Dual quaternions and dual quaternion matrices are widely used in robotics research, particularly in simultaneous localization and mapping (SLAM) problem. Using dual quaternion theory and graph-based methods, SLAM can be reformulated as a rank-one dual quaternion Hermitian matrix completion problem, known as the pose graph optimization (PGO) problem. Recently, Qi and Cui introduced a two-block coordinate descent method to solve this reformulated problem. In this paper, we enhance this method by reformulating the PGO problem under the more appropriate and robust F*-norm rather than the conventional Frobenius norm, leading to improved experimental accuracy. We show that under the F*-norm, one block has a closed-form solution and another is the optimal rank-one approximation of dual quaternion Hermitian matrices under the F*-norm. We derive an explicit solution for this approximation and present an efficient algorithm to compute it. To further enhance the two-block coordinate descent method, we introduce proper parameter selection, stagnation-based termination criteria and an effective spectral initialization strategy. Extensive numerical experiments demonstrate that our refinements deliver superior accuracy, faster computation, and higher success rates, particularly in low-observation settings. In particular, using the F*-norm outperforms the traditional F-norm, underscoring its ability to more faithfully capture the magnitude of the dual parts of dual quaternion matrices.


翻译:对偶四元数及其矩阵在机器人学研究中广泛应用,尤其在同步定位与建图(SLAM)问题中。利用对偶四元数理论与基于图的方法,SLAM可重构为秩一对偶四元数埃尔米特矩阵补全问题,即位姿图优化(PGO)问题。近期,齐与崔提出采用双块坐标下降法求解该重构问题。本文通过将PGO问题重构于更适宜且鲁棒的F*范数(而非传统Frobenius范数)下对该方法进行改进,从而提升了实验精度。我们证明在F*范数下,一个子问题具有闭式解,另一子问题则等价于F*范数下的对偶四元数埃尔米特矩阵最优秩一逼近。我们推导了该逼近问题的显式解,并提出高效计算算法。为进一步增强双块坐标下降法,我们引入了合理的参数选择策略、基于停滞现象的终止准则以及有效的谱初始化策略。大量数值实验表明,我们的改进方案在精度、计算速度与成功率方面均表现更优,尤其在低观测数据场景下。特别指出,采用F*范数显著优于传统F范数,这印证了其能更精确刻画对偶四元数矩阵对偶部分量级的能力。

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