机器人学状态估计详解:线性与非线性系统方法

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《STATE ESTIMATION FOR ROBOTICS》是一本专为机器人学领域读者编写的权威教材,作者为Timothy D. Barfoot。该书主要探讨了机器人状态估计的关键理论和技术,涵盖了从基础概率论到高级应用的深入内容。全书共分三个部分,分别是状态估计、三维空间运动以及实际应用。 在状态估计部分,作者首先回顾了线性高斯系统状态估计的重要性,这是机器人导航和控制的基础,它利用概率密度函数(PDF)的概念来描述系统的不确定性。重点讲解了概率密度函数的定义,包括贝叶斯规则和推断过程,以及统计独立性和无相关性的概念。接着,作者详细介绍了高斯概率密度函数(Gaussian PDF),这是许多机器人状态估计算法的核心,如卡尔曼滤波。书中讨论了 Isserlis 定理,这是一种计算多变量高斯分布特定统计性质的方法,以及联合高斯PDF的处理,以及如何进行概率推理。 在三维空间运动部分,内容转向了旋转和平移的数学表示,这在机器人定位和姿态估计中至关重要。作者深入剖析了李群理论,一种用于处理连续旋转和变换的数学框架,这对于理解机器人传感器数据和运动模型的转换非常关键。 应用部分则涵盖了实际问题的解决策略,包括机器人位姿估计(如基于视觉或惯性测量单元的定位)、点云配准(将不同传感器数据融合,提高环境模型的精度)以及束调整(BA,通过优化方法调整相机位置和姿态,以最小化观测数据与模型之间的误差)。这些技术在自主机器人、无人车、无人机等领域有着广泛的应用。 《STATE ESTIMATION FOR ROBOTICS》不仅介绍了基础的概率和统计概念,还深入浅出地阐述了如何将这些理论应用于机器人状态估计的实际问题。对于想要在这个前沿领域深化学习的工程师和研究人员来说,这本书提供了一个全面而实用的学习指南。通过阅读这本书,读者将能够掌握状态估计的理论工具,理解和实现机器人在复杂环境中的精确导航和控制。