On-site scale factor linearity calibration of MEMS triaxial gyroscopes

要約

MEMS 3 軸ジャイロスコープの校正は、さまざまなウェアラブル健康監視アプリケーションの正確な姿勢推定を達成するために重要です。
ただし、ジャイロスコープのキャリブレーションには、加速度計や磁力計に比べて大きな課題が伴います。
この文書では、サーボ モーターのみを使用して MEMS 3 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。この方法はフィールド環境に最適です。
この方法の中核となる戦略には、測定された重力と固定フレーム内の回転速度の内積が一定のままであるという事実を利用することが含まれます。
加速度計に対する回転遠心力の影響を排除するために、加速度計のデータは静止時に測定されます。
提案された校正実験スキームにより、各軸を特定の回転速度で動作させたときにジャイロ測定が可能になり、一連の回転速度で構成される関連する速度範囲にわたる線形性の評価が容易になります。
さらに、古典的な最小二乗アルゴリズムのみがスケール係数の推定に適切であることが証明されており、特に校正プロセスの分析が合理化されます。
3 軸ジャイロスコープ モデルの校正における提案手法のパフォーマンスを分析するために、広範な数値シミュレーションが実施されました。
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使用して実験検証も行いました。
実験結果は、提案された校正アプローチの有効性を効果的に示しています。

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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