확률론적 로보틱스

★ 2021년 대한민국학술원 우수학술도서 선정도서 ★ 수학 통계학 지식을 기반으로 하는 확률론적 로보틱스는 기존 로보틱스 연구의 한계를 극복하고자 새롭게 성장하고 있는 분야다. 이 책은 로보틱스 분야의 고전이라 할 수 있는 중요한 기술과 알고리즘을 종합적으로 소개한다. 탄탄한 수학 지식을 기반으로 각각의 개념을 깊이 있고 상세하게 설명한다. 또한 실제 환경에서 확률론적 로보틱스 연구 성과를 어떻게 적용할 수 있는지 이해할 수 있도록 풍부한 의사코드와 실제 시뮬레이션 결과도 제공한다. 로보틱스 전문가뿐만 아니라 데이터 과학자, 알고리즘 연구원, 지능형 소프트웨어 개발자에게도 매우 유용할 것이다.

1부. 기초 01. 소개 1.1 로보틱스 분야의 불확실성 1.2 확률론적 로보틱스 1.3 시사점 1.4 이 책의 구성 1.5 확률론적 로보틱스 강의를 위하여 1.6 참고문헌 02. 재귀 스테이트 추정 2.1 개요 2.2 확률의 기본 개념 2.3 로봇 환경의 인터랙션 2.3.1 스테이트 2.3.2 환경 인터랙션 2.3.3 확률론적 생성 법칙 2.3.4 빌리프 분포 2.4 베이즈 필터 2.4.1 베이즈 필터 알고리즘 2.4.2 예제 2.4.3 베이즈 필터의 수학적 유도 2.4.4 마르코프 가정 2.5 표현과 계산 2.6 요약 2.7 참고문헌 2.8 연습문제 03. 가우시안 필터 3.1 개요 3.2 칼만 필터 3.2.1 선형 가우시안 시스템 3.2.2 칼만 필터 알고리즘 3.2.3 칼만 필터의 상세 설명 3.2.4 칼만 필터의 수학적 증명 3.3 확장형 칼만 필터 3.3.1 선형화 작업의 필요성 3.3.2 테일러 전개를 통한 선형화 3.3.3 EKF 알고리즘 3.3.4 EKF의 수학적 유도 3.3.5 실제 활용 시 고려사항 3.4 분산점 칼만 필터 3.4.1 분산점 칼만 필터를 통한 선형화 작업 3.4.2 UKF 알고리즘 3.5 정보 필터 3.5.1 캐노니컬 파라미터 3.5.2 정보 필터 알고리즘 3.5.3 정보 필터 알고리즘의 수학적 유도 3.5.4 확장형 정보 필터 알고리즘 3.5.5 확장형 정보 필터 알고리즘의 수학적 유도 3.5.6 실제 활용 시 고려사항 3.6 요약 3.7 참고문헌 3.8 연습문제 04. 비모수 필터 4.1 히스토그램 필터 4.1.1 이산형 베이즈 필터 알고리즘 4.1.2 연속형 스테이트 4.1.3 히스토그램 근사화 기법의 수학적 유도 4.1.4 분해/분리 기술 4.2 정적 스테이트를 이용한 이진 베이즈 필터 4.3 입자 필터 4.3.1 기본 알고리즘 4.3.2 중요도 샘플링 4.3.3 입자 필터의 수학적 유도 4.3.4 입자 필터의 실제 활용 시 고려사항과 특징들 4.4 요약 4.5 참고문헌 4.6 연습문제 05. 로봇 모션 5.1 개요 5.2 기본 정보 5.2.1 키네마틱 환경 설정 5.2.2 확률론적 키네마틱스 5.3 속도 모션 모델 5.3.1 닫힌 형태 계산 5.3.2 샘플링 알고리즘 5.3.3 속도 모션 모델의 수학적 유도 5.4 오도메트리 모션 모델 5.4.1 닫힌 형태 계산 5.4.2 샘플링 알고리즘 5.4.3 오도메트리 모션 모델의 수학적 유도 5.5 모션과 맵 5.6 요약 5.7 참고문헌 5.8 연습문제 06. 로봇 인식 6.1 개요 6.2 맵 6.3 레이저 범위 파인더의 빔 모델 6.3.1 기본 측정 알고리즘 6.3.2 내재된 모델 파라미터 조정 6.3.3 빔 모델의 수학적 유도 6.3.4 실제 활용 시 고려사항6.3.5 빔 모델의 한계 6.4 범위 파인더를 위한 유사가능도 필드 6.4.1 기초 알고리즘 6.4.2 확장 알고리즘 6.5 상관관계 기반 측정 모델 6.6 피처 기반 측정 모델 6.6.1 피처 추출 6.6.2 랜드마크 측정 6.6.3 알려진 대응 변수를 지닌 센서 모델 6.6.4 샘플링 포즈 6.6.5 추가 고려사항 6.7 실제 활용 시 고려사항 6.8 요약 6.9 참고문헌 6.10 연습문제 2부. 로컬화 07. 모바일 로봇 로컬화: 마르코프와 가우시안 7.1 로컬화 문제의 분류 7.2 마르코프 로컬화 7.3 그림을 통한 마르코프 로컬화의 이해 7.4 EKF 로컬화 7.4.1 상세 설명 7.4.2 EKF 로컬화 알고리즘 7.4.3 EKF 로컬화의 수학적 유도262 7.4.4 알고리즘의 실제 구현 7.5 대응 변수 추정 7.5.1 알려지지 않은 대응 변수를 이용한 EKF 로컬화 7.5.2 최대 유사가능도 데이터 연관의 수학적 유도 7.6 다중 가설 추적 7.7 UKF 로컬화 7.7.1 UKF 로컬화의 수학적 유도 7.7.2 상세 설명 7.8 실제 활용 시 고려사항 7.9 요약 7.10 참고문헌 7.11 연습문제 08. 모바일 로봇 로컬화: 그리드와 몬테카를로 8.1 개요 8.2 그리드 로컬화 8.2.1 기본 알고리즘 8.2.2 그리드 해상도 8.2.3 계산상의 고려사항 8.2.4 상세 설명 8.3 몬테카를로 로컬화 8.3.1 상세 설명 8.3.2 MCL 알고리즘 8.3.3 구현 8.3.4 MCL의 속성 8.3.5 랜덤 입자 MCL: 실패 복구 8.3.6 제안 분포의 수정 8.3.7 KLD 샘플링: 샘플 집합 크기 조정 8.4 동적 환경에서의 로컬화 8.5 실제 활용 시 고려사항 8.6 요약 8.7 참고문헌 8.8 연습문제 3부. 매핑 09. 점유 그리드 매핑 9.1 개요 9.2 점유 그리드 매핑 알고리즘 9.2.1 멀티센서 퓨전 9.3 역 측정 모델 학습 9.3.1 측정 모델의 역변환 9.3.2 포워드 모델에서의 샘플링 9.3.3 오차 함수 9.3.4 예제 및 추가 고려사항 9.4 최대 사후확률 점유 매핑 9.4.1 의존관계가 유지되는 경우 9.4.2 포워드 모델을 이용한 점유 그리드 매핑 9.5 요약 9.6 참고문헌 9.7 연습문제 10. 동시 로컬화와 매핑 10.1 개요 10.2 확장형 칼만 필터를 이용한 SLAM 모델 10.2.1 준비 작업과 가정사항10.2.2 알려진 대응 변수를 이용한 SLAM 모델 10.2.3 EKF SLAM의 수학적 유도 10.3 알려지지 않은 대응 변수를 이용한 EKF SLAM 모델 10.3.1 일반 EKF SLAM 알고리즘 10.3.2 예제 10.3.3 피처 선택과 맵 관리 10.4 요약 10.5 참고문헌 10.6 연습문제 11. GraphSLAM 알고리즘 11.1 개요 11.2 직관적 개념 설명 11.2.1 그래프 생성 11.2.2 추론 11.3 GraphSLAM 알고리즘 11.4 GraphSLAM의 수학적 유도 11.4.1 전체 SLAM 사후확률 계산 11.4.2 음의 로그 사후확률 계산 11.4.3 테일러 전개 11.4.4 정보 폼 생성 11.4.5 정보 폼 축소 11.4.6 경로와 맵의 복구 11.5 GraphSLAM의 데이터 연관 11.5.1 알려지지 않은 대응 변수를 이용한 GraphSLAM 알고리즘 11.5.2 대응 테스트의 수학적 유도 11.6 효율성을 위해 고려해야 할 사항 11.7 구현 11.8 기타 최적화 기술 11.9 요약 11.10 참고문헌 11.11 연습문제 12. 희소한 확장 정보 필터 12.1 개요 12.2 직관적 개념 설명 12.3 SEIF SLAM 알고리즘 12.4 SEIF 알고리즘의 수학적 유도 12.4.1 모션 업데이트 12.4.2 측정 업데이트 12.5 희소화 단계 12.5.1 기본 아이디어 12.5.2 SEIF의 희소화 12.5.3 희소화 작업의 수학적 유도 12.6 어몰타이즈드 근사화를 통한 맵 복구 12.7 SEIF는 얼마나 희소한가? 12.8 증분형 데이터 연관 12.8.1 증분형 데이터 연관 확률 계산 12.8.2 실제 활용 시 고려사항. 12.9 분기 한정 알고리즘 기반 데이터 연관 12.9.1 재귀적 탐색 12.9.2 임의적 데이터 연관 확률 계산 12.9.3 동치 제약 조건 12.10 실제 활용 시 고려사항 12.11 다중 로봇 SLAM 12.11.1 맵 통합 12.11.2 맵 통합의 수학적 유도 12.11.3 대응 변수 생성 12.11.4 예제 12.12 요약 12.13 참고문헌 12.14 연습문제 13. FastSLAM 알고리즘 13.1 기본 알고리즘 13.2 SLAM 사후확률 인수분해 13.2.1 인수분해된 SLAM 알고리즘의 수학적 유도 13.3 알려진 데이터 연관을 이용한 FastSLAM 13.4 제안 분포 개선 방법 13.4.1 새로운 포즈의 샘플링을 통한 경로 사후확률 확장 방법 13.4.2 관찰된 피처 추정값 업데이트 13.4.3 중요도 인자 계산 13.5 알려지지 않은 데이터 연관 13.6 맵 관리 13.7 FastSLAM 알고리즘 13.8 효율적인 구현 13.9 피처 기반 맵을 위한 FastSLAM 13.9.1 실험을 통한 통찰 13.9.2 루프 클로저 13.10 그리드 기반 FastSLAM 13.10.1 알고리즘 13.10.2 실험을 통한 통찰 13.11 요약 13.12 참고문헌 13.13 연습문제 4부. 플래닝과 제어 14. 마르코프 결정 프로세스(MDP) 14.1 모티브 14.2 액션 선정의 불확실성 14.3 밸류 이터레이션 14.3.1 목표와 페이오프 14.3.2 완전히 관찰 가능한 경우에 대해 최적의 제어 정책 찾기 14.3.3 밸류 함수 계산 14.4 로봇 제어 애플리케이션 14.5 요약 14.6 참고문헌 14.7 연습문제 15. 부분적으로 관찰 가능한 마르코프 결정 프로세스(POMDP) 15.1 모티브 15.2 예제를 통한 설명 15.2.1 준비 작업 15.2.2 제엇값 선택 15.2.3 센싱 15.2.4 예측 15.2.5 딥 호라이즌과 프루닝 15.3 유한한 월드에서 POMDP 알고리즘 15.4 POMDP의 수학적 유도 15.4.1 빌리프 공간에서의 밸류 이터레이션 15.4.2 밸류 함수 표현 15.4.3 밸류 함수 계산 15.5 실제 활용 시 고려사항 15.6 요약 15.7 참고문헌 15.8 연습문제 16. 근사화 POMDP 기술 16.1 모티브 16.2 QMDP 16.3 증강 마르코프 결정 프로세스(AMDP) 16.3.1 증강 스테이트 공간 16.3.2 AMDP 알고리즘 16.3.3 AMDP의 수학적 유도 16.3.4 모바일 로봇 내비게이션에 적용 16.4 몬테카를로 POMDP 16.4.1 입자 집합을 이용하는 방법16.4.2 MC-POMDP 알고리즘 16.4.3 MC-POMDP의 수학적 유도 16.4.4 실제 활용 시 고려사항 16.5 요약 16.6 참고문헌 16.7 연습문제 17. 탐사 17.1 개요 17.2 기본적인 탐사 알고리즘 17.2.1 정보 이득 17.2.2 그리디 기술 17.2.3 몬테카를로 탐사 기술 17.2.4 다중 단계 기술 17.3 액티브 로컬화 17.4 점유 그리드 맵 학습을 위한 탐사 17.4.1 정보 이득 계산 17.4.2 이득값 전파 17.4.3 다중 로봇 시스템으로 확장 17.5 SLAM을 위한 탐사 17.5.1 SLAM의 엔트로피 분해 17.5.2 FastSLAM의 탐사 17.5.3 경험적 특징 17.6 요약 17.7 참고문헌 17.8 연습문제