Kalibrácia IMU v teréne

Prečo kalibrácia IMU v teréne rozhoduje o navigačnej presnosti

Inerciálna meracia jednotka (IMU) je základom autonómnej navigácie dronu. Aj dobre nakalibrovaná IMU v dielni sa v teréne vplyvom teploty, vibrácií a montážnych tolerancií správa inak. Rýchla kalibrácia priamo „na mieste“ minimalizuje drift orientácie, chyby odhadov rýchlosti a zlepšuje fúziu s GNSS či vizuálnou odometriou. Cieľom tohto článku je ponúknuť systematické, časovo úsporné postupy kalibrácie a praktický rámec na odhad biasov gyier a akcelerometrov v polných podmienkach.

Model senzorov: čo presne kalibrujeme

Pre 6D IMU (3× gyro, 3× akcelerometer) uvažujeme lineárny model merania: meranie = skutočná hodnota × (1 + scale factor) + bias + šum + krížové väzby. V praxi v teréne sa zameriavame najmä na:

• Gyro bias (offset, deg/s): spôsobuje drift yaw/pitch/roll pri integrácii uhlových rýchlostí.
• Accel bias (mg): posúva vektory zrýchlenia a tým aj odhad sklonu voči gravitácii.
• Teplotná závislosť biasov (°C): posun offsetu pri zahrievaní elektroniky a mechaniky.
• Scale factor & misalignment: sekundárne pre terén, ale významné pri presnej mape alebo dlhých tratiach.

Biasy často modelujeme ako náhodnú prechádzku (random walk) s pomalou dynamikou, aby ich mohol filter v lete adaptívne doladiť.

Rýchly prelet postupov: ak máte len 5, 10 alebo 20 minút

Predpoklady a príprava: aby čísla dávali zmysel

• Stabilná platforma: pevná, rovná plocha bez dotykov operátora; vypnite autolevel v gimbaloch pripevnených k IMU.
• Teplota: po zapnutí nechajte elektroniku prehriať 1–3 min; v zime dlhšie. Logujte teplotu IMU, ak to jednotka podporuje.
• Jednotky a mierka: overte, či logujete v rad/s alebo deg/s a či sú akcelerácie v m/s² alebo g.
• Čisté dáta: logujte surové hodnoty (raw) popri filtrovaných; fúzované quaterniony nestačia na kalibráciu.

Postup A – „Šesť polôh“ pre akcelerometre v teréne

1. Položte IMU tak, aby os +Z smerovala hore (normála k zemi). Logujte 20–30 s.
2. Otočte na −Z (hore nohami), potom +X, −X, +Y, −Y; každá poloha 20–30 s.
3. V každej polohe vypočítajte priemer vektora a porovnajte s očakávaným (±g na danej osi, ~0 na ostatných).

Z rozdielov od očakávania odhadnete bias na každej osi (posun) a hrubo aj scale factor (ak namerané |a| ≠ g). Jednoduchá lineárna regresia medzi očakávaným a nameraným po všetkých pózach dá 3× (scale, bias). Ak je to možné, spočítajte aj 3×3 maticu krížových väzieb (misalignment), no v teréne často stačí predpoklad diagonálnej matice a korekcia biasov.

Postup B – Statická identifikácia gyro biasov

1. Po „šesť polôh“ nechajte platformu 60–120 s úplne nehybnú.
2. Priemerujte merania ω_x, ω_y, ω_z. Výsledok je odhad b_g (bias) pre každú os.
3. Ak máte teplotu, uložte dvojicu (T, b_g) pre ďalšiu aproximáciu lineárnej teplotnej korekcie b_g(T).

Očakávané poradie veľkosti: kvalitné MEMS gyroskopy ~0,005–0,05 deg/s, lacné moduly 0,1–1 deg/s. Ak ste vyššie, skontrolujte vibrácie, prúdenie vzduchu od vrtúľ a elektromagnetický šum.

Postup C – Krátka „dynamika na zemi“

Po statike vykonajte jemné rotácie a mikronáklony (~5–15°) v dvoch-troch osiach a plynulé yaw sweepy ±90°. Cieľom je:

• Validovať či biasy z postupu A/B fungujú aj pri malom pohybe.
• Odhadnúť šum a vibrácie v reálnom prostredí (kolesá auta, generátor, vietor).
• Nastaviť filtre (cut-off anti-vibrácie, notch frekvencie pre vrtule).

Odhad biasov v lete: ZUPT a „otvorená slučka“

Ak vzlietnete bez ideálnej statiky, dá sa bias doladiť počas letu pomocou momentov s (takmer) nulovou rýchlosťou alebo známou kinematikou:

• ZUPT (Zero-Velocity Update): krátke „visy“ bez driftu vetrom – nastavte prah rýchlosti/uhlovej rýchlosti a aktualizujte odhad biasu, pokiaľ je platforma kvázi stacionárna.
• Známé manévre: jemné sínusové kývanie v roll/pitch s malou amplitúdou umožní oddeliť bias od skutočnej dynamiky.
• GNSS/VO aiding: ak máte spoľahlivú rýchlosť/pozíciu, použite ju ako meranie na korekciu driftu a tým nepriamo biasu.

Rozšírený stav vo filtri: nechajte EKF „učiť sa“

Rozšírený Kalmanov filter (EKF) doplňte o stavové premenné biasov b_g, b_a s miernou náhodnou prechádzkou. Nastavenie kovariančných parametrov (procesný šum pre biasy) určuje, ako rýchlo sa filter prispôsobí zmenám. Praktické tipy:

• Rýchlejšie učenie na začiatku (vyšší procesný šum), po 1–2 min stiahnite na konzervatívnu hodnotu.
• Teplotne podmienené Q: pri rýchlej zmene T povoľte rýchlejšie učenie biasu.
• Brány (gating) meraní z GNSS/VO, aby ste sa vyhli falošným korekciám počas zhoršeného signálu.

Teplotná kalibrácia „ľahkou váhou“

V ideáli sa robí laboratórny cyklus, no v teréne pomôže jednoduchý lineárny model biasu vs. teplota:

1. Po zapnutí logujte statiku pri T₁ (studená IMU) a po 5–10 min opakujte statiku pri T₂ (zahriata IMU).
2. Pre každú os spočítajte sklon k = (b(T₂) − b(T₁)) / (T₂ − T₁).
3. Počas misie aplikujte korekciu b(T) ≈ b(T_ref) + k (T − T_ref).

Aj hrubá lineárna korekcia výrazne stabilizuje yaw drift pri väčších teplotných rozdieloch (ráno vs. obed, leto vs. zima).

Misalignment: keď IMU nie je presne v osi dronu

Ak IMU nie je presne zarovnaná s telovými osami (roll/pitch/yaw offset), prejaví sa to systematickou chybou orientácie. V teréne ju viete odhadnúť:

• Statika ±Z: určite vektor gravitácie a porovnajte s očakávanou telovou Z osou.
• Kontrolovaný yaw sweep na rovnom povrchu: ak sa mení roll/pitch pri čistej yaw rotácii, máte krížové väzby.
• Kalibračná matica 3×3 pre IMU→body transform, ktorú následne aplikujete pri spracovaní meraní.

Vibrácie a filtrovacie stratégie

Vibrácie od vrtúľ a rámu „preťažujú“ IMU a sýtia integráciu. Rýchla diagnostika:

• Statika s bežiacimi vrtuľami (bez vzletu): porovnajte varianciu akcelerometrov a gyier s vypnutými vrtuľami.
• Notch filtre na dominantných frekvenciách (zvyčajne násobky otáčok vrtúľ).
• Mechanika: mäkké silentbloky špecifickej tuhosti, vyváženie vrtúľ, vzdialenie IMU od motorov/regulátorov.

Kontrolný zoznam rýchlej kalibrácie pred letom

• IMU zahriať 1–3 min; skontrolovať stav napájania a teplotu.
• Statika 60–120 s pre gyro bias; uložiť.
• „Šesť polôh“ pre akcelerometre (ak je čas aspoň 10 min).
• Krátke yaw sweepy a mikronáklony; validácia šumu a vibrácií.
• Nastaviť/overiť teplotnú korekciu biasov (ak podporované).
• Synchronizácia časovej základne logov (IMU, GNSS, kamery).

Rámec kvality: ako spoznáte, že kalibrácia „sadla“

• Variancia statiky gyier < 0,005–0,05 deg²/s² (podľa triedy IMU).
• Norma akcelerácie pri statike 0,98–1,02 g (kompenzované biasy).
• Drift yaw pri 2-min. vise < 1–3° (s GNSS/VO aiding ešte menej).
• Konzistentná teplotná krivka biasov po opakovaných štartoch.

Odhad neistoty: aby EKF veril správnemu množstvu

Okrem samotných korekcií je kľúčové nastaviť R (merací šum) a Q (procesný šum) v súlade s pozorovanými varianciami. Tipy:

• R pre gyro určte z variancie statiky (deg/s)²; to isté pre accel (m/s²)².
• Q pre biasy nastavte tak, aby filter dokázal za 10–60 s absorbovať rozumnú zmenu spôsobenú teplotou.
• Overte NEES/NIS konzistenciu, ak máte nástroje – predíde sa „príliš sebavedomým“ odhadom.

Praktické zlepšováky z terénu

• Značky póz: na obale dronu vyznačte šípky osi, aby kolmé polohy ±X/±Y/±Z boli jednoznačné.
• „Rýchla kostka“: malé penové/3D tlačené hranoly 90°/45° pre opakovateľné polohy IMU na rovnom podklade.
• Logbook: uchovajte 2–3 posledné sady biasov s teplotou a výsledným driftom; pomáha rýchlo odhaliť degradáciu senzora.
• Bezpečnostná rutina: nikdy nemanipulujte s dronom pri statike; mikropohyby kazia odhady.

Časté chyby a ich diagnostika

• Bias z odčítania gravitácie: pri nesprávnej konvencii osí sa „g“ miesi do odhadu biasu akcelerometra – overte znamienka a orientáciu.
• Prehnané filtrovanie: príliš nízky cut-off spôsobí fázový posun a chybnú fúziu s GNSS/VO.
• Teplotné šoky: spúšťate let bez zahrievania – bias sa mení počas štartu a EKF nestíha.
• Nesprávne jednotky: deg/s vs. rad/s v jednej z vetiev spracovania = rýchla cesta k saturácii filtra.

Rozšírenie na 9D IMU: magnetometer v teréne

Ak používate magnetometer, v teréne vykonajte aspoň figure-8 manéver a krátku hard/soft-iron kalibráciu mimo kovových objektov a kábľov vysokého prúdu. Magnetometer výrazne pomáha stabilizovať yaw pri slabom GNSS, no len ak je čistý a správne kalibrovaný.

Minimálny dátový protokol pre polnú kalibráciu

• IMU: ω_x,y,z, a_x,y,z, teplota, časové pečiatky (≥ 200 Hz odporúčané pri multirotoroch).
• GNSS/VO (ak k dispozícii): rýchlosť, pozícia, kvalita merania.
• Meta: stav vrtúľ, režim letu, orientačné označenie póz pri „šesť polôh“.

Zhrnutie: disciplína, pár minút naviac a IMU sa odmení

Najväčší prínos terénnej kalibrácie IMU pramení z krátkej statiky pre gyro bias, „šesť polôh“ pre akcelerometre a zohľadnenia teploty. V kombinácii s opatrne nastaveným EKF (bias ako stav, adaptívne Q) a kontrolou vibrácií získate stabilnú orientáciu, menší drift a spoľahlivejšiu fúziu so zvyškom senzoriky – aj pri náročných podmienkach.