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Factor Graphs for Robot Perception.pdf
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更新于2023-03-03
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Foundations and Trends
®
in Robotics
Vol. 6, No. 1-2 (2017) 1–139
© 2017 F. Dellaert and M. Kaess
DOI: 10.1561/2300000043
Factor Graphs for Robot Perception
Frank Dellaert
Georgia Institute of Technology
dellaert@cc.gatech.edu
Michael Kaess
Carnegie Mellon University
kaess@cmu.edu
Contents
1 Introduction 2
1.1 Inference Problems in Robotics . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Probabilistic Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Bayesian Networks for Generative Modeling . . . . . . . . 5
1.4 Specifying Probability Densities . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Simulating from a Bayes Net Model . . . . . . . . . . . . 8
1.6 Maximum a Posteriori Inference . . . . . . . . . . . . . . 9
1.7 Factor Graphs for Inference . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.8 Computations Supported by Factor Graphs . . . . . . . . . 13
1.9 Roadmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.10 Bibliographic Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Smoothing and Mapping 17
2.1 Factor Graphs in SLAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 MAP Inference for Nonlinear Factor Graphs . . . . . . . . 19
2.3 Linearization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Direct Methods for Least-Squares . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Nonlinear Optimization for MAP Inference . . . . . . . . . 24
2.5.1 Steepest Descent . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 Gauss-Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.3 Levenberg-Marquardt . . . . . . . . . . . . . . . . 25
ii
iii
2.5.4 Dogleg Minimization . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6 Bibliographic Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3 Exploiting Sparsity 30
3.1 On Sparsity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.1 Motivating Example . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.2 The Sparse Jacobian and its Factor Graph . . . . . 31
3.1.3 The Sparse Information Matrix and its Graph . . . 32
3.2 The Elimination Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Sparse Matrix Factorization as Variable Elimination . . . . 37
3.3.1 Sparse Gaussian Factors . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.2 Forming the Product Factor . . . . . . . . . . . . 38
3.3.3 Eliminating a Variable using Partial QR . . . . . . 39
3.3.4 Multifrontal QR Factorization . . . . . . . . . . . . 39
3.4 The Sparse Cholesky Factor as a Bayes Net . . . . . . . . 42
3.4.1 Linear-Gaussian Conditionals . . . . . . . . . . . . 42
3.4.2 Solving a Bayes Net is Back-substitution . . . . . . 43
3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6 Bibliographic Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Elimination Ordering 47
4.1 Complexity of Elimination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Variable Ordering Matters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 The Concept of Fill-in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 Ordering Heuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4.1 Minimum Degree Orderings . . . . . . . . . . . . . 52
4.4.2 Nested Dissection Orderings . . . . . . . . . . . . 53
4.5 Ordering Heuristics in Robotics . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.6 Nested Dissection and SLAM . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.7 Bibliographic Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5 Incremental Smoothing and Mapping 62
5.1 Incremental Inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2 Updating a Matrix Factorization . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3 Kalman Filtering and Smoothing . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3.1 Marginalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
iv
5.3.2 Fixed-lag Smoothing and Filtering . . . . . . . . . 69
5.4 Nonlinear Filtering and Smoothing . . . . . . . . . . . . . 71
5.4.1 The Bayes Tree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4.2 Updating the Bayes Tree . . . . . . . . . . . . . . 74
5.4.3 Incremental Smo othing and Mapping . . . . . . . . 76
5.5 Bibliographic Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6 Optimization on Manifolds 82
6.1 Attitude and Heading Estimation . . . . . . . . . . . . . . 82
6.1.1 Incremental Rotations . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.1.2 The Exp onential Map . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.1.3 Local Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.1.4 Incorporating Heading Information . . . . . . . . . 86
6.1.5 Planar Rotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 PoseSLAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2.1 Representing Poses . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.2 Local Pose Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.3 Optimizing over Poses . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.2.4 PoseSLAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.3 Optimization over Lie Groups and Arbitrary Manifolds . . . 92
6.3.1 Matrix Lie Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3.2 General Manifolds and Retractions . . . . . . . . . 93
6.3.3 Retractions and Lie Groups . . . . . . . . . . . . . 95
6.4 Bibliographic Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7 Applications 96
7.1 Inertial Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.2 Dense 3D Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.3 Field Robotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.4 Robust Estimation and Non-Gaussian Inference . . . . . . 104
7.5 Long-term Operation and Sparsification . . . . . . . . . . 106
7.6 Large-scale and Distributed SLAM . . . . . . . . . . . . . 108
7.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Bibliography 114
v
Appendices 131
A Multifrontal Cholesky Factorization 132
B Lie Groups and other Manifolds 134
B.1 2D Rotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
B.2 2D Rigid Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
B.3 3D Rotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
B.4 3D Rigid Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
B.5 Directions in 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
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