Invariant Extended Kalman Filter for Autonomous Surface Vessels with Partial Orientation Measurements

要約

自律型表面容器（ASV）は、海洋科学にとってますます不可欠であり、水中マッピングと検査のための堅牢なプラットフォームを提供しています。
特に車両ポーズの正確な状態推定は、正確な海底マッピングにとって最も重要です。小さな表面偏差でさえ、海底を下に感知すると大きな結果をもたらす可能性があるためです。
この課題に対処するために、部分的な方向測定を統合するために設計された不変の拡張カルマンフィルター（INEKF）フレームワークを提案します。
従来の推定は、しばしば固定ランドマークに対する相対的な位置測定に依存していますが、外洋ASVは主に後退地平線を観察します。
前向きのモノクラーカメラを活用して、この地平線に関してロールとピッチを推定します。
INEKF内でこれらの測定値を効果的に利用するために、このような部分的な方向データを組み込むための新しいフレームワークを紹介します。
このアプローチは、完全な方向の測定値を想定している従来のINEKF実装とは対照的であり、特に「船乗りの飛行機」に制約されている平面車両の動きに関連しています。
このペーパーでは、開発されたINEKFフレームワークについて詳しく説明しています。
Horizo​​nベースのロール/ピッチ観測とDual-Antenna GPSの測定測定とASV状態推定の測定値との統合。
完全な方向と乗法EKF（MEKF）を使用して、INEKFに対する比較分析を提供します。
我々の結果は、外洋環境での正確なASV状態推定のために提案された部分方向測定の有効性と堅牢性を示しています。

要約(オリジナル)

Autonomous surface vessels (ASVs) are increasingly vital for marine science, offering robust platforms for underwater mapping and inspection. Accurate state estimation, particularly of vehicle pose, is paramount for precise seafloor mapping, as even small surface deviations can have significant consequences when sensing the seafloor below. To address this challenge, we propose an Invariant Extended Kalman Filter (InEKF) framework designed to integrate partial orientation measurements. While conventional estimation often relies on relative position measurements to fixed landmarks, open ocean ASVs primarily observe a receding horizon. We leverage forward-facing monocular cameras to estimate roll and pitch with respect to this horizon, which provides yaw-ambiguous partial orientation information. To effectively utilize these measurements within the InEKF, we introduce a novel framework for incorporating such partial orientation data. This approach contrasts with traditional InEKF implementations that assume full orientation measurements and is particularly relevant for planar vehicle motion constrained to a ‘seafaring plane.’ This paper details the developed InEKF framework; its integration with horizon-based roll/pitch observations and dual-antenna GPS heading measurements for ASV state estimation; and provides a comparative analysis against the InEKF using full orientation and a Multiplicative EKF (MEKF). Our results demonstrate the efficacy and robustness of the proposed partial orientation measurements for accurate ASV state estimation in open ocean environments.

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