The miniaturization of inertial measurement units (IMUs) facilitates their widespread use in a growing number of application domains. Orientation estimation is a prerequisite for most further data processing steps in inertial motion tracking, such as position/velocity estimation, joint angle estimation, and 3D visualization. Errors in the estimated orientations severely affect all further processing steps. Recent systematic comparisons of existing algorithms show that out-of-the-box accuracy is often low and that application-specific tuning is required to obtain high accuracy. In the present work, we propose and extensively evaluate a quaternion-based orientation estimation algorithm that is based on a novel approach of filtering the acceleration measurements in an almost-inertial frame and that includes extensions for gyroscope bias estimation and magnetic disturbance rejection, as well as a variant for offline data processing. In contrast to all existing work, we perform an extensive evaluation, using a large collection of publicly available datasets and eight literature methods for comparison. The proposed method consistently outperforms all literature methods and achieves an average RMSE of 2.9{\deg}, while the errors obtained with literature methods range from 5.3{\deg} to 16.7{\deg}. Since the evaluation was performed with one single fixed parametrization across a very diverse dataset collection, we conclude that the proposed method provides unprecedented out-of-the-box performance for a broad range of motions, sensor hardware, and environmental conditions. This gain in orientation estimation accuracy is expected to advance the field of IMU-based motion analysis and provide performance benefits in numerous applications. The provided open-source implementation makes it easy to employ the proposed method.


翻译:惯性测量单位(IMUs)的微型化有助于在越来越多的应用领域广泛使用这些单位。方向估计是惯性运动跟踪(如位置/速度估计、联合角度估计和3D视觉化)中大多数进一步数据处理步骤的先决条件。估计方向错误严重影响了所有进一步的处理步骤。最近对现有算法的系统比较表明,箱外精确度往往较低,需要具体应用的调整才能获得很高的准确性。在目前的工作中,我们提议并广泛评价基于四向方向估计算法,该算法基于一种新颖的方法,即过滤近乎内层的加速测量,包括陀螺仪偏差估计和磁扰动拒绝的扩展,以及离线数据处理的变异。与所有现有工作相比,我们进行了广泛的评价,大量收集了公开可得的数据集和八种文献比较方法。在目前的工作中,拟议的方法始终超越了所有开放的文献方法,并实现了2.9-deg}在近距离加速精确度测量度测量测量方法方面,而拟议的文献方法的误差则从5.3 和磁扰扰扰度分析,提供了一种前向前方计算方法。

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