IMU (慣性測量單元) 的 9 軸資訊 在 RViz2 中顯示

如何在 RViz2 中顯示 IMU (慣性測量單元) 的 9 軸資訊。

IMU 通常會提供以下三種主要資訊：

1. 加速度 (Accelerometer)： X、Y、Z 軸的線性加速度。
2. 角速度 (Gyroscope)： X、Y、Z 軸的角速度。
3. 磁力計 (Magnetometer)： X、Y、Z 軸的地磁場讀數。

在 ROS 2 中，IMU 數據通常會被封裝在 sensor_msgs/msg/Imu 消息類型中。這個消息包含了：

• header: 包含時間戳和座標系 (frame_id)。
• orientation: 四元數 (Quaternion)，代表感測器的姿態 (roll, pitch, yaw)，通常是經過感測器內部融合演算法計算得出的。
• angular_velocity: 向量，代表角速度。
• linear_acceleration: 向量，代表線性加速度。
• 以及對應的協方差矩陣，用於表示數據的不確定性。

在 RViz2 中顯示 IMU 9 軸資訊

RViz2 本身沒有一個單獨的 "IMU 顯示" 類型，但您可以透過組合不同的顯示類型來可視化 IMU 消息中的各種數據。

1. 顯示 IMU 的姿態 (Orientation)

這是最常見且最重要的 IMU 可視化方式，因為姿態（通常是經過融合後的結果）直接反映了感測器的方向。

• 顯示類型： Pose 或 IMU (如果您的 ROS 2 發行版和 RViz2 版本有特別的 IMU 顯示類型，通常會顯示一個箭頭或盒子)。

• 步驟：

  1. 在 RViz2 的 Displays 面板中，點擊左下角的 Add。
  2. 選擇 Pose 顯示類型，然後點擊 OK。
     • 如果 RViz2 有 IMU 顯示類型： 選擇 IMU。這個顯示類型通常會以一個帶有箭頭的方塊來表示 IMU 的姿態和加速度向量。
  3. 在新增的 Pose 或 IMU 顯示類型下，配置以下參數：
     • Topic： 輸入您的 IMU 數據發佈的話題名稱，例如 /imu/data 或 /imu_raw。確保這個話題發佈的是 sensor_msgs/msg/Imu 類型消息。
     • Pose Frame： 設定為 header.frame_id (通常是 IMU 自身的座標系，例如 imu_link 或 base_link 如果 IMU 固定在機器人基座上)。
     • Color (Optional): 可以更改姿態箭頭的顏色。
     • Shape (Optional): 可以選擇箭頭、軸或自定義模型來顯示姿態。對於 IMU 顯示類型，通常會預設一個更具體的視覺呈現。

• 效果： RViz2 會在 3D 場景中顯示一個箭頭 (或軸/方塊)，其方向會隨著 IMU 姿態的變化而即時轉動。這讓您能夠直觀地看到機器人或 IMU 感測器的傾斜、翻滾和偏航。

2. 顯示線性加速度 (Linear Acceleration)

您可以將線性加速度視為一個從 IMU 座標系原點發出的向量。

• 顯示類型： Vector 或 Marker (通過發佈 visualization_msgs/msg/Marker 消息實現)。
• 透過 IMU 顯示類型 (如果支援)：
  • 如果 RViz2 有專門的 IMU 顯示類型，它通常會有選項來顯示線性加速度向量。
  • 設定 Topic 為您的 IMU 數據話題。
  • 啟用並調整 Show Linear Acceleration 相關的選項，例如長度縮放、顏色等。
• 手動發佈 Marker 實現 (通用但較複雜)：
  • 這需要您編寫一個 ROS 2 節點，訂閱 sensor_msgs/msg/Imu 消息。
  • 在回調函數中，提取 linear_acceleration 數據。
  • 創建一個 visualization_msgs/msg/Marker 消息，將其 type 設為 ARROW。
  • 設定箭頭的 header.frame_id 為 IMU 的座標系。
  • 將箭頭的起始點設為 (0,0,0) (在 IMU 座標系中)，結束點設為 linear_acceleration 向量的值（可能需要適當縮放以在 RViz2 中清晰顯示）。
  • 發佈這個 Marker 消息到一個新的話題 (例如 /imu/linear_acceleration_marker)。
  • 在 RViz2 中添加 Marker 顯示類型，並訂閱這個新的話題。
• 效果： RViz2 會顯示一個代表加速度方向和大小的箭頭。

3. 顯示角速度 (Angular Velocity)

類似於線性加速度，角速度也可以表示為一個向量。

• 顯示類型： 類似於線性加速度，可以使用 Vector 或 Marker。
• 透過 IMU 顯示類型 (如果支援)：
  • 如果 RViz2 有專門的 IMU 顯示類型，它通常會有選項來顯示角速度向量。
  • 設定 Topic 為您的 IMU 數據話題。
  • 啟用並調整 Show Angular Velocity 相關的選項。
• 手動發佈 Marker 實現：
  • 類似於線性加速度，編寫一個 ROS 2 節點，訂閱 sensor_msgs/msg/Imu。
  • 提取 angular_velocity 數據。
  • 創建一個 visualization_msgs/msg/Marker 消息，將其 type 設為 ARROW。
  • 箭頭的方向為角速度方向（通常根據右手法則），長度與角速度大小成正比。
  • 發佈這個 Marker 消息到一個新的話題 (例如 /imu/angular_velocity_marker)。
  • 在 RViz2 中添加 Marker 顯示類型，並訂閱這個新的話題。
• 效果： RViz2 會顯示一個代表角速度方向和大小的箭頭。

4. 顯示磁力計讀數 (Magnetometer Readings)

sensor_msgs/msg/Imu 消息本身並不包含磁力計的原始 XYZ 讀數。通常，如果需要顯示磁力計數據，您的 IMU 驅動會將其發佈到另一個話題，通常是 sensor_msgs/msg/MagneticField 類型。

• 顯示類型： Vector 或 Marker。
• 步驟：
  1. 確認您的 IMU 驅動是否有發佈 sensor_msgs/msg/MagneticField 類型的話題 (例如 /imu/mag)。
  2. 如果沒有，您需要編寫一個節點來訂閱這個話題，並像處理加速度一樣，將磁場向量轉換為 visualization_msgs/msg/Marker 消息。
  3. 在 RViz2 中添加 Marker 顯示類型，並訂閱對應的話題。
• 效果： 顯示一個代表磁場方向和強度的箭頭。這對於檢查磁力計是否受到干擾或校準是否正確很有用。

總結步驟：

1. 確保 IMU 數據正在發佈：
   • 使用 ros2 topic list 檢查是否有發佈 sensor_msgs/msg/Imu 類型的話題。
   • 使用 ros2 topic echo <your_imu_topic> 檢查數據內容是否正確。
2. 啟動 RViz2：
   • 在終端機中運行 rviz2。
3. 設定 Fixed Frame：
   • 在 RViz2 左側的 Global Options 中，將 Fixed Frame 設定為一個穩定的、您知道 IMU 姿勢的座標系。通常是 base_link (如果 IMU 固定在機器人基座) 或 odom (里程計座標系) 或 map (地圖座標系)。
4. 添加 RobotModel (可選但推薦)：
   • 如果您的機器人有 URDF 模型，添加 RobotModel 顯示類型並確保其正確載入，這樣您可以將 IMU 的視覺化結果與機器人模型聯繫起來。
5. 添加 Pose 或 IMU 顯示類型：
   • 設定 Topic 為您的 IMU 數據話題。
   • 這將顯示 IMU 的姿態。
6. 為加速度、角速度和磁力計數據添加 Marker 顯示類型 (如果需要)：
   • 這需要您編寫一個 ROS 2 節點來將這些向量轉換為 visualization_msgs/msg/Marker 消息。
   • 為每個向量設定一個獨立的 Marker 話題和顯示類型，以便區分。

關於 Jetson 邊緣運算電腦上的注意事項：

• 如同之前所提，在 Jetson 上直接運行 RViz2 可能會對性能造成負擔，尤其是當您嘗試顯示大量點雲或其他複雜的 3D 數據時。
• 推薦方式： 讓 Jetson 負責運行 IMU 驅動和 ROS 2 節點，然後在您的開發主機 (PC/筆記型電腦) 上運行 RViz2，透過網路訂閱 Jetson 發佈的 IMU 數據。這樣可以將視覺化渲染的負擔從 Jetson 上卸載。

透過上述步驟，您就可以在 RViz2 中直觀地監控 IMU 感測器的 9 軸資訊，這對於機器人姿勢估計、運動控制和導航的調試非常有幫助。