Evaluation of low-cost MEMS accelerometers for measurements of velocity of unmanned vehicles

eng Article in English DOI:

send Przemysław Dąbek Industrial Research Institute for Automation and Measurements PIAP

Download Article

Abstract

Aim of the paper is to assess uncertainty associated with determination of velocity using MEMS accelerometer. Two MEMS accelerometers are evaluated from the point of view of measurement characterized by short duration and possibility of repetitions in unchanged environment. Mathematical model of measurement of velocity is presented with its accompanying uncertainty. The accelerometers were first subjected to calibration and testing of nonlinearity of their scale factors, then fixed to a wheeled robot which performed repeated manoeuvres of straight line movement on laboratory ground. Standard uncertainty of velocity measured using the examined accelerometers was at the level of 0.02–0.04 m/s for run duration of about 1.5 s and averaged data from 12 runs. MEMS accelerometers can be recommended for velocity measurements characterised by short duration and possibility of repetitions, if uncertainties of calibration and of measurement of vehicle tilt angle during motion are minimized.

Keywords

measurement uncertainty, MEMS accelerometers, unmanned vehicle, vehicle dynamics, velocity measurement

Ewaluacja akcelerometrów MEMS pod kątem pomiaru prędkości pojazdów bezzałogowych

Streszczenie

W artykule poruszono problem pomiaru bezwładnościowego parametrów ruchu pojazdów. Celem pracy jest ocena niepewności pomiaru związanej z wyznaczaniem prędkości metodą całkowania przyspieszenia zmierzonego akcelerometrem typu MEMS. Dwa akcelerometry typu MEMS zostały poddane ocenie z punktu widzenia zastosowania charakteryzującego się krótkim czasem trwania pomiaru oraz możliwością jego powtarzania w niezmienionych warunkach. Zaprezentowano model matematyczny pomiaru prędkości wraz z towarzyszącą mu niepewnością Akcelerometry zostały poddane procedurze kalibracji oraz wyznaczono nieliniowości dla ich współczynników skali dzięki wykorzystaniu urządzenia Tira-VIB do wygenerowania przyspieszeń o zmiennych wartościach. Czujniki zostały zamontowane na robocie kołowym, który wykonał w sposób powtarzalny manewr jazdy prostoliniowej na tej samej nawierzchni. Otrzymano niepewność standardową prędkości zmierzonej przy użyciu badanych akcelerometrów na poziomie 0,02–0,04 m/s dla przebiegu trwającego ok. 1,5 s, przy uśrednieniu danych z 12 przebiegów. Na podstawie wykonanej pracy można rekomendować tanie akcelerometry MEMS do pomiarów prędkości charakteryzujących się krótkim czasem trwania oraz możliwością powtarzania pomiarów. Należy zwrócić uwagę na minimalizację niepewności związanych z kalibracją instrumentów oraz pomiarem zmiennego kąta przechyłu pojazdu podczas ruchu.

Słowa kluczowe

akcelerometr MEMS, dynamika pojazdów, niepewność pomiaru, pojazd bezzałogowy, pomiar prędkości

Bibliography

  1. Ray L.R., Brande D.C., Lever J.H., Estimation of net traction for differential-steered wheeled robots, “Journal of Terramechanics”, 46/2009, 75-87.
  2. Trojnacki M., Modeling and Motion Simulation of a Three-Wheeled Mobile Robot with Front Wheel Driven and Steered Taking into Account Wheels’ Slip, “Archive of Applied Mechanics”, 5/2012, [DOI 10.1007/s00419-012-0636-2].
  3. Marinis T.F., The future of Microelectromechanical systems (MEMS), “Strain”, 45/2009, 208-220.
  4. Barbour N., Schmidt G., Inertial sensor technology trends, “IEEE Sensors Journal”, Vol. 1, No. 4, 2001, 332-339.
  5. Pang G., Liu H., Evaluation of a Low-cost MEMS Accelerometer for Distance Measurement, “Journal of Intelligent and Robotic Systems”, 30/2001, 249-265.
  6. Onodera R., Mimura N., Shishido M., An efficient calibration method for a novel 6-DOF acceleration sensor system and application to measurement of a vehicle motion, “Proceedings of IEEE Sensors Conf.”, art. no. 5690441, 2010, 600-605.
  7. [www.analog.com] - Analog Devices (7 Dec 2012).
  8. [www.mikrosensor.de] - Micro-Sensor GmbH (7 Dec 2012).
  9. [www.phidgets.com] - Phidgets Inc. - Unique and Easy to Use USB Interfaces (7 Dec 2012).
  10. [www.analog.com/en/mems-sensors/mems-inertial-sensors/adxl330/products/product.html] Analog Devices (7 Dec 2012).
  11. [www.antyterroryzm.com/product/en/scout] PIAP Scout mobile robot (7 Dec 2012).
  12. Syed Z.F., Aggarwal P., Goodall C, Niu X.; El-Sheimy N., A new multi-position calibration method for MEMS inertial navigation systems, “Meas. Sci. and Technol.”, 18/2007, 1897-1907.
  13. [www.peak-system.com] Homepage of PEAK-System (7 Dec 2012).
  14. Łuczak S., Accelerometer-based measurements of axial tilt, “Journal of Automation. Mobile Robotics & Intelligent Systems”, Vol. 6, No. 1, 2012, 39-41.
  15. Joint Committee for Guides in Metrology, Evaluation of measurement data - Guide to the expression of uncertainty in measurement JCGM 100:2008, [www.bipm.org/en/publications/guides/gum.html].
  16. [http://bgi.dtp.obs-mip.fr] - Absolute Gravity Database (7 Dec 2012).