VINS论文推倒及代码解析
VINS 的功能模块可包括五个部分:数据预处理、初始化、后端非线性优化、闭环检测及闭环优化。代码中主要开启了四个线程,分别是:前端图像跟踪、后端非线性优化(其中初始化和 IMU 预积分在这个线程中)、闭环检测、闭环优化。、总体框架Measurement PreprocessingInitializationCamera(30hz)Feature Detectionnd rackerVisual-lnertialInitializedis- onlySfMAlignmentIMU (100hMU Pre-integrationLocal Visual-Inertial: OldestSliting WindowNewestNonli+、 Keyframe?OptimizationBundle Adjustment II Loop detectionwith RelocalizationStates from Loop ClosureFealure retrievel oop Deleted二二1---11------22===Global Pose Graph4-DoF Pose Graph OptimizationKeyframe DatabaseOptimization图1VINS框架ⅵINS的玏能模块可包括五个部分:数据预处理、初始化、后端非线性优化、闭环检测及闭环优化。代码中主要开启了四个线稈,分别是:前端图像跟踪、后端非线性伉化(其中初始化和IMU预积分在这个线程中)、闭环检测、闭环优化各个功能模块的作用上要有:1.I图像和MU预处理●图像:提取图像 Harris角点,利用金字塔光流跟踪相邻帧,通过 RANSAC去除异常点,最后将跟踪到的特征点push到图像队列中,并通知后端进行处理●IU:将IMU数据进行积分,得到当前时刻的位置、速度和旋转(PVQ),同时计算在后端优化中将用到的相邻帧的预积分增量,及预积分误差的 Jacobian矩阵和协方差项。1.2初始化首先,利用SFM进行纯视觉佔计滑窗內所有帧的位姿及3D点逆深度,最后与IMU预积分进行对齐求解初始化参数1.3后端滑窗优化将视觉约束、IMU约束和闭环约束放在·个大的目标函数中进行非线性优化,求解滑窗内所有帧的PVQ、bias等。L M States in the sliding windowIMU:k States from loop clos1Camera:冷 MU measurements>visual measurements★ Catur图2滑窗优化示意图14闭环检测和优化利用D)BoW进行闭环检测,当检测成功后进行重定位,最后对整个相机轨迹进行闭环优化。U预积分VisionIMUVision图3MU预积分示意图21当前时刻pVQ的连续形式将第k唢和第kl帧之间的所有IMU进行积分,可得第kHI帧的位置、速度和旋转(PVQ),作为视觉估计的初始值,这里的旋转采用的四元数。v△t+k+1∈[k,k+1]rW(at-ba ) -owletbk JtE[k, k+1]n(,-bdt∈[k,k+1]其中,a2和O为ⅠMU测量的加速度和角速度,是在Body自身坐标系, world坐标系是IMU所在的惯导系,上式的旋转公式推导可参考附录10.1。22当前时刻PVQ的中值法离散形式公式(1)给出的是连续吋刻的相机当前PVR的达代公式,为了跟代码致,下面给出基于中值法的公式,这与 Estimator:; processIMg(O函数中的Ps]、Rs]和Vs是一致的,IMU积分出来的第j时刻的物理量可以作为第j帧图像的初始值。tr t+a26t(2)ka,St其中q(a1-ba)-g"+q:+1(a+1-ba)(a;+o;+1)2.3两帧之间PVQ增量的连续形式通过观察公式(1)可知,IvU的预积分需要依赖与第k帧的ν和R,当我们在后端进行非线性优化时,需要迭代更新第κ唢的ν和R,这将导致我们需要根据每次迭代后值重新进行积分,这将非常耗吋。因此,我们考虑将优化变量从第k帧到第κ+1帧的IU预积分项中分离开来,通过对公式(1)左右两侧各乘Rb,可化简为:R(+p2k-=2△)+ak+1b其中DtElk, k+1t∈[k,k+1R k(at-bar)ldt)Wendtt∈[kk+1这样我们就得到了连续时刻的MU预积分公式,可以发现,上式得到的MU预积分的值只与不同时刻的a2和o相关。这里我们需要重新讨论下公式(5)预积分公式,以ab,为例,我们发现它是与MU的bias相关的,而bias也是我们需要优化的变量,这将导致的问题是,当每次迭代时,我们得到一个新的bias,又得根据公式(巧5)重新对第k帧和第k+1帧之间的IMU预积分,非常耗时。这里假设预积分的变化量与bias是线性关系,可以写成:ab,+/6n6ba+/16b+8 8ba +p(6)k+1sb24两帧之间PVQ增量的欧拉法离散形式面给出离散时刻的IMU预积分公式,首先按照论文中采用的欧拉法,给出第i个MU时刻与第i1个IMU时刻的变量关系为b+1k+的6t+元R(P)(1+R(P")(a2-bbn)δt25两帧之间PⅤQ增量的中值法离散形式卜面给出代码中采用的基」中值法的IMU预积分公式,这与 Estimator: processIMUO函数中的 Integration Base: push backo上是一致的。注意这里跟公式(2)是不一样的,这里积分出来的是前后两顿之间的IU增量信息,而公式(2)给出的当前帧时刻的物理量信息+1+B k St +=a, &tbb+1Bi + au1其中a,=slqilai-bai)+qiDi t aitl2.6连续形式下PVQ增量的误差、协方差及 JacobianIMU在每个吋刻积分出来的值是有误差的,下面我们对误差进行分析。首先我们直接给出在t时刻误差项的导数为:sa00016a000000-82(066hkR;0006|=00-(a-bh)0-1192k|+|000|mLL000016ba00101n000018b000F+ozk+ Gt其中:F25×15,G215×2,62x1,n12×,上式推导可参考附录102。下面我们讨论它的作用,将其可以简写为:6之k=F62z+Gtnt根据导数定义可知:62b=1m24-6262+8=62+628t=(+F6t)6z+(Gt6t)nt(11)这里我们对公式(1)的IMU误差运动方程再说明,将上式和EKF对比可知,上式恰好给出了如EKF一般对非线性系统线性化的过程,这里的意义是表示下一个时刻的IMU测量误差与上一个时刻的成线性关系,这样我们根据当前时刻的值,可以预测出下一个时刻的均值和协方差,而公式(1)给出的是均值预测,协方差预测公式如下Pb+6=(1+Ft)P(+Fl6t)7+(G,t)Q(G18t)ot(12)上式给出了协方差的选代公式,初始值Pk=0。其中,Q为表示噪声项的对角协方差矩阵000003000另外根据(11)式可获得诀差项的 Jacobian的迭代公式:(I+F26t)(14)其中 Jacobian的初始值为bk=12.7离散形式的PVQ增量误差分析我们首先直接给出PVQ增量误差在离散形式下的矩阵形式,为了与代码一致,我们修改下变量顺序,这和代码中 midPointIntegration(函数是一致的。(但不知为何计算的V中与前四个噪声项相关的差个负号?)1t fo660f106t‖loeBk+1=0f211f20016bδb0[6b102001rnot000kRkotk+1(15006t0n0000δt其中,推导可参考附录10.3:stE(ak-ba)02-4B+1(kk+121k+1b.)6t|6t2(Rr+ rk+18t2Stn=71=Rk+1(a+1-b)6tWr+ wf1=Ik+11+Gb。)δt-Rn+1(ak+121=-2配+1Stl st21(RK+Ruts)4rula1RrotstStR+1(a1R,+114/+11t28离散形式的PVQ增量误差的 Jacobian和协方差将公式(15)简写为:k+1F15×158215×1+V15×13Q则 Jacobian的迭代公式为k+15×15=F/k(16)其中, Jacobian的初始值为/k=l。这里计算出来的k+1只是为了给后面提供对bias的acoblar。协方差的迭代公式为P+15×15=FPFr+vQv(17)其中,初始值P=0。Q为表示噪声项的对角协方差矩阵:00000000aa000Q18×180a00(18)000000三、后端非线性优化31状态向量状态向量共包括滑动窗口内的n+l1个所有相机的状态(包括位置、朝向、速度、加速度计bias和陀螺仪bias)、 Camera到IMU的外参、m+1个3D点的逆深度X=[xr=pw,vb bpc,q3.2目标函数吗+(喻,2)+2(19)其中三个残差项即误差项分别为边缘化的先验信息、IMU测量残差、视觉的重投影残差。三种残差都是用马氏距离表示。根据《十四讲》中高斯牛顿法,若要计算目标函数的最小值,可以理解为,当优化变量有一个增量后,目标函数值最小,以IU残差为例,可写成如下所示:nin lre2bk, X+8Xrk x)+HSⅩDk+1oXk+1k+1其中HB,为B关于 XIK Jacobian,将上式展开并令关于6X的导数为0,可得增量δx的计算公式:H k 8X=k+1TB那么,公式(28)可写成+∑+∑Tk∑1rc上式中,B为MU预积分噪声项的协方差,P为vual观测的噪声协方差。当MU的噪声协方差P越大时,其信息矩阵Pk,将越小,意味着该MU观测越不可信,换句话说,因MU噪声较大,越不可信IMU预积分数据,而更加相信 visual观测。注意,这里的IMU和vsua协方差的绝对值没有意义,因为考虑得是两者的相对性可将上式继续简化为:(Ap+AB +Acox=bp +bB +bc其中,Ap,AB和Ac为 Hessian矩阵,上述方程称之为增量方程。33MU约束1)残差:两帧之间的PVQ和bias的变化量的差△tx+k+1bk qbk+1bR+1 xyz+g"△t)-Bk(20)sbbbb其中各增量关于bias的 Jacobian可从公式(16)的大 Jacobian中的相应位置获得。上面与代码中 Integration base: evaluateD对应,2)优化变量pb, 0W, Svb ,8ba:,bor Opb,, 80W ,Swb,, bakr, Sba3)Jacobian:计算 Jacobian时,残差对应求偏导对象分别为p6e,6vB,6h,ba],6b,6b
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西门子wincc中文系统基本操作手册.pdf
详尽介绍西门子组态软件安装、功能、及使用，SIEMENSVolume 1前言系统概述2SIMATIC HM授权3Wincc手册Wincc资源管理器4概述5常规信息6第一册用户管理器7Volume 2图形编辑器8报誓记录9变量记录10文本库全局脚本12订货号:6AV6392-1XA05-0BA1交叉索引13Winco°、 SIMATIC°、S|NEC°、STEP°是西门子注册商标木手册中所有其它的产品和系统名称是(注册的)其各自拥有者的商标,必须被相应地对待。(若没有快速写入权限,不允许对本文件或其内容迂行复制、传送或(我们已检查了本手册的内容,使其与硬仁和软件所擢述使用的相致。由于不可能完全消除差错,我们也不能保证完违犯老将要对损坏负责任。保留所有板利,包括由专利授权创建的权全的一致性。然而,本手册中的数据是经常规检查的,在利,对实用新型或设计的注册。)以后的版本中包括了必要的修正。欢迎给我们提出建议以便改进。)SIemens AG1994-2000保留所有权利改变的技术数据前言目的Winco用户指南描述:Wincc的结构、功能及其组件如何建立指定系统的 Winco项目如何在运行系统中使用 Wincc该用户指南适用于 WinCc v5。信息编排该用户指南是 SIMAIIC HM文档的一部分。下面列出了所有 Win cc文档。安装基砧基本组态手册通讯手册通道文档用户归档Pro Agent冗余户札服务器基本过程控制过程控制过程控制运行系统道道支持于发商具箱工具刖舌文档目录入门组态实例引导初学者按步骤执行项目,并全面介绍了 Win cC的功能。Wincc v5提供以下信息第一册Wincc中的相互联系系统总览软件保护●软件保护如何发挥作用控制中心●操作结构、方法和使用 Wincc资源管理器服务器数据变量和变量组通道CC和过程之间的通讯报表编辑器●在报表编辑器中创建和编辑打印布局用户管理员在用户管理员中分配用户权限第二册●在图形编辑器中生成过程映射图形编辑器在报警记录中组态、处理和归档消息报警记录●在变量记录中组态、处理和归档测量值变量记录文本库在文本库中组态多种语言文本全局脚本在全局脚本中编译C函数和动作交叉索引用交叉索引生成交叉索引列表组态手册提供以卜信息册举例说明在 Wincc中组态组态的特殊方面脚本、C函数和动作(C教程)的开发环境全局库中的图形对象通讯手册提供以下信息册通过 PROFIBUS、工业以太网和OPC链接到S|MATC通讯驱动程序以及通过实例说明如何组态驱动程序●组态的特殊方面通道描述提供通讯驱动程序信息在自动系统中寻址变量为通讯伙伴设置参数前言文档‖目录Winco选项提供选项信息用户归档用户归档:创建和使用用户归档客户机服务器●客户机服务器:客户机/服务器系统中WnCC的结构和冗余使用●冗余:冗余系统的结构和使用ProAgent提供 ProAgent选项(过程诊断)信息如何组态系统过程诊断如何追踪过程错误并识别其原因基本过程控制提供 Wincc过程控制选项信息存储●画面树管理器分屏管理器芯片卡设备状态监控视频●时间同步过程控制运行系统提供WnCC过程控制选项信息●运行系统操作开放式开发商工具箱说明程序员如何使用WmCc的AP功能以及如何访间数据通道开发商工具箱说明如何开发将 Winco连接到任一目标系统的通讯驱动程刖舌附加支持如果在操作中遇到问题请立即与我们联系。如果在解决问题中需要帮助,请拨49911895-7000。记住于头备有软件|号:该号码在软件产品卡中如果授权夭失或损坏,请通过电话与客户支持部联系,以便“修复”授权。电话号码是+49911895-7200。SIMATIC产品信息S|MATC客户支持部通过在线服务提供广泛的 SIMATIC产品附加信息:用户可获得常规最新信息通过Internethttp://www.ad.siemenscom/wincc通过传真号码+4987659302779500对操作可能有所帮助的最新产品信息和下载信息:iliidInternethttp://www.ad.siemens.de/support/htm1-00/index.shtm1通过纽伦堡电子公告牌系统 SIMATIC客户支持信箱):号码是+49911895-7100若需要拨号进入我们的信箱,请使用最高波特率不超过28,800bps(也就是说至多∨34)的调制解调器,并将其参数设置为8、N、1、ANS|,或通过|SDN(×75,64KB)拨号进入。SIEMENSVolume 1前言系统概述2SIMATIC HM授权3Wincc手册Wincc资源管理器4概述5常规信息6第一册用户管理器7Volume 2图形编辑器8报誓记录9变量记录10文本库全局脚本12订货号:6AV6392-1XA05-0BA1交叉索引13Winco°、 SIMATIC°、S|NEC°、STEP°是西门子注册商标木手册中所有其它的产品和系统名称是(注册的)其各自拥有者的商标,必须被相应地对待。(若没有快速写入权限,不允许对本文件或其内容迂行复制、传送或(我们已检查了本手册的内容,使其与硬仁和软件所擢述使用的相致。由于不可能完全消除差错,我们也不能保证完违犯老将要对损坏负责任。保留所有板利,包括由专利授权创建的权全的一致性。然而,本手册中的数据是经常规检查的,在利,对实用新型或设计的注册。)以后的版本中包括了必要的修正。欢迎给我们提出建议以便改进。)SIemens AG1994-2000保留所有权利改变的技术数据
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