Développement d'une unité de mesure inertielle à base de Smart-MEMS

par Gaurav Chatterjee

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et micro-électroniques

Sous la direction de Pascal Nouet.

Le président du jury était Guy Cathébras.

Le jury était composé de Pascal Nouet, Guy Cathébras, Hélène Tap-Béteille, David Navarro, Frédérick Mailly, Nacim Hachelef.

Les rapporteurs étaient Hélène Tap-Béteille, David Navarro.


  • Résumé

    La navigation par système inertiel strapdown est aujourd’hui la plus répandue. L’architecture est bien connue et a été très largement améliorée au cours des dernières décennies. Néanmoins, le principe fondamental n’a subi de bouleversement et reste constitué d’une triplette d’accéléromètres et de gyromètres permettant de revenir aux informations d’attitude et de cap.La précision de l’estimation de position repose principalement sur la gamme de performance des capteurs utilisés. En particulier, des applications telles que des lanceurs spatiaux requièrent une très haute précision et des capteurs d’une technologie éprouvée sont utilisés. L’arrivée sur le marché de capteurs inertiels MEMS de haute précision ouvre une alternative à coût réduits couplée à une réduction de masse, volume et de consommation. Les moyens de production des MEMS ainsi qu’une meilleure connaissance des propriétés des matériaux ont permis l’arrivée d’accéléromètres MEMS pouvant rivaliser avec les technologies éprouvées de gamme tactique. Toutefois, les gyromètres de technologie MEMS existantes restent dans une gamme de performance de type industrielle.La présente étude vise à analyser la possibilité d’utiliser des accéléromètres de haute précision pour améliorer les performances gyrométriques, dans l’objectif de réaliser une solution tout MEMS d’unité de mesure inertielle. Une brève introduction sur les techniques de filtrage de Kalman pour la fusion de données est présentée, ainsi que son implémentation pour notre étude. L’analyse théorique se poursuit avec une présentation des résultats expérimentaux.L’étude conclut que l’utilisation d’une paire d’accéléromètres de haute performance et d’un gyroscope de type consommateur permet d’atteindre les performances d’un gyromètre tactique. Les contraintes de définition et de mesure pour l’implémentation du système sont présentées en détail.Cette étude est menée pour la mesure angulaire autour d’un axe unique de rotation, un complément d’étude est nécessaire à l’extrapolation de cette approche pour une mesure générique en 3D.

  • Titre traduit

    Smart-MEMS based Inertial Measurement Units : Improving the performance of gyroscopes using high-grade accelerometers


  • Résumé

    Strapdown inertial navigation units are the most popular systems used for navigation. The system architecture is well established and has been extensively improved over the past decades. However, the core idea remains same where a triad of accelerometers and gyroscopes provide the attitude and heading information.The accuracy of the position estimate depends on the performance grade of the sensors employed. For applications like space launchers requiring very high accuracy, high-grade devices using traditional technologies are used. The advent of accurate MEMS based sensors offer an exciting low-cost alternative with expected reduction in size and power consumption. MEMS fabrication technology, assisted by improved understanding of material properties have led to accelerometers that can compete with traditional devices for tactical applications. However, the MEMS based solutions currently available for gyroscopes can replace only industrial grade applications.This study attempts to investigate if the currently available high-grade accelerometers can be used to improve the gyroscope performance, towards the final goal of a complete MEMS based solution for inertial navigation units. The study begins with a literature review of current status of technology. A brief explanation of linear Kalman filtering technique for data fusion is presented, along with its implementation concerning this work. The theoretical discussion is then followed by presentation of experimental results.The study found that using a pair of high-grade accelerometers, a consumer grade gyroscope can have its performance upgraded for tactical applications. The design and sensing constraints for realizing this system are discussed in detail.Since this research work primarily concerns with angular rate estimation around a single axis of rotation, further research is recommended for extrapolating this approach for a more general 3-D sensing case.

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