从零入门激光SLAM(十五)——IMU在SLAM中的用处

admin2024-05-15  1

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一、IMU能干什么

惯性测量单元(Inertial measurement unit,IMU),是测量物体三轴姿态角以及加速度的装置。IMU通常包含陀螺仪 (Gyroscope)、加速度计 (Accelermeters),有的还包含磁力计(Magnetometers)。陀螺仪用来测量三轴的角度/角速度,加速度计用来测量三轴的加速度,磁力计提供磁场朝向信息。IMU在手机、VR,航空航天领域都有着广泛应用。比如手机的记步功能就是利用IMU的算法达成;VR中IMU可实现随头部姿态变化而切换场景;Apollo登月中依赖IMU实现位置追踪和朝向确认。在自动驾驶领域,IMU同样是重要的导航和定位组件。它们内部可以根据受力或者时间等其他物理量来推算角速度和加速度。IMU在SLAM系统中的作用是提供设备的姿态、运动和加速度信息,从而帮助系统理解设备的运动轨迹

  1. 姿态估计:IMU可以提供关于设备在空间中的方向和角度的信息,这对于定位和导航至关重要。通过测量加速度计和陀螺仪的输出,可以估计设备的姿态。
  2. 运动估计:IMU可以提供设备的线性加速度和角速度的信息,这对于估计设备的运动非常有用。结合时间积分,可以得到设备在空间中的位置和速度的估计,从而帮助SLAM系统跟踪设备的运动轨迹。
  3. 辅助传感器:IMU通常与其他传感器(如摄像头、激光雷达等)一起使用,为它们提供补充信息。通过将IMU的数据与其他传感器的数据融合,可以提高SLAM系统对环境的理解和对设备位置的估计的准确性和鲁棒性。
  4. 点云去畸变:IMU可以用作惯性里程计,用于估计设备在短时间内的运动。虽然IMU在长时间使用中会积累误差,但在短时间内,它提供了对设备运动的相对准确的估计,可用于位姿初始值来对点云去畸变
  • 优点
  1. 相对位置的推演不存在任何外部依赖,是一个完备的系统。相比之下,如 GNSS依赖于卫星的覆盖,Lidar,Camera则依赖于对外部的感知,存在一定的不稳定性。
  2. IMU几乎不受外来信号干扰。除了强烈的机械冲击之外,电磁干扰,强光,特殊天气,地形条件等会对其他传感器造成扰动的因素对于IMU通通不起作用。
  3. IMU对角速度和加速度的测量值之间本就具有一定的冗余性,再加上汽车的轮速计和方向盘转角等冗余信息,使IMU的输出的“短时间内的相对位置变化”拥有极高的置信度。
  • 缺点
  1. IMU只能提供相对位置和姿态的推演,但却无法从全局角度提供绝对位置信息;
  2. IMU在使用过程中,一般需要对陀螺仪、加速度计的输出对时间积分才能得到位姿信息,而在积分的过程中,随着时间积累,误差也会持续累积,最终使得朝向发生较大的偏移(Drift)。 如不能由外部引入绝对位置信息加以校正,漂移会越来越大,输出结果与真实值的差距越来越大,从而失去使用价值。

    二、IMU的运动学

    2.1 IMU输出

  • 加速度计输出(a):加速度计通常测量设备在三个轴(通常是x、y和z轴)上的加速度。这些加速度通常以重力加速度(9.8米/秒²在地球表面)为基准,因此在静止时,加速度计的输出将是(0, 0, 9.8)或其等效值。
  • 陀螺仪输出(w):陀螺仪通常测量设备绕三个轴(通常是x、y和z轴)的角速度。角速度表示单位时间内角度的变化率,通常以弧度/秒为单位。
    实际的车辆、机器人都在地球表面运行。这些系统受到重力g的影响,所以应该把重力写在系统方程中。在绝大多数 IMU 系统中,可以忽略地球自转的干扰,从而把 IMU 测量值写为

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  • 注意点:
  • 如果考虑的是字宙中的IMU,就要移除这个测量方程中的重力。或者某地的重力大小与其他地区的不一样,就应该改变g的取值。
  • 如果不把IMU 放在车辆中心,那么当车辆发生旋转和移动时,IMU 还应该测量到由车辆旋转导致的离心力、科氏力和角加速度,最后体现在加速度计的读数上。

2.2 IMU噪声

IMU的噪声一般由两部分组成测量噪声(Measurement Noise)与零偏(Bias )。即使在车辆静止时,IMU 的角速度和加速度输出也不一定形成均值为0的白噪声,而是带有一定的偏移。这个偏移量是由 IMU 内部的机电测量装置导致的,有些 IMU 的偏移较小,也有的会比较大。记陀螺仪和加速度计的测量噪声分别为η_g,η_a,同时记零偏为b_g,b_a,那么这几个参数在测量方程中体现为

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