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簡(jiǎn)介

如何估計(jì)機(jī)器人在空間中移動(dòng)時(shí)的狀態(tài)（如位置、方向）是機(jī)器人研究中一個(gè)重要的問(wèn)題。大多數(shù)機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車(chē)都需要導(dǎo)航信息。導(dǎo)航的數(shù)據(jù)來(lái)自于相機(jī)、激光測(cè)距儀等各種傳感器，而它們往往受噪聲影響，這給狀態(tài)估計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本書(shū)將介紹常用的傳感器模型，以及如何在現(xiàn)實(shí)世界中利用傳感器數(shù)據(jù)對(duì)旋轉(zhuǎn)或其他狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)。本書(shū)涵蓋了經(jīng)典的狀態(tài)估計(jì)方法（如卡爾曼濾波）以及更為現(xiàn)代的方法（如批量估計(jì)、貝葉斯濾波、sigmapoint 濾波和粒子濾波、剔除外點(diǎn)的魯棒估計(jì)、連續(xù)時(shí)間的軌跡估計(jì)和高斯過(guò)程回歸）。這些方法在諸如點(diǎn)云對(duì)齊、位姿圖松弛、光束平差法以及同時(shí)定位與地圖構(gòu)建等重要應(yīng)用中得以驗(yàn)證。對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域的學(xué)生和相關(guān)從業(yè)者來(lái)說(shuō)，本書(shū)將是一份寶貴的資料。

Timothy Barfoot 博士（多倫多大學(xué)航空航天研究所UTIAS 教授）在工業(yè)和學(xué)術(shù)界的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中已有逾十五年的研究歷史。他的研究領(lǐng)域涉及空間探索、采礦、軍事和運(yùn)輸?shù)龋⒃诙ㄎ�、建圖、規(guī)劃和控制方面作出了貢獻(xiàn)。他是International Journal of Robotics Research 和Journal of Field Robotics 的編輯委員會(huì)成員，并且在2015 年多倫多舉辦的Field and Service Robotics 會(huì)議中擔(dān)任主席。

State Estimation for Robotics早已在SLAM領(lǐng)域廣為流傳，幾乎是SLAM入門(mén)必讀的經(jīng)典書(shū)籍之一。本書(shū)深入講解了狀態(tài)估計(jì)的機(jī)理、三維幾何學(xué)基礎(chǔ)、矩陣?yán)钊阂约拔蛔撕忘c(diǎn)的估計(jì)方法等，尤其對(duì)基于濾波器的狀態(tài)估計(jì)方法的介紹全面深刻�，F(xiàn)在在高翔、顏沁睿、劉富強(qiáng)等十多位SLAM專(zhuān)家、愛(ài)好者的共同努力下，中文譯本《機(jī)器人學(xué)中的狀態(tài)估計(jì)》也終于得以面世。這對(duì)于國(guó)內(nèi)廣大SLAM愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，可謂一大福音，值得隆重推薦。

——浙江大學(xué)教授，CAD & CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)視覺(jué)團(tuán)隊(duì)帶頭人，章國(guó)鋒

State Estimation for Robotics是加拿大多倫多大學(xué)Barfoot教授的名著，也是機(jī)器人方向的經(jīng)典教材之一。該書(shū)側(cè)重?cái)?shù)學(xué)基礎(chǔ)，先花了三分之二的篇幅來(lái)介紹概率、幾何方面的基礎(chǔ)知識(shí)，后又回到應(yīng)用問(wèn)題，詳細(xì)介紹了基于點(diǎn)云和圖像的姿態(tài)估計(jì)。

這是一本難得的既注重基礎(chǔ)又顧及前沿研究問(wèn)題的教材。書(shū)的譯者是一群對(duì)機(jī)器人技術(shù)富有激情的年輕人，他們中的許多人在計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器人等科研領(lǐng)域開(kāi)始嶄露頭角。這本譯作傾注了他們的滿(mǎn)腔熱忱和對(duì)國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展的期望。

——加拿大西蒙弗雷澤大學(xué)終身教授，譚平

本書(shū)介紹了機(jī)器人領(lǐng)域的重要核心技術(shù)——狀態(tài)估計(jì)。這本書(shū)不只介紹了一些傳統(tǒng)的經(jīng)典算法，也涉及了新的行業(yè)進(jìn)展和應(yīng)用，同時(shí)還傳授了一些基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)工具。本書(shū)使用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)語(yǔ)言，同時(shí)又深入淺出，是初學(xué)者不可多得的良師益友。

——自動(dòng)駕駛公司AutoX創(chuàng)始人，原美國(guó)普林斯頓大學(xué)計(jì)算機(jī)視覺(jué)與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主任，麻省理工學(xué)院博士肖健雄

譯者序

Timothy Barfoot 教授的《機(jī)器人學(xué)中的狀態(tài)估計(jì)》一書(shū)，前后花費(fèi)了兩年時(shí)間寫(xiě)成。初稿甫成，就將草稿公開(kāi)于互聯(lián)網(wǎng)，供世界各地讀者閱讀、糾錯(cuò)。當(dāng)時(shí)，我們就覺(jué)得這本書(shū)理論之深刻、敘述之嚴(yán)謹(jǐn)、應(yīng)用之廣泛，實(shí)在是一本機(jī)器人方向不可多得的好書(shū)。倘若中國(guó)讀者，或?yàn)檎Z(yǔ)言之礙，或?yàn)榈赜蛩�，無(wú)法了解此書(shū)的奧秘，實(shí)乃遺憾之事。2017 年春，機(jī)緣巧合，西安交大出版社獲得了本書(shū)的中文版權(quán)，而我們亦有幸參與此書(shū)的翻譯工作。希望這本中譯本能夠讓中國(guó)的學(xué)生、研究人員更好地理解狀態(tài)估計(jì)的內(nèi)容，將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去。

……

本書(shū)的中譯本是許多同學(xué)、老師協(xié)作的成果。每一章節(jié)基本由一到兩位同學(xué)負(fù)責(zé)翻譯，分工如下：第1、2 章由范帝楷、郭玉峰負(fù)責(zé)；第3 章由高翔負(fù)責(zé)；第4 章由謝曉佳負(fù)責(zé)；第5 章由左星星負(fù)責(zé)；第6 章由秦超負(fù)責(zé)；第7 章由吳博、顏沁睿和張明明負(fù)責(zé)；第8 章由鄭帆、劉富強(qiáng)負(fù)責(zé)；第9 章由張明負(fù)責(zé)；第10 章由范帝楷負(fù)責(zé)。最后由謝曉佳和高翔做了整體的校訂工作。審稿期間，浙江大學(xué)CAD&CG 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)視覺(jué)組的章國(guó)鋒教授團(tuán)隊(duì)（含學(xué)生李津羽、王儒、黃昭陽(yáng)、楊鎊鎊、葉智超、唐慶、曹健、錢(qián)權(quán)浩），湘潭大學(xué)的黃山老師，揚(yáng)州大學(xué)的莫小雨同學(xué)，UCL 的李天威同學(xué)，中國(guó)科學(xué)院電子所的肖麟慧同學(xué)，劉施菲博士，以及許多互聯(lián)網(wǎng)上的老師、同學(xué)均參與了本書(shū)的審稿工作，進(jìn)一步保證了譯文的質(zhì)量。翻譯過(guò)程中，最大的工作量在于把原書(shū)上千條數(shù)學(xué)公式用LATEX 重新進(jìn)行輸入和整理，在此特別向各位參與翻譯和審稿工作的同學(xué)致以謝意。

鑒于譯者的知識(shí)水平所限，譯文中疏誤之處在所難免，懇請(qǐng)讀者不吝指正�！凹�(xì)推物理須行樂(lè)，何須浮名絆此身”，我們也希望讀者能在閱讀過(guò)程中，學(xué)到知識(shí)，產(chǎn)生興趣。

序言

我的研究方向是移動(dòng)機(jī)器人學(xué)，特別是用于空間探索的那一類(lèi)機(jī)器人。在研究過(guò)程中，我對(duì)狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題產(chǎn)生了濃厚的興趣。在這個(gè)領(lǐng)域中，有一個(gè)廣為人知、倍受青睞的研究方向：概率機(jī)器人（probabilistic robotics）。隨著近年來(lái)計(jì)算資源的日漸廉價(jià)，數(shù)碼相機(jī)、激光測(cè)距儀等大量新型傳感器技術(shù)不斷涌現(xiàn)，機(jī)器人學(xué)作為一個(gè)前沿研究方向，已經(jīng)在狀態(tài)估計(jì)領(lǐng)域中催生了大量激動(dòng)人心的新思想、新動(dòng)態(tài)。

機(jī)器人學(xué)也是最先將貝葉斯濾波器應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)合的領(lǐng)域。所謂貝葉斯濾波器，事實(shí)上是著名的卡爾曼濾波器更為一般的形式。在短短的幾年中，移動(dòng)機(jī)器人的研究方法已經(jīng)從貝葉斯濾波器走向了批量的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化方法，并取得了豐碩的成果。就我而言，我的研究方向主要是室外機(jī)器人導(dǎo)航，所以經(jīng)常會(huì)遇到一些三維空間中運(yùn)動(dòng)車(chē)輛的問(wèn)題。于是，我們將在本書(shū)中，詳細(xì)地談?wù)撊S空間中的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題。特別地，對(duì)于三維的旋轉(zhuǎn)和姿態(tài)，我們將介紹簡(jiǎn)單實(shí)用的矩陣?yán)钊悍椒▉?lái)處理它們。為了讀懂本書(shū)，讀者需要具備本科生水平的線(xiàn)性代數(shù)和微積分知識(shí)，不過(guò)即使沒(méi)有，本書(shū)也自成一個(gè)體系。我希望這部分介紹對(duì)讀者有所幫助，同時(shí)，教學(xué)相長(zhǎng)，我亦在寫(xiě)作過(guò)程中受益匪淺。

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