Расширенный фильтр Калмана на кватернионах для определения ориентации с помощью инерционных и магнитных датчиков

В статье разработан расширенный фильтр Калмана (EKF) на основе кватернионов для определения ориентации твердого тела по выходам датчика, реализованного как интеграция трехосного гироскопа и вспомогательной системы, выполненной с использованием трехосного акселерометра и трехосного магнитометра. Предлагаемые области применения — исследования в области движения человека. В предложенном EKF кватернион, связанный с поворотом тела, включен в вектор состояния вместе со смещениями (смещениями нуля) датчиков вспомогательной системы. Кроме того, помимо встроенной процедуры компенсации смещений датчиков, матрица ковариации шума измерений адаптируется для защиты от эффектов, которые движение тела и временные магнитные возмущения могут оказывать на надежность измерений ускорения свободного падения и земного магнитного поля соответственно. С помощью компьютерного моделирования и экспериментальной валидации на сигналах ориентации человеческой руки демонстрируется улучшение точности оценок ориентации для предложенного EKF по сравнению с реализациями фильтра, в которых не реализованы либо встроенная процедура калибровки, либо адаптивный механизм взвешивания измерений датчиков вспомогательной системы, либо оба этих механизма.