SLAM14讲学习记录-状态估计问题

2024-02-18 21:30

本文主要是介绍SLAM14讲学习记录-状态估计问题,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

经典SLAM模型

x_{k}=f(x_{k-1},u_{k})+w_{k}

z_{k,j}=h(y_{j},x_{k})+v_{k,j}

通常假设两个噪声项w_{k}v_{k,j}满足高斯分布

w_{k}\sim N(0,R_{k}), v_{k,j}\sim N(0,Q_{k,j})

我们希望通过带噪声的数据z和u推断位资x和地图y(以及它们的概率分布),这构成了一个状态估计问题

状态估计问题大致分为两类:

  1. 增量方法,或称滤波器:尽关心当前时刻的状态估计x_{k},对之前的状态则不多考虑,具有马尔可夫性,即下个状态只和上个状态有关。
  2. 批量方法:我们可以把0到k时刻所有的输入和观测数据都放在一起,可以在更大范围达到最优化。

批量方法:

定义机器人位姿和路标点坐标为:

x=\left \{ x_{1},...,x_{N} \right \}y=\left \{ y_{1},...,y_{M} \right \}

用不带下标的u表示所有时刻的输入,z表示所有时刻的观测数据,已知输入数据u和观测数据z,求状态x,y的条件概率分布:

P\left ( x,y|z,u \right )

特别的,当不知道输入,只知道观测数据时,相当与估计P\left ( x,y|z \right ),此问题也成为SfM,即如何从许多图像中重建出三维结构。

利用贝叶斯法则,有:

P\left ( x,y|z,u \right )=\frac{P\left (z,u|x,y \right )P(x,y)}{P(z,u)}\propto P(z,u|x,y)P(x,y)

贝叶斯法则左侧称为后验概率,右侧P(z,u|x,y)成为似然,P(x,y)成为先验。

直接求后验分布是困难的,但求一个状态的最优估计,使得在该状态下后验概率最大化是可行的:

(x,y)_{MAP}^{*}=arg maxP(x,y|z,u)=arg maxP(z,u|x,y)P(x,y)

当没有先验时,可以求解最大似然估计

(x,y)_{MLE}^{*}=arg maxP(z,u|x,y)

似然:在现在的状态(位姿)下,可以产生怎样的观测数据。由于我们知道观测数据,则可以理解为:在什么样的状态(位姿)下,最可能产生现在观测到的数据。

最小二乘的引出:假设噪声项服从高斯分布w_{k}\sim N(0,R_{k})v_{k,j}\sim N(0,Q_{k,j}),则观测与输入数据的条件概率为:

P(z_{k,j}|x_{k},y_{j})=N(h(y_{j},x_{k}),Q_{k,j})

P(u_{k},x_{k-1},x_{k})=N(f(x_{k-1},x_{k}),R_{k})

假设各个时刻的输入与观测互相独立,则:

P(z,u|,x,y)=\prod_{k}P(u_{k}|x_{k-1},x_{k})\prod_{k}\prod_{j}P(z_{k,j}|x_{k},y_{j})

任意高维高斯分布x\sim N(u,\Sigma ),取其概率密度函数展开形式的负对数:

-ln(P(x))=\frac{1}{2}ln((2\pi ^{N})det(\Sigma ))+\frac{1}{2}(x-u)^{T}\Sigma ^{-1}(x-u)

因对数函数是单调增的,所以对原函数取最大值相当与对负对数取最小值,上式第一项与x无关,可以省略。因此,只要最小化右侧的二次型项,就得到了状态的最大似然估计。

二次型成为马哈拉诺比斯距离(马氏距离),高斯分布协方差矩阵之逆称为信息矩阵

带入SLAM模型:

令:

e_{u,k}=x_{k}-f(x_{k-1},u_{k})e_{z,j,k}=z_{k,j}-h(x_{k},y_{k})

得:

minJ(x,y)=\sum_{k}e_{u,k}^{T}R_{k}^{-1}e_{u,k}+\sum_{k}\sum_{j}e_{z,k,j}^{T}Q_{k,j}^{-1}e_{z,k,j}

 这样就得到了一个最小二乘问题,它的解等价于状态的最大似然估计。

 

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http://www.chinasem.cn/article/722509

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