Optimal Estimation of Dynamic Systems, Second Edition

Optimal Estimation of Dynamic Systems, Second Edition pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Chapman and Hall/CRC
作者:John L. Crassidis
出品人:
页数:704
译者:
出版时间:2011-8-15
价格:USD 129.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9781439839850
丛书系列:
图书标签:
  • Theory
  • Signals&Systems
  • DSP
  • Control.Theory
  • AutomaticControl
  • Academic
  • Optimal Estimation
  • Dynamic Systems
  • Kalman Filtering
  • State Estimation
  • Control Theory
  • System Identification
  • Signal Processing
  • Probability
  • Stochastic Processes
  • Engineering
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具体描述

动态系统最优估计:理论、方法与前沿进展 图书简介 本书深入探讨了动态系统状态估计这一核心问题,聚焦于在存在不确定性和噪声的复杂环境中,如何精确、实时地推断系统的真实状态。本书的结构旨在为读者提供一个从经典理论到现代算法的全面、严谨且实用的知识体系。它不仅面向控制理论、信号处理和系统工程领域的研究人员和高级学生,也适合需要将先进估计技术应用于实际工业场景的工程师。 本书的叙述逻辑清晰,由浅入深,首先奠定了随机过程和系统建模的基础,随后逐步引入最优估计的经典理论框架,最终覆盖当前最前沿的非线性、非高斯估计方法。 第一部分:基础回顾与系统建模 本部分为后续高级主题打下坚实的数学和理论基础。 第1章:随机过程与概率统计基础 本章详细回顾了读者在处理随机系统时必需的概率论和随机过程知识。重点内容包括:随机变量的联合分布、条件期望、高斯过程的性质、鞅的收敛性、以及随机微分方程(SDEs)的初步介绍。特别强调了在状态估计中至关重要的最小均方误差(MMSE)准则的理论推导及其在实际应用中的意义。 第2章:线性动态系统的描述与建模 线性系统是现代估计理论的基石。本章详细阐述了离散时间(DT)和连续时间(CT)线性系统状态空间模型的建立。内容涵盖了系统状态变量的定义、输入输出关系、以及系统矩阵(状态转移矩阵、观测矩阵等)的构建。重点讨论了系统噪声(过程噪声)和测量噪声(观测噪声)的特性建模,通常假定为零均值、白色的高斯噪声,并精确界定这些假设对后续估计算法有效性的影响。 第二部分:经典最优估计理论 本部分集中探讨在系统模型为线性、噪声为高斯假设下的最优估计方法,这是所有现代估计技术的发展源泉。 第3章:卡尔曼滤波(Kalman Filter, KF)的推导与性质 本章是全书的核心之一。详细推导了线性高斯系统下的最优线性无偏估计器——卡尔曼滤波器。推导过程将清晰地展示预测步(Time Update)和校正步(Measurement Update)的数学逻辑,强调了协方差矩阵在量化不确定性中的关键作用。此外,本章还将讨论卡尔曼滤波器的稳定性和收敛性,并初步探讨了其在固定维数下的计算复杂度问题。 第4章:卡尔曼滤波器的扩展与应用 实际系统中,模型往往并非完全线性。本章探讨了如何将卡尔曼滤波的思想扩展到近似线性系统。 扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter, EKF): 详细介绍如何利用一阶泰勒级数对非线性函数进行线性化处理,从而得到EKF。讨论了EKF的线性化点选择、雅可比矩阵的计算,以及由此带来的局部稳定性和收敛性问题。 迭代卡尔曼滤波器(Iterated Kalman Filter, IKF): 引入迭代修正的概念以提高估计精度。 实际应用案例: 结合导航、定位、机器人学中的典型非线性模型(如扩展卡尔曼滤波器在姿态估计中的应用)。 第5章:信息滤波与离散时间系统 本章侧重于从信息论的角度重新审视卡尔曼滤波,并深入分析离散时间系统的特点。 信息形式的卡尔曼滤波: 引入信息矩阵(协方差矩阵的逆)来替代协方差矩阵进行状态更新,特别适用于多传感器融合和分布式估计的场景。 平滑器(Smoother): 讨论了后验估计(即利用所有可用的观测数据)的方法,包括Rauch-Tung-Striebel (RTS) 平滑器。平滑器如何提供比实时滤波更精确的状态估计,是深入分析历史数据的关键工具。 第三部分:非线性与非高斯估计的现代方法 面对更复杂的现实世界问题,本部分聚焦于超越线性高斯假设的先进估计技术。 第6章:无迹变换与无迹卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter, UKF) 为了克服EKF中线性化带来的误差,本章引入了确定性采样方法。 Sigma点选择: 详细阐述如何通过一组精心选择的Sigma点来精确捕捉原分布的均值和协方差,而无需显式计算雅可比矩阵。 UKF的运行机制: 展示UKF如何利用这些Sigma点通过非线性函数传播,然后重构新的均值和协方差。强调UKF在处理强非线性问题时,通常比EKF具有更高的精度和鲁棒性。 第7章:粒子滤波(Particle Filter, PF)与蒙特卡洛方法 当噪声分布为高度非高斯或系统模型为强非线性时,粒子滤波成为首选的MMSE估计工具。 序列重要性采样(Sequential Importance Resampling, SIR): 详细介绍PF的核心思想——利用一组加权粒子来近似后验概率密度函数(PDF)。重点讲解采样策略(Importance Sampling Distribution)、权重的更新与归一化,以及重采样(Resampling)过程在克服粒子退化问题中的作用。 PF的局限性: 讨论粒子贫化问题、“维度灾难”以及计算资源需求高的缺点。 第8章:高级蒙特卡洛方法与改进的粒子滤波 本章深入探讨了提升粒子滤波性能的先进技术。 辅助粒子滤波(Auxiliary Particle Filter, APF)与退火粒子滤波(Annealed Particle Filter): 介绍如何通过优化采样分布来减少方差。 多速率与分布式粒子滤波: 探讨处理高频测量和多源数据融合的策略。 组合方法: 初步介绍将局部线性化方法(如EKF)与全局随机方法(如PF)结合的混合估计框架。 第四部分:鲁棒性、计算与实际考量 本部分将理论与工程实践相结合,讨论了提高估计器性能和实用性的关键因素。 第9章:鲁棒估计与异常值抑制 在实际应用中,传感器故障或环境突变可能导致观测值中出现严重的异常值(Outliers),这会使标准卡尔曼滤波器的性能急剧下降。 M估计与Huber函数: 介绍如何通过修改代价函数来降低异常值的影响。 基于容积的鲁棒滤波器: 探讨如何设计对过程噪声和测量噪声的非高斯特性更具抵抗力的估计框架。 第10章:传感器融合与分布式估计 现代复杂系统(如自动驾驶、无人机集群)依赖于多个异构传感器的信息。本章专注于如何有效地整合这些信息。 集中式与分布式架构: 对比集中式数据处理和分散式局部估计后信息共享的优缺点。 一致性滤波(Consensus Filtering): 介绍通过局部通信和迭代平均来达到全局最优估计的网络化方法。 第11章:计算效率与实时实现 最优估计算法的实用性往往取决于其实时计算能力。 算法的计算复杂度分析: 对比KF, EKF, UKF, PF在不同维度和采样率下的运算量。 固定点运算与硬件加速: 讨论在嵌入式系统和FPGA上实现高效估计器的优化技巧。 本书的最终目标是使读者不仅能熟练运用卡尔曼滤波器及其变体,更能深刻理解不同估计方法背后的统计学原理,从而能够根据具体的系统特性和性能要求,设计出最优的、具有工程可行性的动态系统状态估计解决方案。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的深度和前沿性令我印象深刻。它不仅仅是对传统最优估计方法的简单回顾,更是对最新研究成果的整合和提炼。我尤其赞赏作者在引入一些复杂概念时,所展现出的循序渐进的讲解方式。例如,在讲解粒子滤波时,作者并没有直接跳到复杂的公式,而是先从一个直观的“蒙特卡洛方法”的思想出发,解释了如何通过大量随机样本来表示概率分布,然后再逐步引出粒子滤波的算法细节。这种方式让我能够更容易地理解其背后的思想和原理。我特别关注了书中关于“模型辨识”和“系统辨识”的部分,因为在许多实际应用中,我们对系统的模型并不完全了解,或者模型参数会随时间变化。书中提供了多种从观测数据中估计系统模型参数的方法,并且详细阐述了它们的数学原理和算法流程。这对于构建更准确的系统模型,进而提升状态估计的性能至关重要。另外,书中关于“鲁棒估计”和“自适应估计”的讨论也让我受益匪浅。作者清晰地指出了在模型不确定性或时变噪声环境下,传统卡尔曼滤波的局限性,并提供了多种更先进的解决方案,例如基于M估计或H无限理论的鲁棒估计方法,以及能够根据噪声特性自适应调整的滤波算法。这些内容对于提升估计的可靠性和鲁棒性具有重要的指导意义。这本书的出版,无疑为动态系统最优估计领域的研究和应用提供了宝贵的参考。

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作为一名多年从事信号处理领域的工程师,我深知状态估计在现代工程系统中的关键作用。当我接触到《Optimal Estimation of Dynamic Systems, Second Edition》这本书时,我被它深厚的理论功底和广泛的应用覆盖所深深吸引。书中对于不同状态估计方法,从经典的最小二乘法到先进的粒子滤波,都进行了系统而详尽的阐述。我尤其欣赏作者在处理非线性系统时的细致分析,他不仅介绍了扩展卡尔曼滤波(EKF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)等近似方法,还对它们的局限性进行了深入的讨论,并提出了基于蒙特卡洛方法的粒子滤波作为更通用的解决方案。这对于理解和解决实际中的非线性系统问题至关重要。书中关于系统辨识的章节也极具价值,它提供了从观测数据中估计系统模型参数的方法,这对于构建准确的预测模型和提升估计的性能至关重要。我特别关注了书中关于鲁棒估计的内容,这对于处理模型不确定性和异常值非常有帮助。在实际工程应用中,我们经常会遇到传感器失效或模型参数漂移的情况,而书中提供的鲁棒估计方法,如M估计和H无限估计,为我们应对这些挑战提供了强有力的工具。总的来说,这本书不仅是一本技术手册,更是一本能够启发思维、提升工程实践能力的宝贵资源。它的内容更新和完善,使得它能够紧跟技术发展的步伐,为读者提供最前沿的知识和技术。

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这本书给我的最大感受是它的“系统性”和“全面性”。它不仅仅是关于“如何做”最优估计,更是关于“为什么”以及“在什么条件下”做最优估计。作者从基础概念讲起,逐步深入到各种复杂的算法和应用。我特别欣赏他对卡尔曼滤波家族的详尽梳理,从线性高斯到非线性系统,再到各种改进型算法,如UKF、粒子滤波等,都进行了清晰的阐述。这让我能够从宏观上理解整个卡尔曼滤波的发展脉络和各自的优势。我一直对模型不确定性和鲁棒估计这个话题非常感兴趣,因为在实际工程中,我们很少能得到完美的模型。这本书在这方面的内容非常扎实,它不仅介绍了多种应对模型不确定性的方法,还详细分析了它们的工作原理和适用场景。例如,在处理模型偏差时,书中介绍的M估计和H无限估计,为我提供了具体的解决方案。我必须强调,这本书的作者显然是一位经验丰富的实践者,他在书中穿插了大量的工程案例和实际应用场景,这让我在学习理论知识的同时,也能感受到这些知识在现实世界中的巨大价值。例如,他通过自动驾驶汽车的传感器融合、导航系统中的目标跟踪等例子,生动地展示了最优估计技术的强大威力。这本书的阅读体验是极佳的,它让我对动态系统最优估计这一领域有了全面而深刻的认识,并且激发了我进一步探索的兴趣。

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这本书的深度和广度都让我感到惊叹。它不仅涵盖了动态系统估计的核心理论,如最小二乘法、最大似然估计、贝叶斯估计等,还对卡尔曼滤波及其各种变种进行了详尽的阐述。我尤其欣赏作者在卡尔曼滤波部分的处理方式,他从线性高斯系统出发,逐步推广到非线性系统,并且清晰地解释了EKF、UKF以及粒子滤波等方法的思想和数学推导。这使得我能够清晰地理解它们之间的联系和区别,以及各自的适用场景。令人印象深刻的是,作者还深入探讨了鲁棒估计和自适应估计等更高级的主题。在实际工程中,系统模型常常不准确,或者噪声统计特性随时间变化,这使得传统的估计方法难以奏效。这本书提供了处理这些问题的有效工具和方法,比如使用M估计或H无限估计来应对模型不确定性,以及利用自适应滤波算法来处理时变噪声。这些内容对于提升估计的可靠性和实用性至关重要。另外,书中关于模型选择和系统辨识的章节也提供了非常有价值的指导。在很多情况下,我们对系统的动力学模型并没有完全的了解,或者模型的参数会发生漂移。作者介绍的多种模型辨识技术,如系统辨识、参数估计等,能够帮助我们构建更准确的模型,从而获得更精确的估计结果。这本书的阅读体验非常好,作者的讲解清晰易懂,辅以大量的图示和例证,即使是复杂的技术概念,也能被化繁为简。

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这本书的封皮设计就散发着一种沉稳而专业的学术气息,黑色的底色搭配银色的书名,在书架上格外引人注目。拿到手中,它的分量感恰到好处,厚实却不显得笨重,传递出内容扎实的信号。翻开扉页,精美的排版和清晰的字体立刻给人留下好印象,预示着这是一本经过精心打磨的著作。我迫不及待地想深入其中,探索动态系统最优估计的奥秘。我对这本书的期望很高,希望能从中汲取宝贵的知识,提升自己在这一领域的理解深度。我尤其关注书中关于卡尔曼滤波及其变种的阐述,这部分内容往往是理解动态系统估计的关键。我希望作者能够用清晰易懂的语言,辅以恰当的例子,帮助我理清这些复杂的概念,掌握其推导过程和实际应用。此外,书中关于模型不确定性、非线性系统以及鲁棒估计的讨论,也是我非常感兴趣的部分。在实际工程应用中,我们遇到的系统往往不是完美的,模型中常常存在各种不确定性,如何在这种情况下依然能得到可靠的估计,是至关重要的问题。我希望这本书能够提供有效的解决方案和指导。它的第二版,意味着它在第一版的基础上进行了更新和完善,这让我对其中新加入的内容充满了期待。我希望能够看到最新的研究成果和技术进展被融入其中,使之更具时效性和前沿性。总而言之,这本书给我一种“值得信赖”的感觉,我期待它能够成为我学习和研究动态系统估计的强大助力,帮助我攻克技术难题,推动项目进展。

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坦白说,我刚拿到这本书的时候,并没有抱太高的期望,毕竟“最优估计”这个主题听起来就相当理论化,甚至有些枯燥。然而,当我真正开始阅读时,这种先入为主的观念被彻底颠覆了。作者在开篇就以一种非常引人入胜的方式,将抽象的数学概念与实际工程问题紧密联系起来。例如,书中对自动驾驶汽车传感器数据融合的案例分析,生动地展示了最优估计在现实世界中的重要作用。我立刻被这种“学以致用”的感觉所吸引。随着阅读的深入,我发现作者的叙述方式非常独特,他善于用形象的比喻和直观的图示来解释复杂的数学推导,这极大地降低了理解门槛。我以前对某些滤波算法的理解一直停留在“黑箱”层面,而这本书则帮助我一步步揭开了它们的神秘面纱,让我真正理解了它们背后的原理。我尤其欣赏书中对不同估计方法优缺点的对比分析,这使得我在面对具体问题时,能够更有针对性地选择合适的工具。例如,关于扩展卡尔曼滤波(EKF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)的比较,作者不仅解释了它们的数学原理,还分析了它们在不同场景下的性能表现,这对于指导我在实际项目中进行模型选择至关重要。我必须说,这本书的价值远超我的想象,它不仅是一本技术手册,更像是一位经验丰富的导师,循循善诱地引导我深入探索动态系统的奥秘。

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这本书的内容编排逻辑严谨,从基础概念的铺垫,到复杂算法的讲解,再到实际应用的探讨,层层递进,毫不突兀。我特别喜欢作者在引入新概念时,都会先从一个引人入胜的问题场景入手,然后逐步引出相关的数学模型和估计方法。这种“问题驱动”的学习方式,让我在阅读过程中始终保持高度的专注和兴趣。比如,在讲解粒子滤波时,作者并没有直接给出复杂的公式,而是先描述了在强噪声或非高斯噪声环境下,传统卡尔曼滤波失效的场景,然后引出粒子滤波如何通过随机抽样来近似后验概率密度函数。这种方式让我在理解粒子滤波的必要性和原理时,感到非常自然和深刻。此外,书中对模型辨识的章节也给我留下了深刻的印象。在许多实际应用中,我们对系统的模型并不完全了解,或者模型参数会随时间变化。如何在这种情况下进行有效的状态估计,是许多研究者和工程师面临的挑战。这本书提供了多种模型辨识的方法,并详细解释了它们的工作原理和适用范围,这对于提升估计的准确性和鲁棒性具有重要的指导意义。我必须强调,这本书不仅仅是理论知识的堆砌,它还包含了大量的工程实践经验和智慧。作者在书中分享了许多在实际项目中遇到的问题和解决方案,这对于我们这些在工程一线奋斗的人来说,无疑是宝贵的财富。

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从这本书的阅读体验来看,它绝不仅仅是一本教材,更像是一本能够激发思考的“思想集”。我之所以这么说,是因为作者在阐述理论知识的同时,总是在引导读者思考“为什么”和“如何”。例如,在介绍最小二乘法时,作者并没有仅仅给出公式,而是从“最小化误差平方和”这一直观的物理意义出发,解释了其背后的原理和优势。同样,在讨论卡尔曼滤波的预测和更新步骤时,作者会强调它们分别对应着“利用模型预测未来状态”和“利用测量值修正预测”这两个核心思想。这种深入浅出的讲解方式,让我不仅学会了“怎么做”,更理解了“为什么这么做”。我非常欣赏书中对不同估计方法在处理不同类型噪声时的表现的分析。作者会清晰地说明,在什么情况下,高斯噪声假设下的卡尔曼滤波能够取得最优结果,而在什么情况下,需要考虑非高斯噪声,并采用粒子滤波等更通用的方法。这种对方法论的深刻理解,远比单纯记住公式来得重要。此外,书中关于信息论在估计理论中的应用也让我耳目一新。作者介绍了香农信息量、互信息等概念,并解释了它们如何用于衡量信息量和系统的不确定性,这为理解估计的极限和信息增益提供了全新的视角。这本书给我最大的启发是,最优估计不仅仅是数学上的技巧,更是一种科学的思维方式,它要求我们严谨地分析问题,合理地建模,并有效地利用信息来做出最佳的决策。

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从这本书的字里行间,我感受到了作者对动态系统估计领域深厚的造诣和严谨的治学态度。它不仅仅是一本知识的罗列,更像是一位经验丰富的导师,在用心地引导读者一步步走向理解的深处。我特别喜欢书中对不同估计方法之间的比较分析,作者会清晰地阐述每种方法的数学基础、适用条件以及优缺点。这使得我在面对具体问题时,能够更有针对性地选择最合适的工具。例如,在讨论高斯噪声假设下的卡尔曼滤波时,作者会强调其在均方误差意义下的最优性,并指出其在非高斯噪声下的局限性。然后,他会引入粒子滤波等更通用的方法,并解释它们如何通过蒙特卡洛采样来近似后验概率密度。这种清晰的对比,让我对各种方法的适用范围有了更深刻的理解。我印象深刻的是,书中关于“模型不确定性”和“鲁棒估计”的章节。在实际工程应用中,我们很难获得完全精确的模型,模型参数也可能随时间变化。这本书提供了一系列处理这些问题的有效方法,如M估计、H无限估计等,并详细解释了它们的原理和实现。这对于提升估计的可靠性和实用性至关重要。此外,书中还涉及了信息论在估计理论中的应用,这为理解信息增益和估计的极限提供了一个全新的视角。总而言之,这本书的内容深入浅出,逻辑严谨,既有扎实的理论基础,又有丰富的工程实践指导,是一本不可多得的学术佳作。

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我一直对动态系统的行为建模和预测充满好奇,而这本书恰好满足了我对这一领域深入探索的渴望。它以一种非常有条理的方式,将复杂的数学理论和工程实践有机地结合起来。我不得不说,作者在解释卡尔曼滤波的推导过程时,真是做到了极致的清晰。他从最小均方误差估计出发,一步步推导出卡尔曼滤波的递推公式,并且在每一步都给出了非常直观的解释。我以前在其他地方学习卡尔曼滤波时,常常会觉得公式推导过程晦涩难懂,但在这本书里,我感觉自己完全能够理解每一步的逻辑。我尤其喜欢书中关于“模型不确定性”的处理方法。在很多实际系统中,我们对模型的精确性无法保证,甚至模型本身会随时间变化。这本书提供了多种应对这种情况的策略,比如鲁棒估计和自适应滤波。这让我意识到,实际应用中的状态估计远比理论模型复杂,需要考虑更多的现实因素。另外,书中关于“信息融合”的章节也给我留下了深刻的印象。在多传感器系统中,如何有效地融合来自不同传感器的数据,以获得更精确和可靠的状态估计,是工程上一个重要的问题。这本书提供了多种信息融合的框架和方法,让我受益匪浅。总的来说,这本书不仅是一本技术书籍,更是一本能够培养我解决实际工程问题的能力和思维方式的“启蒙书”。

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