Tracking and classification of head movement by inertial measurement unit data

Abstract

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, Аннотация Предмет исследования. Представлен метод классификации и отслеживания движения головы оператора на основе данных, получаемых от инерциального измерительного модуля (IMU), установленного в шлеме виртуальной реальности. Проведена экспериментальная апробация полученного алгоритма, предложен способ его использования для управления мобильным роботом с шестью степенями свободы. Метод. Задача решена с помощью комплексной фильтрации поступающих сигналов с гироскопа с использованием фильтра Калмана и нелинейного фильтра. Определение шаблона движения головы оператора основывается на вычислении коэффициента детерминации и сравнения его с пороговым уровнем. Полученные результаты. В ходе работы был получен алгоритм однозначной оценки шаблона движения головы оператора, который система управления может интерпретировать как сигнал управления. Практическая значимость. Полученные в работе алгоритмы могут быть использованы в широком классе систем, например, для управления мобильными роботами телеприсутствия, которые оснащены отдельным подвесом для управления направлением камеры и управляются с помощью шлема виртуальной реальности. Также разработанный алгоритм будет применяться в реализации мобильной роботизированной платформы, оснащенной системами технического зрения, навигации и дополненной реальности, создание которой планируется в рамках практико-ориентированной научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы в Университете ИТМО. Mechanics and Optics, 2017, vol. 17, no. 5, pp. 798-804 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494 Abstract Subject of Research. We present the algorithm for tracking and classification of the operator's head movement according to the data obtained from an IMU (inertial measuring unit) installed in the helmet of virtual reality. We performed experimental testing of the developed algorithm and proposed the way of its application for control of mobile robot with six degrees of freedom. Method. The problem is solved by complex filtering of input signals from the gyroscope with the Kalman filter and the dead-zone filter. The definition of the operator's head movement pattern is based on determination coefficient calculation and its comparison with the threshold level. Main Results. We have developed an algorithm for unambiguous evaluation of the operator's head movement that can be interpreted by the control system as a control signal. Practical Relevance. Presented algorithms can be used in a wide range of systems, for example, for controlling mobile telepresence robots that have special suspension for camera guidance control and are controlled with the use of virtual reality helmet. The