Оценка ориентации IMU и MARG с использованием алгоритма градиентного спуска

В статье предложен новый алгоритм определения ориентации, разработанный для поддержки вычислительно эффективной переносимой инерционной системы отслеживания движений человека в реабилитационных приложениях. Он применим к инерциальным измерительным блокам (IMU), состоящим из трёхосных гироскопов и акселерометров, а также к сенсорным массивам MARG (magnetic angular rate and gravity), которые дополнительно включают трёхосные магнитометры. Реализация для MARG включает компенсацию магнитных искажений. Алгоритм использует кватернионное представление, что позволяет применять данные акселерометра и магнитометра в аналитически выведенном и оптимизированном алгоритме градиентного спуска для вычисления направления ошибки измерения гироскопа в виде производной кватерниона. Производительность была оценена эмпирически с использованием коммерчески доступного сенсора ориентации и эталонных измерений ориентации, полученных с помощью оптической измерительной системы. Производительность также была сопоставлена с проприетарным основанным на фильтре Калмана алгоритмом сенсора ориентации. Результаты показывают, что алгоритм достигает уровней точности, сопоставимых с фильтром Калмана: < 0,8° среднеквадратической ошибки в статике и < 1,7° среднеквадратической ошибки в динамике. Низкая вычислительная нагрузка и способность работать при низких частотах дискретизации существенно снижают требования к аппаратному обеспечению и энергопотреблению для переносного инерционного отслеживания движений, что позволяет создавать лёгкие, недорогие системы, способные функционировать длительное время.