CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TỰ TRỊ PDR 1. Hệ thống PDR Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí đối tượng, tính toán khoảng cách, tìm đường có độ chính xác cao ở môi trường ngoài trời. Nhưng khi hoạt động trong môi trường nhiều vật cản như trong các công trình kiến trúc thì gây ra sai số lớn.
Vì vậy trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu về các hệ thống IPS (Indoor Positioning System: Hệ thống định vị trong nhà). Với sự phát triển của công nghệ, nhiều kỹ thuật, phương pháp định vị trong nhà đã được sử dụng và đã đạt được những kết quả nhất định. Tuy nhiên việc thiết kế và triển khai hệ thống để lấy thông tin vị trí trong môi trường trong nhà là một vấn đề không đơn giản vì nhiều lý do như quyền riêng tư của người dùng, chi phí đầu tư, khả năng mở rộng hệ thống, vấn đề năng lượng và tính chất của kênh truyền không dây trong nhà do ảnh hưởng của vật cản, tiếng ồn, đa đường. Trong các phương pháp định vị trong nhà thì PDR (Pedestrian Dead Reckoning: Ước lượng vị trí theo bước chân) là một trong các phương pháp thường được sử dụng hiện nay.
Phương pháp PDR là phương pháp định vị tự trị dựa trên cở sở đặc điểm đi bộ của con người được phản ánh qua tín hiệu của các cảm biến trong điện thoại thông minh, điển hình là cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển. Dựa vào đặc điểm tín hiệu của các cảm biến này, có thể xác định được hướng đi, số bước chân, độ dài bước chân của người đi. Từ đó, kết hợp các tham số này để xác định vị trí người đi trên bản đồ. Đặc điểm của hệ thống định vị sử dụng phương pháp PDR là cần xác định vị trí khởi đầu khi hoạt động.1 mô tả đặc trưng của một hệ thống PDR.
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Mô tả đặc trưng hệ thống PDR [1] 1. Sơ đồ khối Sơ đồ khối của hệ thống PDR được biểu diễn trên hình 1. Hệ thống xác định vị trí người dùng bằng cách: Xác định quãng đường (bao gồm xác định bước chân và ước lượng độ dài bước chân) và xác định góc quay (xác định hướng).2: Sơ đồ khối hệ thống PDR 1. Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của hệ thống PDR gồm 3 bước sau: - Bước 1: Thu thập dữ liệu từ con quay hồi chuyển để xác định hướng đi và thu thập dữ liệu từ cảm biến gia tốc để phát hiện bước chân và ước lượng độ dài bước chân.
- Bước 2: Từ kết quả bước 1, tính toán vị trí dựa trên khoảng cách và góc quay. - Bước 3: Hiển thị trên bản đồ. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Con quay hồi chuyển Khái quát về con quay hồi chuyển (Gyroscope) - Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng.3: Con quay hồi chuyển [2] Theo hình 1.3, cấu trúc con quay hồi chuyển gồm: Khung con quay, trục quay, đĩa quay và khớp vạn năng.
- Dữ liệu thu được từ con quay hồi chuyển được sử dụng để xác định hướng đi trong luận văn. Dạng tín hiệu thu được từ con quay hồi chuyển khi người đi rẽ trái và rẽ phải Để đơn giản trong phân tích dạng tín hiệu, tác giả chỉ xét trường hợp người đi chuyển hướng các góc 900 và vị trí điện thoại khi lấy mẫu nằm song song mặt đất. Khi đó, dạng tín hiệu con quay hồi chuyển được biểu diễn như trên hình 1. Rẽ phải - rẽ trái b.
Rẽ phải - rẽ trái - rẽ phải - rẽ trái - rẽ phải - rẽ trái 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Rẽ trái - rẽ phải 2 lần - rẽ trái d. Rẽ trái - rẽ phải 3 lần - rẽ phải 2 lần - rẽ trái 2 lần - rẽ phải e. Rẽ trái - rẽ phải 3 lần - rẽ trái f.
Rẽ phải - rẽ trái - rẽ phải 3 lần - rẽ phải - rẽ trái - rẽ trái Hình 1.4: Dạng tín hiệu con quay hồi chuyển khi người đi chuyển hướng Quan sát trong các hình 1.4a, b, c, d, e, f, mỗi lần người đi thực hiện chuyển hướng, tín hiệu có đỉnh rõ rệt. Cụ thể, khi người đi rẽ trái vận tốc góc theo trục Z (kí hiệu: Gyro[z]) mang dấu dương, khi rẽ phải vận tốc góc theo trục Z mang dấu âm. Đây là cơ sở khoa học để có thể nhận biết việc chuyển hướng sang trái hay sang phải của người đi. Tác giả chọn ngưỡng Gyro[z] là 2 để quyết định rẽ trái và -2 để quyết định rẽ phải.
Giá trị này là phù hợp dù người đi có tốc độ chuyển hướng nhỏ. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cảm biến gia tốc Khái quát về Cảm biến gia tốc (Accelerometer) - Cảm biến gia tốc là thiết bị đo gia tốc theo 3 chiều được biểu diễn trên hình 1. Cảm biến này được đặt trong điện thoại di động với các hướng X, Y, Z được biểu diễn trên hình 1.
Trong đó, trục X nằm ngang hướng về bên phải, trục Y nằm dọc và hướng về phía trên cùng màn hình và trục Z vuông góc với màn hình.5: Cảm biến gia tốc [3] Hình 1.6: Hướng của cảm biến gia tốc trên điện thoại thông minh [4] - Dữ liệu thu được từ cảm biến gia tốc được sử dụng để xác định số, kích thước bước chân, và quãng đường đi được trong luận văn. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Dạng tín hiệu thu được từ cảm biến gia tốc Trong các hệ thống PDR, tác động theo chiều dọc được đo để phát hiện bước chân. Một bước được đếm khi đo lường tác động theo chiều dọc lớn hơn so với ngưỡng. Tuy nhiên số lượng các bước được đếm đôi khi không chính xác do ảnh hưởng từ độ nghiêng của chân.
Các mẫu tín hiệu tác động còn phụ thuộc vào loại chuyển động (đi lên hoặc xuống cầu thang, bò, chạy, …) và loại mặt đất mà người đó đi (bề mặt cứng hoặc mềm, cát), khiến việc xác định ngưỡng không dễ dàng đạt được mức đáng tin cậy. Một phương pháp phát hiện bước đáng tin cậy là dựa trên sự phân tích về gia tốc dọc và gia tốc ngang của bàn chân trong một bước đi, mẫu tín hiệu của hành vi đi bộ thu được. - Phân tích hành vi của người đi bộ (Dựa trên biên độ của vector gia tốc) Một chu kỳ đi bộ của con người bao gồm hai giai đoạn [6]: Giai đoạn đứng và đi bộ. Phát hiện bước có nghĩa là nhận biết giai đoạn đi bộ.
Giai đoạn đi bộ được chia thành giai đoạn bàn chân không tiếp xúc với mặt đất (Swing Phase) và giai đoạn chạm gót chân (Heel-touch-down phase) như biểu diễn trên hình 1.7: Các giai đoạn của hành vi đi bộ [6] 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Xét giai đoạn bàn chân không tiếp xúc mặt đất Giai đoạn bàn chân không tiếp xúc mặt đất được chia thành giai đoạn thứ nhất và giai đoạn thứ hai. Trong swing phase thứ nhất, chân nằm ở phía sau trọng tâm của cơ thể con người và trong swing phase thứ hai thì chân nằm ở phía trước trọng tâm của cơ thể con người.8 biểu diễn a, h, g tương ứng là gia tốc ngang, gia tốc dọc, và lực hấp dẫn khi chân vuông góc với mặt đất.8: Chân của người đi [6] Hình 1.10 lần lượt biểu diễn chuyển động của chân trong swing phase thứ nhất và swing phase thứ hai.9: Giai đoạn bàn chân không tiếp xúc với mặt đất thứ nhất [6] 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.10: Giai đoạn bàn chân không tiếp xúc mặt đất thứ hai [6] Gia tốc theo hướng ngang 𝐀𝐇 (𝑡) và gia tốc theo hướng dọc 𝐀𝐕 (𝑡) trong swing phase thứ nhất và thứ hai được biểu thị tương ứng trong phương trình 1.2, trong đó θ(t) là góc nghiêng của chân so với phương dọc tại thời điểm t.2) { 𝐇 𝐀𝐕 (𝑡) = 𝐚cos𝜃 + (𝐡 − 𝐠)sin𝜃 Trong nhiều nghiên cứu, một bước được phát hiện khi đo 𝐀𝐇 (𝑡) hoặc 𝐀𝐕 (𝑡) lớn hơn ngưỡng. Số bước sẽ bị đếm sai khi ngưỡng xác định sai được áp dụng. Giả thuyết độ nghiêng điển hình của chân nằm trong giới hạn 300 ÷ 500 và a, h có phạm vi từ 0,8 ÷ 2,3 g và 0,6 ÷ 2 g, thành phần gia tốc theo phương ngang và gia tốc theo phương dọc được mô phỏng như trên hình 1.
10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.11: Mẫu tín hiệu tăng tốc theo phương dọc (a) và ngang (b) [6] Hình 1.11 cho thấy trong giai đoạn bàn chân không tiếp xúc với mặt đất, gia tốc theo phương ngang có một đỉnh dương và 1 đỉnh âm trong khi đó gia tốc theo phương dọc chỉ có một đỉnh âm. - Xét giai đoạn bàn chân tiếp xúc với mặt đất Ở giai đoạn này, gót chân chạm đất lúc đầu, sau đó bàn chân và ngón chân tiếp xúc với mặt đất, tại thời điểm này lực tác động lên chân.13 biểu diễn lực trong giai đoạn gót chân chạm đất. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.12: Giai đoạn gót chân chạm đất [6] Hình 1.13: Tín hiệu điển hình trong giai đoạn gót chân chạm đất [6] Sau khi kết hợp giai đoạn chân không tiếp xúc và giai đoạn gót chân chạm đất, hình 1.15 mô tả đầy đủ sự thay đổi gia tốc theo phương dọc và phương ngang trong một chu kỳ của hành vi đi bộ. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.14: Gia tốc theo phương dọc của hành vi đi bộ [6] Hình 1.15: Gia tốc theo phương ngang của hành vi đi bộ [6] Bên cạnh đó, hình 1.17 cũng lần lượt biểu diễn gia tốc theo phương X, Y, và Z được thu thập bởi điện thoại di động trước và sau khi lọc.
13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.16: Mẫu tín hiệu thực trước lọc khi người dùng đi Hình 1.17: Mẫu tín hiệu thực sau lọc khi người dùng đi 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nhận xét Tín hiệu sau khi lọc đã loại bỏ các thành phần tần số cao và trở lên mịn hơn. Từ đó, thuận tiện cho quá trình phân tích. Kết hợp PDR với các hệ thống IPS khác Có nhiều kỹ thuật và phương pháp định vị được sử dụng trong các hệ thống IPS. Tuy nhiên mỗi hệ thống lại có những ưu nhược điểm nhất định liên quan đến độ chính xác, độ tiện lợi, chi phí đầu tư,.