estimating the acceleration state variable deteriorates, and a high-precision X (t / t) speed component cannot be obtained. As a result, the responsiveness deteriorates. For example, in the example shown in FIG. 4, the most probable value X of speed of the Kalman filter F (t / t) is as shown by reference numeral x 2 in FIG.

【0011】このように、観測値のパラメータの数が少
ない場合における最確値X(t/t)の推定出力の応答性の
悪さを改善するために、従来技術では、前記(1)式にお
けるフィルタゲインG(t)の大きさを故意に変化させる
ことにより、適切なフィルタ特性が得られるように調整
することも試みられている。
As described above, in order to improve the responsiveness of the estimated output of the most probable value X (t / t) when the number of parameters of the observed value is small, in the prior art, the filter in the above equation (1) is used. Attempts have also been made to intentionally change the magnitude of the gain G (t) so as to obtain appropriate filter characteristics.

【0012】すなわち、カルマンフィルタFにおけるフ
ィルタゲインG(t)の大きさは、実際の観測値Zm(t)に
含まれる観測雑音R、および信号処理系で発生するシス
テム雑音Qの大きさに関係しており、たとえば、実際の
観測値Zm(t)に含まれる観測雑音Rが大きい場合には、
これに伴ってフィルタゲインG(t)は小さくなる。その
結果、(1)式からも分かるように、観測値Zm(t)に対す
る重み付けが小さくなり、それに応じて高雑音抑圧度が
得られる。しかし、観測値Zm(t)の重み付けが小さくな
る為に、逆に応答性を劣化させることになる。そこで、
この場合には、フィルタゲインG(t)が大きくなるよう
に故意に外部から信号を与えるなどして調整すれば、観
測値Zm(t)に対する重み付けが大きくなるため、応答性
が高まる。しかし、逆に雑音抑圧度は有る程度犠牲にさ
れることになる。
That is, the magnitude of the filter gain G (t) in the Kalman filter F is related to the magnitude of the observation noise R contained in the actual observation Zm (t) and the magnitude of the system noise Q generated in the signal processing system. For example, when the observation noise R included in the actual observation value Zm (t) is large,
Accordingly, the filter gain G (t) decreases. As a result, as can be seen from equation (1), the weighting on the observed value Zm (t) is reduced, and a high noise suppression degree is obtained accordingly. However, since the weighting of the observation value Zm (t) is reduced, the responsiveness is adversely degraded. Therefore,
In this case, if the filter gain G (t) is adjusted by intentionally applying an external signal or the like to increase the filter gain G (t), the weighting of the observed value Zm (t) is increased, and the response is improved. However, on the contrary, the degree of noise suppression is sacrificed to some extent.

【0013】つまり、実際の観測値に含まれる観測雑音
Rが大きいなどの状況下において、従来のように、フィ
ルタゲインG(t)を調整するという対策を講じるだけで
は、高雑音抑圧度で、かつ、高応答性をもつフィルタ特
性を得ることは困難であった。
In other words, in a situation where the observation noise R included in the actual observation value is large, simply taking a measure of adjusting the filter gain G (t) as in the related art does not provide a high noise suppression degree. In addition, it has been difficult to obtain a filter characteristic having high responsiveness.

【0014】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、カルマンフィルタに入力される状態変数の
観測されるパラメータが少なく、しかも、観測雑音が大
きいような場合でも、高雑音抑圧度で、かつ、高応答性
のフィルタ特性が発揮されるようにすることを課題とす
る。
The present invention has been made in view of such a problem, and has a high noise suppression degree even when the number of state variables input to the Kalman filter is small and the observation noise is large. Another object of the present invention is to provide a filter with high response characteristics.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するためになされたもので、次の構成を採る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has the following structure.

【0016】すなわち、本発明のフィルタ装置は、カル
マンフィルタを備え、かつ、このカルマンフィルタの観
測残差Zr(t)の大きさを平滑化する平滑処理部と、この
平滑処理部からの平滑出力Zrf(t)の大きさに応じた補
正値Xc(t)を生成するとともに、この補正値Xc(t)を平
滑出力Zrf(t)の大きさに応じた周期で補正処理する補
正値発生部と、この補正値発生部からの補正値Xc(t)を
前記カルマンフィルタの状態変数の予測値X(t/t−1)
に対して加算する加算部と、が設けられていることを特
徴としている。
That is, the filter device of the present invention includes a Kalman filter, and a smoothing processing unit for smoothing the magnitude of the observation residual Zr (t) of the Kalman filter, and a smoothed output Zrf ( a correction value generation unit that generates a correction value Xc (t) corresponding to the magnitude of t) and corrects the correction value Xc (t) at a cycle corresponding to the magnitude of the smoothed output Zrf (t); The correction value Xc (t) from the correction value generator is used as the predicted value X (t / t-1) of the state variable of the Kalman filter.
And an adder for adding the value to

【0017】[0017]

【作用】上記構成において、速度計等の計測器で得られ
る観測値は、カルマンフィルタに入力される。これに応
じてカルマンフィルタにおいて、(3)式に基づいて観測
残差Zr(t)が得られるが、この観測残差Zr(t)の大きさ
が平滑処理部において平滑化され、この平滑処理部から
の平滑出力Zrf(t)が次段の補正値発生部に入力され
る。補正値発生部は、平滑出力Zrf(t)の大きさに応じ
た補正値Xc(t)を生成するとともに、この補正値Xc(t)
を平滑出力Zrf(t)の大きさに応じた周期で出力する。
そして、この補正値発生部からの補正値Xc(t)が加算部
によってカルマンフィルタの状態変数の予測値X(t/t
−1)に対して加算される。
In the above configuration, an observation value obtained by a measuring instrument such as a speedometer is input to a Kalman filter. In response, the Kalman filter obtains the observation residual Zr (t) based on the equation (3). The magnitude of the observation residual Zr (t) is smoothed in the smoothing processing unit, Is input to the correction value generator of the next stage. The correction value generator generates a correction value Xc (t) corresponding to the magnitude of the smoothed output Zrf (t), and generates the correction value Xc (t).
Is output at a cycle corresponding to the magnitude of the smoothed output Zrf (t).
Then, the correction value Xc (t) from the correction value generating unit is added to the predicted value X (t / t) of the state variable of the Kalman filter by the adding unit.
-1).

【0018】つまり、本発明では、従来のようなフィル
タゲインG(t)を故意に調整するといったことは全く行
わないので、観測値に含まれる観測雑音Rが大きい場合
などRを適切な値に設定し高雑音抑圧度は確保する。そ
して、観測残差の大きさに応じた補正量を作り、希望推
定出力X(t/t)に加算補正する方法である。しかも、観
測残差Zr(t)の平滑出力の大きさに応じて、予測値X(t
/t−1)を所定の周期ごとに直接補正するので、観測値
Zm(t)の重み付けが小さくても、高応答性が得られるよ
うになる。
That is, in the present invention, since the conventional adjustment of the filter gain G (t) is not performed at all, R is set to an appropriate value such as when the observation noise R included in the observation value is large. Set to ensure high noise suppression. Then, a correction amount corresponding to the magnitude of the observation residual is created and added to the desired estimated output X (t / t). In addition, according to the magnitude of the smoothed output of the observation residual Zr (t), the predicted value X (t
/ T-1) is directly corrected for each predetermined period, so that high responsiveness can be obtained even when the weight of the observation value Zm (t) is small.

【0019】[0019]

【実施例】図1は本発明の実施例に係るフィルタ装置の
ブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram of a filter device according to an embodiment of the present invention.

【0020】同図において、符号Fはカルマンフィルタ
である。このカルマンフィルタFの基本的な構成は、図
3に示したものと同じであるため、図3に対応する部分
には、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
In FIG. 1, reference numeral F denotes a Kalman filter. Since the basic configuration of the Kalman filter F is the same as that shown in FIG. 3, portions corresponding to FIG. 3 are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.

【0021】この実施例のフィルタ装置の特徴は、カル
マンフィルタFの減算器1で得られる観測残差Zr(t)の
大きさを平滑化する平滑処理部7と、この平滑処理部7
からの平滑出力Zrf(t)の大きさに応じた補正値Xc(t)
を生成するとともに、この補正値Xc(t)を平滑出力Zrf
(t)の大きさに応じて、補正周期を変化させる補正値発
生部8と、この補正値発生部8からの補正値Xc(t)をカ
ルマンフィルタFの第2掛算器5で得られる状態変数の
予測値X(t/t−1)に対して加算する加算部12とを備
えることである。
The filter apparatus of this embodiment is characterized by a smoothing section 7 for smoothing the magnitude of the observation residual Zr (t) obtained by the subtractor 1 of the Kalman filter F, and a smoothing section 7
Correction value Xc (t) corresponding to the magnitude of the smoothed output Zrf (t) from
And the correction value Xc (t) is converted to a smoothed output Zrf.
A correction value generator 8 that changes the correction cycle in accordance with the magnitude of (t), and a state variable obtained by the second multiplier 5 of the Kalman filter F using the correction value Xc (t) from the correction value generator 8. And an adder 12 that adds the predicted value X (t / t-1) to the predicted value X (t / t-1).

【0022】そして、上記の平滑処理部7は、平滑出力
Zrf(t)が予め設定されたしきい値±Qthを越えた場合
において補正値発生部8から出力される制御パルスpに
応答してその平滑出力Zrf(t)がリセットされるように
構成されいる。補正値発生部8は、比較処理部9、余剰
補正部10、および補正値加算部11からなる。
The smoothing processing section 7 responds to the control pulse p output from the correction value generating section 8 when the smoothed output Zrf (t) exceeds a preset threshold value ± Qth. The smoothed output Zrf (t) is configured to be reset. The correction value generation unit 8 includes a comparison processing unit 9, a surplus correction unit 10, and a correction value addition unit 11.

【0023】比較処理部9は、平滑処理部7からの平滑
出力Zrf(t)を予め設定されたしきい値±Qthと比較
し、平滑出力Zrf(t)がしきい値±Qthを越えた場合に
は、これに応答して制御パルスpを出力するとともに、
次の(4)式に基づく大きさの補正値Xc1(t)を発生す
る。
The comparison processing section 9 compares the smoothed output Zrf (t) from the smoothing processing section 7 with a predetermined threshold ± Qth, and the smoothed output Zrf (t) exceeds the threshold ± Qth. In this case, the control pulse p is output in response to this,
A magnitude correction value Xc 1 (t) based on the following equation (4) is generated.

【0024】 Zrf(t)≧+Qth:Xc1(t)=+kc・Qth Zrf(t)≦−Qth:Xc1(t)=−kc・Qth |Zrf(t)|<Qth:Xc1(t)=0 (ただし、kcは定数) (4) 余剰補正部10は、比較処理部9からの制御パルスpを
カウントし、次の(5)式に基づいて制御パルスpの数nに
応じた余剰補正値Xc2(t)を発生するとともに、比較処
理部9からの補正値Xc1(t)の極性が反転した場合にそ
の信号出力Xc2(t)がリセットされるように構成されて
いる。
Zrf (t) ≧ + Qth: Xc 1 (t) = + kc · Qth Zrf (t) ≦ −Qth: Xc 1 (t) = − kc · Qth | Zrf (t) | <Qth: Xc 1 (t ) = 0 (where kc is a constant) (4) The surplus correction unit 10 counts the control pulses p from the comparison processing unit 9 and responds to the number n of the control pulses p based on the following equation (5). A surplus correction value Xc 2 (t) is generated, and when the polarity of the correction value Xc 1 (t) from the comparison processing unit 9 is inverted, the signal output Xc 2 (t) is reset. I have.

【0025】 Xc2(t)=kd・(n−1) (ただし、kdは定数) (5) また、補正値加算部11は、比較処理部9からの補正値
Xc1(t)と、余剰補正部10からの余剰補正値Xc2(t)と
を加算して加算部12に出力するようになっている。以
上のように、平均処理部7でのリセット機能と補正値X
c1(t)の同極性補正量の発生頻度に比例して大きさが変
わる第2の補正値Xc2(t)を設けることにより、目標値
の大きい加速度で変化したときでも、高応答性追従が可
能となる。
Xc 2 (t) = kd · (n−1) (where kd is a constant) (5) Further, the correction value adding section 11 calculates the correction value Xc 1 (t) from the comparison processing section 9 as follows: The surplus correction value Xc 2 (t) from the surplus correction unit 10 is added and output to the addition unit 12. As described above, the reset function in the averaging unit 7 and the correction value X
By providing the second correction value Xc 2 (t) whose magnitude changes in proportion to the frequency of occurrence of the same polarity correction amount of c 1 (t), high responsiveness can be obtained even when the target value changes with a large acceleration. Follow-up becomes possible.

【0026】次に、上記構成のフィルタ装置の動作につ
いて、図2に示すタイムチャートを参照して説明する。
なお、本例では、フィルタ装置には図外の速度計から速
度データのみが観測値Zm(t)として入力されるものと
し、また、正の加速度を受けて速度上昇される場合を例
にとって説明するものとする。
Next, the operation of the filter device having the above configuration will be described with reference to a time chart shown in FIG.
In this example, it is assumed that only speed data is input as an observation value Zm (t) from a speedometer (not shown) to the filter device, and that the speed is increased by receiving a positive acceleration. It shall be.

【0027】正の加速度を受けて速度上昇されるような
場合には、これに伴って得られる観測値Zm(t)も、図2
(a)の破線で示すように、時間経過に伴って次第に大き
くなる。そして、この観測値Zm(t)がカルマンフィルタ
Fのデータ入力部inを介して減算器1に入力される。
In the case where the speed is increased by receiving a positive acceleration, the observation value Zm (t) obtained accordingly is also shown in FIG.
As shown by the broken line in (a), it gradually increases with time. Then, the observed value Zm (t) is input to the subtractor 1 via the data input unit in of the Kalman filter F.

【0028】減算器1は、この入力される観測値Zm(t)
から第3掛算器6の出力H(t)・X´(t/t−1)を減算
することで観測残差Zr(t)を算出する。この観測残差Z
r(t)の大きさは、たとえば船舶が定速度で航行している
ような場合には観測値Zm(t)に含まれる観測雑音Rのみ
となる。しかし、本例のように、正の加速度を受けて速
度上昇されるような場合には、確定値X(t/t)の推定計
算の応答遅れが生じるために、何等対策を講じない場合
には、図2(b)の破線で示すように、観測残差Zr(t)も
次第に大きくなる。このような傾向をもつ観測残差Zr
(t)は、次段の第1掛算器2に加わるとともに、平滑処
理部7にも入力される。
The subtractor 1 calculates the input observation value Zm (t)
Is subtracted from the output H (t) · X ′ (t / t−1) of the third multiplier 6 to calculate the observation residual Zr (t). This observation residual Z
The magnitude of r (t) is only the observation noise R included in the observation value Zm (t) when, for example, the ship is traveling at a constant speed. However, when the speed is increased by receiving a positive acceleration as in this example, a response delay occurs in the estimation calculation of the final value X (t / t). As shown by the broken line in FIG. 2B, the observation residual Zr (t) also gradually increases. The observation residual Zr having such a tendency
(t) is applied to the first multiplier 2 at the next stage and is also input to the smoothing processing unit 7.

【0029】平滑処理部7は、この観測残差Zr(t)を平
滑化し、その平滑出力Zrf(t)を次段の比較処理部9に
与える。比較処理部9は、この平滑出力Zrf(t)の大き
さを予め設定されたしきい値±Qthと比較する。そし
て、しきい値Qthの大きさに比例した上記の(4)式に基
づく大きさの補正値Xc1(t)を発生する。ここで、観測
残差Zr(t)の大きさがしきい値Qthよりも大きい場合(|
Zr(t)|>|Qth|)には、その平滑出力Zrf(t)はしきい
値Qthを越えるので、このとき、比較処理部9は制御パ
ルスpが出力されるとともに、補正値Xc1(t)(ここで
は、kc・Qth)を発生する(図2(c)参照)。そして、この
比較処理部9から出力される制御パルスpによって、平
滑処理部7の平滑出力Zrf(t)がリセットされる(図2
(b)参照)。
The smoothing processing unit 7 smoothes the observation residual Zr (t), and supplies the smoothed output Zrf (t) to the comparison processing unit 9 at the next stage. The comparison processing unit 9 compares the magnitude of the smoothed output Zrf (t) with a preset threshold value ± Qth. Then, a magnitude correction value Xc 1 (t) based on the above equation (4) proportional to the magnitude of the threshold value Qth is generated. Here, when the magnitude of the observation residual Zr (t) is larger than the threshold value Qth (|
For Zr (t) |> | Qth |), the smoothed output Zrf (t) exceeds the threshold value Qth. At this time, the comparison processing unit 9 outputs the control pulse p and the correction value Xc 1. (t) (here, kc · Qth) is generated (see FIG. 2C). Then, the smoothed output Zrf (t) of the smoothing processing unit 7 is reset by the control pulse p output from the comparison processing unit 9 (FIG. 2).
(See (b)).

【0030】また、この制御パルスpは余剰補正部10
にも加わるので、余剰補正部10は、この制御パルスp
をカウントし、上記の(5)式に基づいて制御パルスpの
数nに応じた余剰補正値Xc2(t)を発生する(図2(c)参
照)。
The control pulse p is supplied to the surplus corrector 10
In addition, the surplus correction unit 10 calculates the control pulse p
And generates a surplus correction value Xc 2 (t) corresponding to the number n of the control pulses p based on the above equation (5) (see FIG. 2C).

【0031】そして、比較処理部9からの補正値Xc
1(t)と、余剰補正部10からの余剰補正値Xc2(t)とは
それぞれ補正値加算部11に与えられるので、補正値加
算部11は両補正値Xc1(t),Xc2(t)を加算し、その加
算して得られた補正値Xc(t)(=Xc1(t)+Xc2(t))をさ
らに加算部12に出力する。加算部12は、この補正値
発生部8からの補正値Xc(t)をカルマンフィルタFの第
2掛算器5で得られる状態変数の予測値X(t/t−1)に
対して加算する。
Then, the correction value Xc from the comparison processing section 9 is obtained.
Since 1 (t) and the surplus correction value Xc 2 (t) from the surplus correction unit 10 are given to the correction value adding unit 11, respectively, the correction value adding unit 11 outputs the two correction values Xc 1 (t) and Xc 2 (t) is added, and the correction value Xc (t) (= Xc 1 (t) + Xc 2 (t)) obtained by the addition is further output to the adding unit 12. The adder 12 adds the correction value Xc (t) from the correction value generator 8 to the predicted value X (t / t-1) of the state variable obtained by the second multiplier 5 of the Kalman filter F.

【0032】したがって、この加算部12から出力され
る補正された予測値をX´(t/t−1)とすれば、 X´(t/t−1)=X(t/t−1)+Xc(t) (6) となる。この加算部12の出力X´(t/t−1)は、カル
マンフィルタFを構成する第3掛算器6と加算器3とに
それぞれ加えられる。
Therefore, assuming that the corrected predicted value output from the adder 12 is X '(t / t-1), X' (t / t-1) = X (t / t-1) + Xc (t) (6) The output X ′ (t / t−1) of the adder 12 is applied to the third multiplier 6 and the adder 3 constituting the Kalman filter F.

【0033】第3掛算器6は、加算部12で得られた補
正後の予測値X´(t/t−1)に観測マトリックスH(t)
を掛けて観測推定値H(t)・X´(t/t−1)を算出し、
この観測推定値H(t)・X´(t/t−1)を減算器1に与
える。
The third multiplier 6 adds the observation matrix H (t) to the corrected predicted value X ′ (t / t−1) obtained by the adding unit 12.
To calculate the observed estimated value H (t) · X ′ (t / t−1),
This observation estimated value H (t) · X ′ (t / t−1) is given to the subtractor 1.

【0034】この観測推定値H(t)・X´(t/t−1)の
内には、(6)式の関係から分かるように補正値Xc(t)の
項が含まれているので、減算器1から出力される観測残
差Zr(t)は、図2(b)に示すように、観測推定値H(t)・
X´(t/t−1)が加わるたびに引き下げられる。しか
し、観測残差Zr(t)の大きさが比較処理部9におけるし
きい値Qthよりも尚大きい場合(|Zr(t)|≫|Qth|)に
は、平滑処理部7の出力Zrf(t)はリセットされた後も
再び増加し、しきい値Qthに到達するので、平滑処理部
7の出力Zrf(t)が再びリセットされる動作が繰り返さ
れる。このとき、平滑出力Zrf(t)がしきい値Qthに到達
する時間は観測残差Zr(t)の大きさに応じて変わること
も特徴である。即ち、観測残差Zr(t)が大きい程、補正
周期が高頻度になり、応答性向上に寄与することにな
る。観測残差Zr(t)が一時的に引き下げられても尚、補
正しきれない場合は比較処理部9から出力される補正値
Xc1(t)は同一極性が続くので、余剰補正部10から出
力される余剰補正値Xc2(t)は、(5)式の関係から分か
るように次第に大きくなる。つまり、本例のように、正
の加速度を受けて速度上昇されるために観測残差Zr(t)
が次第に大きくなるような場合には、これに応じて補正
値Xc(t)も大きくなる。このため、カルマンフィルタF
の加算器3で得られる最確値X(t/t)(図2(a)の実線で
示す)は、図3の従来構成における加算器3で得られる
最確値X(t/t)(図2の一点鎖線で示す)に比較して、観
測値Zm(t)に短時間の内に接近し、応答性が高くなる。
Since the observed estimated value H (t) .X '(t / t-1) includes the term of the correction value Xc (t) as can be seen from the relationship of the equation (6). , The observation residual Zr (t) output from the subtracter 1 is, as shown in FIG.
It is reduced each time X '(t / t-1) is added. However, when the magnitude of the observation residual Zr (t) is still larger than the threshold value Qth in the comparison processing unit 9 (| Zr (t) | ≫ | Qth |), the output Zrf ( Since t) increases again after the reset and reaches the threshold value Qth, the operation of resetting the output Zrf (t) of the smoothing processing unit 7 again is repeated. At this time, the time when the smoothed output Zrf (t) reaches the threshold value Qth is also characterized in that it changes according to the magnitude of the observation residual Zr (t). That is, the larger the observation residual Zr (t) is, the more frequently the correction cycle is increased, which contributes to the improvement of the response. Even if the observation residual Zr (t) is temporarily reduced, if the correction cannot be completed, the correction value Xc 1 (t) output from the comparison processing unit 9 has the same polarity. The output surplus correction value Xc 2 (t) gradually increases as can be seen from the relationship of equation (5). That is, as shown in this example, since the velocity is increased by receiving a positive acceleration, the observation residual Zr (t)
Is gradually increased, the correction value Xc (t) is accordingly increased. Therefore, the Kalman filter F
The most probable value X (t / t) (shown by a solid line in FIG. 2A) obtained by the adder 3 of FIG. (Indicated by a two-dot chain line), the observed value Zm (t) approaches within a short time, and the responsiveness is increased.

【0035】このように、本発明では、従来のようにフ
ィルタゲインG(t)を故意に調整するといったことは全
く行わないため、観測値Zm(t)に含まれる観測雑音Rが
大きい場合などには、この雑音量に応じたRの設定を行
うことができる。即ち、この結果フィルタゲインG(t)
は自と小さくなり、高雑音抑圧度を保つことができる。
しかも、観測残差Zr(t)の大きさに応じて、第2掛算器
5から出力される予測値X(t/t−1)を補正値発生部8
からの補正値Xc(t)で直接補正し、しかも、観測残差Z
r(t)の値が大きくなるほど補正値Xc(t)の出力周期も短
くなるので、加算器3で得られる最確値X(t/t)の算出
は短時間となり、高応答性が得られるようになる。
As described above, according to the present invention, since the filter gain G (t) is not intentionally adjusted at all as in the prior art, when the observation noise R included in the observation value Zm (t) is large, Can set R according to the amount of noise. That is, as a result, the filter gain G (t)
Becomes smaller with itself, and a high noise suppression degree can be maintained.
In addition, the predicted value X (t / t-1) output from the second multiplier 5 is corrected in accordance with the magnitude of the observation residual Zr (t).
Is directly corrected by the correction value Xc (t) from
Since the output cycle of the correction value Xc (t) becomes shorter as the value of r (t) becomes larger, the calculation of the most probable value X (t / t) obtained by the adder 3 becomes short, and high responsiveness is obtained. Become like

【0036】たとえば、前述した図4において、船舶が
定速状態から負の加速度を受けて停止する場合では、こ
の実施例におけるカルマンフィルタFの出力X(t/t)
は、図中の符号x0で示す曲線のように、速度および加速
度の観測値を共に直接カルマンフィルタFに入力する場
合の推定量の曲線x1に近似したものとなり、応答性に優
れたものとなる。
For example, in FIG. 4 described above, when the ship stops by receiving a negative acceleration from the constant speed state, the output X (t / t) of the Kalman filter F in this embodiment.
, As the curve indicated by symbol x 0 in the figure, it is assumed that approximates the estimate of the curve x 1 for entering observations of velocity and acceleration are both directly Kalman filter F, and is excellent in responsiveness Become.

【0037】なお、上記の実施例では、説明を簡素化す
るために、フィルタ装置には状態変数として速度データ
のみが観測値Zm(t)として入力されるものとしたが、こ
れよりも高次微分の状態変数(たとえば加速度)が同時に
得られている場合にも本発明を適用することができる。
この場合には、平滑処理部7と補正値発生部8とを並列
に加えることで対処することが可能である。
In the above embodiment, for the sake of simplicity, only the velocity data is input to the filter device as the state variable as the observation value Zm (t). The present invention can also be applied to the case where the state variables of differentiation (for example, acceleration) are simultaneously obtained.
This case can be dealt with by adding the smoothing processing unit 7 and the correction value generation unit 8 in parallel.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明によれば、カルマンフィルタに入
力される状態変数の観測されるパラメータが少なく、し
かも、観測雑音が大きいような場合でも、高雑音抑圧度
で、かつ、高応答性のフィルタ特性が発揮されるように
なる。
According to the present invention, a filter having a high noise suppression degree and a high responsiveness even when the number of observed state variables input to the Kalman filter is small and the observed noise is large. Characteristics will be exhibited.

【0039】特に本発明は、ドップラーソナー等を用い
た船速計等に適用する場合に有効である。
The present invention is particularly effective when applied to a speedometer using a Doppler sonar or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例に係るフィルタ装置のブロック
図である。
FIG. 1 is a block diagram of a filter device according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のフィルタ装置において、船舶が正の加速
度を受けて速度上昇される場合の動作説明に供するタイ
ムチャートである。
FIG. 2 is a time chart for explaining the operation of the filter device of FIG. 1 in the case where the speed of a ship is increased by receiving a positive acceleration.

【図3】一般的なカルマンフィルタのブロック図であ
る。
FIG. 3 is a block diagram of a general Kalman filter.

【図4】船舶が定速状態から負の加速度を受けて停止す
る場合のカルマンフィルタの速度推定量の経時変化を示
す特性図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a change over time in a speed estimation amount of a Kalman filter when a ship receives a negative acceleration from a constant speed state and stops.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

F…カルマンフィルタ、1…減算器、2…第1掛算器、
3…加算器、4…遅延回路、5…第2掛算器、6…第3
掛算器、7…平滑処理部、8…補正値発生部、12…加
算部。
F ... Kalman filter, 1 ... Subtractor, 2 ... First multiplier,
3 adder, 4 delay circuit, 5 second multiplier, 6 third
Multiplier, 7: smoothing processing unit, 8: correction value generation unit, 12: addition unit.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 カルマンフィルタを備えたフィルタ装置
において、 前記カルマンフィルタの観測残差Zr(t)の大きさを平滑
化する平滑処理部と、 この平滑処理部からの平滑出力Zrf(t)の大きさに応じ
た補正値Xc(t)を生成するとともに、この補正値Xc(t)
を平滑出力Zrf(t)の大きさに応じた周期で出力する補
正値発生部と、 この補正値発生部からの補正値Xc(t)を前記カルマンフ
ィルタの状態変数の予測値X(t/t−1)に対して加算す
る加算部と、 を備えることを特徴とするフィルタ装置。
1. A filter device having a Kalman filter, comprising: a smoothing section for smoothing the magnitude of an observation residual Zr (t) of the Kalman filter; and a magnitude of a smoothed output Zrf (t) from the smoothing section. Generates a correction value Xc (t) corresponding to the correction value Xc (t).
A correction value generator that outputs the correction value Xc (t) from the correction value generator at a cycle corresponding to the magnitude of the smoothed output Zrf (t). -1) an addition unit for adding -1).
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