root/library/bdm/estim/kalman.cpp @ 565

Revision 565, 7.9 kB (checked in by vbarta, 16 years ago)

using own error macros (basically copied from IT++, but never aborting)

  • Property svn:eol-style set to native
Line 
1
2#include "kalman.h"
3
4namespace bdm {
5
6using std::endl;
7
8KalmanFull::KalmanFull ( mat A0, mat B0, mat C0, mat D0, mat Q0, mat R0, mat P0, vec mu0 ) {
9        dimx = A0.rows();
10        dimu = B0.cols();
11        dimy = C0.rows();
12
13        bdm_assert_debug ( A0.cols() == dimx, "KalmanFull: A is not square" );
14        bdm_assert_debug ( B0.rows() == dimx, "KalmanFull: B is not compatible" );
15        bdm_assert_debug ( C0.cols() == dimx, "KalmanFull: C is not square" );
16        bdm_assert_debug ( ( D0.rows() == dimy ) || ( D0.cols() == dimu ), "KalmanFull: D is not compatible" );
17        bdm_assert_debug ( ( Q0.cols() == dimx ) || ( Q0.rows() == dimx ), "KalmanFull: Q is not compatible" );
18        bdm_assert_debug ( ( R0.cols() == dimy ) || ( R0.rows() == dimy ), "KalmanFull: R is not compatible" );
19
20        A = A0;
21        B = B0;
22        C = C0;
23        D = D0;
24        R = R0;
25        Q = Q0;
26        mu = mu0;
27        P = P0;
28
29        ll = 0.0;
30        evalll = true;
31}
32
33void KalmanFull::bayes ( const vec &dt ) {
34        bdm_assert_debug ( dt.length() == ( dimy + dimu ), "KalmanFull::bayes wrong size of dt" );
35
36        vec u = dt.get ( dimy, dimy + dimu - 1 );
37        vec y = dt.get ( 0, dimy - 1 );
38        //Time update
39        mu = A * mu + B * u;
40        P  = A * P * A.transpose() + Q;
41
42        //Data update
43        _Ry = C * P * C.transpose() + R;
44        _iRy = inv ( _Ry );
45        _K = P * C.transpose() * _iRy;
46        P -= _K * C * P; // P = P -KCP;
47        mu += _K * ( y - C * mu - D * u );
48
49        if ( evalll ) {
50                //from enorm
51                vec x = y - C * mu - D * u;
52                ll = -0.5 * ( R.cols() * 1.83787706640935 + log ( det ( _Ry ) ) + x * ( _iRy * x ) );
53        }
54};
55
56std::ostream &operator<< ( std::ostream &os, const KalmanFull &kf ) {
57        os << "mu:" << kf.mu << endl << "P:" << kf.P << endl;
58        return os;
59}
60
61
62
63/////////////////////////////// EKFS
64EKFfull::EKFfull ( ) : BM (), E() {};
65
66void EKFfull::set_parameters ( const shared_ptr<diffbifn> &pfxu0, const shared_ptr<diffbifn> &phxu0, const mat Q0, const mat R0 ) {
67        pfxu = pfxu0;
68        phxu = phxu0;
69
70        dimx = pfxu0->_dimx();
71        dimy = phxu0->dimension();
72        dimu = pfxu0->_dimu();
73        E.epdf::set_parameters ( dimx );
74
75        A.set_size ( dimx, dimx );
76        C.set_size ( dimy, dimx );
77        //initialize matrices A C, later, these will be only updated!
78        pfxu->dfdx_cond ( mu, zeros ( dimu ), A, true );
79        B.clear();
80        phxu->dfdx_cond ( mu, zeros ( dimu ), C, true );
81        D.clear();
82
83        R = R0;
84        Q = Q0;
85}
86
87void EKFfull::bayes ( const vec &dt ) {
88        bdm_assert_debug ( dt.length() == ( dimy + dimu ), "EKFull::bayes wrong size of dt" );
89
90        vec u = dt.get ( dimy, dimy + dimu - 1 );
91        vec y = dt.get ( 0, dimy - 1 );
92
93        pfxu->dfdx_cond ( mu, zeros ( dimu ), A, true );
94        phxu->dfdx_cond ( mu, zeros ( dimu ), C, true );
95
96        //Time update
97        mu = pfxu->eval ( mu, u );// A*mu + B*u;
98        P  = A * P * A.transpose() + Q;
99
100        //Data update
101        _Ry = C * P * C.transpose() + R;
102        _iRy = inv ( _Ry );
103        _K = P * C.transpose() * _iRy;
104        P -= _K * C * P; // P = P -KCP;
105        vec yp = phxu->eval ( mu, u );
106        mu += _K * ( y - yp );
107
108        E.set_mu ( mu );
109
110        if ( BM::evalll ) {
111                //from enorm
112                vec x = y - yp;
113                BM::ll = -0.5 * ( R.cols() * 1.83787706640935 + log ( det ( _Ry ) ) + x * ( _iRy * x ) );
114        }
115};
116
117
118
119void KalmanCh::set_parameters ( const mat &A0, const mat &B0, const mat &C0, const mat &D0, const chmat &Q0, const chmat &R0 ) {
120
121        ( ( Kalman<chmat>* ) this )->set_parameters ( A0, B0, C0, D0, Q0, R0 );
122        // Cholesky special!
123        preA = zeros ( dimy + dimx + dimx, dimy + dimx );
124//      preA.clear();
125        preA.set_submatrix ( 0, 0, R._Ch() );
126        preA.set_submatrix ( dimy + dimx, dimy, Q._Ch() );
127}
128
129
130void KalmanCh::bayes ( const vec &dt ) {
131
132        vec u = dt.get ( dimy, dimy + dimu - 1 );
133        vec y = dt.get ( 0, dimy - 1 );
134        vec pom ( dimy );
135
136        //TODO get rid of Q in qr()!
137//      mat Q;
138
139        //R and Q are already set in set_parameters()
140        preA.set_submatrix ( dimy, 0, ( _P._Ch() ) *C.T() );
141        //Fixme can be more efficient if .T() is not used
142        preA.set_submatrix ( dimy, dimy, ( _P._Ch() ) *A.T() );
143
144        if ( !qr ( preA, postA ) ) {
145                bdm_warning ( "QR in KalmanCh unstable!" );
146        }
147
148        ( _Ry._Ch() ) = postA ( 0, dimy - 1, 0, dimy - 1 );
149        _K = inv ( A ) * ( postA ( 0, dimy - 1 , dimy, dimy + dimx - 1 ) ).T();
150        ( _P._Ch() ) = postA ( dimy, dimy + dimx - 1, dimy, dimy + dimx - 1 );
151
152        _mu = A * ( _mu ) + B * u;
153        _yp = C * _mu - D * u;
154
155        backward_substitution ( _Ry._Ch(), ( y - _yp ), pom );
156        _mu += ( _K ) * pom;
157
158        /*              cout << "P:" <<_P.to_mat() <<endl;
159                        cout << "Ry:" <<_Ry.to_mat() <<endl;
160                        cout << "_K:" <<_K <<endl;*/
161
162        if ( evalll == true ) { //likelihood of observation y
163                ll = fy.evallog ( y );
164        }
165}
166
167
168
169void EKFCh::set_parameters ( const shared_ptr<diffbifn> &pfxu0, const shared_ptr<diffbifn> &phxu0, const chmat Q0, const chmat R0 ) {
170        pfxu = pfxu0;
171        phxu = phxu0;
172
173        dimx = pfxu0->dimension();
174        dimy = phxu0->dimension();
175        dimu = pfxu0->_dimu();
176        // if mu is not set, set it to zeros, just for constant terms of A and C
177        if ( _mu.length() != dimx ) _mu = zeros ( dimx );
178        A = zeros ( dimx, dimx );
179        C = zeros ( dimy, dimx );
180        preA = zeros ( dimy + dimx + dimx, dimy + dimx );
181
182        //initialize matrices A C, later, these will be only updated!
183        pfxu->dfdx_cond ( _mu, zeros ( dimu ), A, true );
184//      pfxu->dfdu_cond ( *_mu,zeros ( dimu ),B,true );
185        B.clear();
186        phxu->dfdx_cond ( _mu, zeros ( dimu ), C, true );
187//      phxu->dfdu_cond ( *_mu,zeros ( dimu ),D,true );
188        D.clear();
189
190        R = R0;
191        Q = Q0;
192
193        // Cholesky special!
194        preA.clear();
195        preA.set_submatrix ( 0, 0, R._Ch() );
196        preA.set_submatrix ( dimy + dimx, dimy, Q._Ch() );
197}
198
199
200void EKFCh::bayes ( const vec &dt ) {
201
202        vec pom ( dimy );
203        vec u = dt.get ( dimy, dimy + dimu - 1 );
204        vec y = dt.get ( 0, dimy - 1 );
205
206        pfxu->dfdx_cond ( _mu, u, A, false ); //update A by a derivative of fx
207        phxu->dfdx_cond ( _mu, u, C, false ); //update A by a derivative of fx
208
209        //R and Q are already set in set_parameters()
210        preA.set_submatrix ( dimy, 0, ( _P._Ch() ) *C.T() );
211        //Fixme can be more efficient if .T() is not used
212        preA.set_submatrix ( dimy, dimy, ( _P._Ch() ) *A.T() );
213
214//      mat Sttm = _P->to_mat();
215//      cout << preA <<endl;
216//      cout << "_mu:" << _mu <<endl;
217
218        if ( !qr ( preA, postA ) ) {
219                bdm_warning ( "QR in EKFCh unstable!" );
220        }
221
222
223        ( _Ry._Ch() ) = postA ( 0, dimy - 1, 0, dimy - 1 );
224        _K = inv ( A ) * ( postA ( 0, dimy - 1 , dimy, dimy + dimx - 1 ) ).T();
225        ( _P._Ch() ) = postA ( dimy, dimy + dimx - 1, dimy, dimy + dimx - 1 );
226
227//      mat iRY = inv(_Ry->to_mat());
228//      mat Stt = Sttm - Sttm * C.T() * iRY * C * Sttm;
229//      mat _K2 = Stt*C.T()*inv(R.to_mat());
230
231        // prediction
232        _mu = pfxu->eval ( _mu , u );
233        _yp = phxu->eval ( _mu, u );
234
235        /*      vec mu2 = *_mu + ( _K2 ) * ( y-*_yp );*/
236
237        //correction //= initial value is already prediction!
238        backward_substitution ( _Ry._Ch(), ( y - _yp ), pom );
239        _mu += ( _K ) * pom ;
240
241        /*      _K = (_P->to_mat())*C.transpose() * ( _iRy->to_mat() );
242                *_mu = pfxu->eval ( *_mu ,u ) + ( _K )* ( y-*_yp );*/
243
244//              cout << "P:" <<_P.to_mat() <<endl;
245//              cout << "Ry:" <<_Ry.to_mat() <<endl;
246//      cout << "_mu:" <<_mu <<endl;
247//      cout << "dt:" <<dt <<endl;
248
249        if ( evalll == true ) { //likelihood of observation y
250                ll = fy.evallog ( y );
251        }
252}
253
254void EKFCh::from_setting ( const Setting &set ) {
255        shared_ptr<diffbifn> IM = UI::build<diffbifn> ( set, "IM", UI::compulsory );
256        shared_ptr<diffbifn> OM = UI::build<diffbifn> ( set, "OM", UI::compulsory );
257
258        //statistics
259        int dim = IM->dimension();
260        vec mu0;
261        if ( !UI::get ( mu0, set, "mu0" ) )
262                mu0 = zeros ( dim );
263
264        mat P0;
265        vec dP0;
266        if ( UI::get ( dP0, set, "dP0" ) )
267                P0 = diag ( dP0 );
268        else if ( !UI::get ( P0, set, "P0" ) )
269                P0 = eye ( dim );
270
271        set_statistics ( mu0, P0 );
272
273        //parameters
274        vec dQ, dR;
275        UI::get ( dQ, set, "dQ", UI::compulsory );
276        UI::get ( dR, set, "dR", UI::compulsory );
277        set_parameters ( IM, OM, diag ( dQ ), diag ( dR ) );
278
279        //connect
280        shared_ptr<RV> drv = UI::build<RV> ( set, "drv", UI::compulsory );
281        set_drv ( *drv );
282        shared_ptr<RV> rv = UI::build<RV> ( set, "rv", UI::compulsory );
283        set_rv ( *rv );
284
285        string options;
286        if ( UI::get ( options, set, "options" ) )
287                set_options ( options );
288}
289
290void MultiModel::from_setting ( const Setting &set ) {
291        Array<EKFCh*> A;
292        UI::get ( A, set, "models", UI::compulsory );
293
294        set_parameters ( A );
295        set_drv ( A ( 0 )->_drv() );
296        //set_rv(A(0)->_rv());
297
298        string options;
299        if ( set.lookupValue ( "options", options ) )
300                set_options ( options );
301}
302
303}
Note: See TracBrowser for help on using the browser.