tiểu luận 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 TOÁN TÍNH SỐ BƢỚC CHÂN TRÊN iPHONE. GVHD : GS. TSKH. HOÀNG KIẾM Học viên: Lê Anh Tú (1211078 – Cao học KHMT K22) LỜI CÁM ƠN Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy GS.TSKH Hoàng Kiếm đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn em trong suốt thời gian học chuyên đề này. Em đã không thể hoàn thành đề tài nếu như không có sự giúp đỡ, các lời góp ý của các bạn bè cũng như sự động viên tinh thần của gia đình và người thân. Mặc dù nhóm đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện đề tài, nhưng do kinh nghiệm và thời gian còn hạn chế nên đề tài không thể tránh được thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô và sự đóng góp ý kiến của các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn. Học viên thực hiện Lê Anh Tú MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN 2 MỞ ĐẦU 5 TỔNG QUAN 6 Chƣơng I: LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 7 1. Cảm biến 7 1.1 Khái niệm về cảm biến 7 1.2 Đặc điểm của cảm biến 7 1.3 Một số loại cảm biến trên smartphone 7 1.4 Ứng dụng phổ biến của cảm biến 8 2. Xử lý tín hiệu cảm biến 9 2.1 Giới thiệu bộ lọc Kalman 9 2.2 Xử lý tín hiệu từ gia tốc kế 12 2.3 Phương pháp tính số bước chân từ tín hiệu của gia tốc kế 14 2.4 Kết quả đạt được 17 Chƣơng II: ỨNG DỤNG NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRÊN SỰ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN VÀ TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN 19 1. Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo trên sự phát triển của 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 năng động: 20 1.6 Nguyên tắc rẽ thay cho đắt: 21 1.7 Nguyên tắc thay thế sơ đồ cơ học: 21 1.8 Nguyên tắc sử dụng vật liệu tổng hợp: 22 2. Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo trong quá 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 hiện sơ bộ: 24 2.8 Nguyên tắc năng 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 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Hiện nay, điện thoại di động ngày càng trở nên phổ biến và được sử dụng rất rộng rãi. Trong những năm gần đây, smartphone ngày càng được các hãng sản xuất điện thoại di động chú trọng phát triển, với cấu hình phần cứng ngày càng mạnh mẽ và được tích hợp các công nghệ cảm biến tiên tiến. Cảm biến trên smartphone được ứng dụng rộng rãi và chủ yếu được dùng để điều khiển các ứng dụng trò chơi. Tuy nhiên, các cảm biến trên smartphone còn có rất nhiều ứng dụng chưa được khai thác hết. Do đó, em quyết định chọn đề tài mình đã thực hiện “Xây dựng thuật toán tính số bước chân trên iPhone” nhằm tìm hiểu và phân tích các nguyên tắc sáng tạo được sử dụng trong quá trình thực hiện. (Bài báo "A high-accuracy step counting algorithm for iPhones using Accelerometer " của nhóm đã được chấp nhận ở ISSPIT 2012 vừa qua ) Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của em là loại cảm biến phổ biến trên iPhone là: gia tốc kế. Phương pháp phân tích và nhận biết hành động bằng tín hiệu gia tốc kế; và cách ứng dụng của cảm biến trên điện thoại. Trong đó, phạm vi nghiên cứu của nhóm tập trung vào cách sử dụng và ứng dụng cảm biến trên iPhone. TỔNG QUAN Việc khai thác ứng dụng của cảm biến đã được đề cập từ rất lâu. Trong bài báo "Activity Recognition from User-Annotated Acceleration Data" (1), 2 tác giả Ling Bao và Stephen S. Intille đã ứng dụng gia tốc kế vào việc nhận dạng hành động của người sử dụng. Hai tác giả trên đã dùng 5 gia tốc kế gắn tại 5 vị trí khác nhau trên người sử dụng để ghi nhận được nhiều loại hành động của người dùng như đứng, đi bộ, chạy, ngồi, Kết hợp với việc so sánh với các dữ liệu gia tốc của 20 người tình nguyện trong phòng thí nghiệm, từ đó phân loại hành động của người sử dụng. Và độ chính xác với cách làm của họ là 84%. Tuy nhiên, việc gắn 5 gia tốc kế lên người sử dụng là không tiện dụng, đồng thời gia tốc kế mà họ sử dụng là gia tốc kế riêng biệt. Trong bài báo "A simple method for reliable footstep detection on embedded sensor platforms” của tác giả Ryan Libby (2), gia tốc kế được ứng dụng để nhận biết bước đi của người dùng. Trong cách thức tiến hành, Ryan sử dụng một thiết bị tích hợp gia tốc kế và đặt nó ở hông người sử dụng. Kết quả tốt nhất trong phần nhận biết bước đi khi người dùng đi bộ là 99,5%. Ở đề tài “Xây dựng thuật toán tính số bước chân trên iPhone”, em thực hiện xây dựng thuật toán tính số bước chân dựa vào bộ lọc Kalman. Và em xin được áp dụng để làm đề tài cho chuyên đề này, nhằm phân tích phân tích các nguyên tắc sáng tạo được áp dụng trong quá phát triển cảm biến trên iPhone cũng như trong quá trình thực hiện đề tài Chƣơng I: LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 1. Cảm biến 1.1 Khái niệm về cảm biến Cảm biến là một thiết bị đo một đại lượng vật lý và chuyển đổi nó thành tín hiệu để người hoặc thiết bị khác có thể đọc được. Ví dụ: nhiệt kế thủy ngân chuyển đổi sự thay đổi nhiệt độ thành sự độ cao của cột thủy ngân trong ống thủy tinh để có thể đọc được. Hầu hết các cảm biến đều được canh chỉnh độ chính xác dựa vào các chuẩn đã biết. Ví dụ: nhiệt độ của nước đá là 0oC và nhiệt dộ của nước đang sôi là 100oC thì ta sẽ đánh dấu được bảng chia nhiệt độ cho nhiệt kế. Bản thân cảm biến cũng ảnh hưởng đến kết quả đo đạc. Ví dụ: nếu dung nhiệt kế thủy ngân vào ly nước để đo nhiệt độ nước thì bản thân cảm biến cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ đo được của nước trong ly. Do đó, cảm biến phải được thiết kế sao cho mức ảnh hưởng của nó đến giá trị mà cảm biến đo được là nhỏ nhất. 1.2 Đặc điểm của cảm biến Độ nhạy của cảm biến được định nghĩa là độ thay đổi giá trị của cảm biến tương ứng với một lượng thay đổi của đại lượng cần đo. Ví dụ: nếu như cột thủy ngân của nhiệt kế dâng lên 1cm khi nhiệt độ tăng 1oC thì độ nhạy của cảm biến là 1cm/oC. Cảm biến có khả năng ghi nhận được những thay đổi càng nhỏ thì càng nhạy. Độ phân giải của cảm biến là sự thay đổi nhỏ nhất của giá trị cần đo mà cảm biến có thể ghi nhận được. 1.3 Một số loại cảm biến trên smartphone - Ambient Light Sensor (ALS): cảm biến ánh sáng. - Proximity Sensor: cảm biến gần. - Accelerometer: gia tốc kế. - Magnetometer: cảm biến từ trường. - Gyroscope : cảm biến con quay hồi chuyển. 1.4 Ứng dụng phổ biến của cảm biến - Ứng dụng của Ambient Light sensor (cảm biến ánh sáng): dựa vào khả năng đo lượng ánh sáng (độ sáng) của môi trường xung quanh. Giảm điện năng tiêu thụ bằng cách điều chỉnh độ sáng màn hình phù hợp với môi trường sử dụng. Điều chỉnh độ sáng của không gian xung quanh nhờ vào việc nhận biết mức ánh sáng tương ứng. - Ứng dụng của Proximity Sensor (cảm biến gần): cảm biến gần được dùng để đo độ gần của một vật thể bằng cách phát ra tia hồng ngoại và đo độ mạnh của tín hiệu phản hồi. Cảm biến gần được dùng chủ yếu để nhận biết khi nào người dùng đặt điện thoại gần tai nhằm tắt màn hình để tiết kiệm điện năng và tắt cảm ứng màn hình để tránh việc vô tình phát sinh sự kiện chạm màn hình. - Ứng dụng của Accelerometer (gia tốc kế): Với khả năng nhận biết trạng thái chuyển động, rung lắc, và trạng thái, gia tốc kế được dùng trong nhiều loại ứng dụng như tiện ích, game, đo sức khỏe, v.v - Ứng dụng của cảm biến từ trường: Cảm biến từ trường được tích hợp khá nhiều trên các loại smartphone. Với khả năng xác định hướng, cảm biến từ trường được kết hợp với định vị GPS để xác định tuyến đường mà người dùng đã đi. - Ứng dung của Gyroscope (cảm biến con quay hồi chuyển): Tương tự như gia tốc kế, cảm biến con quay hồi chuyển cũng được ứng dụng chủ yếu vào các trò chơi, các tiện ích mà trong đó điện thoại được điều khiển bằng cách nghiêng điện thoại qua lại. 2. Xử lý tín hiệu cảm biến 2.1 Giới thiệu bộ lọc Kalman 2.1.1 Khái niệm về bộ lọc Bộ lọc là phương pháp loại bỏ những giá trị không quan tâm và giữ lại những giá trị cần thiết. Thông thường, bộ lọc được sử dụng để lọc tín hiệu nhiễu ra khỏi tín hiệu cần đo. Trên thực tế, không thể lọc được toàn bộ tín hiệu nhiễu ra khỏi tín hiệu thực tế, vì vậy bộ lọc chỉ có thể lọc ra tín hiệu ước lượng gần đúng so với tín hiệu thực. Hình 1. Mô hình bộ lọc 2.1.2 Giới thiệu về bộ lọc Kalman Năm 1960, R.E Kalman đã công bố bài báo nổi tiếng về một giải pháp truy hồi để giải quyết bài toán lọc thông tin rời rạc tuyến tính (discrete data linear filtering) mang tên "A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems". Bộ lọc Kalman là tập hợp các phương trình toàn học mô tả phép tính hồi quy để ước lượng trạng thái một quá trình sao cho phương sai giữa giá trị ước đoán và giá trị thật là nhỏ nhất. Mô hình hệ thống Kalman Filter Tín hiệu đo được Tín hiệu cảm biến Hình 2. Mô hình bộ lọc Kalman 2.1.3 Giới thiệu về bộ lọc Kalman rời rạc Bộ lọc Kalman rời rạc sử dụng cho bài toán ước lượng trạng thái một quá trình được mô hình hóa một cách rời rạc theo thời gian. Trạng thái của quá trình được mô tả theo phương trình ngẫu nhiên tuyến tính: x k = A*x k-1 + B*u k-1 + w k-1 , w ~ (0, Q) (1) Kết quả đo được z được mô tả theo phương trình: z k = H*x k + v k ,v ~ (0,R) (2) Nếu x có kích thước n, u có kích thướng l, z có kích thước m thì khi đó: - A: ma trận kích thước n x n. Thể hiện mối quan hệ giữa x và trạng thái trước nó. - B: ma trận kích thướng n x l. Thể hiện mối quan hệ giữa u và x. - u : tín hiệu điều khiển. - w : tín hiệu nhiễu của hệ thống. - H: ma trận kích thước n x m. - v : tín hiệu nhiễu đo đạc. - Qua mô hình hệ thống, ta thấy bộ lọc Kalman rời rạc là đi tìm giá trị ước lượng x khi biết được mô hình trạng thái của x và giá trị đo được z phụ thuộc vào x. Để tìm được giá x gần đúng với giá trị thật nhất, Kalman đã đưa ra mô hình bộ lọc Kalman dưới đây: [...]...  Dựa trên nguyên tắc vạn năng: xấy dựng thuật toán và ứng dụng cho nhiều loại điện thoại khác nhau  Dựa trên nguyên tắc năng động: xây dựng thuật toán và ứng dụng nhận biết hành động đi của những tập hợp người có những đặc trưng đi khác nhau, như người già, người trẻ; người châu Á, người Châu Âu  Dựa trên nguyên tác kết hợp, năng động, vạn năng: xây dựng thuật toán và ứng dụng nhận biết các hành... chính xác trung bình của các ứng dụng ở kiểu bỏ túi Chƣơng II: ỨNG DỤNG NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRÊN SỰ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN VÀ TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN 1 Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo trên sự phát triển của cảm biến: 1.1 Nguyên tắc phân nhỏ:  Nội dung: - Chia các đối tượng thành các phần độc lập - Làm đối tượng trở nên tháo lắp được - Tăng mức độ phân nhỏ của đối tượng  Ứng dụng: - Các loại chuyển động,... từ ứng sang ngồi, từ ngồi sang ứng, trạng thái nằm , đạp xe, chạy bộ  Dựa trên nguyên tắc kết hợp: xây dựng thuật toán và ứng dụng xây dựng bản đồ cục bộ bằng sợ kết hợp giữa cái cảm biến và kết hợp giữa các quá trình sử dụng KẾT LUẬN Sáng tạo là điều mà con người chúng ta cần thiết để tồn tại và phát triển qua các thời kì, từ việc sử dụng lửa, đến những chiếc bánh xe hính tròn Ngày nay, sáng tạo. .. Ngày nay, sáng tạo đóng vai trò qua trọng trong nguyên cứu khoa học, cụ thể là trong tin học Và tư duy sáng tạo trở thành đề tài mang lại sự quan tâm hàng đầu trong khoa học Một trong các đề tài được quan tâm nhất đó là các nguyên tắc sáng tạo mà em đã được thầy GS.TSKH Hoàng Kiếm giảng dạy trong chuyên đề này Vận dụng các nguyên tắc sáng tạo vào trong tư duy, vào trong thực nghiệm, giúp con người tránh... tổng hợp:  Nội dung: - Chuyển từ các vật liệu đồng nhất sang sử dụng các vật liệu hợp thành (composite) Sử dụng các loại vật liệu mới  Ứng dụng: - Vật liệu các cảm biển ngày nay được làm từ các vật liệu tổng hợp, tăng độ bền và giảm kích thước 2 Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo trong quá trình thực hiện: 2.1 Nguyên tắc phân nhỏ:  Nội dung: - Chia các đối tượng thành các phần độc lập - Làm đối tượng trở... quy trình của ứng dụng khác nhau, cho các thiết bị khác nhau 2.6 Nguyên tắc gây ứng xuất sơ bộ:  Nội dung: - Gây ứng suất trước đối với đối tượng để chống lại ứng suất không cho phép hoặc không mong muốn khi đối tượng làm việc (hoặc gây ứng suất trước để khi làm việc sẽ dùng ứng suất ngược lại)  Ứng dụng: - Trong quá trình xử lí và nhận diện tính hiệu, xử dụng các ngưỡng và thuật toán để "bắt" những... đối tượng phải ở trong những điều kiện thích hợp nhất đối với công việc  Ứng dụng: - Các cảm biến được xử lí và ứng dụng giá trị cảm biến ở một vị trí nhất định trong xử lí của ứng dụng 2.4 Nguyên tắc kết hợp:  Nội dung: - Kết hợp các đối tượng đồng nhất hoặc các đối tượng dành cho các đối tượng kế cận - Kết hợp về mặt thời gian các hoạt động đồng nhất hoặc kế cận  Ứng dụng: - Các cảm biến hay giá... những quá trình, sử dụng các chất phụ gia màu, huỳnh quang - Nếu các chất phụ gia đó đã được sử dụng, dùng các nguyên tử đánh dấu - Sử dụng các hình vẽ, ký hiệu thích hợp  Ứng dụng: - Các giá trị tín hiểu cảm biến ở mỗi giai đoạn xử lí được thể hiện ở một màu khác nhau Mục đích là dễ dàng kiểm soát cũng như qua sát giá trị cảm biến ở mỗi giai đoạn Chƣơng III: ỨNG DỤNG NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO ĐƢA RA NHỮNG... một bước chân Hình 13 Bƣớc đi S từ dãy tín hiệu T - Tín hiệu thứ 1: tín hiệu T - Tín hiệu thứ 2: tín hiệu S  Kết quả tín hiệu S Từ tín hiệu S, số giá trị S = 1 chính là là số bước chân nhận diện được 2.4 Kết quả đạt đƣợc Nhóm tiến hành thu thập dữ liệu số bước đi với 2 kiểu cầm tay và bỏ túi áo Dữ liệu tính được thu thập từ việc cho người sử dụng ứng dụng PathTracker và 5 ứng dụng đếm số bước chân. .. và năng cao hiệu quả tư duy Ai cũng có sự sáng tạo, và nếu chúng ta thấy mình "chưa" sáng tạo, thì mình có thể học Theo nghiên cứu thì đến thiên tài cũng mới sử dụng chưa tới 15% hiệu suất não Vì vậy luyện tập tư duy sáng tạo là điều cần thiết cho bất cứ ai Chúng ta có thể luyện tập theo nhiều cách Trong đó, vận dụng các nguyên tắc sáng tạo là một trong những cách luyện tập hiểu quả Do đó, việc được . trong phần nhận biết bước đi khi người dùng đi bộ là 99,5%. Ở đề tài Xây dựng thuật toán tính số bước chân trên iPhone , em thực hiện xây dựng thuật toán tính số bước chân dựa vào bộ lọc Kalman NHIÊN  PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC ỨNG DỤNG CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRONG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TÍNH SỐ BƢỚC CHÂN TRÊN iPHONE. GVHD : GS. TSKH. HOÀNG KIẾM Học. 2.2.2 Footstep Chƣơng II: ỨNG DỤNG NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRÊN SỰ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN VÀ TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN 1. Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo trên sự phát triển của cảm biến: 1.1 Nguyên tắc phân nhỏ: