一種改進的多狀態約束卡爾曼濾波器，用於視覺慣性里程計

المفاهيم الأساسية

本文提出了一種名為快速多狀態約束卡爾曼濾波器（FMSCKF）的新型視覺慣性里程計方法，通過改進特徵邊緣化和狀態修剪步驟，在保持準確性的同時顯著提高了處理速度。

الملخص

研究目標：

本研究旨在解決現有視覺慣性里程計（VIO）方法在資源受限機器人上實時應用時面臨的計算成本高昂問題。具體而言，本研究著重於改進多狀態約束卡爾曼濾波器（MSCKF）算法，以減少其計算負擔，同時保持其準確性和魯棒性。

方法：

本研究提出了一種名為快速 MSCKF（FMSCKF）的新方法，該方法通過修改特徵邊緣化和狀態修剪步驟來增強原始 MSCKF。與在每個記錄圖像中提取特徵的傳統 MSCKF 不同，FMSCKF 僅在關鍵幀的子集中提取特徵。僅當跟踪的特徵數量低於預定閾值 (Nfmin) 時，才會選擇新幀作為關鍵幀。這種基於關鍵幀的特徵管理策略減少了與圖像處理相關的計算成本。此外，FMSCKF 採用更頻繁的狀態向量和協方差矩陣修剪策略，從而進一步提高了速度。

主要發現：

通過使用公開數據集和真實世界實驗對 FMSCKF 進行了評估。結果表明，與原始 MSCKF 相比，FMSCKF 在位置估計方面實現了顯著的加速，同時保持了可比的準確性。具體來說，FMSCKF 的速度提高了約六倍，最終位置估計的準確度至少提高了 20%。

主要結論：

本研究證明，所提出的 FMSCKF 方法提供了一種適用於資源受限機器人的快速高效的 VIO 解決方案。通過減少與特徵提取和狀態管理相關的計算負擔，FMSCKF 允許在這些平台上進行實時操作，而不會損害準確性。

意義：

本研究對機器人領域具有重要意義，特別是在需要快速準確姿態估計的 GPS 拒絕環境中運行自主機器人的情況下。FMSCKF 的增強性能使其成為各種應用（例如無人機導航、自主駕駛和移動機器人）的理想選擇。

局限性和未來研究：

儘管 FMSCKF 顯示出巨大的潛力，但仍有一些局限性需要在未來的研究中解決。一個局限性是需要調整參數 Nfmin 以獲得最佳性能。未來的研究可以探討自適應調整此參數以適應不同環境和運動動力學的方法。此外，探索將 FMSCKF 與其他傳感器數據（例如激光雷達或深度相機）融合以進一步提高其準確性和魯棒性將是有益的。

الإحصائيات

FMSCKF 比標準 MSCKF 快大約六倍。
在最終位置估計方面，FMSCKF 比標準 MSCKF 至少準確 20%。
代數成本僅佔總計算成本的 10%。
圖像處理部分佔總計算成本的 90%。

اقتباسات

"然而，高昂的計算成本仍然是資源受限機器人的主要挑戰。"
"因此，降低這種計算成本非常重要。"
"因此，在所提出的策略中，三種不同的情況可以觸發濾波器中的更新，這些情況按頻率從高到低排列如下。"
"必須指出的是，與原始方法相比，引入的特徵邊緣化方法在實際應用中已被證明速度顯著提高且更加準確。"

الرؤى الأساسية المستخلصة من

An Improved Multi-State Constraint Kalman Filter for Visual-Inertial Odometry

by M.R. Abdolla... في arxiv.org 10-29-2024

https://arxiv.org/pdf/2210.08117.pdf

استفسارات أعمق

未來如何將 FMSCKF 與機器學習技術相結合，以進一步提高其在動態環境中的性能？

將 FMSCKF 與機器學習技術相結合，可以通過以下幾個方面來提高其在動態環境中的性能：

動態目標偵測與分割： 可以利用深度學習模型，例如卷積神經網絡（CNN）或基於 Transformer 的模型，對圖像進行實時分割，識別並去除動態目標，例如行人、车辆等。這樣可以避免動態目標對特徵跟踪和三角測量的干擾，提高定位精度。

特徵點選擇與跟踪： 可以訓練深度學習模型來預測圖像中適合跟踪的特徵點，例如具有豐富紋理、邊緣清晰的區域。或者，可以使用深度學習模型來直接預測特徵點的光流，從而提高特徵跟踪的鲁棒性和效率。

運動模型學習： 針對特定機器人和運動場景，可以利用機器學習技術學習更精確的運動模型，例如基於遞歸神經網絡（RNN）的模型。這樣可以提高 IMU 數據預測的準確性，進一步提高 FMSCKF 的定位精度。

自適應參數調整： 可以訓練機器學習模型來根據環境和運動狀態自適應地調整 FMSCKF 的參數，例如 Nfmin 和 Npmax。這樣可以使 FMSCKF 在不同環境下都能保持良好的性能。

總之，將機器學習技術與 FMSCKF 相結合，可以有效提高其在動態環境中的鲁棒性、準確性和效率。

如果將 FMSCKF 應用於計算資源極其有限的微型機器人平台，其性能會如何？

FMSCKF 雖然相較於傳統 MSCKF 已經減小了計算量，但其性能在計算資源極其有限的微型機器人平台上仍會受到限制。主要挑戰包括：

圖像處理： 特徵提取和跟踪等圖像處理操作仍然需要一定的計算資源，尤其是在高分辨率圖像和高幀率的情況下。微型機器人平台通常搭載性能較弱的處理器，難以滿足實時性要求。

矩陣運算： FMSCKF 涉及大量的矩陣運算，例如卡爾曼濾波更新步驟中的矩陣求逆和乘法。這些操作在低功耗、低内存的微型機器人平台上會消耗大量時間和能源。

内存占用： 狀態向量和協方差矩陣的大小會隨著跟踪的特徵點和相機位姿數量增加而增大，占用更多的内存空間。微型機器人平台通常内存資源有限，難以存儲大量的數據。

為了解決這些問題，可以考慮以下優化策略：

降低圖像分辨率和幀率： 可以通過降低圖像分辨率和幀率來減少圖像處理的計算量，但這也會降低定位精度。

簡化算法： 可以考慮使用更簡單的特徵提取和跟踪算法，或者使用更低維度的狀態向量和協方差矩陣。

使用定點數運算： 可以使用定點數代替浮點數進行運算，以減少計算量和内存占用。

硬件加速： 可以使用專用硬件加速器來加速圖像處理和矩陣運算。

總之，要在計算資源極其有限的微型機器人平台上應用 FMSCKF，需要對算法和硬件進行綜合優化，在性能和資源消耗之間取得平衡。

本文提出的 FMSCKF 方法是否可以用於改進其他基於濾波器的機器人應用，例如同步定位與地圖構建（SLAM）？

是的，FMSCKF 的核心思想可以應用於改進其他基於濾波器的機器人應用，例如同步定位與地圖構建（SLAM）。

狀態向量和特徵管理： 與處理相機位姿類似，FMSCKF 的狀態向量可以擴展至包含地圖特徵點，並採用類似的特徵管理策略，例如基於可見性和跟踪數量進行特徵點的選擇性更新和邊緣化，以維持有限的狀態向量規模，提高計算效率。

關鍵幀選擇： FMSCKF 中基於特徵點數量的關鍵幀選擇策略可以應用於 SLAM 中，選擇信息量更大的關鍵幀進行地圖更新，減少冗餘計算。

與其他傳感器融合： FMSCKF 可以與其他傳感器（例如激光雷達、深度相機）進行融合，以提高定位和建圖的精度和鲁棒性。例如，可以使用激光雷達或深度相機提供的深度信息來輔助特徵點的三角測量，或者使用激光雷達提供的環境信息來進行迴環檢測。

然而，將 FMSCKF 應用於 SLAM 也面臨一些挑戰：

地圖表示： SLAM 通常需要構建大規模、一致性的環境地圖，而 FMSCKF 主要關注於機器人自身的定位。因此，需要結合適當的地圖表示方法，例如佔用栅格地圖、特徵地圖等。

迴環檢測： 迴環檢測是 SLAM 中消除累積誤差的關鍵技術。需要研究如何將 FMSCKF 與迴環檢測算法相結合，例如基於圖像的迴環檢測、基於特徵的迴環檢測等。

總之，FMSCKF 的核心思想可以為其他基於濾波器的機器人應用提供有益的參考，但需要針對具體應用場景進行適當的調整和優化。