基于最小二乘法MEMS惯性传感器姿态解算算法

熊新炎， 黄 涛， 温子豪， 张 童

(哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028)

人体姿态捕捉广泛应用于计算机游戏制作、军事训练、人体医疗康复、行为预判、动作识别等领域.传统的机械式姿态捕捉存在运动幅度受限、无法捕获较为复杂的姿态.光学式姿态捕捉系统造价昂贵，标定光点会出现遮挡，后期处理时间长[1].随着MEMS微机电技术和计算机技术的快速发展，MEMS惯性传感器在可穿戴便携设备中应用越来越成熟，低成本惯性测量单元具有体积小、质量轻、功耗低、性价比高等特点，在人体姿态捕捉系统得到普遍应用[2].由于外界噪声和磁场变化等多因素影响，MEMS惯性传感器无法长时间对姿态进行精确测量，其精度和稳定性较低[3].

本文采用三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成的9维惯性测量单元对姿态进行测量，对三轴加速度计进行标定及建立误差模型，利用最小二乘法确认误差参数[4].根据欧拉角法对倾向角和航向角分开求解特点，减小磁场变化干扰[5].再对欧拉角中奇异值问题进行改进，分为两种状态的滤波模式，克服了传统欧拉角中的奇异值问题.

1 姿态解算

常用的姿态解算方法有欧拉角、方向余弦法、四元数法.方向余弦法方程参数多，计算量较大，效率低，不方便对姿态的变化的理解.四元数法计算量小，易于操作，但易受外界磁场影响.欧拉角表达姿态形象直观，简单易懂，但会出现万向锁现象[6].由于欧拉角法求取时倾斜角和航……