GTSAM项目中自定义BarometricFactor的MATLAB集成实践

前言

在机器人状态估计领域，GTSAM作为一个强大的因子图优化库，提供了丰富的预定义因子类型。然而在实际应用中，开发者经常需要根据特定传感器或应用场景创建自定义因子。本文将详细介绍在GTSAM项目中如何创建并集成一个气压计因子(BarometricFactor)到MATLAB接口的全过程。

自定义因子实现

气压计因子主要用于融合气压计测量数据到状态估计中。我们首先需要实现C++核心代码：

头文件设计

气压计因子继承自NoiseModelFactorN模板类，处理Pose3和double两种类型的变量：

class BarometricFactor : public NoiseModelFactorN<Pose3,double> {
private:
    double nT_; // 存储气压测量值
    
public:
    // 构造函数
    BarometricFactor(Key key, Key baroKey, const double& baroIn, 
                   const SharedNoiseModel& model);
    
    // 核心误差计算函数
    Vector evaluateError(const Pose3& p, const double& bias,
                       OptionalMatrixType H, OptionalMatrixType H2) const override;
    
    // 高度与气压转换函数
    double heightOut(double n) const;
    double baroOut(const double& meters) const;
};

核心实现

误差计算函数将机器人的高度与气压计测量值进行比较：

Vector BarometricFactor::evaluateError(const Pose3& p, const double& bias,
                                     OptionalMatrixType H, OptionalMatrixType H2) const {
    Matrix tH;
    Vector ret = (Vector(1) << (p.translation(tH).z() + bias - nT_)).finished();
    if (H) (*H) = tH.block<1, 6>(2, 0); // 仅对Z轴位置求导
    if (H2) (*H2) = (Matrix(1, 1) << 1.0).finished(); // 对bias的导数为1
    return ret;
}

MATLAB接口封装

将C++类暴露给MATLAB需要创建SWIG接口文件(.i)，这是集成过程中的关键步骤。

接口文件要点

// 声明依赖的GTSAM基础类
virtual class gtsam::Value;
class gtsam::Point3;
class gtsam::Pose3;
virtual class gtsam::noiseModel::Base;

// 包含自定义因子头文件(注意使用尖括号)
#include <example/BarometricFactor.h>

namespace example {
virtual class BarometricFactor : gtsam::NonlinearFactor {
    BarometricFactor(size_t key, size_t baroKey, 
                    double baroIn, const gtsam::noiseModel::Base* model);
    
    // 暴露给MATLAB的成员函数
    const double& measurementIn() const;
    double heightOut(double n) const;
    double baroOut(const double& meters) const;
};
}

常见陷阱

1. 头文件包含方式：必须使用尖括号<>而非引号""包含自定义头文件
2. 命名空间声明：确保C++命名空间与SWIG声明一致
3. 构造函数参数匹配：MATLAB接口中的参数类型必须与C++实现完全一致
4. 基类声明：必须预先声明所有涉及的基类

调试技巧

当遇到接口编译错误时，可以采取以下调试方法：

1. 逐步验证：先创建一个最小化接口文件，逐步添加功能
2. 错误定位：SWIG的错误信息通常指向接口文件的具体行号
3. 类型检查：确保所有参数类型在C++和MATLAB间正确映射
4. 符号可见性：使用GTSAM_EXPORT宏确保符号可见

实际应用

成功集成后，在MATLAB中可以这样使用气压计因子：

% 创建噪声模型
noiseModel = noiseModel.Diagonal.Sigmas(0.5);

% 添加气压计因子
graph.add(BarometricFactor(poseKey, baroKey, measuredPressure, noiseModel));

总结

在GTSAM中创建和集成自定义因子需要关注三个关键层面：C++实现、SWIG接口定义和MATLAB调用方式。气压计因子的例子展示了如何将物理传感器模型融入因子图框架。掌握这些技术后，开发者可以灵活地为各种特殊传感器或应用场景创建定制化的因子类型，扩展GTSAM的功能边界。

对于更复杂的自定义因子，建议参考GTSAM已有因子的实现方式，保持一致的编程风格和接口规范，这将大大提高代码的可维护性和可复用性。