📚 课程目录第3章 IMU标定

3. IMU标定

任务目标

使用 imu_utils 工具包，对IMU（惯性测量单元）进行离线标定，获取其噪声密度（noise density）和零偏随机游走（bias random walk）参数。这两个参数是VIO系统中IMU预积分和状态估计的关键输入，直接影响系统精度。

环境与依赖

Ubuntu 18.04/20.04 + ROS Melodic/Noetic
安装 imu_utils 及其依赖 code_utils（编译顺序：先 code_utils 后 imu_utils）
IMU数据采集包（如 rosbag 录制的 /imu/data 话题）

实现原理

imu_utils 基于 Allan 方差分析法：将静止状态下采集的IMU数据按不同时间簇长度分组，计算各组的方差，绘制 Allan 曲线。曲线中斜率为 -0.5 的区段截距对应噪声密度，斜率为 +0.5 的区段截距对应零偏随机游走。标定过程要求IMU完全静止，通常采集 2 小时以上数据以保证低频段拟合精度。

关键完整代码

以下为标定启动文件（launch），配置IMU话题名与数据时长参数：

<launch>
    <node pkg="imu_utils" type="imu_an" name="imu_an" output="screen">
        <param name="imu_topic" type="string" value="/imu/data"/>
        <param name="imu_name" type="string" value="my_imu"/>
        <param name="data_save_path" type="string" value="$(find imu_utils)/data/"/>
        <param name="max_time_min" type="double" value="120"/>
        <param name="max_cluster" type="int" value="100"/>
    </node>
</launch>

参数说明：imu_topic 为录制的IMU数据话题；imu_name 为输出文件名标识；data_save_path 为结果保存目录；max_time_min 为参与标定的数据最大时长（分钟）；max_cluster 为最大时间簇数量。

运行与验证

启动 roscore，播放静止采集的IMU数据包：rosbag play imu_static.bag
运行标定节点：roslaunch imu_utils calibrate_imu.launch（将上述launch保存为此文件名）
等待数据播放完毕，标定节点自动退出
检查输出目录下生成的 my_imu_imu.yaml 文件

通过判定标准：打开生成的YAML文件，应包含以下格式的参数：

%YAML:1.0
---
type: IMU
name: my_imu
gyr:
   noise_density: 1.8462819322698855e-03
   random_walk: 1.5487324567890123e-05
acc:
   noise_density: 1.2345678901234567e-03
   random_walk: 2.3456789012345678e-04
...

数值量级应与IMU芯片手册标称值接近（陀螺仪噪声密度通常在 1e-3~1e-4 量级，加速度计在 1e-3 量级）。若数值异常偏大或偏小，检查数据是否包含运动段、话题频率是否稳定（通常要求200Hz以上）、采集时长是否足够。

常见问题

编译顺序错误：必须先编译 code_utils 再编译 imu_utils，否则报找不到头文件
标定结果全为零：检查launch中 imu_topic 是否与实际bag话题名一致，可用 rostopic info 确认
Allan曲线拟合失败：增加 max_time_min 值，确保数据量覆盖足够长的时间簇