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ICP算法在3D点云配准中的应用研究 被引量:89
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作者 杨现辉 王惠南 《计算机仿真》 CSCD 北大核心 2010年第8期235-238,共4页
三维点云配准是逆向工程中的关键。为提配准确度,提出了一种基于曲率特征点的ICP改进算法。算法在初始配准的基础上,采用二次曲面逼近的方法求得每一点的方向矢量和曲率,利用据曲率确定特征点集,并根据方向矢量调整对应关系,减少了ICP... 三维点云配准是逆向工程中的关键。为提配准确度,提出了一种基于曲率特征点的ICP改进算法。算法在初始配准的基础上,采用二次曲面逼近的方法求得每一点的方向矢量和曲率,利用据曲率确定特征点集,并根据方向矢量调整对应关系,减少了ICP算法的搜索量,提高了ICP算法的效率。针对目标函数,引入Niloy坐标框架,可以根据点云距离调整收敛速度和配准精度。改进后的算法在精确度基本不受影响的情况下提高了配准速度,进行仿真实验。实验验证了配准效果和算法的稳定性。 展开更多
关键词 点云配准 迭代最近点 曲率 四元数
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基于四元数改进型互补滤波的MEMS姿态解算 被引量:78
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作者 陈孟元 谢义建 陈跃东 《电子测量与仪器学报》 CSCD 北大核心 2015年第9期1391-1397,共7页
针对四旋翼飞行器的姿态解算问题,设计了由STM32、陀螺仪、加速度计等组成的姿态测量单元,采用四元数法对姿态角进行描述,详细分析了姿态解算的过程,建立了系统及传感器模型,并在互补滤波算法的基础上,构造了一种改进型互补滤波器来完... 针对四旋翼飞行器的姿态解算问题,设计了由STM32、陀螺仪、加速度计等组成的姿态测量单元,采用四元数法对姿态角进行描述,详细分析了姿态解算的过程,建立了系统及传感器模型,并在互补滤波算法的基础上,构造了一种改进型互补滤波器来完成姿态解算。实验测试表明,与传统的卡尔曼滤波算法和互补滤波算法比较,改进型互补滤波算法的数据平滑能力更强,收敛速度更快,有效地实现了飞行器姿态数据的融合,提高飞行器的姿态估计精度,满足了小型四旋翼飞行器姿态控制的要求,增强了系统的鲁棒性与稳定性。同时通过实际飞行实验,验证了算法的可行性。 展开更多
关键词 四旋翼飞行器 互补滤波 四元数 卡尔曼滤波 姿态解算
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三维转动的四元数表述 被引量:53
3
作者 刘俊峰 《大学物理》 北大核心 2004年第4期39-43,62,共6页
用四元数表达三维的旋转与使用矩阵相比具有两个优点:第一,几何意义明确;第二,计算简单.因此,四元数在数学、物理学和计算机图形学中具有很高的应用价值.本文详细叙述了四元数的这一功能,讨论了四元数的定义、运算、性质、几何意义和它... 用四元数表达三维的旋转与使用矩阵相比具有两个优点:第一,几何意义明确;第二,计算简单.因此,四元数在数学、物理学和计算机图形学中具有很高的应用价值.本文详细叙述了四元数的这一功能,讨论了四元数的定义、运算、性质、几何意义和它的3种表达形式,给出了使用四元数处理点的各种几何变换的一般结论. 展开更多
关键词 四元数 矢量 旋转
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一种新的全角度四元数与欧拉角的转换算法 被引量:49
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作者 张帆 曹喜滨 邹经湘 《南京理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2002年第4期376-380,共5页
传统的四元数和欧拉角之间的转换只能是 3个轴的欧拉角都在± 90°之间取值 ,或者 2个轴的欧拉角在± 180°之间 ,另一个轴在± 90°之间取值 ,因而不能实现全角度的四元数与欧拉角之间的转换。该文提出了一个... 传统的四元数和欧拉角之间的转换只能是 3个轴的欧拉角都在± 90°之间取值 ,或者 2个轴的欧拉角在± 180°之间 ,另一个轴在± 90°之间取值 ,因而不能实现全角度的四元数与欧拉角之间的转换。该文提出了一个新的转换算法 ,该算法能在 3个轴的欧拉角都在± 180°之间进行四元数与欧拉角的转换。仿真结果显示 。 展开更多
关键词 转换算法 四元数 姿态控制 欧拉角 飞行器 全角度转换
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基于卡尔曼滤波的航姿参考系统设计 被引量:56
5
作者 吴涛 白茹 +1 位作者 朱礼尧 钱正洪 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第4期531-535,共5页
针对传统的航姿参考系统AHRS(Attitude and Heading Reference System)中姿态角精度不高的问题,设计了一种新型的基于卡尔曼滤波的姿态检测系统。该系统采用了三轴磁传感器、三轴陀螺仪及三轴加速度计,用四元数的方法来描述载体运动的姿... 针对传统的航姿参考系统AHRS(Attitude and Heading Reference System)中姿态角精度不高的问题,设计了一种新型的基于卡尔曼滤波的姿态检测系统。该系统采用了三轴磁传感器、三轴陀螺仪及三轴加速度计,用四元数的方法来描述载体运动的姿态,通过陀螺仪测姿态四元数,卡尔曼滤波算法融合加速度计和磁传感器数据,对姿态四元数进行修正,从而提高姿态解算精度。实验数据表明,系统能够较好修正陀螺仪漂移,且三个角度的均方根误差均优于0.25°,具有良好的噪声抑制能力。 展开更多
关键词 传感器 航姿参考系统 卡尔曼滤波 四元数 陀螺仪 加速度计 磁传感器
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四元数方法及其应用 被引量:43
6
作者 肖尚彬 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 1993年第2期249-260,共12页
本文全面地评述了四元数方法及其在现代科学技术中的应用,指出四元数具有其他定位参数和变换算子的综合优点和综合功能,不仅在刚体动力学中有广泛的用途,而且在一般多体系统的力学分析和控制中也有极其广阔的应用前景。
关键词 四元数 定位参数 多体系统
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从运动捕获数据中提取关键帧 被引量:44
7
作者 沈军行 孙守迁 潘云鹤 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2004年第5期719-723,共5页
在四元数表示下导出了两个旋转之间差异的一种简单形式 ,将人体各关节上总的旋转变化作为帧间距 ,设计了一种从运动捕获数据中提取关键帧的高效算法 通过向量的线性插值和四元数的球面线性插值重建了原始动画 实验表明 ,该算法具有很好... 在四元数表示下导出了两个旋转之间差异的一种简单形式 ,将人体各关节上总的旋转变化作为帧间距 ,设计了一种从运动捕获数据中提取关键帧的高效算法 通过向量的线性插值和四元数的球面线性插值重建了原始动画 实验表明 ,该算法具有很好的数据压缩效果 。 展开更多
关键词 关键帧 计算机动画 运动编辑 运动捕获 四元数
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姿态运动的Rodrigues参数描述 被引量:37
8
作者 周江华 苗育红 王明海 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2004年第5期514-519,共6页
详细介绍了刚体姿态运动的Rodrigues参数描述,指出了Rodrigues参数的许多新特性,定义了Ro drigues参数的乘法及相关的代数运算,给出了坐标变换的Rodrigues参数乘法描述,推导了Rodrigues参数描述的姿态运动学微分方程及逆运动方程,并给出... 详细介绍了刚体姿态运动的Rodrigues参数描述,指出了Rodrigues参数的许多新特性,定义了Ro drigues参数的乘法及相关的代数运算,给出了坐标变换的Rodrigues参数乘法描述,推导了Rodrigues参数描述的姿态运动学微分方程及逆运动方程,并给出了Rodrigues参数与其他常用姿态描述之间的转换公式。文中指出用Ro drigues参数描述姿态转动具有简洁、直观的优点,而且Rodrigues参数描述的微分方程结构简洁、无多余的约束,其计算效率优于当前广泛应用的四元数方法。文末介绍了Rodrigues参数在弹道导弹捷联姿态实时解算中的应用,基于Rodrigues参数的捷联姿态算法在计算精度、内存消耗上均优于目前弹上计算机使用的四元数递推算法,且计算量仅相当于后者的一半。 展开更多
关键词 坐标变换 姿态 欧拉角 四元数 捷联惯导系统
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四元数在刚体姿态仿真中的应用研究 被引量:41
9
作者 周江华 苗育红 +1 位作者 李宏 孙国基 《飞行力学》 CSCD 北大核心 2000年第4期28-32,共5页
以对称重陀螺为例 ,探讨了四元数在刚体姿态仿真中的应用及应用中存在的问题。指出姿态用四元数描述具有解算速度快、不会出现奇异的优点 ,但四元数方程中隐含的约束是微分形式 ,导致其对仿真时间步长有严格的限制 ,这在一定程度上限制... 以对称重陀螺为例 ,探讨了四元数在刚体姿态仿真中的应用及应用中存在的问题。指出姿态用四元数描述具有解算速度快、不会出现奇异的优点 ,但四元数方程中隐含的约束是微分形式 ,导致其对仿真时间步长有严格的限制 ,这在一定程度上限制了它的应用。最后讨论了用四元数实现姿态描述惟一性的问题 ,并提出了“标准”四元数的概念。 展开更多
关键词 四元数 姿态 陀螺 仿真
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基于四元数EKF的低成本MEMS姿态估计算法 被引量:45
10
作者 贾瑞才 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第1期90-95,共6页
低成本MEMS器件具有低精度高噪声特点,其误差随时间不断累加,无法满足长时间载体姿态测量要求,针对此问题,设计了基于四元数扩展卡尔曼滤波器EKF(Extended Kalman Filter)的姿态估计算法。该算法将姿态四元数作为EKF滤波器状态,应用测... 低成本MEMS器件具有低精度高噪声特点,其误差随时间不断累加,无法满足长时间载体姿态测量要求,针对此问题,设计了基于四元数扩展卡尔曼滤波器EKF(Extended Kalman Filter)的姿态估计算法。该算法将姿态四元数作为EKF滤波器状态,应用测量的角速率完成滤波器时间更新;应用载体所处位置的重力场与地磁场数据,完成滤波器量测更新,抑制了姿态误差发散,解决了长时间姿态测量问题。为检验算法可行性,分别开展了转台精度实验与静态实验,实验结果表明:俯仰、横滚角精度优于0.1°,航向角精度优于0.2°,2 h内静态试验期间姿态角误差标准差为0.07°,无发散问题,具备长时间姿态测量要求。 展开更多
关键词 四元数 姿态估计
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基于共轭梯度法和互补滤波相结合的姿态解算算法 被引量:42
11
作者 孙金秋 游有鹏 傅忠云 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第4期524-528,共5页
为了提高姿态解算精度,提出了一种基于共轭梯度和互补滤波相结合的多传感器数据融合策略。系统采用四元数方法进行姿态解算。利用加速度计和磁强计的输出数据,通过共轭梯度方法对姿态四元数进行寻优估计,再将其和利用陀螺仪输出数据更... 为了提高姿态解算精度,提出了一种基于共轭梯度和互补滤波相结合的多传感器数据融合策略。系统采用四元数方法进行姿态解算。利用加速度计和磁强计的输出数据,通过共轭梯度方法对姿态四元数进行寻优估计,再将其和利用陀螺仪输出数据更新的四元数进行互补滤波,解算出姿态角。实验测试表明,这种融合策略使姿态检测系统静态性能和和动态性能均有所提高,尤其在姿态剧烈变化时,其性能明显优于卡尔曼滤波和梯度下降法。 展开更多
关键词 传感器 姿态估计 共轭梯度法 互补滤波 四元数
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基于四元数和卡尔曼滤波的两轮车姿态稳定方法 被引量:41
12
作者 叶锃锋 冯恩信 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第4期524-528,共5页
针对自平衡两轮车姿态角的在线估计问题,采用四元数的姿态解算算法,利用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法对自平衡两轮车陀螺仪信号拟合,建立了随机漂移误差数学模型,应用卡尔曼滤波融合陀螺仪和加速度计输出的信号,补偿了陀螺仪输... 针对自平衡两轮车姿态角的在线估计问题,采用四元数的姿态解算算法,利用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法对自平衡两轮车陀螺仪信号拟合,建立了随机漂移误差数学模型,应用卡尔曼滤波融合陀螺仪和加速度计输出的信号,补偿了陀螺仪输出角速度的随机漂移误差,得到了自平衡两轮车姿态的最优估计。实验结果表明,这种姿态估计算法是有效的,有利于车体的自平衡控制。 展开更多
关键词 传感器 姿态估计 四元数 卡尔曼滤波 随机漂移
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基于四元数的MARG传感器姿态测量算法 被引量:39
13
作者 刘兴川 张盛 +1 位作者 李丽哲 林孝康 《清华大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第5期627-631,共5页
陀螺仪的漂移、载体的线性加速度和周围局部磁场的干扰是制约MARG传感器姿态测量精度的主要问题,传统的方法利用滤波算法和零速修正技术来减小姿态测量误差。该文基于已有的惯性测量单元,设计了一个基于四元数的扩展Kalman滤波器,通过建... 陀螺仪的漂移、载体的线性加速度和周围局部磁场的干扰是制约MARG传感器姿态测量精度的主要问题,传统的方法利用滤波算法和零速修正技术来减小姿态测量误差。该文基于已有的惯性测量单元,设计了一个基于四元数的扩展Kalman滤波器,通过建立MARG传感器模型,引入传感器偏差补偿和自适应的测量噪声协方差矩阵构造方法来提高姿态测量精度,减小载体线性加速度和周围局部磁场的干扰,实现三自由度的姿态测量。基于惯性测量单元(IMU)的实验结果表明了本文所提算法能显著提高姿态测量精度。 展开更多
关键词 四元数 扩展Kalman滤波 惯性测量单元 姿态 陀螺仪
原文传递
一种自适应互补滤波姿态估计算法 被引量:37
14
作者 王立 章政 孙平 《控制工程》 CSCD 北大核心 2015年第5期881-886,共6页
针对微型四旋翼飞行器捷联惯性导航姿态解算中低成本MEMS器件易发散导致姿态漂移问题,基于四元数姿态更新算法,提出了一种自适应互补滤波姿态估计算法,该算法利用MEMS器件中的加速度计补偿陀螺仪偏差引起的姿态漂移误差,并根据陀螺仪频... 针对微型四旋翼飞行器捷联惯性导航姿态解算中低成本MEMS器件易发散导致姿态漂移问题,基于四元数姿态更新算法,提出了一种自适应互补滤波姿态估计算法,该算法利用MEMS器件中的加速度计补偿陀螺仪偏差引起的姿态漂移误差,并根据陀螺仪频率响应的截止角速度分段调整补偿系数。最后,基于ARM Cortex-M3内核设计了微型四旋翼飞行器,实验结果表明,该自适应互补滤波算法能有效、实时地跟踪四旋翼飞行器的三维姿态,提高姿态解算的测量精度,实现了飞行器的自主悬停。 展开更多
关键词 自适应互补滤波 四旋翼飞行器 姿态解算 四元数
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捷联惯导姿态算法若干问题的研究 被引量:11
15
作者 张士邈 刘放 秦永元 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 2002年第2期1-6,共6页
研究了捷联系统姿态更新的等效旋动矢量算法,并以锥运动为条件,对等效旋动矢量算法进行了优化。此外还对四元数、旋动矢量及其优化算法进行了仿真比较,仿真结果表明:等效转动矢量算法的精度明显优于四元数算法,且等效转动矢量的采样频... 研究了捷联系统姿态更新的等效旋动矢量算法,并以锥运动为条件,对等效旋动矢量算法进行了优化。此外还对四元数、旋动矢量及其优化算法进行了仿真比较,仿真结果表明:等效转动矢量算法的精度明显优于四元数算法,且等效转动矢量的采样频率越高,姿态更新算法的精度就越高。 展开更多
关键词 捷联惯导系统 锥运动 四元数 等效旋动矢量 仿真比较 采样频率 姿态更新算法
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基于四元数分数阶方向微分的图像增强 被引量:32
16
作者 高朝邦 周激流 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2011年第2期150-159,共10页
根据已有的四元数和分数阶微分的知识,以及它们在现代信号处理中的应用,推导出一种新知识:四元数分数阶方向微分,并将其应用于图像增强.该方法首先将一幅彩色图像用一个四元数函数表示,给出四元数函数的分数阶方向微分的定义和计算方法... 根据已有的四元数和分数阶微分的知识,以及它们在现代信号处理中的应用,推导出一种新知识:四元数分数阶方向微分,并将其应用于图像增强.该方法首先将一幅彩色图像用一个四元数函数表示,给出四元数函数的分数阶方向微分的定义和计算方法,继而推导出沿八个方向的四元数分数阶方向导数的数值计算模板,并根据八个方向的分数阶导数求出图像平面中各点的四元数分数阶方向微分的矩的最大值,以该最大值代替该点的像素值,从而得到增强后的图像.实验结果表明,该方法应用于图像增强能使图像边缘明显突出、纹理更加清晰和图像平滑区域信息得以非线性保留,其视觉效果明显优于传统的微分锐化方法. 展开更多
关键词 四元数 分数阶微分 四元数分数阶方向微分 分数阶驻点 灰度投影
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基于四元数互补滤波的无人机姿态解算 被引量:32
17
作者 吕印新 肖前贵 胡寿松 《燕山大学学报》 CAS 2014年第2期175-180,共6页
针对无人机低成本姿态解算这一基本问题,考虑到传统姿态算法运算量大、不易调试,采用微惯性单元(MEMS)测量无人机原始姿态数据,采用基于四元数的互补滤波算法,有效降低姿态解算的运算量,实现MEMS各传感器的信息融合。从理论上证明了基... 针对无人机低成本姿态解算这一基本问题,考虑到传统姿态算法运算量大、不易调试,采用微惯性单元(MEMS)测量无人机原始姿态数据,采用基于四元数的互补滤波算法,有效降低姿态解算的运算量,实现MEMS各传感器的信息融合。从理论上证明了基于四元数的互补滤波器的稳定性,分析了滤波器的性能。采用无人机真实数据验证了算法的有效性,解算得到的俯仰角、滚转角精度小于1°,航向角精度小于2°。与传统姿态算法比较,本算法简单有效、运算量小、易于调试。 展开更多
关键词 姿态 四元数 互补滤波 稳定性分析
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四旋翼飞行器航姿测量系统的数据融合方法 被引量:32
18
作者 张浩 任芊 《兵工自动化》 2013年第1期28-31,共4页
针对小型四旋翼飞行器航姿测量系统中MEMS器件精度低、易发散等问题,提出一种新的数据融合方法,对航姿测量系统中陀螺仪、加速度计和电子罗盘的输出数据进行融合。利用MEMS惯性测量元件搭建了一个低成本航姿测量系统,分析了姿态解算的... 针对小型四旋翼飞行器航姿测量系统中MEMS器件精度低、易发散等问题,提出一种新的数据融合方法,对航姿测量系统中陀螺仪、加速度计和电子罗盘的输出数据进行融合。利用MEMS惯性测量元件搭建了一个低成本航姿测量系统,分析了姿态解算的过程和难点,采用基于梯度下降的姿态融合算法,对四元数更新方程进行了补偿。实验结果表明:与目前常用的卡尔曼滤波算法相比,基于梯度下降的数据融合算法能显著降低对处理器速度和精度的要求,能有效融合航姿测量单元的传感器数据,提高小型四旋翼飞行器的姿态测量精度。 展开更多
关键词 四旋翼飞行器 姿态解算 数据融合 四元数 梯度下降
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基于GVF和Snake模型的高分辨率遥感图像四元数空间道路提取 被引量:32
19
作者 唐伟 赵书河 《遥感学报》 EI CSCD 北大核心 2011年第5期1040-1052,共13页
基于Snake模型的优势及缺陷,提出一种高分辨率多光谱图像道路提取方法。通过建立多光谱图像信息的四元数表达式,解决Snake模型应用于多光谱图像的局限性;通过多光谱图像四元数空间标记分水岭分割,获取道路初始轮廓,解决道路初始边界设... 基于Snake模型的优势及缺陷,提出一种高分辨率多光谱图像道路提取方法。通过建立多光谱图像信息的四元数表达式,解决Snake模型应用于多光谱图像的局限性;通过多光谱图像四元数空间标记分水岭分割,获取道路初始轮廓,解决道路初始边界设置问题;通过梯度矢量流模型迭代求解,解决道路凹陷位置逼近问题,最终实现道路提取。用QuickBird 高分辨率多光谱遥感数据验证方法的可行性,与直接采用Snake 模型进行道路提取结果相比,本文所提出的方法对于高分辨率影像上的高等级道路提取具有较好的精度。 展开更多
关键词 道路提取 四元数 边缘检测 分水岭变换 GVF SNAKE
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用四元数状态切换无迹卡尔曼曼滤滤波器估计的飞行器姿态 被引量:31
20
作者 乔相伟 周卫东 吉宇人 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第1期97-103,共7页
在较大初始姿态误差角下,针对捷联惯导/CCD星敏感器(strap-intertial navigation system/CCD star sensor,SINS/CCD)姿态估计系统扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)算法精度下降的问题,提出了基于四元数的状态切换无迹卡尔曼... 在较大初始姿态误差角下,针对捷联惯导/CCD星敏感器(strap-intertial navigation system/CCD star sensor,SINS/CCD)姿态估计系统扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)算法精度下降的问题,提出了基于四元数的状态切换无迹卡尔曼滤波算法.通过状态实时切换降低了全维无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)的维数,减小了计算复杂度,提高了系统的实时性.文中采用基于特征向量求解的代价函数法计算四元数均值避免了UKF算法中四元数规范化的限制;利用乘性误差四元数表示姿态更新点与估计点之间的距离,解决了四元数协方差阵奇异性问题.仿真实验结果表明:与EKF相比,该算法在精度上有较大提高;与全维UKF算法和修正罗德里格斯参数UKF算法相比,该算法精度相当但估计时间均有不同程度的减少. 展开更多
关键词 姿态估计 状态切换无迹卡尔曼滤波 四元数 均值四元数 乘性误差四元数
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