Gyroskoopin signaalin ajautuman kompensointi

Abstract

Gyroskooppi on anturi, joka mittaa pyörivän liikkeen suuruutta mittaamalla kulmanopeutta. Usein gyroskooppi on osana laajempaa anturikokonaisuutta kuten IMU:ssa (Inertial measurement unit). Sen sovelluskohteita ovat muun muassa puhelimet ja peliohjaimet sekä navigointijärjestelmät ja sodankäynninsovellukset. Usein kuitenkin kulmanopeuden lisäksi halutaan myös tietää pyörivän liikkeen kulman muutos ja tästä syystä kulmanopeussignaalia täytyy integroida. Valitettavasti integrointi aiheuttaa kuitenkin haitallista pienen virheen kertymistä lopulliseen kulmasignaaliin eli signaali ajautuu. Ajautuminen siis tarkoittaa, että mittasignaali muuttuu suhteessa aikaan, vaikkei todellista liikkeen muutosta tapahdu. Tässä kandidaatintyössä tehdään kirjallisuusselvitys, siitä miten ajautuma syntyy ja miten se voidaan poistaa. Lisäksi ajautuman kompensoinnista tehdään MATLAB-simulaatio, jossa hyödynnetään työssä käsiteltyjä menetelmiä.

Gyroskoopit voidaan jakaa kolmeen tyyppiin: MEMS- (Microelectromechanical system), laser- ja kuituoptisiingyroskooppeihin. Kaikki mainitut gyroskooppityypit kärsivät ajautumasta, joten usein ajautuman kompensointi on välttämätöntä.

Ajautuman kompensointiin esitetään algoritmi, jossa hyödynnetään toista anturia, suodatusta, estimaattoria ja takaisinkytkentää. Lopullisessa mallissa käytetään kiihtyvyysanturia, komplementaarista ja Kalman-suodinta. Tämän mallin toiminta verifioitiin MATLAB-simulaatiolla, jossa gyroskoopin kulmakiihtyvyyssignaalista oli mahdollista saada kiihtyvyysanturinsignaalin avulla luotettava kulmasignaali, jossa ei ollut havaittavissa ajautumaa.

Gyroscope is a sensor that is used to measure angular velocity. Often gyroscopes are included in a larger system like IMU (Inertial measurement unit), where they are one of many sensors that measure different quantities. Its usual applications vary from mobile phones and gaming controllers to navigation systems and warfare applications. Often, in addition to the angular velocity the change in the angle of the angular motion should be known and thus the angular velocity signal is typically integrated. Unfortunately, the integration causes the accumulation of small errors in the final angle signal so the signal drifts. Drift means that the measurement signal changes in relation to time even though there is no actual change in the angular motion. In this thesis a literature review is made on the questions of formation of drift and how it can be compensated. Furthermore, a simulation of drift compensation is arranged in MATLAB, where methods discussed in this thesis are capitalized.

Gyroscopes are divided in to three types: MEMS (Microelectromechanical system), laser and fiber optic gyroscopes. All the aforementioned gyroscope types are subject to drift so its compensation is of the uttermost importance.

A control method and model for the compensation of the drift is proposed where another sensor, filtering, an estimator and a feedback loop are used. In the final version of the compensation an accelerometer, a complementary and a Kalman filter are used. The functionality of this model was verified with a MATLAB simulation, where the angular velocity signal of the gyroscope and signal of the accelerometer were used to derive an angle signal that had no observable drift.