On-site scale factor linearity calibration of MEMS triaxial gyroscopes

要約

MEMS三軸ジャイロスコープの校正は、様々なウェアラブルヘルスモニタリング用途で正確な姿勢推定を実現するために極めて重要です。しかし、ジャイロセンサの校正は、加速度センサや地磁気センサに比べて大きな課題があります。本論文では、サーボモータのみでMEMS3軸ジャイロスコープを校正する効率的な方法を紹介します。この方法の核となる戦略は、測定された重力と固定フレーム内の回転速度のドット積が一定であるという事実を利用することである。加速度センサーに対する回転遠心力の影響を排除するため、加速度センサーのデータは静止した状態で測定される。提案する校正実験スキームでは、各軸を特定の回転速度で動作させたときのジャイロ測定を可能にし、一連の回転速度で構成される関連速度範囲にわたる直線性の評価を容易にする。さらに、スケールファクターの推定には、古典的な最小二乗アルゴリズムのみで十分であることが証明され、校正プロセスの解析が著しく効率化された。三軸ジャイロスコープモデルの校正における提案手法の性能を解析するため、広範な数値シミュレーションを実施した。また、市販のMEMS慣性計測ユニット（Arduino nano 33 BLE SENSEのLSM9DS1）と、正確な速度制御が可能なサーボモーターを用いて実験的検証を行った。実験結果は、提案するキャリブレーション手法の有効性を効果的に示している。

要約(オリジナル)

The calibration of MEMS triaxial gyroscopes is crucial for achieving precise attitude estimation for various wearable health monitoring applications. However, gyroscope calibration poses greater challenges compared to accelerometers and magnetometers. This paper introduces an efficient method for calibrating MEMS triaxial gyroscopes via only a servo motor, making it well-suited for field environments. The core strategy of the method involves utilizing the fact that the dot product of the measured gravity and the rotational speed in a fixed frame remains constant. To eliminate the influence of rotating centrifugal force on the accelerometer, the accelerometer data is measured while stationary. The proposed calibration experiment scheme, which allows gyroscopic measurements when operating each axis at a specific rotation speed, making it easier to evaluate the linearity across a related speed range constituted by a series of rotation speeds. Moreover, solely the classical least squares algorithm proves adequate for estimating the scale factor, notably streamlining the analysis of the calibration process. Extensive numerical simulations were conducted to analyze the proposed method’s performance in calibrating a triaxial gyroscope model. Experimental validation was also carried out using a commercially available MEMS inertial measurement unit (LSM9DS1 from Arduino nano 33 BLE SENSE) and a servo motor capable of controlling precise speed. The experimental results effectively demonstrate the efficacy of the proposed calibration approach.

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