Framework for the assessment of MEMS-type inertial measurement units for position measurement

Abstract

Geodésia industrial é a área da metrologia que lida com grandes estruturas, tendo aplicações em setores industriais tais como naval e off-shore, aeroespacial e de geração de energia. As tarefas de medição são frequentemente muito desafiadoras, e novas soluções são impulsionadas por uma crescente necessidade de exatidão e versatilidade. Unidades de Medição Inercial (IMU) do tipo MEMS possuem características vantajosas que as tornam uma tecnologia promissora para aplicação em geodésia industrial. A posição de uma IMU com relação a um sistema coordenado de referência pode ser obtida por um processo conhecido como dead-reckoning: a integração numérica das medições inerciais (ou seja, acelerações e velocidades angulares) fornece mudanças na orientação e na posição do sensor. Idealmente, tal processo proveria resultados exatos. Na prática, dificuldades emergem de limitações dos sensores, processamento de dados e das condições experimentais. No estudo da aplicabilidade de IMUs em geodésia industrial, a coerente expressão da incerteza de medição é relevante. IMUs não possuem especificações de incerteza para medição de posição; além disso, as informações de fabricantes não são totalmente compreensíveis (ou completas) para esse propósito. De fato, vários fatores estão envolvidos, tais como a qualidade da IMU, o processamento de dados envolvido e a dinâmica da tarefa de medição, o que torna uma especificação geral de incerteza virtualmente impossível. Este trabalho de pesquisa propõe um estudo exploratório da aplicabilidade de IMUs do tipo MEMS em geodésia industrial, envolvendo análises teóricas e experimentais. Contribuições deste trabalho incluem: um método para a estimação da incerteza na posição obtida usando uma IMU do tipo MEMS; organização e esclarecimento de informações relacionadas às características de erros de IMUs; tradução clara e objetiva de especificações de IMUs em limites de desempenho metrológico para tarefas de posicionamento específicas. São apresentados dois exemplos de aplicação com dados de experimentos reais, envolvendo duas IMUs comerciais distintas, diferentes trajetórias e com medições de referência adequadas. A consistência dos resultados aponta para a validade do método proposto.

Abstract: Large-Scale Metrology (LSM) is the area of metrology that deals with large structures, with applications in industry sectors such as naval and offshore, aerospace, steel and power generation. Measurement tasks are often very challenging, and new solutions are pushed by an evergrowing need for accuracy and versatility. MEMS-type Inertial Measurement Units (IMU) own advantageous characteristics that make them a promising technology for application in LVM. Position of an IMU in relation to a reference frame can be obtained by a process known as dead-reckoning : numerical integration of inertial measurements (i.e. accelerations and angular velocities) yields changes in orientation and position of the sensor. Ideally, this process would provide exact results. In practice, difficulties arise from limitations of the sensors, data-processing and from the experimental scenario. In the study of the applicability of IMUs in LSM, the coherent expression of uncertainty in measurement becomes of relevance. IMUs do not have uncertainty specifications for position measurement, neither are manufacturer?s information always fully intelligible (or complete) for this purpose. Indeed, various factors are involved, such as the quality of the IMU, the data processing involved and the dynamics of the measurement task, which makes a general specification of uncertainty virtually impossible. This research work proposes an exploratory study on the applicability of MEMS-type IMUs in Large-scale Metrology, involving theoretical and experimental analysis. Contributions of this work include: a GUM-consistent framework for the estimation of uncertainty in position obtained using stand-alone MEMS-type IMUs; organization and clarification of information on IMU?s error behavior; clear and objective translation of IMU specifications into limits of metrological performance for specific positioning tasks. Two application examples with real experimental data, involving two different commercial IMUs, distinct trajectories and with suitable reference measurements are presented. Consistency of results points towards the validity of the proposed framework.