VIO学习笔记(一) IMU传感器测量原理

标题:vio学习笔记(一) IMU传感器测量原理

在开始介绍IMU这种传感器之前,我们先大体谈一谈VIO的发展背景,VIO是一种视觉惯性估计器,在传统视觉里程计中加入了IMU的信息.那么没什么要加入IMU呢? 原因在于,在单目系统中,我们很难结算出绝对的尺度信息,这样,我们辛辛苦苦建立的视觉定位系统就无法在实际工程中有良好的应用效果.此外,VO系统还有以下缺点,都使得VIO系统逐步发展起来:

(1)受摄像头本身特点和质量制约,视觉里程计在高速运动,光照条件不良等情况下容易出现算法发散的情况;

(2)视觉里程计系统中我们很难结算出速度信息,而速度参数恰恰是规划路径与控制中不可或缺的指标;

(3)在视觉里程计系统中是没有惯性坐标系的概念的,惯性坐标系通俗的理解就是为了是我们明确重力的方向.如果没有惯性坐标系的概念,视觉里程计系统就有肯能出现定位错误的问题,比如车明明是在水平面上跑,但轨迹却是向天上飞的情况.

此外,视觉传感器与IMU在性能和适用场景上有很多优势互补的地方,视觉传感器适合低速,速度变化慢,纹理丰富的场景,而IMU需要有足够的加速度激励,比较适合高速,速度变化快的场景…视觉传感器受光照影响比较大,而IMU则对光照不敏感.等等,基于以上种种原因,使视觉和IMU的融合成为了各路大神的研究热点,VIO系统也随之诞生.

既然VIO要把IMU信息融入到视觉之中,那么我们首先要知道IMU的工作原理,我们能从IMU中得到什么信息,以及这些信息收到那些噪声的影响等等.

什么是IMU呢? IMU也成为惯性导航单元,英文名为Inertial Measurement Unit. 其内部由一个加速度计和一个陀螺以组成,分别测量加速度信息和角度信息.各别型号的三轴陀螺仪还会有地磁计.接下来介绍加速度计和陀螺仪的测量原理.

一 MEMS加速度计测量原理
加速度计的测量原理可以用一个简单的弹簧拉力计模型表示.

加速度的测量值就是拉力计的读数:

a为物体惯性系下的加速度,g为当地的重力加速度.am为拉力计的读数,也就是加速度计的测量值.从公式中也可以看出,物体在惯性系下保持静止状态时,加速度计的测量值在Z轴上应为-g.通常,大多数加速度计同时通过电阻和电阻桥等原理测量的.

二 陀螺仪测量原理
陀螺仪可以分为振动式陀螺仪和光线式陀螺仪,用来测量物体的角速度.光纤陀螺仪成本较高,我们简单介绍一下震动陀螺仪的工作原理.上大学的时候大物课上老师讲过,旋转的物体收到科氏力的作用,震动陀螺仪就是依靠这个原理来测量角度信息的.大概意思就是这个小小的陀螺仪(民用低成本的那种)里有一个质量块,然后这个质量块在正负交替电压的作用下做高速往返运动,当物体有一个旋转时,质量块在往返运动的基础上也会做一个旋转,这就OK了,有了旋转,就会产生科氏力,把科氏力按照大小正比转换成其他信号,比如电流电压啥的,就可以根据科氏力算出角度来,至于算的原理和上面的加速度计类似.

IMU测量原理大概就是这个样子,想要详细了解请自行看一些MEMS传感器书籍.不过个人感觉了解这么多就够了.后续会根据测量原理来对IMU进行建模.