Luận văn thạc sĩ: Nhận diện hành động sử dụng hệ thống radar FMCW và mô hình học sâu

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng hệ thống radar FMCW và mô hình học sâu trong nhận diện hành động, mở ra hướng phát triển mới trong kỹ thuật viễn thông.

• Tác giả: Nguyễn Chánh Trực
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Xuân Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Nhận Diện Hành Động Sử Dụng Hệ Thống Radar FMCW Và Mô Hình Học Sâu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. HCM

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống Radar FMCW

Hệ thống radar FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave) là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực viễn thông, cho phép đo đạc khoảng cách và vận tốc của các đối tượng một cách chính xác. Radar FMCW hoạt động dựa trên nguyên lý điều chế tần số, phát tín hiệu liên tục và thu nhận tín hiệu phản xạ từ đối tượng. Một trong những ưu điểm nổi bật của radar FMCW là khả năng hoạt động trong mọi điều kiện ánh sáng và môi trường, điều này giúp nó trở thành một giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng nhận diện hành động. Hệ thống này có thể thu thập thông tin về vị trí và vận tốc của đối tượng trong không gian 2D và 3D, từ đó cung cấp dữ liệu cần thiết cho các thuật toán nhận diện hành động.

1.1. Cấu tạo và cơ chế hoạt động

Radar FMCW bao gồm các thành phần chính như bộ phát, bộ thu và các mạch xử lý tín hiệu. Bộ phát phát ra tín hiệu điều chế tần số, trong khi bộ thu nhận tín hiệu phản xạ từ đối tượng. Thông qua việc phân tích độ trễ giữa tín hiệu phát và thu, radar có thể tính toán khoảng cách và vận tốc của đối tượng. Độ phân giải của radar phụ thuộc vào tần số điều chế và băng tần sử dụng, cho phép radar FMCW đạt được độ chính xác cao trong việc nhận diện hành động. Các thông số này có thể được tối ưu hóa để nâng cao hiệu suất của hệ thống.

II. Ứng dụng của radar FMCW trong nhận diện hành động

Việc áp dụng radar FMCW trong nhận diện hành động đã mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực như tự động hóa, y tế và giải trí. Hệ thống radar có khả năng phát hiện các hành động của con người mà không cần tiếp xúc, điều này đặc biệt hữu ích trong môi trường y tế hoặc trong các ứng dụng thực tế ảo. Bằng cách sử dụng dữ liệu thu thập từ radar, các mô hình học sâu như LSTM và CONV1D có thể được áp dụng để nhận diện và phân loại các hành động một cách hiệu quả. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp radar FMCW với các thuật toán học sâu có thể đạt được độ chính xác lên đến 99.17% trong việc nhận diện hành động.

2.1. Các mô hình học sâu trong nhận diện hành động

Các mô hình học sâu như LSTM, CONV1D, và Transformer đã được chứng minh là hiệu quả trong việc xử lý dữ liệu thu thập từ radar FMCW. Mô hình LSTM, với khả năng ghi nhớ thông tin theo thời gian, đặc biệt phù hợp cho các bài toán nhận diện hành động liên tục. Trong khi đó, mô hình CONV1D có khả năng xử lý dữ liệu dạng chuỗi và nhận diện các đặc trưng quan trọng từ tín hiệu radar. Việc sử dụng các mô hình này không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian xử lý, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn trong thực tế.

III. Kết quả và đánh giá hiệu quả của hệ thống

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống radar FMCW kết hợp với các mô hình học sâu đã đạt được những thành công đáng kể trong việc nhận diện hành động. Đặc biệt, mô hình LSTM đã cho thấy độ chính xác cao nhất trong các thử nghiệm, cho thấy rằng nó là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng nhận diện hành động. Hệ thống đã được thử nghiệm với nhiều loại hành động khác nhau, từ các cử chỉ đơn giản đến các hành động phức tạp, và đều cho kết quả khả quan. Việc phát triển một hệ thống nhận diện hành động hoàn chỉnh không chỉ giúp cải thiện trải nghiệm người dùng mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu trong lĩnh vực viễn thông.

3.1. Đánh giá hiệu suất hệ thống

Hệ thống đã được đánh giá dựa trên các tiêu chí như độ chính xác, tốc độ xử lý và khả năng thích ứng với các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy rằng radar FMCW có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều môi trường khác nhau mà không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng hay thời tiết. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của công nghệ này trong việc phát triển các ứng dụng nhận diện hành động trong tương lai. Hệ thống không chỉ có thể được áp dụng trong lĩnh vực giải trí mà còn có thể mở rộng sang các lĩnh vực như y tế và an ninh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay, công nghệ nhận diện hành động đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thực tế ảo, trò chơi, tự động hóa, các thiết bị đeo, điện thoại di động và y tế. Nhận diện hành động có thể tích hợp trong nhiều loại thiết bị, máy ảnh quang học, hoặc các bộ điều khiển dựa trên hành động và radar. Ngày nay, công nghệ nhận diện dựa trên máy ảnh quang học đang được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, công nghệ này còn nhiều hạn chế trong cả phần cứng và phần mềm: cảm biến của máy ảnh rất nhạy với điều kiện ánh sáng, trong các điều kiện môi trường như bụi, thời tiết, thiếu sáng, dư sáng, vết trầy xước trên thấu kính đều có thể ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu.

Trên hết, công nghệ dựa trên máy ảnh có thể trở thành đối tượng tấn công, bởi vì các dữ liệu ảnh có thể dễ dàng đưa vào hệ thống. Gần đây, công nghệ nhận diện hành động bằng radar đang dần được phổ biến, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện ánh sáng và thời tiết. Hơn nữa, một cảm biến duy nhất có thể thu thập dữ liệu khoảng cách, hướng trong không gian 2 chiều và 3 chiều, cũng như vận tốc của vật thể dựa trên nguyên lý Doppler. Những thông số này có thể tăng khả năng phân loại và độ chính xác của hệ thống.

Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 1. Mục tiêu Luận văn nghiên cứu, triển khai hệ thống nhận dạng hành động sử dụng hệ thống Radar FMCW với các mục tiêu sau: 1. Nghiên cứu hệ thống Radar FMCW và ứng dụng của hệ thống Radar trong đo đạc thông số khoảng cách và vận tốc của đối tượng. Xây dựng mô hình thu thập dữ liệu hành động sử dụng hệ thống Radar FMCW.

Xây dựng giải thuật nhận diện hành động sử dụng dữ liệu thu thập của hệ thống Radar FMCW kết hợp mô hình học sâu. Đánh giá hiệu quả của giải thuật nhận diện hành động với tập dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên Module Radar FMCW. Nhiệm vụ luận văn • Nghiên cứu hệ thống Radar FMCW và ứng dụng của hệ thống Radar trong đo đạc thông số khoảng cách và vận tốc của đối tượng • Xây dựng mô hình thu thập dữ liệu hành động sử dụng hệ thống Radar FMCW. • Xây dựng giải thuật nhận diện hành động sử dụng dữ liệu thu thập của hệ thống Radar FMCW kết hợp mô hình học sâu.

• Đánh giá hiệu quả của giải thuật nhận diện hành động với tập dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên Module Radar FMCW. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Hệ thống nhận diện hành động dùng trong luận văn này được xây dựng dựa trên tiền đề các giải thuật học sâu như CONV1D, LSTM [1], và Transformer [2] và nền tảng công nghệ Radar FMCW với bước sóng milimet thông qua việc sử dụng module IWR1642BOOST được sản xuất bởi hãng Texas Instruments. Phạm vi nghiên cứu Hệ thống FMCW Radar nhận diện hành động dùng trong luận văn này được xây dựng và áp dụng trong môi trường một phòng làm việc thông thường, với các vật dụng và thiết bị văn phòng xung quanh cơ bản như bàn, ghế làm việc, máy tính để bàn.

Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn là phương pháp tiếp cận có hệ thống. Các công trình liên quan được khảo sát, phân tích, tổng hợp, và đánh giá ưu nhược điểm. Hệ thống triển khai được mô phỏng để đánh giá hiệu năng và sau đó tín hiệu dữ liệu thực nghiệm được thu thập thông qua các bài đo trong môi trường thật. Các hệ thống phần cứng, phần mềm, giải thuật được tích hợp nhằm đánh giá hiệu quả, đi sâu hơn về việc phân tích các ưu điểm, các kết quả dựa trên tính kỹ thuật và chỉ ra các vấn đề còn cần được nghiên cứu để tiếp tục phát triển.

Cuối cùng đề tài đưa ra một hệ thống thực tế để chứng minh điều đó. 2 Phương pháp nghiên cứu trình bày qua các bước sau: 1. Tìm kiếm tài liệu, công trình nghiên cứu liên quan. Đọc và xem xét tổng quan các công trình nghiên cứu, các tài liệu đã tìm kiếm có liên quan đến đề tài đang hướng tới.

Phân tích và phân loại các phương pháp tiếp cận vấn đề của các công trình nghiên cứu trước đó so sánh ưu, nhược điểm của các phương pháp. Từ đó đưa ra lựa chọn phương pháp phù hợp. Viết báo cáo đánh giá các kết quả đạt được, đưa ra nhận xét và kiến nghị. Bố cục của luận văn Luận văn này được trình bày với nội dung các chương như sau: Chương 1 trình bày những nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn.

Chương 2 trình bày các khái niệm liên quan về việc xây dựng một hệ thống nhận diện hành động dùng Radar FMCW, cơ sở lý thuyết và cấu tạo của hệ thống. Chương 3 trình bày các giải thuật nhận diện hành động, huấn luyện các mô hình nhận diện sau đó phân tích và đánh giá kết quả với tập dữ liệu cho trước và tập dữ liệu lấy mẫu thực tế. Chương 4 trình bày hệ thống nhận diện hành động hoàn chỉnh với module IWR1642Boost với giải thuật đã xây dựng và khảo sát ở chương 3. Cuối cùng, chương 5 đưa ra kết luận đánh giá tổng quát và trình bày về các hướng phát triển trong tương lai.

TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 2. Hệ thống nhận diện hành động Nhận dạng hành động là quá trình xác định các hành động được thực hiện bởi người dùng bằng máy tính. Từ đó con người có thể điều khiển máy móc bằng hành động. Chủ yếu có hai phương pháp nhận dạng hành động là dựa trên hành động tĩnh và động.

Phương pháp nhận diện tĩnh chỉ có thể nhận dạng được các hành động đã được định nghĩa trước. Trong khi đó, cử động có nhiều ý nghĩa thực tế hơn, mặc dù gặp nhiều khó khăn [3]. Đã có nhiều nghiên cứu phát triển các kỹ thuật nhận dạng dựa trên thị giác máy tính [4], cảm biến tiếp xúc [5], và radar [6] [7]. Hình 2-1: Một số kỹ thuật nhận dạng hành động Các kỹ thuật dựa trên hình ảnh như camera sẽ bị ảnh hưởng nhiều bởi ánh sáng môi trường và gặp nhiều vấn đề liên quan đến bảo mật.

Bên cạnh đó các kỹ thuật sử dụng cảm biến tiếp xúc có thể mang lại độ chính xác tốt hơn và ít phụ thuộc vào môi trường bên ngoài, nhưng lại cồng kềnh và khó triển khai mở rộng. Hệ thống nhận diện bằng radar sẽ hạn chế được sự phụ thuộc vào môi trường ánh sáng, đảm bảo sự riêng tư, bảo mật và dễ dàng triển khai. Hệ thống nhận diện hành động bằng Radar FMCW Radar FMCW là kỹ thuật ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong việc đo khoảng cách và vận tốc chuyển động của các vật thể ở khoảng cách gần (từ vài chục cm đến vài km). Ngoài ra, các hệ thống Radar FMCW còn có thể được tích hợp trong các ứng dụng có độ phức tạp cao như tái tạo hình ảnh vật thể, phân loại đối tượng, nhận diện hành động nhằm khắc phục các điểm yếu của các công nghệ khác như camera (vấn đề về bảo mật), cảm biến tiếp xúc (cồng kềnh khó triển khai).

Ngoài ra, với ứng dụng của học sâu, các hành động phức tạp có thể được nhận dạng mà các phương pháp đã được phát triển trước đây chưa giải quyết được. Hình 2-2: Sơ đồ khối hệ thống nhận diện hành động bằng Radar FMCW Hệ thống nhận diện bao gồm một Radar FMCW dùng để thu thập dữ liệu chuyển động, dữ liệu sẽ được máy tính xử lý và lưu trữ dùng để huấn luyện và nhận dạng. Tổng quan về hệ thống Radar FMCW RADAR (Radio Detection And Ranging), là một kỹ thuật hoặc hệ thống được sử dụng để xác định phạm vi, góc hoặc vận tốc của các vật thể trong môi trường bằng sóng vô tuyến. Khác với những hệ thống cảm biến thụ động như thị giác máy tính chỉ có thể nhận được tín hiệu hoặc ánh sáng phản xạ từ môi trường, radar sử dụng một hệ thống các cảm biến chủ động phát ra các tín hiệu vô tuyến được điều chế và thu nhận lại các tín hiệu đó từ các vật thể.

Bằng cách tham chiếu các tín hiệu được truyền đi với tín hiệu thu nhận được, các thông tin của vật thể có thể được xác định. [8] 5 Hình 2-3: Sơ đồ khối của một hệ thống radar đơn giản [8] Hệ thống radar sóng milimet – mmWave radar, thông thường hoạt động tại các dãi tần 60 – 64 GHz hoặc 76 – 81 GHz với bước sóng chỉ vài milimet, gần đây đang được ứng dụng rộng rãi trong thương mại. Lợi ích lớn nhất của các hệ thống mmWave radar là các phần cao tần và anten có kích thước nhỏ gọn do sử dụng tần số cao. Ngoài ra mmWave radar có thể cung cấp băng thông tín hiệu cao lên đến 4 GHz, đồng nghĩa với độ phân giải cao lên đến 3.

FMCW radar (Frequency-Modulated Continuous Wave radar) là hệ thống radar phát tín hiệu liên tục với tần số tín hiệu thay đổi theo thời gian. Một thiết bị radar sóng liên tục nếu không sử dụng điều chế tần số có nhược điểm không thể xác định được thông số khoảng cách đến vật thể vì thiếu thông tin chỉ thị thời gian cần thiết cho phép hệ thống xác định được thời gian chính xác giữa thời điểm phát và thu được dùng để xác định khoảng cách. Có 3 loại điều chế tần số cơ bản được minh họa trong Hình 2-4 gồm sóng răng cưa, sóng tam giác và sóng sin. 6 Hình 2-4: Các dạng sóng FMCW Đối với hệ thống FMCW radar, tần số được thay đổi liên tục theo mộ chu kỳ và tuân theo quy tắc điều chế dạng xung.

Từ đó tín hiệu cũng được bức xạ ra không gian nhà anten phát sau đó được thu lại bởi anten thu và trộn với tín hiệu phát tại bộ trộn tần (MIXER) cho ra tín hiệu trung tần – IF. Tín hiệu IF này sẽ được đưa qua bộ lọc và khuếch đại trước khi xử lý. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của hệ thống Radar FMCW Các hệ thống radar đều được cấu tạo từ những khối cơ bản sau: bộ phát sóng (transmitter), bộ thu sóng (receiver), bộ khuếch đại nhiễu thấp (low-noise amplifier), và bộ xử lý tín hiệu (signal processor) [8]. Các hệ thống radar khác nhau sẽ có những thành phần trong từng khối khác nhau.

Hình 2-5: Sơ đồ giản lược của hệ thống Radar FMCW 7 2.