贝叶斯滤波与平滑(1-3)

文章目录

  • 第一章、贝叶斯滤波与平滑
    • 1. 应用
    • 2. 起源
    • 3. 基于最优滤波与平滑的贝叶斯推理
    • 4. 贝叶斯滤波与平滑
    • 5. 参数估计
    • 6. 习题
  • 第二章、贝叶斯推理
    • 1. 基本原理
    • 2. 贝叶斯推理与极大似然估计
    • 3. 基础构成
    • 4. 贝叶斯点估计
    • 5. 数值方法
  • 第三章、批处理与递归
    • 1. 批处理线性回归
    • 2. 递归线性回归
    • 3. 批处理与递归总结
    • 4. 含有漂移的线性回归
    • 5. 含有漂移的状态空间模型

本文涉及的代码见: 链接,码砖不易,求一个star。

第一章、贝叶斯滤波与平滑

1. 应用

整理各类应用

应用名称 状态量 观测量
GPS 位置、星历 多个卫星的波达时间、星历
目标跟踪 位置、速度 传感器量测量
多目标跟踪 同上、目标数量、数据关联 传感器数据
组合惯性导航 位置、速度 GPS、IMU
传染病 人群 量测信息

还有生物过程、通信、音频信号处理、随机最优控制、学习系统、物理系统。值得一提的是,随机最优控制还有时间最短、误差最小的概念在里面。

2. 起源

整理各类方法起源

方法 基本思路 应用 时间 国别/作者
维纳滤波 期望已知 第二次世界大战雷达跟踪 1942 美国/维纳
卡尔曼滤波 NAS 1960 美国鲁道夫卡尔曼、俄罗斯

有一个整理的比较好的博客博客

3. 基于最优滤波与平滑的贝叶斯推理

最优滤波和平滑被认为是统计反演问题:
贝叶斯滤波与平滑(1-3)_第1张图片
假设小车沿X轴移动,每0.1s有一个位置观测,状态为位置与速度。假设小车运行了10s,一个观测有100个,状态也有一百个。
贝叶斯滤波与平滑(1-3)_第2张图片代码:运行gui
在公式1.1中, p ( x 0 : 100 ) p(x_{0:100}) p(x0:100)这里的先验信息包含了我们对系统的建模,即匀加速直线运动。 p ( y 0 : 100 ∣ x 0 : 100 ) p(y_{0:100}|x_{0:100}) p(y0:100x0:100)是量测信息似然模型。
当时间继续推移,有101个观测进来时,整个系统需要全部更新。
文中用图示表达了预测、滤波、平滑的区别
贝叶斯滤波与平滑(1-3)_第3张图片

4. 贝叶斯滤波与平滑

文中列出了几种有闭型解的滤波和平滑问题

5. 参数估计

6. 习题

第二章、贝叶斯推理

1. 基本原理

贝叶斯推理与频率论不同。在贝叶斯框架下,一个事件发生的概率,并不意味着该事件在多次实验下发生的概率,而是指在单次实验中的不确定性
用到的数学工具有:概率分布、概率积分

2. 贝叶斯推理与极大似然估计

顾名思义,极大似然估计,就是最大化似然函数 。在这一节中,作者改变了符号表示,最好还是用 p ( x 0 : T ∣ y 0 : T ) p(x_{0:T}|y_{0:T}) p(x0:Ty0:T)。在极大似然估计中,定义:
L ( x ) = p ( y 0 : T ∣ x 0 : T ) L(x) = p(y_{0:T}|x_{0:T}) L(x)=p(y0:Tx0:T)
如果概率符合正态分布,就可以使用log函数将二次型整理出来。最大化二次型,就转化为求最值的事情了。
而在贝叶斯推理中,将参数x也看做了随机变量,其先验分布也包含进去了。
可以这么讲,贝叶斯估计,就是比极大似然多一个先验分布

3. 基础构成

  • 先验模型
    如初始位置、运动模型
  • 量测模型
    参数到量测量的随机映射,就是函数h(x).
  • 后验分布
    就是贝叶斯公式
  • 预测后验分布
    p ( y T + 1 ∣ y 1 : T ) p(y_{T+1}|y_{1:T}) p(yT+1y1:T). 这可以是未来预测量的理论依据。

4. 贝叶斯点估计

本书讲的不太好,非重点

5. 数值方法

第三章、批处理与递归

就是平滑与滤波的实现方案

1. 批处理线性回归

后验分布表示出来之后,将先验分布,似然概率相乘,即可得到后验的表达形式,再通过二次型,就可以得出均值和方差(即分布就出来了):
贝叶斯滤波与平滑(1-3)_第4张图片

2. 递归线性回归

递归线性回归与批处理的区别就会,k-1次观测的结果,当做了先验。
p ( θ ∣ y 1 : k ) = p ( θ ∣ y 1 : ( k − 1 ) ) p ( y k ∣ θ ) p(\theta | y_{1:k}) = p(\theta |y_{1:(k-1)}) p(y_k|\theta) p(θy1:k)=p(θy1:(k1))p(ykθ)
Demo见代码:chapter3/gui. 运行的界面如图:
贝叶斯滤波与平滑(1-3)_第5张图片

  • 运行效果,批处理的收敛性要好于滤波的,最终误差更小。
  • 运行时间,批处理的时间复杂度随着量测量的增多线性增加,而递归线性回归的计算量保持不变。

3. 批处理与递归总结

批处理利用的性质

具体方法
量测量 y k y_k yk相互独立 所有量测量类似然概率等于各个量测量似然概率相乘
贝叶斯法则 求得后验概率

递归利用的性质

具体方法
先验概率 利用先验概率等于前面所有批处理的后验概率

递归的优点

  • 在线学习参数

4. 含有漂移的线性回归

这一节有一个重要的知识点是:两个变量的高斯分布乘积,通过边缘化,得到新的分布,用的是Chapman-Kolmmogorov方程。这里有一篇博客讲解的查普曼方程。
当然,对于转移概率,我们可以简单得用正态分布的性质去类比。
本节主要内容:主要是在先验信息的基础上,增加了参数的时变性.

5. 含有漂移的状态空间模型

本节主要内容:在参数时变的基础上,构造了一个更elegent的状态空间模型,重新定义了H函数。增加了状态空间,将变化量加入进来,这样H函数中就没有时间t了。
因此这一节叫这个小标题不太好,不如叫:重新定义状态空间模型。

Note: 2020年第三本书

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