贝叶斯滤波

1. 贝叶斯概率公式(后验概率): 

p(x|y)=p(y|x)p(x)p(y)=ηp(y|x)p(x)

当条件概率涉及到的变量比较多,上式分母就会变得比较复杂,为表示方便这里定义 ηη 为归一化参数。 
相似的,我们可以考虑 p(x|y,z)p(x|y,z)  的条件概率,这里可以看成在 zz 发生的条件下,将概率 p(x|y)p(x|y) 进行贝叶斯公式展开,代入二元贝叶斯公式得到:
p(x|y,z)=p(y|x,z)p(x|z)p(y|z)

2. 定义可信度:
bel(xt)=p(xt|z1:t,u1:t)

3. 根据贝叶斯概率公式将上式展开(参考1.中三个变量贝叶斯公式推导)为:
bel(xt)=p(xt|z1:t,u1:t)=ηp(zt|xtz1:t1,u1:t)(1)p(xt|z1:t1u1:t)(2)

4. 根据马尔科夫假设进行简化 
在probability robotics 这本书里,马尔科夫假设是全书的基本假设,所有的公式都是在这个假设基础行推导而来的,马尔科夫假设核心思想是:已知当前时刻的状态 xtxt ,不会影响过去和将来的状态。 
对于3.公式(1)部分, xtxt 可以根据之前 t1t−1  个时刻的测量值 z1t1z1:t−1 和t个时刻控制输入 u1:tu1:t  得到(参考1. 中状态转移图)。所以(1)部分简化为:
p(zt|xt,z1:t1,u1:t)=p(zt|xt)

对于公式(2)部分,在连续域进行展开:
p(xt|z1:t1u1:t)=xt1p(xt|xt1,z1:t1u1:t)p(xt1|z1:t1u1:t)dxt1
这一部分可以类比以下公式(B对应于上式 xt1xt−1 ): 
p(A)=Bp(A|B)p(B)dB()Bp(A|B)p(B)()p(A)=∫Bp(A|B)p(B)dB(连续域)∑Bp(A|B)p(B)(离散域)

在马尔科夫假设前提下,已知将来的状态 utut  对估计 xt1xt−1 没用提供任何信息,所以:
p(xt|z1:t1u1:t)=xt1p(xt|xt1,z1:t1u1:t)p(xt1|z1:t1u1:t)dxt1=xt1p(xt|xt1,z1:t1u1:t)p(xt1|z1:t1u1:t1)dxt1=xt1p(xt|xt1,ut)bel(xt1)dxt1p(xt|z1:t−1,u1:t)=∫xt−1p(xt|xt−1,z1:t−1,u1:t)p(xt−1|z1:t−1,u1:t)dxt−1=∫xt−1p(xt|xt−1,z1:t−1,u1:t)p(xt−1|z1:t−1,u1:t−1)dxt−1=∫xt−1p(xt|xt−1,ut)bel(xt−1)dxt−1

5. 根据1-4推导,得到迭代的贝叶斯滤波公式: 
bel(xt)=ηp(zt|xt)x(t1)p(xt|xt1,ut)bel(xt1)dt1bel(xt)=ηp(zt|xt)∫x(t−1)p(xt|xt−1,ut)bel(xt−1)dt−1

贝叶斯滤波的更新过程可以分为两个过程: 
预测过程(由上一时刻状态 xt1xt−1  和当前时刻控制量 utut  预测当前状态 xtxt ): 
bel(xt)¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯=x(t1)p(xt|xt1,ut)bel(xt1)dt1bel(xt)¯=∫x(t−1)p(xt|xt−1,ut)bel(xt−1)dt−1

校准过程(在已知当前状态 xtxt 的条件下,计算当前测量值 ztzt 的可信度):
bel(xt)=ηp(zt|xt)bel(xt1)¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯bel(xt)=ηp(zt|xt)bel(xt−1)¯

贝叶斯滤波设计了以概率方式进行状态估计的框架,但没有规定状态变量需要服从哪种分布,在实际应用中,我们可以根据传感器和机器人实际参数进行相关分布律假设。

滤波过程一般分为两个步骤:预测和更新。贝叶斯滤波器当然也不例外。

预测过程中,不使用当前时刻的测量值,因此预测过程中的后验概率为:






    第一步到第三步的推导为全概率公式;第三步到第四步是由系统的状态方程可知,系统t时刻的状态只与第t-1个时刻的状态以及第t个时刻的控制量相关。

     更新的过程中,需要用第t时刻(当前时刻)的测量值对上一过程中的预测结果进行校正(滤波的思想都是先预测,再校正,再预测,再校正。。。一直循环的过程。):

     

    具体推导过程如下:

    

    

    

    即可得到:   ,第一步到第二步用到贝叶斯公式(本质上还是全概率公式);第二步到第三步是系统的观测方程可知,系统第t时刻的观测值只与第t时刻的状态值有关。至此,已经完成了贝叶斯滤波的大部分推导,但是式子中还有一个未曾进行进一步说明。

这里的在概率机器人一书中,被称之为归一化因子,具体表现形式如下:

    

                     


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