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Fast-LIO的离散方程(公式(7))考虑了旋转扰动时的雅可比,其推导如下:
Fast-LIO采用最大后验估计(MAP)构建优化方程,表示为公式(17):
min
x
~
k
κ
(
∥
x
k
⊟
x
^
k
∥
P
^
k
−
1
2
+
∑
j
=
1
m
∥
z
j
κ
+
H
j
κ
x
~
k
κ
∥
R
j
−
1
2
)
\min _{\widetilde{\mathbf{x}}_k^\kappa}\left(\left\|\mathbf{x}_k \boxminus \widehat{\mathbf{x}}_k\right\|_{\hat{\mathbf{P}}_k^{-1}}^2+\sum_{j=1}^m\left\|\mathbf{z}_j^\kappa+\mathbf{H}_j^\kappa \widetilde{\mathbf{x}}_k^\kappa\right\|_{\mathbf{R}_j^{-1}}^2\right)
x
kκmin(∥xk⊟x
k∥P^k−12+j=1∑m∥
∥zjκ+Hjκx
kκ∥
∥Rj−12)
为了方便表示,Fast-LIO将第二项堆叠成了高维矩阵形式
∣
∣
z
k
κ
+
H
x
~
k
κ
∣
∣
R
−
1
2
||\mathbf{z}_k^\kappa+\mathbf{H}\widetilde{\mathbf{x}}_k^\kappa||_{\mathbf{R}^{-1}}^2
∣∣zkκ+Hx
kκ∣∣R−12。
对Fast-LIO公式(16)推导如下:
J
κ
=
∂
(
x
^
k
κ
⊞
x
~
k
κ
)
⊟
x
^
k
)
∂
x
~
k
\mathbf{J}^\kappa=\frac{\partial (\mathbf{\widehat x}_k^\kappa \boxplus \widetilde{\mathbf{x}}_k^\kappa)\boxminus \widehat{\mathbf{x}}_k)}{\partial \widetilde{\mathbf{x}}_k}
Jκ=∂x
k∂(x
kκ⊞x
kκ)⊟x
k)
对于旋转,具体表示为:
J
θ
κ
=
∂
L
o
g
(
I
k
G
R
^
T
I
k
G
R
κ
)
∂
δ
θ
κ
=
∂
L
o
g
(
I
k
G
R
^
T
I
k
G
R
^
κ
E
x
p
(
δ
θ
κ
)
)
∂
δ
θ
κ
≈
∂
{
J
r
(
L
o
g
(
I
k
G
R
^
T
I
k
G
R
^
κ
)
)
−
1
δ
θ
κ
+
L
o
g
(
I
k
G
R
^
T
I
k
G
R
^
κ
)
}
∂
δ
θ
κ
=
J
r
(
L
o
g
(
I
k
G
R
^
T
I
k
G
R
^
κ
)
)
−
1
=
J
r
(
I
k
G
R
^
κ
⊟
I
k
G
R
^
)
−
1
Jκθ=∂Log(GIkˆRTGIkRκ)∂δθκ=∂Log(GIkˆRTGIkˆRκExp(δθκ))∂δθκ≈∂{Jr(Log(GIkˆRTGIkˆRκ))−1δθκ+Log(GIkˆRTGIkˆRκ)}∂δθκ=Jr(Log(GIkˆRTGIkˆRκ))−1=Jr(GIkˆRκ⊟
Jθκ=∂δθκ∂Log(IkGR^TIkGRκ)=∂δθκ∂Log(IkGR^TIkGR^κExp(δθκ))≈∂δθκ∂{Jr(Log(IkGR^TIkGR^κ))−1δθκ+Log(IkGR^TIkGR^κ)}=Jr(Log(IkGR^TIkGR^κ))−1=Jr(IkGR^κ⊟IkGR^)−1
此处利用了右乘BCH近似公式
L
o
g
(
E
x
p
(
ϕ
)
E
x
p
(
δ
ϕ
)
)
≈
J
r
(
ϕ
)
−
1
δ
ϕ
+
ϕ
Log(Exp(\phi)Exp(\delta \phi))\approx \mathbf{J}_r(\phi)^{-1}\delta \phi+\phi
Log(Exp(ϕ)Exp(δϕ))≈Jr(ϕ)−1δϕ+ϕ,其余的状态量雅可比都是单位阵。
获得
J
κ
\mathbf{J}^\kappa
Jκ之后,可以对第一项进行代换:
x
k
⊟
x
^
k
≈
x
^
k
κ
⊟
x
^
k
+
J
κ
x
~
k
κ
\mathbf{x}_k \boxminus \widehat{\mathbf{x}}_k\approx \mathbf{\widehat x}_k^\kappa \boxminus \widehat{\mathbf{x}}_k+\mathbf{J}^\kappa \widetilde{\mathbf{x}}_k^\kappa
xk⊟x
k≈x
kκ⊟x
k+Jκx
kκ,如此分离待优化变量
x
~
k
κ
\widetilde{\mathbf{x}}_k^\kappa
x
kκ。
展开优化方程,并对
x
~
k
κ
\widetilde{\mathbf{x}}_k^\kappa
x
kκ求导得到:
x
~
k
κ
=
(
H
T
R
−
1
H
+
P
−
1
)
−
1
(
−
H
T
R
−
1
z
k
κ
−
(
J
κ
)
T
P
^
k
−
1
(
x
^
k
κ
⊟
x
^
k
)
)
\widetilde{\mathbf{x}}_k^\kappa = (\mathbf{H}^T\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}+\mathbf{P}^{-1})^{-1}(-\mathbf{H}^T\mathbf{R}^{-1}\mathbf{z}_k^\kappa-(\mathbf{J}^{\kappa })^T\mathbf{\hat P}_k^{-1}(\mathbf{\widehat x}_k^\kappa \boxminus \widehat{\mathbf{x}}_k))
x
kκ=(HTR−1H+P−1)−1(−HTR−1zkκ−(Jκ)TP^k−1(x
kκ⊟x
k))
其中
P
=
(
J
κ
)
−
1
P
^
k
(
J
κ
)
−
T
\mathbf{P}=(\mathbf{J}^{\kappa})^{-1}\mathbf{\hat P}_k(\mathbf{J}^{\kappa})^{-T}
P=(Jκ)−1P^k(Jκ)−T。利用SMW公式
(
A
−
1
+
B
D
−
1
C
)
−
1
=
A
−
A
B
(
D
+
C
A
B
)
−
1
C
A
(A^{-1}+BD^{-1}C)^{-1}=A-AB(D+CAB)^{-1}CA
(A−1+BD−1C)−1=A−AB(D+CAB)−1CA,可转化为最终结果并以此迭代:
x
~
k
κ
=
−
K
z
k
κ
−
(
I
−
K
H
)
(
J
κ
)
−
1
(
x
^
k
κ
⊟
x
^
k
)
x
k
κ
+
1
=
x
k
κ
⊞
x
~
k
κ
x
kκxkκ+1=−Kzkκ−(I−KH)(Jκ)−1(x
kκ⊟x
k)=xkκ⊞x
kκ
NOTE:IEKF与高斯牛顿法在相同的问题条件下是具有等价性的。
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