状态观测器（龙伯格观测器）

状态观测器是一段软件，当你无法直接测量一台机器的全部内部情况时，它能把那些看不见的内部状态推算出来。许多控制器都需要知道机器人完整的内部状态——每个关节的角度，以及每个关节转动的快慢——但传感器往往昂贵、笨重又带噪声，所以你常常只能测到其中一部分，比如只测得到角度，却测不到速度。观测器负责把剩下的补齐。它在计算机里运行一份机器人数学模型的小副本，盯着你手头那几个真实的测量值，不断修正它对其余一切的猜测，直到这台“想象出来的机器人”动得和真机器人一模一样。

它的核心藏着一个巧妙的窍门：观测器的内部模型会预测传感器“应该”读出什么数；接着它把这个预测和传感器“实际”读出的数作比较，两者之间的差距——也就是预测误差——再被反馈回来，把猜测往正确的方向轻轻一推。如果模型以为手臂应该在某个位置，而真实传感器说它稍稍越过了那里，观测器就会同时修正它对位置和那个测不到的速度的估计。龙伯格观测器以大卫·龙伯格命名，他在 20 世纪 60 年代提出了它，这是用来选取观测器增益——也就是“这个修正该使多大劲”——的经典做法，目的是让估计的误差既能快速收敛到零，又不会冲过头。

这对机器人为什么重要呢？因为良好的控制通常取决于知道每个关节的速度，可是把速度测准却很难——直接读出的速度往往抖动得很厉害。与其给每个关节都买一个速度传感器，不如只测位置，再让观测器把速度平滑地估算出来。同样的思路还能让机器人在某个传感器失灵时继续工作，让无人机凭有限的读数感知自己的倾斜，并让控制器即使无法看到全部，也能像看得见一切那样去动作。