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2025年3月19日 星期三

Gazebo IMU 仿真插件說明及測試

 

Gazebo IMU 仿真插件說明

Gazebo 提供 IMU（慣性測量單元, Inertial Measurement Unit） 模擬插件，該插件可用來模擬機器人的 加速度計（Accelerometer）、陀螺儀（Gyroscope） 和 磁力計（Magnetometer），並生成虛擬感測數據。

1. IMU 插件名稱

Gazebo 內建的 IMU 插件為：

xml
<plugin name="imu_plugin" filename="libgazebo_ros_imu.so"/>
  • libgazebo_ros_imu.so 是 ROS 版 IMU 插件，適用於 ROS + Gazebo 環境。
  • 若使用純 Gazebo，可用 libgazebo_imu_sensor.so。

2. IMU 插件 XML 配置

IMU 插件通常在 .world 或 .sdf（SDFormat）機器人模型文件中配置，如：

xml
<sensor name="imu_sensor" type="imu">
  <always_on>1</always_on>
  <update_rate>100</update_rate>  <!-- 更新頻率 100 Hz -->
  <imu>
    <topic>/imu/data</topic>  <!-- 發布 IMU 數據的 ROS Topic -->
    <orientation>true</orientation>  <!-- 是否啟用方向數據 -->
    <angular_velocity>true</angular_velocity>  <!-- 是否啟用角速度數據 -->
    <linear_acceleration>true</linear_acceleration>  <!-- 是否啟用線性加速度數據 -->
  </imu>
  <plugin name="imu_plugin" filename="libgazebo_ros_imu.so">
    <robotNamespace>/my_robot</robotNamespace>
    <frameName>imu_link</frameName>
    <topicName>imu/data</topicName>
    <gaussianNoise>0.01</gaussianNoise>  <!-- 設定噪聲 -->
    <updateRate>100.0</updateRate>  <!-- 更新頻率 100 Hz -->
  </plugin>
</sensor>

3. IMU 插件參數

參數說明典型值
<update_rate>IMU 數據的更新頻率 (Hz)50, 100
<always_on>是否一直啟動1 (啟動)
<topicName>ROS 訂閱的話題名稱/imu/data
<robotNamespace>設定機器人命名空間/my_robot
<frameName>IMU 的連接框架名稱imu_link
<gaussianNoise>加速度與角速度測量噪聲0.01

4. ROS 中的 IMU 訂閱

當 Gazebo 與 ROS 配合時，IMU 數據會透過 ROS topic 發布，例如：

bash
rostopic echo /imu/data

你將會看到輸出：

plaintext
header: 
  seq: 10
  stamp: 
    secs: 1629456789
    nsecs: 123456789
  frame_id: "imu_link"
orientation: 
  x: 0.01
  y: 0.02
  z: -0.01
  w: 1.00
angular_velocity: 
  x: 0.001
  y: -0.002
  z: 0.005
linear_acceleration: 
  x: 0.02
  y: 9.81
  z: 0.01

5. IMU 插件的應用

(1) 自主導航

  • IMU 可用於機器人 姿態估算，例如 SLAM（同步定位與地圖構建）。
  • IMU 數據可搭配 AMCL（自適應蒙地卡羅定位） 進行導航。

(2) 無人機 (Drone) 飛行

  • Gazebo IMU 模擬飛行器的 角速度與加速度，並傳遞給 PX4 或 ArduPilot。

(3) AGV（自動導引車）控制

  • AGV 車輛可使用 IMU 進行 轉向與定位補償。

6. 測試 IMU 插件

(1) 啟動 Gazebo 模擬

bash
roslaunch gazebo_ros empty_world.launch

(2) 加載 IMU 插件

使用 rosrun 或 roslaunch 來載入機器人模型：

bash
roslaunch my_robot_description spawn_robot.launch

(3) 訂閱 IMU 數據

bash
rostopic echo /imu/data

如果看到 加速度、角速度、方向數據，代表 IMU 插件已經成功運行！

7. 進階：調整 IMU 噪聲

如果要模擬真實世界的 IMU 誤差，可以增加噪聲：

xml
<plugin name="imu_plugin" filename="libgazebo_ros_imu.so">
  <gaussianNoise>0.05</gaussianNoise>  <!-- 增加隨機誤差 -->
  <biasMean>0.002</biasMean>  <!-- 設定 Bias 偏移誤差 -->
  <biasStdDev>0.001</biasStdDev>  <!-- Bias 標準差 -->
</plugin>

這樣可以模擬 廉價 IMU 模組的漂移，適用於無人機、機器人導航測試。

結論

  1. Gazebo 提供 IMU 插件，可模擬加速度計、陀螺儀和磁力計。
  2. IMU 數據可透過 ROS topic /imu/data 獲取。
  3. IMU 可用於導航、無人機、AGV 等應用。
  4. 可調整 IMU 噪聲參數，提高模擬真實性。


IMU（慣性測量單元，Inertial Measurement Unit）在 Gazebo 或真實硬體中通常提供以下數據：

1. IMU 提供的主要數據

IMU 感測器通常提供三種類型的數據：

(1) 角速度 (Angular Velocity)

測量設備的旋轉速率（rad/s）

  • 來自 陀螺儀 (Gyroscope)
  • 3 軸數據：angular_velocity.x, angular_velocity.y, angular_velocity.z
  • 單位：弧度/秒 (rad/s)

示例數據：

plaintext
angular_velocity: 
  x: 0.001
  y: -0.002
  z: 0.005

這表示：

  • x 軸：0.001 rad/s（輕微旋轉）
  • y 軸：-0.002 rad/s（輕微向負方向旋轉）
  • z 軸：0.005 rad/s（繞 z 軸旋轉較快）

(2) 線性加速度 (Linear Acceleration)

測量設備的加速度（m/s²），通常包含重力加速度

  • 來自 加速度計 (Accelerometer)
  • 3 軸數據：linear_acceleration.x, linear_acceleration.y, linear_acceleration.z
  • 單位：米/秒² (m/s²)
  • 在靜止時，通常 z 軸會有 9.81 m/s² 的重力加速度

示例數據：

plaintext
linear_acceleration: 
  x: 0.02
  y: 9.81
  z: 0.01

這表示：

  • x 軸：0.02 m/s²（水平方向幾乎沒有加速度）
  • y 軸：9.81 m/s²（可能是因為 IMU 側向放置）
  • z 軸：0.01 m/s²（接近靜止）

(3) 姿態 (Orientation)

測量設備的旋轉角度（四元數表達）

  • 來自 陀螺儀 + 加速度計 + 磁力計（若有）
  • 表示 IMU 在 3D 空間中的旋轉姿態
  • 透過 四元數 (Quaternion) 表示
    • orientation.x, orientation.y, orientation.z, orientation.w
  • 可轉換為 Euler 角（Roll, Pitch, Yaw）

示例數據：

plaintext
orientation: 
  x: 0.01
  y: 0.02
  z: -0.01
  w: 1.00

這表示：

  • 四元數 (x, y, z, w) 可以轉換成 Roll/Pitch/Yaw 角度，用來計算設備的方向。

四元數轉換成 Roll/Pitch/Yaw

python
import tf.transformations as tf

quaternion = (0.01, 0.02, -0.01, 1.00)  # (x, y, z, w)
roll, pitch, yaw = tf.euler_from_quaternion(quaternion)

print(f"Roll: {roll}, Pitch: {pitch}, Yaw: {yaw}")

2. IMU 額外可能提供的數據

如果 IMU 包含磁力計 (Magnetometer)，則還會提供：

(4) 磁場數據 (Magnetic Field)

測量地磁場方向

  • 來自 磁力計
  • 3 軸數據：magnetic_field.x, magnetic_field.y, magnetic_field.z
  • 單位：Tesla (T) 或 Gauss
  • 可用於 航向估計 (Yaw angle estimation)

示例數據：

plaintext
magnetic_field: 
  x: 0.00001
  y: 0.00002
  z: 0.00003

這表示：

  • x 軸方向的磁場約 0.00001 T
  • y 軸方向的磁場約 0.00002 T
  • z 軸方向的磁場約 0.00003 T

3. IMU 數據在 Gazebo 中的表現

當 IMU 插件在 Gazebo 運行時，可以透過 ROS 訂閱 /imu/data topic 來獲取：

bash
rostopic echo /imu/data

ROS 訊息格式 (sensor_msgs/Imu)：

plaintext
header: 
  seq: 10
  stamp: 
    secs: 1629456789
    nsecs: 123456789
  frame_id: "imu_link"
orientation: 
  x: 0.01
  y: 0.02
  z: -0.01
  w: 1.00
angular_velocity: 
  x: 0.001
  y: -0.002
  z: 0.005
linear_acceleration: 
  x: 0.02
  y: 9.81
  z: 0.01

這些數據可以用於：

  • 機器人導航 (SLAM / AMCL)
  • 姿態估算 (Drone、AGV)
  • 車輛平衡控制 (Two-Wheel Robot)

4. IMU 數據摘要

類型來源參數單位主要應用
角速度陀螺儀angular_velocity.x/y/zrad/s旋轉速率
加速度加速度計linear_acceleration.x/y/zm/s²機器人運動、航姿控制
姿態陀螺儀 + 加速度計 + 磁力計orientation.x/y/z/w (四元數)無單位方向估算 (Yaw/Pitch/Roll)
磁場 (可選)磁力計magnetic_field.x/y/zTesla (T)磁場感測、航向估計

5. 進一步應用

  • 自動導航
    • 結合 IMU + 里程計 (Odometry) + LiDAR 進行定位
  • 無人機姿態控制
    • 使用 IMU + GPS + Barometer 進行飛行控制
  • VR / AR
    • 透過 IMU 估算人體姿態
  • 自平衡機器人
    • IMU 幫助調整機器人平衡

結論

  1. IMU 主要提供：
    • 角速度 (angular_velocity)
    • 加速度 (linear_acceleration)
    • 方向 (orientation，四元數)
  2. 磁力計可選，提供地磁場數據。
  3. IMU 在 Gazebo + ROS 環境中，數據可透過 /imu/data topic 獲取。
  4. IMU 數據廣泛應用於導航、自主機器人、無人機、VR/AR。
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