Análisis de Observabilidad de INS Asistida con Características Heterogéneas de Puntos, Líneas y Planos

En este artículo, realizamos un exhaustivo análisis de observabilidad para sistemas de navegación inercial (INS) linealizados asistidos por sensores exteroceptivos de rango y/o dirección (como cámaras, LiDAR y sonares) con diferentes características geométricas (puntos, líneas, planos o sus combinaciones). En particular, al revisar representaciones comunes de características geométricas, introducimos dos conjuntos de representaciones de características unificadas, es decir, las parametrizaciones de cuaterniones y de punto más cercano (CP). Aunque la observabilidad de INS asistidos por visión (VINS) con características de punto ha sido ampliamente estudiada en la literatura, mostramos analíticamente que el INS asistido general con características de punto preserva la misma propiedad de observabilidad, es decir, cuatro direcciones no observables, correspondientes al giro global y a la traducción global de la plataforma del sensor. Además, probamos que hay al menos cinco (o siete) direcciones no observables para el INS asistido linealizado con una sola característica de línea (plano), y, por primera vez, derivamos analíticamente el subespacio no observable para el caso de múltiples líneas o planos. Basándonos en este análisis para características homogéneas, examinamos la observabilidad del mismo sistema pero con combinaciones de características heterogéneas, y mostramos que, en general, el sistema preserva al menos cuatro direcciones no observables, mientras que si hay mediciones globales disponibles, como se esperaba, el subespacio no observable tendrá dimensiones más bajas. Validamos nuestro análisis en simulaciones de Monte-Carlo utilizando tanto SLAM visual-inercial basado en EKF como odometría visual-inercial (VIO) con diferentes características geométricas.