Design of orientation and positioning algorithms for inertial measurement units

Abstract

The ability to determine one’s orientation and position has always been fundamental for human beings. While ancient navigation relied on natural cues such as the stars or magnetic compasses, modern systems use advanced sensors that provide accurate, real-time orientation estimation. This project focuses on the detailed analysis of an Inertial Measurement Unit (IMU), particularly the accelerometer, gyroscope, and magnetometer, which measure specific force, angular velocity, and the Earth’s magnetic field, respectively. Several techniques were evaluated to compute spatial orientation from these sensors, including sensor fusion algorithms based on Kalman filters and Attitude and Heading Reference Systems (AHRS). The initial motivation behind the project was to explore alternatives to GPS in scenarios where satellite connectivity is unavailable or unreliable, such as indoors, tunnels, or remote areas. In this context, gait tracking was also investigated as a viable solution for estimating a person’s walking path using only inertial sensors. Additionally, a comparative evaluation was conducted on various data acquisition methods, including polling, interrupt-driven acquisition, and the use of the Digital Motion Processor (DMP), with respect to their power consumption. A series of experiments were carried out using a development board with the ICM-20948 sensor and a precision power profiler. The outcome o!ers a comprehensive perspective on both the accuracy and energy impact of orientation techniques, which is crucial for the design of low-power embedded systems such as wearable devices or autonomous navigation platforms.

La capacidad de orientarse y conocer la propia posición ha sido siempre esencial para los seres humanos. Mientras que en la antigüedad se empleaban métodos naturales como la observación de los astros o el uso de brújulas magnéticas, en la actualidad disponemos de sensores avanzados que permiten una estimación precisa de la orientación en tiempo real. Este trabajo se centra en el estudio detallado de una Unidad de Medida Inercial (IMU), en particular los sensores de aceleración, giroscopio y magnetómetro, que permiten medir fuerzas específicas, velocidad angular y el campo magnético terrestre, respectivamente. Se han analizado diversas formas de obtener la orientación espacial a partir de estos sensores, incluyendo el uso de algoritmos como la fusión de sensores mediante filtros de tipo Kalman o sistemas de referencia de actitud y rumbo (AHRS). El planteamiento inicial del trabajo surgió de la necesidad de disponer de una solución para contextos donde el uso del GPS es inviable o está limitado, como por ejemplo en interiores, túneles, o zonas sin cobertura de satélite. En este sentido, se estudió también el concepto de análisis de la marcha como alternativa viable para estimar el recorrido de una persona caminando, utilizando únicamente sensores inerciales. Además, se ha llevado a cabo una evaluación comparativa de diferentes métodos de adquisición de datos, incluyendo lectura por sondeo, interrupciones y el uso del DMP (Digital Motion Processor), en función de su consumo energético. Para ello, se realizaron múltiples experimentos utilizando una placa de desarrollo equipada con un sensor ICM-20948, junto con un medidor de consumo de precisión. Como resultado, se obtuvo una visión integral no solo de la precisión de las técnicas de orientación, sino también del impacto energético de cada una, lo cual es esencial para el diseño de sistemas embebidos de bajo consumo, como dispositivos portátiles o sistemas de navegación autónoma.