Sviluppo e analisi di una procedura per la calibrazione automatica di una IMU su veicoli a due ruote

The use of Inertial Measurement Units (IMUs) on vehicles is now standard practice for measuring or estimating variables relevant to vehicle-dynamics control and to the implementation of safety and driver-assistance systems. To exploit the accelerations and angular velocities provided by the sensor, the IMU axes must be aligned with the vehicle reference frame by estimating the three Euler angles φ, ϑ, ψ, that define the required rotation. This alignment is achieved through IMU calibration, which in traditional methods demands dedicated tests and offline analysis by qualified personnel. This thesis aims to automate the entire procedure, developing an algorithm that runs in real time during everyday riding, particularly designed for two-wheeled vehicles. The procedure is organised into three stages: static calibration (vehicle in stationary condition), dynamic calibration (vehicle in motion), final correction (vehicle in motion). The key innovation over existing approaches lies in this last stage, which estimates a fourth angle φc to compensate for the error caused by any lateral tilt of the motorcycle during the static calibration. To ensure real-time operation, each stage works in parallel on its own FIFO (First-In First-Out) buffer, fed with data automatically selected by checking specific conditions, all formulated under the flat-road assumption. Validation on multiple experimental datasets from two different vehicles shows that the procedure achieves correct calibration for any initial IMU orientation. Online execution makes errors on the calibrated accelerations very small compared with offline results, on the order of 10-1 m/s2.

L’impiego delle IMU (Inertial Measurement Unit) a bordo veicolo è ormai prassi consolidata per misurare o stimare variabili utili al controllo della dinamica e all’implementazione dei sistemi di sicurezza e assistenza alla guida. Per poter sfruttare le accelerazioni e le velocità angolari fornite dal sensore è tuttavia necessario allineare gli assi interni della IMU con il sistema di riferimento del veicolo, stimando i tre angoli di Eulero φ, ϑ, ψ, che definiscono la corretta rotazione. Tale allineamento si ottiene tramite la calibrazione dell’IMU, che nei metodi tradizionali richiede prove dedicate e analisi offline svolte da personale qualificato. La tesi mira a rendere questa procedura completamente automatica sviluppando un algoritmo capace di operare in tempo reale durante la normale guida quotidiana, pensato in particolare per i veicoli a due ruote. La procedura si articola in tre fasi: calibrazione statica (veicolo fermo), calibrazione dinamica (veicolo in movimento), correzione finale (veicolo in movimento). La principale peculiarità rispetto alla letteratura è l’ultima fase, che stima un quarto angolo φc per compensare l’errore introdotto dall’eventuale inclinazione laterale della moto durante la calibrazione statica. Per garantire il funzionamento in tempo reale, ogni fase opera parallelamente su un proprio buffer FIFO (First-In First-Out), alimentato da dati selezionati automaticamente tramite la verifica di specifiche condizioni, tutte formulate assumendo strada pianeggiante. La validazione, condotta su più dataset sperimentali ottenuti da due veicoli diversi, mostra che la procedura fornisce calibrazioni corrette per qualsiasi disallineamento iniziale degli assi dell’IMU. Inoltre, l’esecuzione online commette errori sulle accelerazioni calibrate molto limitati rispetto ai risultati ottenuti offline, nell’ordine di 10-1 m/s2.