SLAM初学-李群与李代数

date
Sep 2, 2021
Last edited time
Sep 5, 2021 10:59 AM
status
Published
slug
SLAM初学-李群与李代数
tags
SLAM
summary
type
Post
Field
Plat
  1. 三维旋转矩阵构成的特殊正交群
  1. 变换矩阵构成的特殊欧式群

李群的定义

群 - 维基百科,自由的百科全书
很多熟知的數學結構比如數系統都遵从群公理,例如 整數配備上 加法運算就形成一個群。如果将群公理的公式從具体的群和其運算中抽象出來,就使得人们可以用靈活的方式来處理起源于 抽象代數 或其他许多数学分支的實體,而同时保留對象的本質結構性质。 群與 对称性有密切的联系。例如, 對稱群描述了几何体的对称性:它是保持物體不變的變換的集合。 李群应用于 粒子物理的 标准模型之中;庞加莱群也是李群,能表达 狭义相对论中的对称性; 点群能帮助理解 分子化学中的对称现象 。 群的概念产生自 多項式 方程的研究,由 埃瓦里斯特·伽罗瓦在19世纪30年代開創。在得到來自其他領域如 數論和 幾何学的貢獻之后,群概念在1870年左右形成并牢固建立。現代 群論是非常活躍的數學學科,有自己独特的研究方法。為了研究群,數學家發明了 各種概念來把群分解成更小的、更好理解的部分,比如 子群、 商群和 單群。除了它們的抽象性質,群论還研究表示群的各種具體方式( 群表示论和 计算群论)。對 有限群已經發展出了特別豐富的理論,這在2004年完成的 有限簡單群分類中達到頂峰。从1980年代中叶以来,将 有限生成群作为几何对象来研究的 几何群论 ,成为了群论中一个特别活跃的分支。 群运算的次序很重要,把元素 a與元素 b结合,所得到的结果不一定与把元素 b與元素 a结合相同;亦即,(交换律)不一定恒成立。满足交换律的群称为交换群( 阿貝爾群,以 尼尔斯·阿贝尔 命名),不满足交换律的群称为非交换群(非阿贝尔群)。 整数加法群中,對于任何兩個整數都有 (加法的 交換律)成立,因此,整数加法群是交换群。但是 對稱群 中交换律并不总是成立,所以一般的对称群不是交换群。 群G的单位元经常记做1或,这个记号来自 乘法单位元 。对于阿贝尔群,可以把群运算记做+,单位元记做0;这种情况下群称为加法群。单位元也可记做id。 群也常常简记为。可以根据上下文来判断一个符号指的是集合还是群。
群 - 维基百科,自由的百科全书
群是一种集合加上一种运算的代数结构, 若把集合记为 , 运算记为 , 则这个群记为 , 并且要求满足以下性质
  1. 封闭性: 对于所有 ,运算 的结果也在 中。
  1. 结合律: 对于所有 中的 ,等式 成立。
  1. 单位元: 存在 中的一个元素 ,使得对于所有 中的元素 ,总有等式 成立。
  1. 逆元: 对于每个 中的 ,存在 中的一个元素 使得总有 ,此处 为单位元。

李群

粗略地说,李群是连续的群,也即其元素可由几个实参数描述。

李代数的定义

李代数由一个集合 , 一个数域 , 和一个二元运算符 组成, 若其满足以下几条性质, 则称 为一个李代数
  1. 封闭性:
  1. 双线性:
  1. 自反性
  1. 雅可比等价
 

李代数

上的向量, 记作 .
在此定义下, 两个向量 的李括号运算定义为:
  • 李代数 , 是一个三维向量的集合, 每个三维向量对应一个反对称阵, 表示旋转矩阵的导数
  • 旋转矩阵与李代数 的关系

李代数

位于 空间中, 表示平移, 表示旋转
  • 李代数 的李括号运算:

李代数求导与扰动模型

  • 使用李代数的理由
    • 旋转矩阵有约束条件, 必须是一个正交矩阵, 不好进行优化.使用旋转向量的话, 则无约束条件

李代数中完成矩阵乘法

  • 对于矩阵 , 其计算矩阵的指数乘积时, 其 BCH 公式如下:
  • 考虑当相机运动时, 机器人运动的更新量 很小, 则其 上的李代数 , 其小量二次以上的项都可以忽略, 此时, BCH 的线性近似为:
    • 其中
  • 反之,如果我们在李代数上进行加法,让 加上 ,那么可以近似为李群上带左/右雅可比矩阵的乘法:
  • 同样的, 对于 , 也有类似的BCH近似公式

李代数的求导

  • 根据定义求导
    • 假设空间点 进行了一次矩阵表示为 的旋转,得到了 。要计算旋转后的点的坐标相对于旋转的导数. 设 所对应的李代数为 , 就可以写成:
      那么根据导数的定义
      这种方式求得的导数任然含有形式复杂的 , 因此可以使用以下的方式可以求得更简单的形式
  • 左乘模型的求导
    • 另一种方法则是对旋转矩阵 进行一次扰动 ,然后在对这个扰动进行求导, 设左扰动的李代数为 , 直接对 进行求导:
  • 上的扰动模型
    • 假设某空间点 经过了一次变换 ,对应的李代数为 ,得到了 。给 左乘一个微小扰动 ,扰动项的李代数为 。则有:

Sophus 实践

Sophus 的安装

在Cmakelist.txt中添加
 

© Lazurite 2021 - 2024