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Robust Initialization of VINS

T. Qin and S. Shen, “Robust initialization of monocular visual-inertial estimation on aerial robots,” in 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Vancouver, BC: IEEE, Sep. 2017, pp. 4225–4232. doi: 10.1109/IROS.2017.8206284.

利用松耦合的方式对齐 IMU 与视觉

IMU 测量模型有

ω^=ωb+bg+nga^=Rbw(aw+gw)+ba+na

预积分

αbibj=t[i,j]Rbibt(a^btba)dt2βbibj=t[i,j]Rbibt(a^btba)dtqbibj=t[i,j]qbibt[012(ω^btbg)]dt

有一阶泰勒展开近似

αbibjα^bibj+Jbaαδba+Jbgαδbgβbibjβ^bibj+Jbaβδba+Jbgβδbgqbkbk+1q^bkbk+1[112Jbgqδbg]

SfM 给出视觉约束,·¯ 表示非米制单位

qc0bk=qc0ckqbc1sp¯c0bk=sp¯c0ckRc0bkpbc

估计外参数 qbc

对于相邻时刻 k,k+1 的 IMU 旋转积分 qbkbk+1 和视觉测量 qckck+1

qbkck+1=qbcqckck+1=qbkbk+1qbc([qckck+1]R[qbkbk+1]L)qbc=0

[·]L,[·]R 为四元数的左乘矩阵和右乘矩阵,[·]× 为反对称矩阵

 [q]L=qωI+[0qvTqv[qv]×][q]R=qωI+[0qvTqv[qv]×][ω]×=[0ωzωyωz0ωxωyωx0]

将多个时刻的 IMU 预积分和视觉测量累计,即可得到关于 qbc 的超定方程组

[[qc0c1]R[qb0b1]L[qc1c2]R[qb1b2]L[qcncn1]R[qbnbn1]]qbc=0

利用奇异值分解可解得 qbc

估计陀螺仪偏置

标定得到 qbc 后,利用旋转约束,可估计处陀螺仪偏置

δbg=argminδbgkB||qc0bk+11qc0bkqbkbk+1xyz||2

B 为所有关键帧的集合,其中目标函数取最小值 0

qc0bk+11qc0bkqbkbk+1=[10]

又由旋转预积分一阶泰勒近似

qbkbk+1q^bkbk+1[112Jbgqδbg]

联立得到

[112Jbgqδbg]=q^bkbk+11qc0bk1qc0bk+1

考虑虚部

Jbgqδbg=2q^bkbk+11qc0bk1qc0bk+1xyz

进一步可以构建正定方程组,通过 Cholesky 分解求解 δbg

(Jbgq)TJbgqδbg=2(Jbgq)Tq^bkbk+11qc0bk1qc0bk+1xyz

解得 δbg 后,重新计算预积分项 α^bkbk+1,β^bkbk+1,q^bkbk+1

初始化速度、重力和尺度因子

所有我们希望估计的变量包括

XI=[v0b0v1b1vnbngc0s]T

1.3 式和 2.1 式,得到

αbkbk+1=Rbkc0(s(p¯c0bk+1p¯c0bk)+12gc0Δtk2Rc0bkvkbkΔtk)βbkbk+1=Rbkc0(Rc0bk+1vkbk+gc0ΔtkRc0bkvkbk)

整理方程得到

z^bk+1bk=[α^bkbk+1pbc+Rbkc0Rc0bk+1pbcβ^bkbk+1]=HkXIk+nk

其中

XIk=[vkbkvk+1bk+1gc0s]THbk+1bk=[IΔtk012Rbkc0Δtk2Rbkc0(p¯c0bk+1p¯c0bk)IRbkc0Rc0bk+1Rbkc0Δtk0]

进而可以转化为最小二乘问题求解

XI=argminXIkB||z^bk+1bkHbk+1bkXIk||2

同样可以通过 Chologky 分解求得

重力向量优化

在重力模长已知的情况下,重力向量实际自由度为 2,可以利用球面坐标进行参数化

g^c0=||g||(g~c0||g~c0||+w1b1+w2b2)

g~c02.15 中求得的重力向量,记 g~c0||g~c0||g¯^c0

可以通过如下方式找到一组基底垂直于 g¯^c0

b1={g¯^c0×[1,0,0]T,g¯^c0[1,0,0]Tg¯^c0×[0,0,1]T,otherwiseb2=g¯^c0×b1

2.17 式代入 2.15 式,得到

XIk=[vkbkvk+1bk+1wc0s]THbk+1bk=[IΔtk012Rbkc0[b1Tb2T]Δtk2Rbkc0(p¯c0bk+1p¯c0bk)IRbkc0Rc0bk+1Rbkc0[b1Tb2T]Δtk0]

观测方程变为

z^bk+1bk=[α^bkbk+1pbc+Rbkc0Rc0bk+1pbc12Rbkc0g~c0Δtk2β^bkbk+1Rbkc0g~c0Δtk]

利用最小二乘对 XIk 进一步优化

视觉惯性对齐

根据旋转的性质和李代数的指数映射,我们可以构建从 c0 系到 w 系的旋转矩阵 Rwc0

Rwc0=exp[arctan(||g^c0×g^w||g^c0g^w)g^c0×g^w||g^c0×g^w||]

接着为所有 c0 系为坐标系的向量左乘 Rwc0,同时将非米制的 p¯ 通过尺度因子 s 恢复为 p

未估计的参数

作者通过实验指出二者加速度计偏置 ba 和相机与 IMU 间的平移向量 pbc 对系统精度影响极小,可以不在初始化中显式优化