Estimating the orientation of a rigid-body moving in space is an indispensable component of navigation technology, e.g., military missile systems, civil aircrafts, surgical navigation systems, robot mapping, autonomous vehicles and game controllers. It has now come directly into some aspects of our lives, notoriously in game controllers, such as the Wiimote. In this vein, this research focuses on the development of new algorithms to estimate the rigid-body orientation from common inexpensive inertial and magnetic sensors.

As inertial sensors measure the time derivatives of the orientation, it is natural to start with the estimation of the angular velocity. More precisely, we present a novel way of determining the angular velocity of a rigid body from accelerometer measurements. This method finds application in crashworthiness and motion analysis in sports, for example, where impacts forbid the use of mechanical gyroscopes. Secondly, in an attempt to estimate the orientation in a simplified setting, we propose a novel method of estimating the orientation of a rigid body in the vertical plane from point-acceleration measurements, by discerning its gravitational and inertial components. Thirdly, it is surely not enough to estimate the orientation in the vertical plane, because most applications take place in three dimensions. For estimating rotations in space, we first present the game controller design, in which all necessary sensors are installed. Then, these sensors are calibrated to determine their scale factors and offsets so as to improve their performances. Thence, we develop a novel method of estimating the orientation of a rigid body moving in space from inertial sensors, also by discerning the gravitational and inertial components of the acceleration.

Finally, in order to imitate the game controller Wii, we create a simple user interface in which a virtual representative of the game controller follows every orientation of the true game controller (virtual reality). The user interface shows that the proposed algorithm is sufficiently accurate to give the user a transparent control of the orientation of the virtual game controller.

L’estimation de l’orientation d’un corps rigide en mouvement dans l’espace joue un rôle indispensable dans les technologies de navigation, par exemple, les systèmes militaires de missiles, les avions civils, les systèmes de navigation chirurgicale, la cartographie faite par des robots, les véhicules autonomes et les contrôleurs de jeux. Cette technique est maintenant utilisée dans certaines applications qui nous touchent directement, notamment dans les contrôleurs de jeux tels que la Wii-mote. Dans cette veine, la recherche présentée ici porte sur l’estimation de l’orientation d’un corps rigide à partir des mesures de capteurs inertiels et magnétiques peu coûteux.

Comme les capteurs inertiels permettent de mesurer les dérivées temporelles de l’orientation, il est naturel de commencer par l’estimation de la vitesse angulaire. Par conséquent, nous présentons d’abord une nouvelle façon de déterminer la vitesse angulaire d’un corps rigide à partir d’accéléromètres. Ensuite, afin d’estimer l’orientation, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de l’orientation d’un corps rigide dans le plan vertical à partir des mesures d’accéléromètres, en discernant ses composantes inertielle et gravitationnelle. Mais, ce n’est sûrement pas suffisant d’estimer l’orientation dans le plan vertical, parce que la plupart des applications se produisent dans l’espace tridimensionnel. Pour estimer les rotations dans l’espace, nous présentons d’abord la conception d’un contrôleur de jeu, dans lequel tous les capteurs nécessaires sont installés. Ensuite, ces capteurs sont étalonnés pour déterminer leurs facteurs d’échelle et leurs zéros, de manière à améliorer leurs exactitudes. Ensuite, nous développons une nouvelle méthode d’estimation de l’orientation d’un corps rigide se déplaçant dans l’espace, encore en discernant les composantes gravitationnelle et inertielle des accélérations.

Finalement, pour imiter le contrôleur de jeu Wii, nous créons une interface usager simple de sorte qu’une représentation virtuelle du contrôleur de jeu puisse suivre chaque mouvement du contrôleur de jeu conçu (réalité virtuelle). L’interface usager conçue montre que l’algorithme proposé est suffisamment précis pour donner à l’usager un contrôle fidèle de l’orientation du contrôleur de jeu virtuel.