| 1 | /*! | 
|---|
| 2 | \file | 
|---|
| 3 | \brief Bayesian Filtering for linear Gaussian models (Kalman Filter) and extensions | 
|---|
| 4 | \author Vaclav Smidl. | 
|---|
| 5 |  | 
|---|
| 6 | ----------------------------------- | 
|---|
| 7 | BDM++ - C++ library for Bayesian Decision Making under Uncertaint16y | 
|---|
| 8 |  | 
|---|
| 9 | Using IT++ for numerical operations | 
|---|
| 10 | ----------------------------------- | 
|---|
| 11 | */ | 
|---|
| 12 |  | 
|---|
| 13 | #ifndef EKFfix_H | 
|---|
| 14 | #define EKFfix_H | 
|---|
| 15 |  | 
|---|
| 16 |  | 
|---|
| 17 | #include <estim/kalman.h> | 
|---|
| 18 | #include "fixed.h" | 
|---|
| 19 | #include "matrix.h" | 
|---|
| 20 | #include "matrix_vs.h" | 
|---|
| 21 | #include "reference_Q15.h" | 
|---|
| 22 | #include "parametry_motoru.h" | 
|---|
| 23 |  | 
|---|
| 24 | using namespace bdm; | 
|---|
| 25 |  | 
|---|
| 26 | double minQ(double Q); | 
|---|
| 27 |  | 
|---|
| 28 | void mat_to_int16(const imat &M, int16 *I); | 
|---|
| 29 | void vec_to_int16(const ivec &v, int16 *I); | 
|---|
| 30 | void UDtof(const mat &U, const vec &D, imat &Uf, ivec &Df, const vec &xref); | 
|---|
| 31 |  | 
|---|
| 32 | #ifdef XXX | 
|---|
| 33 | /*! | 
|---|
| 34 | \brief Extended Kalman Filter with full matrices in fixed point16 arithmetic | 
|---|
| 35 |  | 
|---|
| 36 | An approximation of the exact Bayesian filter with Gaussian noices and non-linear evolutions of their mean. | 
|---|
| 37 | */ | 
|---|
| 38 | class EKFfixed : public BM { | 
|---|
| 39 | public: | 
|---|
| 40 | void init_ekf(double Tv); | 
|---|
| 41 | void ekf(double ux, double uy, double isxd, double isyd); | 
|---|
| 42 |  | 
|---|
| 43 | /* Declaration of local functions */ | 
|---|
| 44 | void prediction(int16 *ux); | 
|---|
| 45 | void correction(void); | 
|---|
| 46 | void update_psi(void); | 
|---|
| 47 |  | 
|---|
| 48 | /* Constants - definovat jako konstanty ?? ?kde je vyhodnejsi aby v pameti byli?*/ | 
|---|
| 49 | int16 Q[16]; /* matrix [4,4] */ | 
|---|
| 50 | int16 R[4]; /* matrix [2,2] */ | 
|---|
| 51 |  | 
|---|
| 52 | int16 x_est[4]; | 
|---|
| 53 | int16 x_pred[4]; | 
|---|
| 54 | int16 P_pred[16]; /* matrix [4,4] */ | 
|---|
| 55 | int16 P_est[16]; /* matrix [4,4] */ | 
|---|
| 56 | int16 Y_mes[2]; | 
|---|
| 57 | int16 ukalm[2]; | 
|---|
| 58 | int16 Kalm[8]; /* matrix [5,2] */ | 
|---|
| 59 |  | 
|---|
| 60 | int16 PSI[16]; /* matrix [4,4] */ | 
|---|
| 61 |  | 
|---|
| 62 | int16 temp15a[16]; | 
|---|
| 63 |  | 
|---|
| 64 | int16 cA, cB, cC, cG, cH;  // cD, cE, cF, cI ... nepouzivane | 
|---|
| 65 |  | 
|---|
| 66 | int32 temp30a[4]; /* matrix [2,2] - temporary matrix for inversion */ | 
|---|
| 67 | enorm<fsqmat> E; | 
|---|
| 68 | mat Ry; | 
|---|
| 69 |  | 
|---|
| 70 | public: | 
|---|
| 71 | //! Default constructor | 
|---|
| 72 | EKFfixed ():BM(),E(),Ry(2,2){ | 
|---|
| 73 | int16 i; | 
|---|
| 74 | for(i=0;i<16;i++){Q[i]=0;} | 
|---|
| 75 | for(i=0;i<4;i++){R[i]=0;} | 
|---|
| 76 |  | 
|---|
| 77 | for(i=0;i<4;i++){x_est[i]=0;} | 
|---|
| 78 | for(i=0;i<4;i++){x_pred[i]=0;} | 
|---|
| 79 | for(i=0;i<16;i++){P_pred[i]=0;} | 
|---|
| 80 | for(i=0;i<16;i++){P_est[i]=0;} | 
|---|
| 81 | P_est[0]=0x7FFF; | 
|---|
| 82 | P_est[5]=0x7FFF; | 
|---|
| 83 | P_est[10]=0x7FFF; | 
|---|
| 84 | P_est[15]=0x7FFF; | 
|---|
| 85 | for(i=0;i<2;i++){Y_mes[i]=0;} | 
|---|
| 86 | for(i=0;i<2;i++){ukalm[i]=0;} | 
|---|
| 87 | for(i=0;i<8;i++){Kalm[i]=0;} | 
|---|
| 88 |  | 
|---|
| 89 | for(i=0;i<16;i++){PSI[i]=0;} | 
|---|
| 90 |  | 
|---|
| 91 | set_dim(4); | 
|---|
| 92 | E._mu()=zeros(4); | 
|---|
| 93 | E._R()=zeros(4,4); | 
|---|
| 94 | init_ekf(0.000125); | 
|---|
| 95 | }; | 
|---|
| 96 | //! Here dt = [yt;ut] of appropriate dimensions | 
|---|
| 97 | void bayes ( const vec &yt, const vec &ut ); | 
|---|
| 98 | //!dummy! | 
|---|
| 99 | const epdf& posterior() const {return E;}; | 
|---|
| 100 |  | 
|---|
| 101 | }; | 
|---|
| 102 |  | 
|---|
| 103 | UIREGISTER(EKFfixed); | 
|---|
| 104 |  | 
|---|
| 105 | #endif | 
|---|
| 106 |  | 
|---|
| 107 | /*! | 
|---|
| 108 | \brief Extended Kalman Filter with UD matrices in fixed point16 arithmetic | 
|---|
| 109 |  | 
|---|
| 110 | An approximation of the exact Bayesian filter with Gaussian noices and non-linear evolutions of their mean. | 
|---|
| 111 | */ | 
|---|
| 112 | class EKFfixedUD : public BM { | 
|---|
| 113 | public: | 
|---|
| 114 | LOG_LEVEL(EKFfixedUD,logU, logG, logD, logA, logP); | 
|---|
| 115 |  | 
|---|
| 116 | void init_ekf(double Tv); | 
|---|
| 117 | void ekf(double ux, double uy, double isxd, double isyd); | 
|---|
| 118 |  | 
|---|
| 119 | /* Constants - definovat jako konstanty ?? ?kde je vyhodnejsi aby v pameti byli?*/ | 
|---|
| 120 | int16 Q[16]; /* matrix [4,4] */ | 
|---|
| 121 | int16 R[4]; /* matrix [2,2] */ | 
|---|
| 122 |  | 
|---|
| 123 | int16 x_est[4]; /* estimate and prediction */ | 
|---|
| 124 |  | 
|---|
| 125 | int16 PSI[16]; /* matrix [4,4] */ | 
|---|
| 126 | int16 PSIU[16]; /* matrix PIS*U, [4,4] */ | 
|---|
| 127 |  | 
|---|
| 128 | int16 Uf[16]; // upper triangular of covariance (inplace) | 
|---|
| 129 | int16 Df[4];  // diagonal covariance | 
|---|
| 130 | int16 Dfold[4]; // temp of D | 
|---|
| 131 | int16 G[16];  // temp for bierman | 
|---|
| 132 |  | 
|---|
| 133 | int16 cA, cB, cC, cG, cH;  // cD, cE, cF, cI ... nepouzivane | 
|---|
| 134 |  | 
|---|
| 135 | enorm<fsqmat> E; | 
|---|
| 136 | mat Ry; | 
|---|
| 137 |  | 
|---|
| 138 | public: | 
|---|
| 139 | //! Default constructor | 
|---|
| 140 | EKFfixedUD ():BM(),E(),Ry(2,2){ | 
|---|
| 141 | int16 i; | 
|---|
| 142 | for(i=0;i<16;i++){Q[i]=0;} | 
|---|
| 143 | for(i=0;i<4;i++){R[i]=0;} | 
|---|
| 144 |  | 
|---|
| 145 | for(i=0;i<4;i++){x_est[i]=0;} | 
|---|
| 146 | for(i=0;i<16;i++){Uf[i]=0;} | 
|---|
| 147 | for(i=0;i<4;i++){Df[i]=0;} | 
|---|
| 148 | for(i=0;i<16;i++){G[i]=0;} | 
|---|
| 149 | for(i=0;i<4;i++){Dfold[i]=0;} | 
|---|
| 150 |  | 
|---|
| 151 | for(i=0;i<16;i++){PSI[i]=0;} | 
|---|
| 152 |  | 
|---|
| 153 | set_dim(4); | 
|---|
| 154 | E._mu()=zeros(4); | 
|---|
| 155 | E._R()=zeros(4,4); | 
|---|
| 156 | init_ekf(0.000125); | 
|---|
| 157 | }; | 
|---|
| 158 | //! Here dt = [yt;ut] of appropriate dimensions | 
|---|
| 159 | void bayes ( const vec &yt, const vec &ut ); | 
|---|
| 160 | //!dummy! | 
|---|
| 161 | const epdf& posterior() const {return E;}; | 
|---|
| 162 | void log_register(logger &L, const string &prefix){ | 
|---|
| 163 | BM::log_register ( L, prefix ); | 
|---|
| 164 |  | 
|---|
| 165 | L.add_vector ( log_level, logG, RV("G",16), prefix ); | 
|---|
| 166 | L.add_vector ( log_level, logU, RV ("U", 16 ), prefix ); | 
|---|
| 167 | L.add_vector ( log_level, logD, RV ("D", 4 ), prefix ); | 
|---|
| 168 | L.add_vector ( log_level, logA, RV ("A", 16 ), prefix ); | 
|---|
| 169 | L.add_vector ( log_level, logP, RV ("P", 16 ), prefix ); | 
|---|
| 170 |  | 
|---|
| 171 | }; | 
|---|
| 172 | //void from_setting(); | 
|---|
| 173 | }; | 
|---|
| 174 |  | 
|---|
| 175 | UIREGISTER(EKFfixedUD); | 
|---|
| 176 |  | 
|---|
| 177 | /*! | 
|---|
| 178 | * \brief Extended Kalman Filter with Chol matrices in fixed point16 arithmetic | 
|---|
| 179 | * | 
|---|
| 180 | * An approximation of the exact Bayesian filter with Gaussian noices and non-linear evolutions of their mean. | 
|---|
| 181 | */ | 
|---|
| 182 | class EKFfixedCh : public BM { | 
|---|
| 183 | public: | 
|---|
| 184 | LOG_LEVEL(EKFfixedCh,logCh, logA, logP); | 
|---|
| 185 |  | 
|---|
| 186 | void init_ekf(double Tv); | 
|---|
| 187 | void ekf(double ux, double uy, double isxd, double isyd); | 
|---|
| 188 |  | 
|---|
| 189 | /* Constants - definovat jako konstanty ?? ?kde je vyhodnejsi aby v pameti byli?*/ | 
|---|
| 190 | int16 Q[16]; /* matrix [4,4] */ | 
|---|
| 191 | int16 R[4]; /* matrix [2,2] */ | 
|---|
| 192 |  | 
|---|
| 193 | int16 x_est[4]; /* estimate and prediction */ | 
|---|
| 194 |  | 
|---|
| 195 | int16 PSI[16]; /* matrix [4,4] */ | 
|---|
| 196 | int16 PSICh[16]; /* matrix PIS*U, [4,4] */ | 
|---|
| 197 |  | 
|---|
| 198 | int16 Chf[16]; // upper triangular of covariance (inplace) | 
|---|
| 199 |  | 
|---|
| 200 | int16 cA, cB, cC, cG, cH;  // cD, cE, cF, cI ... nepouzivane | 
|---|
| 201 |  | 
|---|
| 202 | enorm<chmat> E; | 
|---|
| 203 | mat Ry; | 
|---|
| 204 |  | 
|---|
| 205 | public: | 
|---|
| 206 | //! Default constructor | 
|---|
| 207 | EKFfixedCh ():BM(),E(),Ry(2,2){ | 
|---|
| 208 | int16 i; | 
|---|
| 209 | for(i=0;i<16;i++){Q[i]=0;} | 
|---|
| 210 | for(i=0;i<4;i++){R[i]=0;} | 
|---|
| 211 |  | 
|---|
| 212 | for(i=0;i<4;i++){x_est[i]=0;} | 
|---|
| 213 | for(i=0;i<16;i++){Chf[i]=0;} | 
|---|
| 214 |  | 
|---|
| 215 | for(i=0;i<16;i++){PSI[i]=0;} | 
|---|
| 216 |  | 
|---|
| 217 | set_dim(4); | 
|---|
| 218 | E._mu()=zeros(4); | 
|---|
| 219 | E._R()=zeros(4,4); | 
|---|
| 220 | init_ekf(0.000125); | 
|---|
| 221 | }; | 
|---|
| 222 | //! Here dt = [yt;ut] of appropriate dimensions | 
|---|
| 223 | void bayes ( const vec &yt, const vec &ut ); | 
|---|
| 224 | //!dummy! | 
|---|
| 225 | const epdf& posterior() const {return E;}; | 
|---|
| 226 | void log_register(logger &L, const string &prefix){ | 
|---|
| 227 | BM::log_register ( L, prefix ); | 
|---|
| 228 |  | 
|---|
| 229 | L.add_vector ( log_level, logCh, RV ("Ch", 16 ), prefix ); | 
|---|
| 230 | L.add_vector ( log_level, logA, RV ("A", 16 ), prefix ); | 
|---|
| 231 | L.add_vector ( log_level, logP, RV ("P", 16 ), prefix ); | 
|---|
| 232 |  | 
|---|
| 233 | }; | 
|---|
| 234 | //void from_setting(); | 
|---|
| 235 | }; | 
|---|
| 236 |  | 
|---|
| 237 | UIREGISTER(EKFfixedCh); | 
|---|
| 238 |  | 
|---|
| 239 |  | 
|---|
| 240 | //! EKF for comparison of EKF_UD with its fixed-point16 implementation | 
|---|
| 241 | class EKF_UDfix : public BM { | 
|---|
| 242 | protected: | 
|---|
| 243 | //! logger | 
|---|
| 244 | LOG_LEVEL(EKF_UDfix,logU, logG); | 
|---|
| 245 | //! Internal Model f(x,u) | 
|---|
| 246 | shared_ptr<diffbifn> pfxu; | 
|---|
| 247 |  | 
|---|
| 248 | //! Observation Model h(x,u) | 
|---|
| 249 | shared_ptr<diffbifn> phxu; | 
|---|
| 250 |  | 
|---|
| 251 | //! U part | 
|---|
| 252 | mat U; | 
|---|
| 253 | //! D part | 
|---|
| 254 | vec D; | 
|---|
| 255 |  | 
|---|
| 256 | mat A; | 
|---|
| 257 | mat C; | 
|---|
| 258 | mat Q; | 
|---|
| 259 | vec R; | 
|---|
| 260 |  | 
|---|
| 261 | enorm<ldmat> est; | 
|---|
| 262 |  | 
|---|
| 263 |  | 
|---|
| 264 | public: | 
|---|
| 265 |  | 
|---|
| 266 | //! copy constructor duplicated | 
|---|
| 267 | EKF_UDfix* _copy() const { | 
|---|
| 268 | return new EKF_UDfix(*this); | 
|---|
| 269 | } | 
|---|
| 270 |  | 
|---|
| 271 | const enorm<ldmat>& posterior()const{return est;}; | 
|---|
| 272 |  | 
|---|
| 273 | enorm<ldmat>& prior() { | 
|---|
| 274 | return const_cast<enorm<ldmat>&>(posterior()); | 
|---|
| 275 | } | 
|---|
| 276 |  | 
|---|
| 277 | EKF_UDfix(){} | 
|---|
| 278 |  | 
|---|
| 279 |  | 
|---|
| 280 | EKF_UDfix(const EKF_UDfix &E0): pfxu(E0.pfxu),phxu(E0.phxu), U(E0.U), D(E0.D){} | 
|---|
| 281 |  | 
|---|
| 282 | //! Set nonlinear functions for mean values and covariance matrices. | 
|---|
| 283 | void set_parameters ( const shared_ptr<diffbifn> &pfxu, const shared_ptr<diffbifn> &phxu, const mat Q0, const vec R0 ); | 
|---|
| 284 |  | 
|---|
| 285 | //! Here dt = [yt;ut] of appropriate dimensions | 
|---|
| 286 | void bayes ( const vec &yt, const vec &cond = empty_vec ); | 
|---|
| 287 |  | 
|---|
| 288 | void log_register ( bdm::logger& L, const string& prefix ){ | 
|---|
| 289 | BM::log_register ( L, prefix ); | 
|---|
| 290 |  | 
|---|
| 291 | if ( log_level[logU] ) | 
|---|
| 292 | L.add_vector ( log_level, logU, RV ( dimension()*dimension() ), prefix ); | 
|---|
| 293 | if ( log_level[logG] ) | 
|---|
| 294 | L.add_vector ( log_level, logG, RV ( dimension()*dimension() ), prefix ); | 
|---|
| 295 |  | 
|---|
| 296 | } | 
|---|
| 297 | /*! Create object from the following structure | 
|---|
| 298 |  | 
|---|
| 299 | \code | 
|---|
| 300 | class = 'EKF_UD'; | 
|---|
| 301 | OM = configuration of bdm::diffbifn;    % any offspring of diffbifn, bdm::diffbifn::from_setting | 
|---|
| 302 | IM = configuration of bdm::diffbifn;    % any offspring of diffbifn, bdm::diffbifn::from_setting | 
|---|
| 303 | dQ = [...];                             % vector containing diagonal of Q | 
|---|
| 304 | dR = [...];                             % vector containing diagonal of R | 
|---|
| 305 | --- optional fields --- | 
|---|
| 306 | mu0 = [...];                            % vector of statistics mu0 | 
|---|
| 307 | dP0 = [...];                            % vector containing diagonal of P0 | 
|---|
| 308 | -- or -- | 
|---|
| 309 | P0 = [...];                             % full matrix P0 | 
|---|
| 310 | --- inherited fields --- | 
|---|
| 311 | bdm::BM::from_setting | 
|---|
| 312 | \endcode | 
|---|
| 313 | If the optional fields are not given, they will be filled as follows: | 
|---|
| 314 | \code | 
|---|
| 315 | mu0 = [0,0,0,....];                     % empty statistics | 
|---|
| 316 | P0 = eye( dim ); | 
|---|
| 317 | \endcode | 
|---|
| 318 | */ | 
|---|
| 319 | void from_setting ( const Setting &set ); | 
|---|
| 320 |  | 
|---|
| 321 | void validate() {}; | 
|---|
| 322 | // TODO dodelat void to_setting( Setting &set ) const; | 
|---|
| 323 |  | 
|---|
| 324 | }; | 
|---|
| 325 | UIREGISTER(EKF_UDfix); | 
|---|
| 326 |  | 
|---|
| 327 |  | 
|---|
| 328 |  | 
|---|
| 329 |  | 
|---|
| 330 | #endif // KF_H | 
|---|
| 331 |  | 
|---|