Cải tiến hệ thống định vị quán tính nhằm nâng cao độ chính xác ước lượng thông số bước đi trong chăm sóc sức khỏe TT

ĐẠI HỌC ĐÀ NĂNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM DUY DƯỞNG CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ƯỚC LƯỢNG THƠNG SỐ BƯỚC ĐI TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã sớ: 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2021 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoá học 1: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Người hướng dẫn khoá học 2: TS Nguyễn Anh Duy Phản biện 1: Phản biện 2: Luận án bảo vệ Hội đồng chấm Luận án tốt nghiệp Tiến sĩ Kỹ thuật họp Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 17 tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Trung tâm Học liệu Truyền thông, Trường Đại học Bách Khoa - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Thông số bước (TSBĐ) người phụ thuộc vào tác động lẫn phức tạp phận hệ thần kinh, xương tim mạch Nên có tổn thương hệ quan TSBĐ thay đổi theo Do vậy, việc đo TSBĐ quan trọng hỗ trợ cho bác sĩ q trình chẩn đốn bệnh tật, đánh giá tình trạng sức khoẻ tiến trình phục hồi chức Những TSBĐ ứng dụng nhiều y tế tốc độ bước, độ dài bước chân, độ dài sải chân, góc bước, thời gian bước, độ rộng bước… Hiện có số hệ thống đo TSBĐ thương mại giá thành cao bị giới hạn phạm vị làm việc nên khó áp dụng rộng rãi sở y tế nước Do vậy, đề tài xây dựng hệ thống ước lượng TSBĐ có giá thành rẻ, linh hoạt không bị giới hạn phạm vi làm việc sử dụng cảm biến quán tính (IMU) Cảm biến IMU gồm cảm biến gia tốc 3D cảm biến vận tốc góc 3D Cảm biến IMU gắn lên phận thể để ước lượng hướng, vận tốc vị trí chuyển động thơng qua thuật tốn định vị qn tính (INA) Trong đó, hướng chuyển động hệ toạ độ tham chiếu bên (WCS) xác định cách tích phân tín hiệu vận tốc góc; gia tốc chuyển động xác định chuyển tín hiệu gia tốc đo từ cảm biến gia tốc sang hệ toạ độ WCS sử dụng thơng tin hướng sau loại bỏ gia tốc trọng trường; vận tốc chuyển động xác định cách tích phân gia tốc; vị trí chuyển động xác định tích phân vận tốc chuyển động Các TSBĐ người dùng trích xuất từ hướng, vận tốc vị trí theo thời gian cảm biến IMU trình chuyển động Một hệ thống định vị sử dụng IMU gọi hệ thống định vị quán tính (INS) Trang Nhược điểm hệ thống INS sai số bị tích luỹ việc tích phân tín hiệu có thành phần nhiễu nên tác giả đề xuất nghiên cứu cải tiến hệ thống INS nhằm nâng cao độ xác việc ước lượng chuyển động sử dụng cảm biến IMU để trích xuất TSBĐ người dùng Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng số hệ thống tự động ước lượng TSBĐ người dùng nhằm phục vụ kiểm tra TSBĐ Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu luận án hệ thống ước lượng TSBĐ sử dụng cảm biến IMU Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu dừng lại việc xây dựng phần cứng thuật toán Việc ước lượng chuyển động chăm sóc sức khoẻ vấn đề rộng, nên giới hạn phạm vi nghiên cứu ước lượng TSBĐ gồm tốc độ bước, độ dài bước/sải chân, thời gian bước, tần số bước mà không sâu vào việc chẩn đốn, đánh giá tình trạng sức khoẻ phục hồi chức Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, nghiên cứu từ tổng quan đến chi tiết, kế thừa kết nghiên cứu công bố giới đặc biệt công bố tác giả luận án cộng Ý nghĩa khoa học thực tiễn Về khoa học: Luận án cơng trình khoa học – cơng nghệ việc xây dựng hệ thống ước lượng TSBĐ cho người dùng sử dụng lọc Kalman (KF) dựa hệ thống INS Góp phần nâng cao độ xác ước lượng chuyển động số trường hợp cụ thể, tạo kênh thơng tin xác, khách quan hỗ trợ cho bác sĩ Trang việc đánh giá tình trạng sức khoẻ tiến trình phục hồi chức Về thực tiễn: Từ kết nghiên cứu, thực nghiệm xây dựng thuật toán INA lọc KF dựa hệ thống INS giúp làm chủ cơng nghệ định vị qn tính từ triển khai hệ thống INS rộng rãi vào thực tế Từ kết nghiên cứu luận án hướng đến chế tạo thiết bị ước lượng TSBĐ cho người dùng để sử dụng sở y tế Việt Nam Những đóng góp luận án Đóng góp luận án đề xuất triển khai hệ thống để ước lượng tham số bước có sử dụng cảm biến IMU đặt bàn chân khung tập đi, nâng cao độ xác theo hướng đáp ứng yêu cầu sở y tế công tác chăm sóc sức khoẻ Bớ cục chung luận án Ngồi phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo mục lục luận án bố cục thành chương, phần đóng góp luận án trình bày Chương Chương Chương 1: Nghiên cứu tổng quan việc ước lượng TSBĐ chăm sóc sức khoẻ Chương 2: Nghiên cứu triển khai thuật toán hệ thống INS Chương 3: Nghiên cứu xây dựng hệ thống INS đặt bàn chân Chương 4: Nghiên cứu xây dựng hệ thống INS đặt khung tập Trang CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VIỆC ƯỚC LƯỢNG TSBĐ TRONG CHĂM SÓC SỨC KHOẺ 1.1 Một số khái niệm TSBĐ Các TSBĐ cần thiết y tế xếp theo thứ tự từ quan trọng đến quan trọng sau: vận tốc bước, độ dài bước/sải, tần số bước, thời gian bước, rộng bước, góc bước, thời gian đu đưa, thời gian chạm đất, quãng đường đi,… 1.2 Tầm quan trọng TSBĐ TSBĐ quan trọng hỗ trợ bác sĩ việc: - Chẩn đoán sớm, theo dõi diễn biến số bệnh liên quan đến TSBĐ bệnh thần kinh, xương, tim mạch nhằm đưa phát đồ điều trị tốt - Đánh giá tình trạng sức khoẻ người dùng đưa lời khuyên hỗ trợ, vấn đề nhập viện, nhu cầu phục hồi chức năng, thời điểm xuất viện tiến trình hồi phục - Theo dõi tiến trình hồi phục chức năng, đưa lộ trình luyện tập nhằm rút ngắn thời gian điều trị phục hồi chức 1.3 Tiềm ứng dụng cảm biến quán tính y tế Ngày IMU có kính thước ngày nhỏ gọn, giá thành rẻ, độ xác cao ổn định, đặc biệt có khả hoạt động độc lập nên có tiềm ứng dụng y tế Trong có hỗ trợ hơ hấp nhân tạo; giám sát hoạt động; giám sát hồi đáp sinh học; phát bệnh nhân ngã; giám sát tư giường bệnh hay bệnh nhân; giám sát độ nghiêng đầu cổ bệnh nhân với hệ thống ống thở, ống truyền dinh dưỡng để tránh tắc nghẽn; giám sát huyết áp; sử dụng thiết bị chụp hình, máy quét, dụng cụ phẫu thuật, phận thể giả; phát rung cho bệnh nhân Parkinson; giám sát hao mịn thiết bị; chẩn đốn từ xa, phục hồi chức năng… 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu việc ứng dụng IMU ước lượng TSBĐ Thuật toán sử dụng IMU để ước lượng TSBĐ chia thành mơ hình: mơ hình trừu tượng, mơ hình dáng tích phân trực tiếp Trang Trong mơ hình tích phân trực tiếp tích phân gia tốc để thu vận tốc chuyển động Mô hình có ưu điểm xác cao, dễ sử dụng không cần huấn luyện phức tạp Đặc biệt, định vị cho người sử dụng INA hướng mơ hình với ưu điểm độ xác cao cho thơng tin 3D để trích xuất nhiều thơng tin cho phép mở rộng ứng dụng TSBĐ y tế Tuy nhiên vấn đề cịn tồn mơ hình dáng cần xác định xác hướng hiệu chỉnh sai số q trình tích phân Do đề tài sử dụng mơ hình tích phân trực hướng định vị cho người nghiên cứu nâng cao độ xác việc ước lượng TSBĐ phù hợp với xu hướng giới 1.4.1 Mơ hình trừu tượng 1.4.2 Mơ hình dáng 1.4.3 Tích phân trực tiếp 1.4.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ước lượng TSBĐ sử dụng IMU đặt bàn chân Bàn chân vị trí thích hợp để đặt cảm biến IMU bước có tính lặp lặp lại ln tồn thời điểm vận tốc bàn chân không chạm đất Hiện có nhiều cơng trình nghiên cứu công bố vấn đề Tuy nhiên cơng trình có ưu nhược điểm riêng Trong đó, hệ thống đơn giản phần cứng thuật tốn sai số lớn hệ thống xác lại phức tạp phần cứng thuật tốn, chí cịn bị giới hạn phạm vi làm việc cần cài đặt ban đầu phức tạp Do vậy, đề tài đề xuất hệ thống Chương vừa đơn giản vừa đảm bảo độ xác linh hoạt sử dụng, giá thành rẻ 1.4.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu ước lượng TSBĐ sử dụng IMU đặt khung tập Đã có số đề xuất liên quan đến hệ thống INS đặt khung tập sử dụng cho người cần hỗ trợ lại Tuy nhiên, đa số dùng cho loại khung tập bánh phổ biến cho thơng tin bước Do vậy, luận án đề xuất hệ thống Chương cho khung phổ biến Trang loại bánh không bánh cho phép truy xuất nhiều thông tin bước xác sử dụng linh hoạt, giá thành rẻ 1.4.6 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước Nhìn chung nghiên cứu nước hệ thống INS IMU hạn chế, đặc biệt ứng dụng ước lượng TSBĐ người dùng Các nghiên cứu nước INS IMU chủ yếu tập trung việc kết hợp với hệ thống GPS toán định vị 1.5 Kết luận chương Trong chương trình bày tầm quan trọng TSBĐ tiềm ứng dụng cảm biến IMU y tế Từ nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu việc ứng dụng cảm biến IMU để ước lượng TSBĐ lựa chọn hướng nghiên cứu phù hợp với xu hướng giới hướng định vị cho người Hướng có nhược điểm sai số tích luỹ tích phân thành phần nhiễu nên luận án đề xuất nâng cao độ xác trường hợp cụ thể INS đặt bàn chân đặt khung tập Đây phần đóng góp luận án thể Chương Chương Với ứng dụng INS đặt bàn chân, luận án đề xuất hệ thống vừa đơn giản vừa đảm bảo độ xác linh hoạt sử dụng Với INS đặt khung tâp đi, luận án đề xuất INS đặt khung tập cho loại phổ biến bánh không bánh truy xuất nhiều thơng tin bước xác sử dụng linh hoạt Trang CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI THUẬT TỐN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QN TÍNH 2.1 Cảm biến quán tính 2.1.1 Cảm biến 2.1.2 Cảm biến quán tính IMU Cảm biến IMU bao gồm cảm biến gia tốc 3D cảm biến vận tốc góc 3D Luận án sử dụng loại IMU không đế (Strapdown) MTi-100 (Chương 3) MTi-1 (Chương 4) hãng Xsens Lúc hệ thống INS gọi hệ thống SINS 2.2 Triển khai hệ thớng định vị qn tính 2.2.1 Hệ thống định vị 2.2.2 Triển khai thuật toán hệ thống SINS 2.2.2.1 Các hệ trục toạ độ Trong luận án ứng dụng INS phạm vi hẹp nên sử dụng hệ trục toạ độ hệ toạ độ vật thể (BCS) hệ trục toạ độ quốc tế (WCS) làm tham chiếu bên để xác định quỹ đạo chuyển động vật thể Do IMU gắn với vật thể chuyển động nên BCS chọn trùng với hệ trục toạ độ vật lý IMU Hệ WCS dùng với vai trò hệ toạ độ cục với tâm trùng với tâm BCS thời điểm ban đầu, trục 𝑧𝑤 hướng lên theo phương thẳng đứng, trục 𝑥𝑤 nằm ngang mặt phẳng đứng với trục 𝑥𝑏 BCS Các ký hiệu [𝑎]𝑏 [𝑎]𝑤 biễu diễn vectơ 𝑎 hệ BCS WCS 2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống SINS Các tín hiệu vận tốc góc gia tốc đo vật thể hệ BCS Hướng vật thể hệ WCS xác định cách tích phân giá trị vận tốc góc đo kết hợp với hướng ban đầu vật thể Hướng vật thể sử dụng để chuyển tín hiệu gia tốc đo hệ BCS sang hệ WCS loại bỏ gia tốc trọng trường Lúc này, vận tốc xác định cách tích phân gia tốc WCS kết hợp với vận tốc ban đầu Tương tự, vị trí vật thể xác định cách tích phân vận tốc kết hợp với vị trí ban đầu Như vậy, hai vấn đề quan tâm hệ SINS việc chuyển hệ toạ độ việc khai triển tích phân trình bày phần Trang 2.2.2.3 Chuyển hệ toạ độ dùng quaternion Việc chuyển vectơ 𝑎 từ hệ BCS sang hệ WCS [𝑎]𝑤 = 𝐶𝑏𝑤 [𝑎]𝑏 ngược lại [𝑎]𝑏 = 𝐶𝑤𝑏 [𝑎]𝑤 Trong đó, 𝐶𝑏𝑤 𝐶𝑤𝑏 𝑏 ma trận chuyển 𝐶𝑏𝑤 = 𝐶 𝑇 𝑤 ∈ 𝑅 3×3 Ma trận chuyển xây dựng phương pháp DCM, Euler quaternion Trong đó, phương pháp quaternion có nhiều ưu điểm việc lưu trữ thơng tin khối lượng tính tốn nhỏ Một quaternion 𝑞 = 𝑞𝑤 + 𝑞𝑥 𝒊 + 𝑞𝑦 𝒋 + 𝑞𝑧 𝒌 định nghĩa số phức có ba thành phần ảo sử dụng để biểu diễn phép quay từ WCS sang BCS Cụ thể, quay hệ WCS quanh vectơ đơn vị 𝑢 = [𝑢𝑥 𝑢𝑦 𝑢𝑧 ] góc 𝜃 thích hợp trùng với hệ BCS quaternion 𝑞 tương ứng biểu diễn dạng ma trận sau 𝑞 = [𝑞𝑤 𝑞𝑥 𝑞𝑦 𝑞𝑧 ] = [cos 𝜃 𝜃 sin 𝑢𝑥 𝜃 sin 𝑢𝑦 𝑇 𝜃 sin 𝑢𝑧 ] (2-6) Lúc ma trận chuyển 𝐶𝑤𝑏 tính sau + 𝑞2 ) − 2(𝑞𝑤 𝑥 𝐶𝑤𝑏 = 𝐶(𝑞) = [2(𝑞𝑥 𝑞𝑦 − 𝑞𝑤 𝑞𝑧 ) 2(𝑞𝑥 𝑞𝑧 + 𝑞𝑤 𝑞𝑦 ) 2(𝑞𝑥 𝑞𝑦 + 𝑞𝑤 𝑞𝑧 ) 2(𝑞𝑥 𝑞𝑧 − 𝑞𝑤 𝑞𝑦 ) 2(𝑞𝑤 2(𝑞𝑦 𝑞𝑧 + 𝑞𝑤 𝑞𝑥 )] + 𝑞2 ) − 2(𝑞𝑤 𝑧 + 𝑞𝑦2 ) −1 2(𝑞𝑦 𝑞𝑧 − 𝑞𝑤 𝑞𝑥 ) (2-11) 2.2.2.4 Khai triển tích phân để xác định hướng, vận tốc vị trí Việc triển khai tích phân để xác định hướng 𝑞 ∈ 𝑅 4, vận tốc 𝑣 ∈ 𝑅 vị trí 𝑟 ∈ 𝑅 vật thể WCS thực khai triển Taylor bậc cho hướng, bậc cho vận tốc vị trí 2.3 Triển khai lọc KF kiểu MEKF cho hệ thớng SINS Khi triển khai tích phân, sai số bị tích luỹ nhiễu cảm biến việc xấp xỉ dùng khai triển Taylor Lúc này, giá trị hướng, vận tốc vị trí từ việc khai triển tích phân gọi giá trị sơ 𝑞̂, 𝑟̂ , 𝑣̂ Bộ lọc KF ước lượng sai số chúng 𝑞̅ , 𝑟̅ , 𝑣̅ để bù lại cho giá trị sơ Thành phần nhiễu chậm thay đổi 𝑏𝑎 , 𝑏𝑔 đưa vào lọc để ước lượng Việc thể Hình 2.12 Có nhiều lọc sử dụng mục đích này, nhiên lọc kiểu MEKF có ưu điểm vừa tính tốn nhanh vừa đảm bảo độ xác MEKF ước lượng sai số 𝑞̅ , 𝑣̅ , 𝑟̅ thay ước lượng trực tiếp 𝑞, 𝑣, 𝑟 Trang 3.5 Thực thi KF cho hệ thớng Quy trình thực thi KF cho hệ thống miêu tả cách chi tiết Hình 3.2 Bắt đầu Đ: Đúng S: Sai 𝐾ℎở𝑖 𝑡ạ𝑜 𝑥0− = 015×1 𝑃0− = 015×15 S S ZVI=1 𝑑𝐷 > Đ Đ 𝑇í𝑛ℎ 𝐻𝑘 , 𝑅𝑘 (3-11) Tính 𝐾𝑘 (2-33) Cập nhật 𝑥𝑘 (2-34) Cập nhật 𝑃𝑘 (2-35) 𝑇í𝑛ℎ 𝐻𝑘 (3-25) 𝑅𝑘 (3-26) Tính 𝐴𝑘 (3-7) Tính 𝑄𝑘 (2 − 29) − Dự đoán 𝑥𝑘+1 (2-30) − Dự đốn 𝑃𝑘+1 (2-31) Kết thúc Hình 3.2 Thuật tốn thực thi KF cho hệ thống INS bàn chân 3.6 Trích xuất TSBĐ từ quỹ đạo bàn chân Thuật tốn hệ thống INS sử dụng lọc MEKF ước lượng vị trí chuyển động bàn chân 𝑟 theo thời gian Các TSBĐ người dùng độ dài bước chân/sải chân, thời gian bước, tốc độ bước,… xác định dựa vào khoảng thời gian bàn chân chạm đất ZVI Do IMU đặt bàn chân nên chu kỳ sải chân khoảng thời gian tính từ thời điểm khoảng thời gian ZVI thứ 𝑖 đến thời điểm khoảng thời gian ZVI 𝑖 + 3.7 Thí nghiệm kiểm chứng hệ thớng phân tích kết Hệ thống thí nghiệm để minh chứng cho độ xác thuật tốn xây dựng Hình 3.3 Trong đó, IMU (MTi-100 hãng Xsens, Hà Lan) CBKC loại VL6180 gắn giày Hình 3.3 Việc sử dụng CBKC dùng để đánh giá ảnh hưởng vị trí đặt cảm biến số lượng CBKC Trên hệ thống Trang 11 gắn hạt phản quang cố định với cảm biến IMU để hệ thống giám sát chuyển động chuẩn dùng camera (Optitrack Six Flex 13) ghi lại quỹ đạo chuyển động bàn chân làm tham chiếu Hạt phản quang Cảm biến khoảng cách Cảm biến khoảng cách Cảm biến qn tính 3.7.1 Hình 3.3 Hệ thống INS đăt bàn chân cho thí nghiệm Thí nghiệm với hệ thống OptiTrack Hình 3.10 Ước lượng vị trí bàn chân sử dụng thuật tốn đề xuất Thí nghiệm thực với người dùng lần, lần thực sải chân sàn nhà phẳng giám sát hệ thống OptiTrack Mục đích thí nghiệm nhằm đánh giá chi tiết Trang 12 quỹ đạo 3D bước chân đánh giá vai trò lọc KF cập nhật theo thời gian Hình 3.10 thể kết ước lượng vị trí sai số vị trí theo trục thí nghiệm Trong đó, hình bên trái thể vị trí bàn chân theo trục (đường nét liền màu xanh thể vị trí ước lượng đường nét đứt màu đỏ thể vị trí thực ghi lại hệ thống OptiTrack) hình bên phải thể sai số vị trí ước lượng so với vị trí thực Như thấy, sử dụng hệ thống INS đề xuất quỹ đạo ước lượng bám theo quỹ đạo thực tế tốt trục Hình 3.10 Về mặt định lượng, luận án trích xuất tiêu chí đánh giá sai số gồm sai số tối đa theo trục, sai số trung bình trục, sai số vị trí, sai số khoảng cách tương đối trường hợp: sử dụng INA, sử dụng KF dùng cập nhật ZUPT, sử dụng cập nhật ZUPT kết hợp độ cao khoảng ZVI hệ thống đề xuất sử dụng CBKC Khi không sử dụng KF, sau sải chân sai số tương đối khoảng cách ước lượng lên đến 1216% Khi sử dụng cập nhật vận tốc ZUPT khoảng ZVI sai số tương đối khoảng cách giảm từ 1216% xuống 0,51% so với việc ước lượng sơ không dùng KF Khi sử dụng cập nhật độ cao khoảng ZVI sai số tối đa phương đứng giảm từ khoảng 𝑐𝑚 xuống khoảng 𝑐𝑚 sai số trung bình phương đứng giảm từ 1,48 𝑐𝑚 xuống 1,01 𝑐𝑚 so với trường hợp sử dụng cập nhật vận tốc ZUPT Mặc dù sai số việc ước lượng vị trí bàn chân theo phương đứng loại bỏ sau bước sai số độ cao q trình bước khơng cập nhật Lúc CBKC sử dụng để cập nhật độ cao bàn chân Việc sử dụng thông tin từ CBKC giúp giảm đáng kể sai số ước lượng phương đứng với sai số tối đa giảm từ 3,96 𝑐𝑚 xuống 2,15 𝑐𝑚 sai số trung bình giảm từ 1,01 𝑐𝑚 xuống 0,56 𝑐𝑚 Sai số vị trí ước lượng 2,2 𝑐𝑚 tổng số sải chân tương ứng với sai số khoảng 3,5 𝑚𝑚 bước Đây sai số nhỏ ứng dụng ước lượng độ dài bước Các TSBĐ người làm lần thí nghiệm Trang 13 bước ước lượng Bảng 3.3 Ngoài ra, thơng số bước tính trực tiếp từ thơng số sải chân Dựa kết thí nghiệm chứng minh vị trí đặt cảm biến khơng ảnh hưởng nhiều đến kết ước lượng Việc sử dụng CBKC cho kết tốt không nhiều so với trường hợp sử dụng CBKC lại tăng số biến trạng thái cần ước lượng nên khơng thích hợp với xử lý thời gian thực Bảng 3.3 TSBĐ ước lượng thí nghiệm bước Thơng sớ sải chân Lần Lần Lần Lần Trung bình Thời gian chuyển động (s) 0,8833 0,87 0,8667 0,9033 0,8808 Thời gian đứng yên (s) 0,37 0,28 0,4 0,34 0,3475 3.7.2 Chu kỳ (s) 1,2533 1,15 1,2667 1,2433 1,2283 Độ dài (m) 0,929 0,9942 0,8659 0,9424 0,9329 Độ cao (m) 0,0453 0,0759 0,0481 0,0743 0,0609 Tốc độ (m/s) 0,7412 0,8645 0,6836 0,7579 0,7618 Tần số (sải/s) 0,6834 0,7194 0,6818 0,6834 0,692 Thí nghiệm dọc hành lang 30 m Thí nghiệm thực với người dùng 30 𝑚 dọc hành lang, người thực lần với sai lệch khoảng cách ước lượng trung bình 0,43 𝑚 tổng số 30 𝑚 di chuyển Nếu tính theo tỉ lệ phần trăm sai lệch nhỏ (1,4%) ứng dụng ước lượng TSBĐ người dùng Nếu tính sai lệch cho bước chân khoảng chưa đến 𝑐𝑚 Đây sai số nhỏ độ dài bước chân trung bình thí nghiệm 71 𝑐𝑚 3.8 Đánh giá hiệu hệ thống đề xuất Hệ thống đề xuất có phần cứng thuật tốn đơn giản, sai số nhỏ sử dụng linh hoạt Hệ thống khắc phục hạn chế cơng trình nghiên cứu liên quan Trang 14 3.9 Kết luận chương Trong chương này, đề xuất hệ thống INS đặt bàn chân để ước lượng TSBĐ cho người dùng sử dụng CBKC CBKC hướng xuống mặt đất q trình bước nhằm cập nhật thơng tin độ cao bàn chân để nâng cao độ xác việc ước lượng TSBĐ Đóng góp luận án chương đề xuất triển khai hệ thống để ước lượng tham số bước có sử dụng cảm biến IMU đặt bàn chân đảm bảo tiêu chí đặt sai số nhỏ, phần cứng thuật toán đơn giản sử dụng linh hoạt đề cập Trong đó, đóng góp cụ thể sau: - Đề xuất hệ thống phần cứng hệ thống INS gồm cảm biến IMU kết hợp với cảm biến khoảng cách hướng xuống mặt đất nhằm nâng cao độ xác ước lượng quỹ đạo bàn chân, đăc biệt độ cao bàn chân trình bước - Đề xuất xây dựng mơ hình lọc cho lọc Kalman cho hệ thống INS có đưa thêm biến trạng thái (𝑟̅𝐷 𝑛̅𝐷 ) cảm biến khoảng cách vào ước lượng nhằm ước lượng xác vị trí 𝑟𝐷 hướng 𝑛𝐷 cảm biến khoảng cách để ứng dụng vào xây dựng phương trình cập nhật cho hệ thống INS sử dụng thông tin từ cảm biến khoảng cách - Đề xuất xây dựng phương trình cập nhật lọc Kalman cho hệ thống INS sử dụng thông tin từ cảm biến khoảng cách nhằm nâng cao độ xác cho độ cao bàn chân trình chuyển động Trang 15 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN KHUNG TẬP ĐI 4.1 Giới thiệu chương Trong chương đề xuất hệ thống INS đặt khung tập loại không bánh có hai bánh trước nhằm ước lượng TSBĐ cho người cần hỗ trợ lại Trong đó, IMU gắn khung tập encoder dùng để giám sát chuyển động bánh trước 4.2 Đề xuất hệ thống INS đặt khung tập 4.2.1 Giới thiệu hệ thống Hệ thống đề xuất bao gồm IMU gắn vào khung tập và 02 encoder gắn vào bánh Hệ thống sử dụng hệ trục tọa độ WCS, BCS ICS Hình 4.2 Trong hệ ICS đóng vai trị hệ BCS trình bày Chương Chương Hệ BCS chương gắn liền với khung tập Hình 4.2 Hình 4.2 Các hệ trục tọa độ sử dụng Kết nối phần cứng đồng liệu Thuật toán ước lượng mối quan hệ hệ ICS BCS Đặt vectơ 𝑇𝑏𝐼 ∈ 𝑅 ma trận 𝐶𝑏𝐼 ∈ 𝑅 3×3 vectơ tịnh tuyến ma trận quay chuyển vectơ biểu diễn hệ BCS sang ICS Lúc này, 𝑇𝑏𝐼 vị trí IMU hệ BCS đo thước Trục 𝑧𝑏 thời điểm ban đầu trùng với phương gia tốc trọng trường đo IMU Trục 𝑥𝑏 trùng với hướng di chuyển khung 4.2.2 4.2.3 Trang 16 thí nghiệm đẩy thẳng tới trước khoảng 𝑚 Lúc 𝐶𝑏𝐼 = [[𝑥𝑏 ]𝐼 [𝑧𝑏 ]𝐼 × [𝑥𝑏 ]𝐼 [𝑧𝑏 ]𝐼 ] 4.3 Thuật toán phát phân loại chuyển động 4.3.1 Định nghĩa chuyển động khung tập Chuyển động khung tập có bánh trước chia thành loại bao gồm: Đẩy liên tục, đẩy bước, nhấc chân sau, nhấc hoàn toàn, chuyển động đổi hướng 4.3.2 Thuật toán phát chuyển động khung tập Khi số xung encoder thu thời gian lấy mẫu lớn ngưỡng định thời gian đủ lớn (khoảng 0,3 s) khoảng thời gian xem chuyển động Khi góc quay quanh phương 𝑦𝑏 phương 𝑧𝑏 đủ lớn ngưỡng định khoảng thời gian đủ lớn (khoảng 0,3 giây) khoảng thời gian xem chuyển động 4.3.3 Thuật toán phân loại chuyển động khung tập Bắt đầu Tìm khoảng chuyển động: - Sử dụng encoder - Quay quanh trục y dùng IMU - Quay quanh trục z dùng IMU Đ Chuyển động sử dụng encoder S Đ T chuyển động > T bước (Tb) Đẩy liên tục S Đẩy bước S Chuyển động quay quanh y Chuyển động quanh y Đ Đ: Đúng S: Sai S Chuyển động quay quanh z S Đ Nhấc chân sau Nhấc hoàn toàn Chuyển động quay quanh z Đ Đ Quay đổi hướng S Không chuyển động Kết thúc Hình 4.4 Thuật tốn phân loại chuyển động 4.4 Ước lượng quỹ đạo chuyển động khung tập Việc ước lượng chuyển động khung tập sử dụng IMU thực thuật toán INS sử dụng lọc KF kiểu MEKF Trang 17 trình bày Chương với biến trạng thái đưa vào KF 𝑥 = [𝑞̅ 𝑏𝑔 𝑟̅ 𝑣̅ 𝑏𝑎 ]𝑇 Tại khoảng thời gian ZVI, cập nhật ZUPT sử dụng để cập nhật vận tốc độ cao cho lọc KF Các cập nhật khác thể mục 4.4.1 Xây dựng PTCN quaternion dựa vào phương đứng Trong trường hợp khung tập đẩy mặt đất, trục 𝑧𝑏 khung tập hướng lên trùng với trục 𝑧𝑤 xác định gia tốc 𝑦𝑎 đo từ IMU thời điểm trước chuyển động Khai triển điều ta có PTCN cho lọc KF 4.4.2 Xây dựng PTCN quaternion dùng góc quay quanh trục đứng Trong trình khung tập đẩy mặt đất, góc quay quanh trục đứng khung tập tính dựa vào encoder sử dụng để dẫn PTCN cho lọc KF 4.4.3 Xây dựng PTCN vị trí sử dụng thơng tin từ encoder Trong q trình đẩy khung tập mặt đất, thông tin từ encoder gắn với bánh cho phép tính vị trí khung tập Lúc thơng tin vị trí dùng để cập nhật vị trí KF 4.4.4 Kết hợp quỹ đạo ước lượng IMU quỹ đạo ước lượng encoder Cách thứ hai việc xác định chuyển động khung tập đi, xác định quỹ đạo chuyển động khung tập sử dụng encoder khung tập đẩy mặt đất kết hợp với quỹ đạo chuyển động khung tập nhấc lên ước lượng IMU 4.5 Trích xuất TSBĐ Một hệ trục toạ độ BCS (BCSN) định nghĩa có gốc nằm trung điểm đoạn nối hai đế chân sau khung tập hướng trục trùng với trục hệ BCS Lúc này, sau bước gốc hệ BCSN xem trùng với gót chân người dùng Như việc xác định TSBĐ người dùng dựa vị trí hệ BCSN theo thời gian TSBĐ người 20 lần dọc theo hành Trang 18 lan 20 m với loại chuyển động khác thể Bảng 4.3 Ngồi TSBĐ đơn giản, cịn truy xuất quỹ đạo chuyển động tư khung tập trình sử dụng Điều hữu ích cho bác sĩ chuyên gia đánh giá khả lại tình trạng sức khỏe người dùng Bảng 4.3 Kết TSBĐ người dùng khung tập đi thẳng 20 m Loại chuyển động Lần thí nghiệm Đẩy liên tục Nhấc chân sau Nhấc hoàn toàn Sai sớ trung bình Đẩy bước Khoảng cách (m) 19,95 19,94 19,89 19,9 19,99 19,78 19,85 19,81 19,63 19,85 20,42 19,84 20,03 20,26 19,66 20,32 20,26 20,04 20,23 20,62 1% Số bước (bước) 42 41 46 48 48 32 35 34 33 33 38 38 39 39 39 35 35 34 33 34 Thời gian (s) 146,54 148,9 146,84 152,76 168,38 22,76 27,17 26,06 26,54 25,19 136,12 130,6 138,94 138,57 132,1 136,78 135,58 138,31 135,1 140,76 Độ dài bước (mm) 476,71 489,08 435,41 417,77 418,16 620,72 575,15 589,86 587,94 614,45 539,05 523,94 514,93 521,12 506,13 582,06 581,12 591,25 615,19 608,57 Chu kỳ bước (s) 3,49 3,63 3,19 3,18 3,51 0,71 0,78 0,77 0,8 0,76 3,58 3,44 3,56 3,55 3,39 3,91 3,87 4,07 4,09 4,14 Tốc độ bước (mm/s) 136,92 135,01 136,7 131,09 119,28 933,58 776,97 797,96 798,23 837,86 150,63 152,67 144,68 146,7 149,71 150,19 151,33 146,12 151,16 147,67 4.6 Thí nghiệm đánh giá hoạt động thuật tốn 4.6.1 Hệ thống thí nghiệm 4.6.2 Mơ tả thí nghiệm 4.6.3 Đánh giá thuật toán kết hợp chuyển động IMU encoder ước lượng Thí nghiệm thứ tiến hành với 05 người dùng có khả lại bình thường sử dụng khung tập dọc hành lang dài 20 𝑚 Trong lượt đi, người dùng sử dụng chuyển động: Trang 19 𝑚 đẩy liên tục, 𝑚 đẩy bước, 𝑚 nhấc chân sau 𝑚 nhấc hoàn toàn khung tập Kết việc phát phân loại bước thể Hình 4.12 Sai số trung bình việc ước lượng khoảng cách 0,8% tổng quãng đường 20 𝑚 di chuyển tương ứng với bước có sai số khoảng 0,42 𝑐𝑚 Đây sai số nhỏ cho phép ứng dụng đo TSBĐ người dùng Hình 4.12 Kết việc phát phân loại chuyển động 4.6.4 Đánh giá thuật tốn sử dụng thơng tin encoder để cập nhật cho KF Thí nghiệm thứ hai thực với 05 người dùng, người thực 20 lượt (5 lượt cho loại chuyển động) dọc TSBĐ 20 𝑚 Sai số trung bình trường hợp 1,47% tương ứng với sai số 0,77 𝑐𝑚 cho bước trung bình 0,53 𝑚 Đây sai số nhỏ ứng dụng ước lượng TSBĐ 4.6.5 Phân tích đánh giá ảnh hưởng PTCN sử dụng thông tin từ encoder Các PTCN đóng vai trị quan trọng trường hợp đẩy liên tục (sai số giảm từ 9,337 𝑚 xuống 0,327 𝑚) Tuy nhiên PTCN có tác dụng không lớn trường hợp đẩy bước (sai số giảm Trang 20 từ 0,445 𝑚 xuống 0,059 𝑚) Trong đó, PTCN vị trí sử dụng thơng tin từ encoder cho kết tốt Trong trường hợp nhấc khung tập lên PTCN khơng có tác dụng Lúc này, cập nhật ZUPT độ cao khoảng ZVI cập nhật để nâng cao độ xác 4.6.6 Đánh giá độ xác sử dụng hệ thống Optitrack Hình 4.13 Quỹ đạo chuyển động với hệ thống Optitrack Độ xác hệ thống đề xuất kiểm chứng hệ thống giám sát chuyển động dùng Optitrack qua thí nghiệm thứ ba Trong đó, sử dụng hai hạt phản quang gắn bàn chân người dùng hạt phản quang bố trí tâm hệ BCS để hệ thống camera giám sát quỹ đạo di chuyển bàn chân theo thời gian Kết thể Hình 4.13 Trong đó, hình bên trái, đường nét liền màu xanh vị trí ước lượng đường nét đứt màu đỏ vị trí thực ghi lại hệ thống OptiTrack Ở hình bên phải sai số việc ước lượng so với vị trí thực Theo đó, sử dụng KF sai số vị trí ước lượng cuối khoảng 𝑐𝑚 Trang 21 Sai số trung bình 7,3 𝑚𝑚 bước Đây sai số hoàn toàn chấp nhận ứng dụng ước lượng TSBĐ phục vụ đánh giá tình trạng sức khỏe Hình 4.15 minh chứng hoạt động thuật tốn phát thời điểm bước chân chuyển động đẩy liên tục Hình 4.15 Phát thời điểm bước chân sử dụng OptiTrack 4.6.7 Đánh giá vai trò KF INS Để đánh giá vai trò KF INS, kết thí nghiệm 𝑚 với hệ thống OptiTrack trích xuất trường hợp không sử dụng KF Sai số ước lượng vị trí cuối lên đến 60 𝑚 Đây sai số lớn so với khoảng cách di chuyển 𝑚 Do INS phải sử dụng với lọc, trường hợp KF 4.6.8 Đánh giá độ xác chuyển động có đổi hướng Các giá trị sai số trung bình 0,638 𝑚 tổng số 40 𝑚 có quay góc 180 (tương ứng với sai số 1,6%) 0,712 𝑚 tổng số 48 𝑚 có quay góc 900 (tương ứng với sai số 1,4%) Các sai số tương ứng với sai số thí nghiệm khác trình bày 4.6.9 Thực nghiệm với bệnh nhân Thực nghiệm thực Khoa Vật lý Trị liệu – Phục hồi chức Bệnh viện Quân y 17 Đà Nẵng từ ngày 25/12/2020 Trang 22 đến 2/1/2021 Thực nghiệm thực với 10 bệnh nhân lại khó khăn, bị bệnh đứt dây chằng, xuất huyết não vỡ mâm chày trái, điều trị phục hồi chức Các thơng tin TSBĐ trích xuất gồm số bước, độ dài bước, thời gian bước, tốc độ bước, tần số bước loại chuyển động sử dụng khung tập Sai số khoảng cách 1,38% Đây sai số nhỏ ứng dụng đo TSBĐ Như vậy, hệ thống đề xuất sử dụng để thu thập liệu trích xuất TSBĐ bệnh nhân phục hồi chức lại bệnh viện Bác sĩ dựa vào TSBĐ để chẩn đốn, đánh giá tình trạng sức khoẻ, theo dõi phục hồi chức 4.7 Đánh giá hiệu hệ thống đề xuất Hệ thống đề xuất có sai số nhỏ sử dụng cho loại khung tập đinh không bánh hai bánh trước Hệ thống khắc phục hạn chế cơng trình nghiên cứu liên quan 4.8 Kết luận chương Đóng góp luận án chương đề xuất triển khai hệ thống để ước lượng tham số bước có sử dụng cảm biến IMU đặt khung tập đảm bảo tiêu chí đặt sai số nhỏ, sử dụng linh hoạt, dùng cho loại khung tập bánh khơng bánh Trong đó, đóng góp cụ thể sau: - Đề xuất hệ thống phần cứng gồm cảm biến IMU đặt khung tập kết hợp với encoder gắn với bánh - Đề xuất phương pháp hiệu chỉnh mối quan hệ cảm biến IMU khung tập - Đề xuất thuật toán phát phân loại chuyển động khung tập - Đề xuất xây dựng phương trình cập nhật cho hệ thống INS sử dụng thơng tin từ encoder nhằm nâng cao độ xác khoảng khung tập đẩy mặt đất mà hệ thống INS khơng thể ước lượng xác - Đề xuất thuật toán phát thời điểm bước chân mặt đất trường hợp khung tập đẩy liên tục mặt đất Trang 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Các đóng góp luận án Đóng góp luận án đề xuất triển khai hệ thống để ước lượng tham số bước có sử dụng cảm biến IMU đặt bàn chân khung tập đi, nâng cao độ xác theo hướng đáp ứng yêu cầu sở y tế cơng tác chăm sóc sức khoẻ Các đóng góp cụ thể bao gồm: - Đề xuất hệ thống phần cứng thích hợp trường hợp cảm biến IMU đặt bàn chân đặt khung tập - Đề xuất xây dựng mơ hình lọc Kalman cho trường hợp cảm biến IMU đặt bàn chân, có đưa thơng tin CBKC vào ước lượng - Đề xuất xây dựng phương trình cập nhật cho lọc Kalman sử dụng thông tin từ CBKC encoder - Đề xuất phương pháp ước lượng mối quan hệ cảm biến IMU khung tập - Đề xuất thuật toán phát phân loại chuyển động khung tập - Đề xuất thuật toán phát thời điểm bước chân trường hợp khung tập đẩy liên tục mặt đất B Kiến nghị số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu thêm cho luận án Nguyên cứu ảnh hưởng bậc khai triển Taylor đến độ xác khối lượng tính tốn hệ thống Thử nghiệm số lọc khác vào hệ thống USQUE, MRP-UKF DoEuler-UKF làm trơn vào việc nâng cao độ xác Phát triển tính hệ thống để tự động đánh giá số thông tin tình trạng sức khoẻ từ thơng số bước Trang 24 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ [1] Fast calibration for parameters of an inertial measurement unitfixed to astandard walker Authors: Quang Vinh Doan; Duy Duong Pham Tạp chí Heliyon No: 6(8) Pages: 1-9 Year 2020 (Scopus) [2] Quang Vinh Doan, Duy Duong Pham Inertial navigation algorithm for trajectory of front-wheel walker estimation Tạp chí Heliyon No: 5(6) Pages: 1-7 Year 2019 (Scopus) [3] Duy Duong Pham ; Huu Toan Duong ; Young Soo Suh, Walking Monitoring for Users of Standard and Front-Wheel Walkers IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement No: vol PP, no 99 Pages: 1-10 Year 2017 (SCI) [4] Phạm Duy Dưởng, Đoàn Quang Vinh, “Combination an inertial sensor and a distance sensor to estimate the foot pose” Hội nghị - triển lãm quốc tế lần thứ điều khiển tự động hóa VCCA 2019 Trang: 18-24 Năm 2019 [5] Phạm Duy Dưởng; Đoàn Quang Vinh, “Xây dựng lọc Kalman mở rộng cho thuật tốn định vị qn tính” Tạp chí KHCN Đại học Đà Nẵng Số: 9(17) Trang: 45-50 Năm 2019 [6] Phạm Duy Dưởng; Đoàn Quang Vinh; Phan Thị Hồi, “Xây dựng thuật tốn định vị qn tính để ước lượng chuyển động cho khung tập có hai bánh trước”, Tạp chí KHCN Đại học Đà Nẵng Số: 17(10) Trang: 24-29 Năm 2019 [7] Phạm Duy Dưởng, Trần Thanh Hà, Nguyễn Anh Duy, “Phân loại chuyển động cho người dùng thiết bị hỗ trợ lại có hai bánh trước” Tạp chí khoa học Đại học Đà Nẵng Số: 11(132).2018 Quyển Trang: 19-24 Năm 2018 [8] Phạm Duy Dưởng, Nguyễn Anh Duy, Đoàn Quang Vinh, “Kết hợp cảm biến quán tính cảm biến khoảng cách để cập nhật vị trí hướng cho định vị người nhà” Hội nghị - triển lãm quốc tế lần thứ điều khiển tự động hóa VCCA 2017 Trang: 55 Năm 2017 [9] Đề tài cấp sở: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phục vụ kiểm tra TSBĐ cho người dùng cần hỗ trợ lại Chủ nhiệm: Trần Thanh Hà Thành viên: Phạm Duy Dưởng Mã số: T2018-06-88 Năm: 2019 [10] Đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu, cải biên thuật tốn định vị qn tính để ước lượng chuyển động chăm sóc sức khỏe Chủ nhiệm: Đồn Quang Vinh Thành viên: Phạm Duy Dưởng, Nguyễn Anh Duy, Trương Thị Bích Thanh, Ngơ Đình Thanh Mã số: B218-DNA-07 Nghiệm thu năm: 2019 [11] Đề tài Cấp ĐHĐN: Nghiên cứu ứng dụng cảm biến quán tính để ước lượng TSBĐ cho người dùng sử dụng thiết bị hỗ trợ lại Chủ nhiệm: Phạm Duy Dưởng Thành viên: Nguyễn Anh Duy, Dương Quang Thiện, Nguyễn Văn Nam Mã số: B2018-ĐN06-l0 Nghiệm thu năm: 2020 [12] Giải Khuyến Khích Giải thưởng Sáng tạo Khoa học Công nghệ Việt Nam (Vifotec) năm 2018, theo định số 1411/QĐ-LHHVN ngày 28/12/2018 cho cơng trình “Chế tạo thiết bị ước lượng TSBĐ phục vụ chăm sóc sức khỏe sử dụng thuật tốn định vị quán tính cải biên”, Tác giả: Phạm Duy Dưởng, Đoàn Quang Vinh Trang 25 ... giá tình trạng sức khoẻ tiến trình phục hồi chức Những TSBĐ ứng dụng nhiều y tế tốc độ bước, độ dài bước chân, độ dài sải chân, góc bước, thời gian bước, độ rộng bước? ?? Hiện có số hệ thống đo TSBĐ... thuật toán Việc ước lượng chuyển động chăm sóc sức khoẻ vấn đề rộng, nên giới hạn phạm vi nghiên cứu ước lượng TSBĐ gồm tốc độ bước, độ dài bước/ sải chân, thời gian bước, tần số bước mà khơng sâu... trái, đi? ??u trị phục hồi chức Các thông tin TSBĐ trích xuất gồm số bước, độ dài bước, thời gian bước, tốc độ bước, tần số bước loại chuyển động sử dụng khung tập Sai số khoảng cách 1,38% Đây sai số