Development of cost effective IMU Calibration Procedure

Abstract

A empresa Hexagon Agriculture está trabalhando na digitalização da agricultura. Entre as soluções oferecidas pela Hexagon Agriculture está o Piloto Automático, que utiliza um módulo GNSS em conjunto com sensores inerciais microeletromecânicos para estimar a posição do veículo. Os sensores inerciais são afetados por diversas fontes de erro e vários desses erros são sistemáticos. Os erros sistemáticos influenciam significamente na acurácia dos sensores inerciais. Neste trabalho é apresentado primeiramente um estudo sobre as características dos sensores inerciais montados em uma das placas da Hexagon Agriculture. A partir das conclusões retiradas do estudo inicial são propostos métodos de calibração para os sensores inerciais. As propostas de calibração foram então testadas e a partir do resultado destes testes, foram classificadas em viáveis ou não. O conclusão deste trabalho é que existem métodos de calibração que podem ser aplicados nos sensores inerciais resultando em melhoria significativa na acurácia dos sensores inerciais, apesar de que ainda não foi possível de se obter resultados conclusivos sobre a durabilidade dessa calibração, que depende da estabilidade dos erros sistemáticos com o tempo. Além da melhoria na acurácia dos sensores inerciais, também haverá um ganho muito significativo na confiabilidade nos sensores e na padronização da performance dos sensores inerciais. É importante também ressaltar que em algumas aplicações do piloto automático da Hexagon Agriculture é requisitada alta acurácia, que para isso são usados módulos GNSS de alta performance, acurácia de centímetros, mas caso o terreno no qual o piloto automático seja utilizado for muito acidentado, os sensores inerciais se tornam fundamentais para manter a acurácia da estimação de posição, situação na qual a calibração se torna ainda mais significante.

Hexagon Agriculture is working on digitizing agriculture. Among the solutions offered by Hexagon Agriculture there is an Auto Steering System which uses a GNSS module working with a MEMS IMU to estimate the vehicle's position, attitude and speed. An IMU is affected by a wide range of errors, some of those errors are systematic and those systematic errors are very relevant to the IMU accuracy. This work starts with a preliminary study on IMU parts mounted in one of Hexagon Agriculture's board. Using the conclusion of the preliminary studies, solutions are proposed, intending to calibrate the IMU. The proposed solutions, calibration procedures, were tested and classified as feasible or not. The achieved conclusion is that there are calibration methods which may be applied on the studied IMU and promote a relevant improvement on the IMU accuracy, although it has not been possible to conclude about how long will the calibration last, which depends on the systematic errors stability with time. Alongside with the accuracy improvement there is also a significant improvement on the reliability of the IMU as their performance will be more uniform. It is also important to emphasize that some applications of the Auto Steering System requires high accuracy, so high tech GNSS modules are used with centimeter level accuracy, but if the Auto Steering System is used in rough terrain, the IMU becomes fundamental to keep the accuracy on the position estimation. On higher level accuracy application e.g., five centimeter requirement, calibrating the IMU becomes even more relevant.