Integrating generic sensor fusion algorithms with sound state representations through encapsulation of manifolds

卡尔曼滤波器 算法 计算机科学 歧管(流体力学) 状态向量 向量空间 国家(计算机科学) 拓扑(电路) 数学 人工智能 纯数学 经典力学 机械工程 组合数学 物理 工程类
作者
Christoph Hertzberg,René Wagner,Udo Frese,Lutz Schröder
出处
期刊:Information Fusion [Elsevier]
卷期号:14 (1): 57-77 被引量:242
标识
DOI:10.1016/j.inffus.2011.08.003
摘要

Common estimation algorithms, such as least squares estimation or the Kalman filter, operate on a state in a state space S that is represented as a real-valued vector. However, for many quantities, most notably orientations in 3D, S is not a vector space, but a so-called manifold, i.e. it behaves like a vector space locally but has a more complex global topological structure. For integrating these quantities, several ad hoc approaches have been proposed. Here, we present a principled solution to this problem where the structure of the manifold S is encapsulated by two operators, state displacement :S×Rn→S and its inverse :S×S→Rn. These operators provide a local vector-space view δ ↦ x δ around a given state x. Generic estimation algorithms can then work on the manifold S mainly by replacing +/− with / where appropriate. We analyze these operators axiomatically, and demonstrate their use in least-squares estimation and the Unscented Kalman Filter. Moreover, we exploit the idea of encapsulation from a software engineering perspective in the Manifold Toolkit, where the / operators mediate between a "flat-vector" view for the generic algorithm and a "named-members" view for the problem specific functions.
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