【学习总结】IMU噪声的连续形式与离散形式

article/2023/6/4 16:05:07

乱七八糟的,查了半天资料,整理如下。
(网上其他地方的资料也很混乱,这篇总结是我综合比对,得出的结论)

统一符号

连续形式:
gyroscope white noise: σg\sigma_gσg
accelerator white noise: σa\sigma_aσa
gyroscope random work: σbg\sigma_{bg}σbg
accelerator random work: σba\sigma_{ba}σba

离散(discrete)形式:
discrete gyroscope white noise: σgd\sigma_{gd}σgd
discrete accelerator white noise: σad\sigma_{ad}σad
discrete gyroscope random work: σbgd\sigma_{bgd}σbgd
discrete accelerator random work: σbad\sigma_{bad}σbad

单位

连续形式

名称符号单位其他名称
gyroscope white noiseσg\sigma_gσgrads1Hz\frac{rad}{s}\frac{1}{\sqrt{Hz}}sradHz1, =rads=\frac{rad}{\sqrt{s}}=sradgryo_noise_density
gyroscope random workσbg\sigma_{bg}σbgrads21Hz\frac{rad}{s^2}\frac{1}{\sqrt{Hz}}s2radHz1, =rads3=\frac{rad}{\sqrt{s^3}}=s3radgyro's bias instability
accelerator white noiseσa\sigma_aσams21Hz\frac{m}{s^2}\frac{1}{\sqrt{Hz}}s2mHz1acc_noise_density
accelerator random workσba\sigma_{ba}σbams31Hz\frac{m}{s^3}\frac{1}{\sqrt{Hz}}s3mHz1acc's bias instability

这也是Kalibr、GTSAM、allan_variance_ros、ORBSLAM3采用的单位。
官方连接:
Kalibr: Kalibr IMU Noise Model units problem
Allan_variance_ros: About units of params Accel Random Walk and Rate Random Walk
GTSAM: IMUFactor example noise/bias units
ORB-SLAM3: 在issue中有不少讨论,但我认为是连续形式,因为yaml文件中给出了单位是连续形式的对应。ORB-SLAM3的yaml文件
(补充:imu_utils的标定被认为是有问题的,详见:这个链接中Martin的回复)

离散形式:

参考:http://mars.cs.umn.edu/tr/reports/Trawny05b.pdf
需要将acc和gyro的随机噪声除以时间间隔根号,随机游走乘以。直观上的理解,采样频率越高,随机噪声应该越大,随机游走的应该越小。
在这里插入图片描述注意:
这里的 r 是 “rate noise” 的缩写,对应上文的 “white noise”; w 是 “walk” 的缩写,对应 “random walk"。
cd 对应的是 “contineous” 和 “discrete”。
所以结论,white nosie 应该除以 Δt\sqrt{\Delta t}Δt 即乘以 Hz\sqrt{Hz}Hz,random work 应该乘以 Δt\sqrt{\Delta t}Δt 即除以Hz\sqrt{Hz}Hz

名称符号单位
discrete gyroscope white noiseσgd\sigma_{gd}σgdrads\frac{rad}{s}srad
discrete gyroscope random workσbgd\sigma_{bgd}σbgdrads\frac{rad}{s}srad
discrete accelerator white noiseσad\sigma_{ad}σadms2\frac{m}{s^2}s2m
discrete accelerator random workσbad\sigma_{bad}σbadms2\frac{m}{s^2}s2m

VINS-mono 采用的是离散化的噪声:
VINS-mono: Camera position is moving fast while robot is only tilted and rotated

总结

  • IMU的噪声有连续形式和离散形式,两种;二者的差异:noise项需除以根号时间间隔(或乘以Hz\sqrt{Hz}Hz),walk项需要反过来。
  • Kalibr,allan_variance_ros,GTSAM等用的是连续形式;
  • VINS-mono采用的是离散形式;
  • ORB-SLAM3应该是连续形式,和Kalibr的一致;
  • 连续形式或离散形式的噪声,英文名比较混乱,一般连续形式叫:white noise 或 noise density,但由于单位非常混乱有可能作者也没搞清楚,因此主要还是看单位的对应。

其他参考资料:
IMU specifications
IMU Error Modeling Tutorial: INS state estimation with real-time sensor calibration

http://www.ngui.cc/article/show-1007664.html

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