Architecture and error analysis of consumer-grade MEMS inertial measurement units

Abstract

An inertial measurement unit (IMU) is a collection of sensors which measure acceleration, angular velocity, and in some cases magnetic field. A typical commercial IMU consists of accelerometers and gyroscopes, with magnetometers added for certain use cases to help lessen error accumulated from gyroscopic and accelerometer readings. A typical IMU has three of each component set up in three orthogonal axes therefore having six to nine degrees of freedom. The output of these sensors are acceleration, angular velocity, and magnetic field, which can be used to calculate the displacement of the object as well as its orientation and current velocity and direction. Over the years, IMUs have evolved from large and expensive measuring instruments used in aerospace and military applications into smaller, lighter, and more affordable silicon-based units. Advances in microelectromechanical systems (MEMS) have enabled IMUs to move from exclusive industrial and military solutions into consumer devices such as smartphones and vehicles, due to their compact size, low cost, fast response time, and self-contained operation. However, the reduced size and price have come at the cost of increased measurement error, which is often mitigated using external systems such as GPS. The objective of this bachelor’s thesis is to examine the architecture of the sensing components used in IMUs and the overall structure of modern consumer-grade MEMS-based IMUs. In addition, common error sources and their impact on calculations are discussed. A commercial 6-DoF IMU was tested to collect real-world measurement data and to observe systematic errors in practice.

Inertiamittausyksikkö (IMU) on elektroninen laite, joka koostuu erityyppisistä sensoreista, jotka mittaavat liiketilaa ja magneettikenttää. Tyypillinen inertiamittausyksikkö koostuu kiihtyvyyttä mittaavista kiihtyvyysantureista, kulmanopeutta mittaavista gyroskoopeista, sekä jossain tapauksissa laitteeseen vaikuttavaa magneettikenttää mittaavista magnetometreistä. Tyypillisesti inertiamittausyksikössä on kolme kutakin komponenttia ortogonaalisesti asennettuna. Inertiamittausyksikön mittausdatasta voidaan integroimalla laskea laitteen nopeus ja kaksoisintegroimalla siirtymä. Lisäksi laitteen kulmanopeusdatasta voidaan määrittää suunta ja asento kolmiulotteisessa koordinaatistossa. Vuosien mittaan inertiamittausyksiköt ovat kehittyneet suurista, painavista ja kalliista mekaanisista jousi- ja massarakenteisiin perustuvista laitteista pieniksi, kevyiksi ja edullisiksi mikroelektromekaanisiksi komponenteiksi, joissa mittaus perustuu kapasitanssin muutokseen. Tämä mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) edistys on mahdollistanut inertiamittausyksikköjen käytön laajasti niin älylaitteissa kuin autoissa. Koon pienentyminen ja halvempi hinta ovat kuitenkin johtaneet kasvavaan virhemäärään, jota pyritään kompensoimaan ulkoisilla työkaluilla, kuten laitteen mahdollisella GPS signaalilla. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tutkia nykyaikaisten inertiamittausyksiköiden, sekä niissä käytettävien mittaussensorien arkkitehtuuria. Työssä käsitellään eri mittausantureiden toimintaperiaatteita, inertiamittausyksiköiden heikkouksia, sekä mittaustuloksessa ilmenevien virheiden syitä. Työssä tarkastellaan lisäksi kaupallisen 6-vapausasteisen inertiamittausyksikön arkkitehtuuria ja testataan mittausdatan lukemista MATLAB-koodin avulla. Mittauskuvaajista voidaan havaita kalibroinnista ja systemaattisesta virheestä johtuvia poikkeamia.