SLAM基础推导:如何构建最小二乘优化问题

从LG系统开始


从LG系统,也即线性(Linear)高斯(Gaussian)系统状态估计开始,我们有两个不同的途径:

1、贝叶斯推断:我们从状态的先验概率密度函数开始,通过观测值、输入、运动方程、初始状态来计算后验概率密度函数

2、Map(最大后验估计):用优化理论,在寻找最大后验估计

这两者在原理上是截然不同的,但是对于LG系统,最终会给出相同的结论,因为LG系统中,贝叶斯后验概率正好是一个高斯分布。我们用优化方法寻找的高斯分布的最大值(也叫模),也正是其均值。但是要注意到,当我们步入非线性非高斯领域后,一个分布的模和均值不再相等,从而两种方法会给出不同的答案




首先,我们有联合概率P(X,Z) = P(Z|X)P(X)

但我们想求的不是这个联合概率

而是P(X|Z),也就是在当前观测Z下的最优的状态X 这个叫后验概率 但不太好求

所以将其分解得到 


也就是将后验转化为求似然乘先验:


这个叫MAP 就是最大后验估计,但是似乎我们在非线性优化理论里,都认为我们没有先验,也即不知道机器人大概在什么位置,这时我们就做的是最大似然估计

所以我们定义的因子其实是正比与似然,而不是正比于似然和先验的乘积:

那么 我们现在定义因子


注意因子和概率之间的关系

所以因子为:


这里是最关键的一步,我们是怎么引入损失函数的呢

注意到,我们如此定义因子时,当fx也即残差为0的时候,因子为1,也即概率为1

从而我们将概率的问题,转化成用最小二乘来计算的问题



滤波、非线性优化(最小二乘)、因子图和后验概率、最大似然等

基础对比:

滤波考虑马尔科夫性,是实时的

位姿图需要考虑回环检测,最终矩阵可能不是稀疏矩阵。但好在不需要实时运行,cpu有空闲就算一些,有空闲就算一些,所以矩阵不稀疏也不是什么大问题。

BA优化,路标点数量远大于位姿数量,是一个箭头型矩阵,可以用舒尔补的方法转换成三角阵快速求解。在前端中,需要实时求解。

因子图优化,可以在问题的拓扑结构上进行一些顶层抽象和简化,而不是直接硬解,相当于多了一步简化过程。如果只有路标和位姿之间的因子,和BA优化完全一样。不过因子图是个大筐,什么约束都能加,IMU,轮速计,GPS。边缘化掉节点之后还能保留稍微复杂一些的分布,信息损失较少。还有isam,可以在顶层结构上分析出新的测量值进来之后哪些节点需要优化,节省资源。

但不管是位姿图还是BA还是因子图,都是非线性优化,在当前估计点处求导展开用GN或者LM求解


滤波方法:

要么有运动方程(比如有测量运动的装置),这时肯定求的是后验概率,也就是用运动方程计算先验,然后先验加上测量值更新为后验

要么没有运动方程,这时要么假设不动,要么假设匀速,实际上也就有了运动方程,和之前一样


最小二乘方法:

BA:我们意识到,BA实际是只有观测方程,也即没有运动方程的SLAM问题,这时我们定义损失为zij-h(x,p),没有运动方程的项,我们可以认为这时实际上是最大似然估计

但在更一般的slam问题上,我们发现,最小二乘的引出一开始是对观测方程引出的,而且也对应着求最大似然估计,也即:


我们可以看到,一开始都是针对观测方程去推理的,最后得到6.10,也是一个很自然的对状态的最大似然估计

但到了6.11和6.12 我们不仅仅定义了来自测量方程的误差,还定义了来自运动方程的误差,并且都加入整体目标函数之中,这里有了运动方程了,所以,这里肯定是对状态的最大后验估计,我们为什么这么肯定,是因为:

来自,机器人学中的状态估计:

可以看到,这里是求的是最大后验估计MAP。也即argmax(P(y|x)P(x|v))

注意,这里用y来表示观测,用v来表示控制也即我们常用的u


注意这里最后定义的损失,和我们刚才十四讲里的那个损失其实是相同的

所以我们可以很自信的认为:十四讲里一开始是用观测方程去推理的,最后得到6.10,如果我们的损失函数里只有这一部分,那显然是一个MIE估计

但到了6.11和6.12 十四讲还定义了来自运动方程的误差,并且都加入整体目标函数之中,这里有了运动方程,所以最终定义的一定是一个MAP估计。

实际上我们认为,十四讲在这里其实有一些指代不明,我们继续看机器人中的状态估计就有:

在机器人的状态估计中,把控制u和测量y放在一起,才组成z,可以认为z是提升形式的观测

从而就有3.14的损失函数形式,这个损失函数形式和14讲里的6.10的形式是一样的,但意义完全不同,这里3.14是一个MAP而6.10是MLE。

我们更推荐机器人的状态估计里的这种命名方式



我们回过头看VINS的目标函数:


这里的误差有,来自imu的观测z和状态x的误差,来自视觉的观测zl和状态x的误差,以及rp-HP代表的边缘化约束

那VINS是属于一个怎样的估计呢,我们可以武断的认为,MAP和MIE估计的区别在于是否有运动方程,或者是否有测量运动的传感器,这里我们注意到,imu的残差实际上是在两帧之间的,所以我们可以认为VINS是一个MAP

同理,在我们的手写BA里,我们的误差是在测量的图像点和状态之间的,所以我们认为手写BA是一个MLE

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