Inertial and magnetic sensors: calibration and data funsion with application to navigation

Abstract

Inertial sensors (accelerometers and gyroscopes) and magnetic field sensors are widely used in a broad variety of applications. High accuracy sensors are nowadays available in chip-form including all the necessary electronic circuits for the digitization and in many cases the digital processing of the measurements. This fact enables the wider use of inertial and magnetic field sensors in several applications, ranging from low-cost commercial products (smartphones, activity trackers, alarm systems etc.) to high-end industrial and military devices.This thesis deals with the calibration and the alignment between the sensitivity axes of inertial and magnetic field sensors. In addition, it presents two applications where inertial and magnetic field sensors are used for navigation and tracking purposes.In both the cases of inertial and magnetic field sensors, a calibration procedure is mandatory for every sensor unit when accuracy is required. This work focuses on low-cost, three-axis inertial and magnetic field sensors and explores algorithms and methodologies for calibration and axes alignment.In the first part, algorithms for the calibration and the alignment of the sensitivity axes of inertial and magnetic field sensors are presented. The proposed algorithms are based on optimization techniques and are designed to be computationally efficient while their application requires no special piece of equipment or external references.In the second part, the importance of sensors’ calibration is highlighted, and two applications of inertial and magnetic field sensors are presented. First, an inertial navigation system dedicated to pedestrian navigation is presented. It combines data from inertial and magnetic field sensors mounted on the shoe of a walking person and derives a long-term accurate estimation of his speed, orientation, and position.Finally, an inertial measurement unit architecture including several three-axis accelerometers and a single three-axis gyroscope mounted on a rigid body is presented. The proposed, closed-loop system dynamically compensates for the accelerometers’ measurements error and provides a high-accuracy, low-noise estimation of the specific force and the angular velocity.

Οι αδρανειακοί αισθητήρες (αισθητήρες επιτάχυνσης και γωνιακής ταχύτητας) και οι μαγνητικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως σε μεγάλο πλήθος εφαρμογών οι οποίες εκτείνονται από εμπορικά προϊόντα χαμηλού κόστους (κινητά τηλέφωνα, συστήματα συναγερμού κ.λπ.) μέχρι εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας σε τομείς όπως η βιομηχανία, η ναυτιλία κ.α. Αισθητήρες υψηλής ακρίβειας είναι πλέον διαθέσιμοι σε μορφή τσιπ μαζί με τις απαραίτητες ηλεκτρονικές διατάξεις για τη ψηφιοποίηση και πολλές φορές και τη ψηφιακή επεξεργασία των μετρήσεων κάνοντας εύκολη την ενσωμάτωση των μαγνητικών αισθητήρων σε μεγαλύτερα συστήματα.Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη βαθμονόμηση (calibration) αδρανειακών και μαγνητικών αισθητήρων καθώς και την αξιοποίηση των μετρήσεών τους σε εφαρμογές εντοπισμού θέσης (tracking) και πλοήγησης (navigation).Τόσο στην περίπτωση των αδρανειακών αισθητήρων όσο και σε αυτή των μαγνητικών αισθητήρων, κάθε μονάδα αισθητήρα χρειάζεται μια διαδικασία βαθμονόμησης μετά την παραγωγή της προκειμένου να παράγει μετρήσεις υψηλής ακρίβειας. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται σε αδρανειακούς και μαγνητικούς αισθητήρες τριών αξόνων και χαμηλού κόστους και εξερευνά μεθόδους και αλγορίθμους για την καλύτερη εκμετάλλευση των δεδομένων τους σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ακρίβεια, όπως για παράδειγμα η πλοήγηση. Στο πρώτο της μέρος παρουσιάζονται μέθοδοι και αλγόριθμοι για την βαθμονόμηση αδρανειακών και μαγνητικών αισθητήρων καθώς και για την ευθυγράμμιση των αξόνων ευαισθησίας τους χωρίς την χρήση ειδικού εργαστηριακού εξοπλισμού. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι στηρίζονται σε μεθόδους βελτιστοποίησης ενώ η εκτέλεση τους δεν απαιτεί σημαντικούς υπολογιστικούς πόρους.Στο δεύτερο μέρος, αναδεικνύεται η σημασία της βαθμονόμησης σε εφαρμογές πλοήγησης και στη συνέχεια παρουσιάζονται δύο χαρακτηρίστηκες εφαρμογές. Συγκεκριμένα, αρχικά, παρουσιάζεται ένα σύστημα αδρανειακής πλοήγησης το οποίο συνδυάζει τα δεδομένα αδρανειακών και μαγνητικών αισθητήρων τοποθετημένων στο παπούτσι ενός πεζού ανθρώπου και παρέχει μακροπρόθεσμα μια μεγάλης ακρίβειας εκτίμηση της θέσης. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ένα αδρανειακό σύστημα μέτρησης αποτελούμενο από πολλαπλούς αισθητήρες επιτάχυνσης σε συνδυασμό ένα αισθητήρα γωνιακής ταχύτητας. Το προτεινόμενο σύστημα κλειστού βρόχου αντισταθμίζει δυναμικά το σφάλμα μέτρησης των αισθητήρων επιτάχυνσης και προσφέρει μια εκτίμηση της επιτάχυνσης και της γωνιακής ταχύτητας με πολύ χαμηλά επίπεδα θορύβου.