基于VR设备中IMU的头部姿态感知算法研究

来源：计算机测量与控制杂志2020年第12期北京时间：

作者：张雁鹏,高建勇,周志杰

单位：苏州热工研究院有限公司 设备管理部

摘要：随着头戴式显示设备的发展,基于虚拟现实(Virtual Reality,VR)的教育培训随之流行开来。在基于VR设备的教育培训中,存在用户与设备间进行交互的场景。在这些场景中,VR设备对使用者头部姿态的感知尤为重要。为了保证较高的姿态解算精度,同时降低系统的计算量,设计了四种基于头戴式惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)的姿态解算方法,并对比了这四种算法的姿态解算精度和运算效率。实验结果表明,相比于其他三种算法,使用四元数微分方程的三阶泰勒展开递推式更新四元数,同时利用间接扩展卡尔曼滤波器融合地磁信息进行修正的姿态解算方法保证了较高的解算精度和较少的运算时间。该基于地磁修正+三阶泰勒展开法的头部姿态感知算法计算所得欧拉角与SBG公司生产的IG-500N型号IMU中提供的姿态角具有1.1×10-2度的总体平均偏差，且该算法使用MATLAB R2013a平台计算14000组数据的耗时为5.1秒。

关键词：虚拟现实;惯性测量单元;姿态解算;三阶泰勒展开递推式;间接扩展卡尔曼滤波器;地磁融合

基金资助：国家科技重大专项(2018ZX06906012)-高温堆示范工程可靠运行技术研究课题运行可靠性关键设备保障技术研究子课题