斯坦福大学EE267虚拟现实课：惯性测量单元与姿态追踪

"Stanford大学的讲座9，主要讲解了惯性测量单元（IMU）的相关知识，包括坐标系统、惯性传感器（陀螺仪、加速度计、磁力计）、姿态跟踪、平面内的方向追踪、如何从加速度计获取俯仰和翻滚角度，以及VRduino简介。讲座还提到了在虚拟现实中，如何通过IMU模型追踪头部或其他设备的相对旋转，并介绍了欧拉角和四元数来表示旋转。" 在Stanford大学的EE267虚拟现实课程的第九次讲座中，讲师Gordon Wetzstein深入讨论了惯性测量单元（IMU）的应用和原理。首先，他阐述了坐标系统的概念，包括世界坐标系、物体或传感器坐标系以及惯性坐标系，以及它们之间的转换。理解这些坐标系统对于正确解读传感器数据至关重要。 接着，讲座重点介绍了惯性传感器的三种主要类型：陀螺仪、加速度计和磁力计。陀螺仪用于测量角速度，即设备旋转的速度，单位通常是度每秒（°/s）或弧度每秒（rad/s）。加速度计则用来检测线性加速度，例如重力加速度，有助于确定设备的倾斜角度。磁力计则用于感知地球磁场，帮助确定设备的磁北方向。 讲座中探讨了陀螺仪数据的积分（gyro integration）和dead reckoning技术，这是通过连续累计陀螺仪的角速度来估算设备的绝对姿态。然而，由于累积误差，长时间依赖陀螺仪数据可能会导致较大的偏差。 为了在二维平面上进行方向跟踪，讲解了如何从加速度计数据中提取俯仰（pitch）和翻滚（roll）角度。俯仰是设备相对于水平面的上仰或下倾角度，而翻滚是设备绕垂直轴的侧翻角度。在实际应用中，通常会结合加速度计和陀螺仪的数据来提高姿态估计的精度。 此外，讲座还介绍了VRduino，这是一个专为虚拟现实应用设计的小型开发平台，其主要目标是追踪头部或其他设备的相对旋转，从而提供更真实的沉浸式体验。设备的旋转通常用欧拉角（yaw、pitch、roll）或四元数来表示，其中欧拉角直观易懂，而四元数则在避免万向锁问题和计算效率上具有优势。 最后，讲座通过实例展示了在虚拟现实中，如何通过IMU模型追踪传感器相对于世界坐标系的相对旋转。这在现代VR头显如Oculus中扮演着关键角色，确保用户在虚拟环境中的移动和转动能够与真实世界保持一致。 这次讲座为理解IMU的工作原理及其在虚拟现实中的应用提供了丰富的知识，对于从事VR或运动追踪技术的学习者来说是一份宝贵的资源。