论文笔记——基于因子图消元优化的多传感器融合定位算法

本文介绍了一种改进的多传感器融合定位方法,通过在链式因子图中引入滑动窗口来保存历史状态信息,并利用消元算法降低计算复杂度。此方法提高了系统的抗干扰性和容错能力。

创新点:

为了提高抗干扰性和容错能力,在链式因子图模型中加入滑动窗口用于保留窗口内历史状态信息;同时为了避免高维矩阵运算,引入消元算法将因子图转化为贝叶斯网络,依次边缘化历史状态,实现矩阵降维。
提出了一种基于因子图消元优化算法的多传感器融合定位方法,为了有效提高系统融合定位抗扰性和容错能力,在以链式因子图表示的导航系统中加入一个滑动窗口 ,用于保留窗口内的历史状态,并对新的状态进行更新 。而对于保留大量历史信息引起的计算矩阵维数的急速扩增,引入一种基于Householder部 分QR分解的消元算法,对从旧时刻的状态到新时刻的状态依次进行消元,将链式因子图转化为贝叶斯网络,同时边缘化消元后的状态,使其在保留历史信息的同时,避免了对大矩阵的计算。最后,对消元之后的因子图,采用高斯-牛顿迭代方法反复迭代 ,获得融合定位的最佳状态估计。

知识点:

因子图:

因子图模型:

    针对一个具有多个变量的全局函数,使用“二分图”将其分解为n个含部分变量的局部函数的乘积,这种分解被称为因子图。因子图是一种用于表达随机变量联合概率分布的概率图模型,由变量节点、因子节点和连线组成。

消元优化:

在计算因子图时,为提高最大后验概率推断和变量边缘化速度,引入消元算法将因子图转化为贝叶斯网络。通过变量消元,可以将因子图分解成因子化贝叶斯网络概率密度。
### 因子图组合导航中的应用 #### 什么是因子图因子图是一种用于表示概率模型的图形化工具,它由变量节点和因子节点组成。变量节点代表状态向量的不同部分,而因子节点则描述这些变量之间的约束关系[^1]。 #### 因子图优化(Factor Graph Optimization, FGO) 因子图优化的核心思想是将整个系统的状态估计问题转化为一个全局最优解求解问题。相比于传统的卡尔曼滤波方法,FGO能够在更广的时间范围内利用所有的观测数据来更新系统状态,从而提升定位精度。 #### 组合导航中的实现方式 在基于GNSS和其他传感器(如惯性测量单元IMU)的组合导航系统中,因子图可以通过以下几种方式进行构建和优化: 1. **定义变量节点** 变量节点通常对应于时间序列上的各个时刻的状态向量。对于组合导航而言,这可能包括位置、速度以及姿态角等参数。 2. **引入因子节点** 因子节点用来表达不同类型的测量信息或者先验知识对状态的影响。例如,在GNSS/INS紧耦合方案里,可以从卫星信号得到伪距和平滑后的载波相位作为外部输入;同时也可以加入来自陀螺仪加速度计内部动态变化规律所形成的预测轨迹残差项等等[^2]。 3. **建立目标函数并求解** 利用最小二乘法或者其他数值计算手段寻找能够使所有误差平方之和达到极小值的一组最佳估计值集合。具体来说就是调整各阶段的位置坐标直至满足既定条件为止。 以下是简单的MATLAB代码片段展示如何设置初始环境及调用相关库来进行基本操作: ```matlab % 初始化一些必要的结构体成员属性 graph = graphslam('stateDim', 6); % 创建一个新的GraphSLAM对象实例,并指定维度大小为六维空间(三维平移+三轴旋转) % 添加边连接相邻顶点之间形成闭环检测机制 addEdge(graph,[nodeID(i), nodeID(j)], meas_ij, infoMat); % 执行迭代最优化流程直到收敛为止 optimize!(graph); ``` 上述脚本仅提供了一个非常基础的概念验证版本,实际工程应用场景下还需要考虑更多细节因素比如噪声处理策略选择等问题。 #### 总结 综上所述,因子图作为一种强大的建模工具已被广泛应用于现代机器人学与自动驾驶等领域内的复杂任务当中去解决诸如同步定位映射(SLAM)之类难题的同时也逐渐渗透到了传统航空航天工业部门之中成为新一代高精度实时定位解决方案之一。
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