This study presents an innovative hybrid Visual-Inertial Odometry (VIO) method for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) that is resilient to environmental challenges and capable of dynamically assessing sensor reliability. Built upon a loosely coupled sensor fusion architecture, the system utilizes a novel hybrid Quaternion-focused Error-State EKF/UKF (Qf-ES-EKF/UKF) architecture to process inertial measurement unit (IMU) data. This architecture first propagates the entire state using an Error-State Extended Kalman Filter (ESKF) and then applies a targeted Scaled Unscented Kalman Filter (SUKF) step to refine only the orientation. This sequential process blends the accuracy of SUKF in quaternion estimation with the overall computational efficiency of ESKF. The reliability of visual measurements is assessed via a dynamic sensor confidence score based on metrics, such as image entropy, intensity variation, motion blur, and inference quality, adapting the measurement noise covariance to ensure stable pose estimation even under challenging conditions. Comprehensive experimental analyses on the EuRoC MAV dataset demonstrate key advantages: an average improvement of 49% in position accuracy in challenging scenarios, an average of 57% in rotation accuracy over ESKF-based methods, and SUKF-comparable accuracy achieved with approximately 48% lower computational cost than a full SUKF implementation. These findings demonstrate that the presented approach strikes an effective balance between computational efficiency and estimation accuracy, and significantly enhances UAV pose estimation performance in complex environments with varying sensor reliability.


翻译:本研究提出了一种创新的混合视觉惯性里程计方法,用于无人机在环境挑战下的鲁棒运行,并能够动态评估传感器可靠性。该系统基于松耦合传感器融合架构,采用一种新颖的混合四元数聚焦误差状态EKF/UKF架构来处理惯性测量单元数据。该架构首先使用误差状态扩展卡尔曼滤波器传播完整状态,随后应用针对性的缩放无迹卡尔曼滤波器步骤仅优化姿态。这一顺序处理过程融合了SUKF在四元数估计中的精度与ESKF的整体计算效率。视觉测量的可靠性通过基于图像熵、强度变化、运动模糊和推理质量等指标的动态传感器置信度评分进行评估,自适应调整测量噪声协方差,以确保即使在挑战性条件下也能实现稳定的位姿估计。在EuRoC MAV数据集上的综合实验分析证明了以下关键优势:在挑战性场景中位置精度平均提升49%,旋转精度相比基于ESKF的方法平均提升57%,并且以比完整SUKF实现低约48%的计算成本达到了与SUKF相当的精度。这些结果表明,所提出的方法在计算效率与估计精度之间取得了有效平衡,并显著提升了无人机在传感器可靠性多变的复杂环境中的位姿估计性能。

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