Ứng dụng các nguyên tắc sáng tạo trong xây dựng thuật toán tính số bước chân trên iphone

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC ỨNG DỤNG CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRONG XÂY DỰNG THUẬT TỐN TÍNH SỐ BƢỚC CHÂN TRÊN iPHONE GVHD : GS TSKH HOÀNG KIẾM Học viên: Lê Anh Tú (1211078 – Cao học KHMT K22) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CÁM ƠN Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy GS.TSKH Hồng Kiếm tận tình giảng dạy hướng dẫn em suốt thời gian học chuyên đề Em khơng thể hồn thành đề tài khơng có giúp đỡ, lời góp ý bạn bè động viên tinh thần gia đình người thân Mặc dù nhóm có nhiều cố gắng q trình thực đề tài, kinh nghiệm thời gian hạn chế nên đề tài khơng thể tránh thiếu sót Vì em mong nhận bảo thầy đóng góp ý kiến bạn để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn Học viên thực Lê Anh Tú LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN MỞ ĐẦU TỔNG QUAN Chƣơng I: LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM Cảm biến 1.1 Khái niệm cảm biến 1.2 Đặc điểm cảm biến 1.3 Một số loại cảm biến smartphone 1.4 Ứng dụng phổ biến cảm biến Xử lý tín hiệu cảm biến 2.1 Giới thiệu lọc Kalman 2.2 Xử lý tín hiệu từ gia tốc kế 12 2.3 Phương pháp tính số bước chân từ tín hiệu gia tốc kế 14 2.4 Kết đạt 17 Chƣơng II: ỨNG DỤNG NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRÊN SỰ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN VÀ TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN 19 Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo phát triển cảm biến: 19 1.1 Nguyên tắc phân nhỏ: 19 1.2 Nguyên tắc phẩm chất cục bộ: 19 1.3 Nguyên tắc kết hợp: 20 1.4 Nguyên tắc vạn năng: 20 1.5 Nguyên tắc động: 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.6 Nguyên tắc rẽ thay cho đắt: 21 1.7 Nguyên tắc thay sơ đồ học: 21 1.8 Nguyên tắc sử dụng vật liệu tổng hợp: 22 Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo trình thực hiện: 22 2.1 Nguyên tắc phân nhỏ: 22 2.2 Nguyên tắc “tách khỏi”: 22 2.3 Nguyên tắc phẩm chất cục bộ: 23 2.4 Nguyên tắc kết hợp: 23 2.5 Nguyên tắc vạn năng: 23 2.6 Nguyên tắc gây ứng xuất sơ bộ: 24 2.7 Nguyên tắc thực sơ bộ: 24 2.8 Nguyên tắc động: 24 2.9 Nguyên tắc sử dụng trung gian: 25 2.10 Nguyên tắc đổi màu: 25 Chƣơng III: ỨNG DỤNG NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO ĐƢA RA NHỮNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỀ TÀI 26 KẾT LUẬN 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, điện thoại di động ngày trở nên phổ biến sử dụng rộng rãi Trong năm gần đây, smartphone ngày hãng sản xuất điện thoại di động trọng phát triển, với cấu hình phần cứng ngày mạnh mẽ tích hợp cơng nghệ cảm biến tiên tiến Cảm biến smartphone ứng dụng rộng rãi chủ yếu dùng để điều khiển ứng dụng trò chơi Tuy nhiên, cảm biến smartphone có nhiều ứng dụng chưa khai thác hết Do đó, em định chọn đề tài thực “Xây dựng thuật tốn tính số bước chân iPhone” nhằm tìm hiểu phân tích ngun tắc sáng tạo sử dụng trình thực (Bài báo "A high-accuracy step counting algorithm for iPhones using Accelerometer " nhóm chấp nhận ISSPIT 2012 vừa qua ) Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu em loại cảm biến phổ biến iPhone là: gia tốc kế Phương pháp phân tích nhận biết hành động tín hiệu gia tốc kế; cách ứng dụng cảm biến điện thoại Trong đó, phạm vi nghiên cứu nhóm tập trung vào cách sử dụng ứng dụng cảm biến iPhone LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TỔNG QUAN Việc khai thác ứng dụng cảm biến đề cập từ lâu Trong báo "Activity Recognition from User-Annotated Acceleration Data" (1), tác giả Ling Bao Stephen S Intille ứng dụng gia tốc kế vào việc nhận dạng hành động người sử dụng Hai tác giả dùng gia tốc kế gắn vị trí khác người sử dụng để ghi nhận nhiều loại hành động người dùng đứng, bộ, chạy, ngồi, Kết hợp với việc so sánh với liệu gia tốc 20 người tình nguyện phịng thí nghiệm, từ phân loại hành động người sử dụng Và độ xác với cách làm họ 84% Tuy nhiên, việc gắn gia tốc kế lên người sử dụng không tiện dụng, đồng thời gia tốc kế mà họ sử dụng gia tốc kế riêng biệt Trong báo "A simple method for reliable footstep detection on embedded sensor platforms” tác giả Ryan Libby (2), gia tốc kế ứng dụng để nhận biết bước người dùng Trong cách thức tiến hành, Ryan sử dụng thiết bị tích hợp gia tốc kế đặt hơng người sử dụng Kết tốt phần nhận biết bước người dùng 99,5% Ở đề tài “Xây dựng thuật tốn tính số bước chân iPhone”, em thực xây dựng thuật tốn tính số bước chân dựa vào lọc Kalman Và em xin áp dụng để làm đề tài cho chuyên đề này, nhằm phân tích phân tích nguyên tắc sáng tạo áp dụng phát triển cảm biến iPhone trình thực đề tài LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng I: LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM Cảm biến 1.1 Khái niệm cảm biến Cảm biến thiết bị đo đại lượng vật lý chuyển đổi thành tín hiệu để người thiết bị khác đọc Ví dụ: nhiệt kế thủy ngân chuyển đổi thay đổi nhiệt độ thành độ cao cột thủy ngân ống thủy tinh để đọc Hầu hết cảm biến canh chỉnh độ xác dựa vào chuẩn biết Ví dụ: nhiệt độ nước đá 0oC nhiệt dộ nước sơi 100oC ta đánh dấu bảng chia nhiệt độ cho nhiệt kế Bản thân cảm biến ảnh hưởng đến kết đo đạc Ví dụ: dung nhiệt kế thủy ngân vào ly nước để đo nhiệt độ nước thân cảm biến ảnh hưởng đến nhiệt độ đo nước ly Do đó, cảm biến phải thiết kế cho mức ảnh hưởng đến giá trị mà cảm biến đo nhỏ 1.2 Đặc điểm cảm biến Độ nhạy cảm biến định nghĩa độ thay đổi giá trị cảm biến tương ứng với lượng thay đổi đại lượng cần đo Ví dụ: cột thủy ngân nhiệt kế dâng lên 1cm nhiệt độ tăng 1oC độ nhạy cảm biến 1cm/oC Cảm biến có khả ghi nhận thay đổi nhỏ nhạy Độ phân giải cảm biến thay đổi nhỏ giá trị cần đo mà cảm biến ghi nhận 1.3 Một số loại cảm biến smartphone - Ambient Light Sensor (ALS): cảm biến ánh sáng - Proximity Sensor: cảm biến gần - Accelerometer: gia tốc kế - Magnetometer: cảm biến từ trường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Gyroscope : cảm biến quay hồi chuyển 1.4 Ứng dụng phổ biến cảm biến - Ứng dụng Ambient Light sensor (cảm biến ánh sáng): dựa vào khả đo lượng ánh sáng (độ sáng) môi trường xung quanh Giảm điện tiêu thụ cách điều chỉnh độ sáng hình phù hợp với môi trường sử dụng Điều chỉnh độ sáng không gian xung quanh nhờ vào việc nhận biết mức ánh sáng tương ứng - Ứng dụng Proximity Sensor (cảm biến gần): cảm biến gần dùng để đo độ gần vật thể cách phát tia hồng ngoại đo độ mạnh tín hiệu phản hồi Cảm biến gần dùng chủ yếu để nhận biết người dùng đặt điện thoại gần tai nhằm tắt hình để tiết kiệm điện tắt cảm ứng hình để tránh việc vơ tình phát sinh kiện chạm hình - Ứng dụng Accelerometer (gia tốc kế): Với khả nhận biết trạng thái chuyển động, rung lắc, trạng thái, gia tốc kế dùng nhiều loại ứng dụng tiện ích, game, đo sức khỏe, v.v - Ứng dụng cảm biến từ trường: Cảm biến từ trường tích hợp nhiều loại smartphone Với khả xác định hướng, cảm biến từ trường kết hợp với định vị GPS để xác định tuyến đường mà người dùng - Ứng dung Gyroscope (cảm biến quay hồi chuyển): Tương tự gia tốc kế, cảm biến quay hồi chuyển ứng dụng chủ yếu vào trị chơi, tiện ích mà điện thoại điều khiển cách nghiêng điện thoại qua lại LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xử lý tín hiệu cảm biến 2.1 Giới thiệu lọc Kalman 2.1.1 Khái niệm lọc Bộ lọc phương pháp loại bỏ giá trị không quan tâm giữ lại giá trị cần thiết Thông thường, lọc sử dụng để lọc tín hiệu nhiễu khỏi tín hiệu cần đo Trên thực tế, khơng thể lọc tồn tín hiệu nhiễu khỏi tín hiệu thực tế, lọc lọc tín hiệu ước lượng gần so với tín hiệu thực Hình Mơ hình lọc 2.1.2 Giới thiệu lọc Kalman Năm 1960, R.E Kalman công bố báo tiếng giải pháp truy hồi để giải toán lọc thơng tin rời rạc tuyến tính (discrete data linear filtering) mang tên "A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems" Bộ lọc Kalman tập hợp phương trình tồn học mơ tả phép tính hồi quy để ước lượng trạng thái trình cho phương sai giá trị ước đoán giá trị thật nhỏ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tín hiệu đo Tín hiệu cảm biến Kalman Filter Mơ hình hệ thống Hình Mơ hình lọc Kalman 2.1.3 Giới thiệu lọc Kalman rời rạc Bộ lọc Kalman rời rạc sử dụng cho toán ước lượng trạng thái q trình mơ hình hóa cách rời rạc theo thời gian Trạng thái q trình mơ tả theo phương trình ngẫu nhiên tuyến tính: xk = A*xk-1 + B*uk-1 + wk-1 , w ~ (0, Q) (1) Kết đo z mơ tả theo phương trình: zk = H*xk + vk ,v ~ (0,R) (2) Nếu x có kích thước n, u có kích thướng l, z có kích thước m đó: - A: ma trận kích thước n x n Thể mối quan hệ x trạng thái trước B: ma trận kích thướng n x l Thể mối quan hệ u x u : tín hiệu điều khiển w : tín hiệu nhiễu hệ thống H: ma trận kích thước n x m v : tín hiệu nhiễu đo đạc Qua mơ hình hệ thống, ta thấy lọc Kalman rời rạc tìm giá trị ước lượng x biết mơ hình trạng thái x giá trị đo z phụ thuộc vào x Để tìm giá x gần với giá trị thật nhất, Kalman đưa mơ hình lọc Kalman đây: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.3 Phƣơng pháp tính số bƣớc chân từ tín hiệu gia tốc kế n Tín hiệu từ gia tốc kế Bộ lọc Kalman Lọc cực trị cục Số bước chân Hình 74 Sơ đồ phƣơng pháp tính số bƣớc chân Với tín hiệu từ gia tốc kế, xác định kiểu đặt điện thoại để xác định giá trị trục gia tốc kế có biến đổi nhiều tính bước chân từ Kiểu đặt máy giá trị trục tương ứng sau: o Với kiểu cầm tay: lấy tín hiệu trục z o Với kiểu bỏ túi áo: lấy tín hiệu trục y o Với kiểu bỏ túi quần: lấy tín hiệu trục z Thông số nhiễu em sử dụng R= 0.02, Q:0.5, thông số nhiễu thay đổi tùy vào kiểu đặt điện thoại xác định dựa vào liệu thu để có kết tốt Hình Tín hiệu từ gia tốc kế Hình Tín hiệu từ gia tốc kế qua lần lọc Kalman với thông số nhiễu thấp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 105 Tín hiệu từ gia tốc kế qua lần lọc Kalman với thông số nhiễu cao Hình 11 Tín hiệu từ gia tốc kế qua lần lọc Kalman với thông số nhiễu thấp Với tín hiệu sau lần lọc Kalman (tín hiệu K), em sử dụng lọc bước em đề xuất Mục đích lọc bước lọc giữ lại cực trị cục bộ: bao gồm dãy tín hiệu tăng dãy tín hiệu giảm Cách thức lọc bước sau:  Nếu (K i - K i-1> d):  Ti := Ti-1 + k  Nếu (K i-1 - K i > d):  Nếu Ti-1 = : Ti := T lớn cục kề trước  Nếu Ti-1 > : Ti := Ti-1 - k  Nếu Ti < 0: Ti :=  Nếu (| Ki-1 - Ki |