root/library/bdm/estim/kalman.cpp @ 653

Revision 653, 7.3 kB (checked in by smidl, 15 years ago)

corrections in Kalman and particles

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