Qua so sánh các tiêu chí như: độ chính xác, ph m vi hoạ ạt động, chi phí, độ ph c tứ ạp và môi trường, công ngh Laser ệrange finder có độ ph c t p th p, chi phí rứ ạ ấ ẻ, độ chính xác ch
CƠ SỞ LÝ THUY ẾT XÁC ĐỊ NH V Ị TRÍ
Công ngh ệ xác đị nh v 3 ị trí
In recent years, various technologies have been proposed for indoor positioning systems The current popular technologies include Vion, infrared, ultrasound, Wireless Local Area Network (WLAN), RFID, Bluetooth, sonar, and laser range finders.
Phương pháp này dựa trên vi c x ệ ử lý và đánh giá dữ ệ li u video C th thì vi c ụ ể ệ định v d a vào video có th ị ự ể được th c hi n b ng hai cách khác nhau: ự ệ ằ
Hệ thống camera cố định là các camera được lắp đặt tại những vị trí cố định trong môi trường, nhằm mục đích xác định và theo dõi các đối tượng di động như cá nhân, động vật hoặc vật thể Đặc điểm quan trọng nhất của các đối tượng này sẽ được xác định khi chúng xuất hiện trong khung hình của camera Vị trí của camera sẽ được tính toán dựa trên vị trí cụ thể của các đối tượng liên quan Đồng thời, vị trí của đối tượng cũng sẽ được xác định dựa vào vị trí của nó trong không gian và các đặc trưng của nó.
Hệ thống camera di động là thiết bị được trang bị camera để xác định vị trí của đối tượng di động Quá trình xác định vị trí có thể thực hiện bằng cách đặt các điểm mốc tại những vị trí đã biết trước hoặc bằng cách trích xuất các đặc trưng của môi trường xung quanh Nếu camera phát hiện hai hoặc nhiều điểm mốc, nó có thể nhận ra vị trí và hướng của mình Trong trường hợp khác, quá trình xác định vị trí diễn ra qua hai giai đoạn: giai đoạn off-line, nơi các đặc trưng môi trường được chụp tại các vị trí xác định trước và lưu trữ, và giai đoạn on-line, khi camera chụp ảnh, trích xuất đặc trưng và so sánh với dữ liệu đã lưu để đánh giá vị trí Mục tiêu cuối cùng của cả hai trường hợp là xác định vị trí và hướng của camera di động.
Ngày nay, độ chính xác c a các h thủ ệ ống định v trong nhà bị ằng camera đạ ớt t i
Công nghệ hiện đại cho phép đo đạc với độ chính xác cao từ 10^-3 m đến 10^-1 m, đồng thời nâng cao tốc độ truy cập dữ liệu và khả năng tính toán Sự phát triển của thuật toán xử lý nhanh chóng và hiệu quả đã làm cho công nghệ này trở nên cực kỳ hiệu quả và đáng tin cậy.
Một nhược điểm của công nghệ này là chi phí bảo trì khá cao Tuy nhiên, nhờ vào các công nghệ mới, các giải pháp chi phí thấp đang ngày càng phát triển Xu hướng hiện nay đang hướng đến việc sử dụng hệ thống định vị kết hợp với camera của điện thoại di động.
Sóng hồng ngoại (Infrared radiation - IR) là một trong những công nghệ phổ biến và ổn định nhất trong các hệ thống không dây Công nghệ này được sử dụng để xác định vị trí của đồ vật hoặc con người thông qua các bức thu phát sóng hồng ngoại.
Hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ hồng ngoại (IR) hoạt động như sau: Người dùng mang theo một túi xách chứa mã định danh (ID), phát ra các tín hiệu IR theo chu kỳ đều đặn Các bộ cảm biến tín hiệu được đặt tại các vị trí cố định trong môi trường xung quanh Khi ID được xác định, hệ thống sẽ tính toán vị trí của túi xách dựa vào khoảng cách giữa bộ phát tín hiệu và bộ thu tín hiệu.
Wireless Local Area Network (WLAN) có th ể được s dử ụng để tính toán v trí ị c a thi t b ủ ế ị di động trong mạng Để tăng nhu cầu giao ti p không dây nên ế trang
Wi-Fi là một giải pháp lý tưởng cho việc kết nối mạng không dây trong các môi trường trong nhà, nhờ vào tính hiệu quả và chi phí hợp lý Một trong những ưu điểm nổi bật của công nghệ WLAN là khả năng kết nối dễ dàng với hầu hết các thiết bị có hỗ trợ Wi-Fi mà không cần phải cài đặt thêm phần mềm hay phần cứng nào Hơn nữa, việc sử dụng WLAN không yêu cầu phải có đường truyền thẳng (LoS), giúp tăng tính linh hoạt trong việc lắp đặt và sử dụng mạng.
Trong mạng WLAN, một node thu/phát tín hiệu RF từ hoặc đến một router không dây, router này giúp xác định chính xác vị trí của bất kỳ thiết bị Wi-Fi nào đã được kích hoạt Phương pháp WLAN RSS có thể sử dụng ba cách cơ bản để xác định vị trí của thiết bị mục tiêu.
Phương pháp Cell of Origin (CoO): hoạt động d a vào vi c bi t v trí c a ự ệ ế ị ủ access point (AP), nơi mà các thiế ị đượt b c kế ố ớt n i t i
Phương pháp Triangulation là kỹ thuật xác định vị trí của thiết bị bằng cách sử dụng lưới tam giác để tính toán Các thông tin về cường độ tín hiệu được thu thập từ nhiều vị trí khác nhau, giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định mục tiêu.
Phương pháp Fingerprint là kỹ thuật định vị trong nhà hiệu quả, sử dụng RSS để xây dựng bản đồ cường độ tín hiệu từ các router cố định Quá trình này được chia thành hai giai đoạn: offline và online Trong giai đoạn offline, RSS được thu thập tại các vị trí mẫu để tạo ra bản đồ radio cho môi trường cụ thể Giai đoạn online cho phép xác định vị trí của client bằng cách so sánh RSS đo được với các giá trị đã lưu trữ Độ chính xác của công nghệ Wi-Fi dao động từ 20m đến 40m, nhưng có thể cải thiện bằng cách lắp đặt thêm nhiều router không dây hoặc tích hợp các công nghệ khác, với kết quả gần đây cho thấy độ chính xác có thể đạt khoảng 3-5m.
Ngoài ra, vấn đề tiêu thụ năng lượng trong công nghệ WLAN là một thách thức quan trọng Các thiết bị di động thường có kích thước nhỏ gọn và hạn chế về khả năng lưu trữ năng lượng, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của chúng.
Một vấn đề khó khăn là làm sao để giảm thiểu điện năng tiêu thụ trong quá trình định vị Một giải pháp hiệu quả cho WLAN là sử dụng tín hiệu bị ảnh hưởng bởi môi trường tĩnh như tường, sự di chuyển của đồ đạc và các cánh cửa.
Công nghệ RFID sử dụng thiết bị đọc RFID được trang bị nhiều ăng-ten đọc và các thẻ phát tín hiệu active hoặc passive Thẻ RFID active có pin và có khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách xa, trong khi thẻ passive không có pin và cần nguồn phát ngoài để truyền tín hiệu Dữ liệu trong thẻ thường chứa một chuỗi số duy nhất, nhưng cũng có thể bao gồm thông tin bổ sung như vị trí Lượng dữ liệu có thể lưu trữ phụ thuộc vào kích thước của thẻ Những đặc trưng này khiến công nghệ RFID trở thành ứng viên lý tưởng cho việc truy xuất nguồn gốc các sản phẩm trong chuỗi cung ứng, đồng thời cũng được sử dụng cho nhiều mục đích khác, bao gồm việc xác định vị trí trong nhà.
Phương pháp xác đị nh v 10 ị trí
Hệ thống robot di động có những đặc điểm nổi bật, trong đó quan trọng nhất là khả năng hoạt động trong môi trường không xác định trước Khác với các hệ thống robot cố định, nơi không gian làm việc được thiết kế sẵn và robot thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại, robot di động cần nhận biết và thích ứng với môi trường xung quanh Việc xác định vị trí của robot là rất quan trọng, bao gồm việc tìm ra ngữ cảnh (bao gồm vị trí và định hướng) của robot trong môi trường của nó Điều này có thể thực hiện thông qua việc xác định vị trí trong một bản đồ đã được cung cấp hoặc tìm vị trí tương đối sau khi di chuyển so với vị trí ban đầu khi không có bản đồ.
Có nhi u nghiên c u trên th gi i v i các thu t giề ứ ế ớ ớ ậ ải và phương pháp khác nhau để xác định v trí cị ủa robot trong đó 04 nhóm giải pháp chính:
2.2.1 Phương pháp ẫd n đường dự đoán dead-reckoning
Dead-reckoning là phương pháp dẫn đường phổ biến cho robot di động, nhờ vào độ chính xác cao trong thời gian ngắn, chi phí thấp và tốc độ nhanh Tuy nhiên, phương pháp này dựa vào việc tích lũy thông tin về gia tốc chuyển động theo thời gian, dẫn đến sự tích lũy sai số Sai số này có thể gia tăng theo hướng di chuyển, gây ra sai lệch về vị trí của robot, đặc biệt khi khoảng cách di chuyển lớn.
Phương pháp dead-reckoning sử dụng một phương trình đơn giản để chuyển đổi dữ liệu từ cảm biến mã hóa vòng quay bánh xe thành vị trí tương ứng của robot Nguyên tắc này chỉ đúng trong một khoảng thời gian nhất định Tuy nhiên, có nhiều yếu tố có thể dẫn đến sai số trong việc chuyển đổi dữ liệu từ vòng quay bánh xe sang chuyển động tuyến tính Các nguồn sai số này được chia thành hai nhóm: sai số hệ thống và sai số không hệ thống Để giảm thiểu sai số trong dead-reckoning, cần nâng cao độ chính xác động học và tối ưu kích thước thiết bị.
2.2.2 H ệthống dẫn đường c t mộ ốc chủ độ ng
Hệ thống dẫn đường cung cấp thông tin vị trí rất chính xác trong quá trình xử lý dữ liệu Mặc dù hệ thống cho phép tốc độ lấy mẫu và độ tin cậy cao, nhưng đi kèm với nó là chi phí cao trong việc thiết lập và duy trì Hệ thống dẫn đường được đặt tại các vị trí chính xác sẽ cho phép xác định tọa độ một cách chính xác.
Phương pháp đo trong hệ thống c t m c ch ộ ố ủ động bao gồm phép đo 3 cạnh tam giác hoặc phép đo 3 góc tam giác để xác định vị trí của vật thể dựa trên các tọa độ đã biết Hệ thống này thường sử dụng ít nhất 3 trạm phát đặt tại các vị trí cố định ngoài môi trường và 1 trạm nhận trên robot, hoặc ngược lại Thông tin về thời gian truyền của chùm tia cho phép hệ thống tính toán khoảng cách và góc giữa các trạm phát và trạm nhận trên robot, từ đó xác định chính xác vị trí của robot trong không gian.
Hình 2.2.1 nh v s d ng cĐị ị ử ụ ột mốc
2.2.3 H ệthống dẫn đường c t m th ng ộ ốc ụ độ
Tương tự như phần trước, đây là vật mốc nhân tạo và tự nhiên đã xuất hiện trên bản đồ Sử dụng các công nghệ nhận diện để đánh dấu đây là các cột mốc quan trọng.
2.2.4 Định vị ử ụ s d ng bản đồ ụ c c bộ
Robot sử dụng cảm biến để tạo bản đồ cục bộ môi trường xung quanh Qua việc theo dõi sự thay đổi của bản đồ theo thời gian do sự di chuyển của robot, ta có thể xác định vị trí thực tế của nó Nhiều thuật toán được áp dụng để xác định vị trí robot dựa trên bản đồ cục bộ, trong đó thuật toán quét và so khớp (Scan Matching) là một trong những thuật toán cơ bản và phổ biến nhất.
Hình 2.2.2 Bản đồ Phòng nghiên c u Intel vứ ới dữ u c m bi n thô (bên trái) và liệ ả ế sau khi Scan Matching d ữliệu đó (bên phải) [8]
Thu ậ t toán Scan Matching
Robot đang hoạt động trong một môi trường có ba điểm mốc A, B, C Tại thời điểm t=0, chúng ta đo được khoảng cách từ robot đến từng điểm mốc A, B, C và ghi nhận tọa độ tương ứng của robot.
Hình 2.3.1 Minh họa kho ng cách t ả ừ robot đến các điểm m c trên h tố ệ ọa độ
Tại thời điểm t=1, robot di chuyển vào một khoảng không gian chưa rõ, khiến khoảng cách từ robot đến các điểm đánh dấu bị thay đổi Để khắc phục vấn đề này, chúng ta cần tìm một phép biến đổi R sao cho biến đổi hai tập hợp điểm là gần nhất với nhau.
Hình 2.3.2 Minh họa phép biến đổi giữa 2 l n di chuy n c a robot so vầ ể ủ ới các điểm m c trên h tố ệ ọa độ
Khi biết chính xác các điểm mốc A, B, C, việc tìm R trở nên đơn giản Tuy nhiên, chúng ta thường gặp khó khăn trong việc thực hiện các phép đo chính xác cho các điểm mốc này hoặc xác định đặc điểm chính xác của chúng.
Có nhiều hướng tiếp cận đối với thuật toán Quét và So khớp, tuy nhiên, hai hướng chính để tìm ra số khớp tương ứng sẽ được giới thiệu dưới đây.
2.3.1 Thuật toán Iterative Dual Correspondence IDC
Thuật toán IDC sử dụng phép biến đổi R s bao gồm phép dịch chuyển và phép xoay Thuật toán này áp dụng hai quy tắc chính để xác định số khớp giữa các điểm, bao gồm điểm gần nhất và số khớp trong phạm vi điểm.
- Quy tắc điểm gần nh t: ấ
So khớp hai điểm mà chúng là g n nh t ầ ấ
S dử ụng đặc trưng tiêu biểu theo phép d ch chuy n mà không s ị ể T ử d ng phép xoay ụ w
- Quy t c so kh p phắ ớ ạm vi điểm:
So kh p ớ các điểm có cùng kho ng cách (ph m vi) t ả ạ ừ các v ị trí tương ứng c a chúng và n m trong mủ ằ ột vòng quay được xác định trước c a nhau ủ
S dử ụng đặc trưng tiêu biểu theo phép xoay w mà không s d ng ử ụ phép d ch chuy n T ị ể (nội suy tuy n tính) ế
Giả ử s các v ị trí ban đầu g n nhau ( T ầ là không đáng kể)
Dựa trên 2 quy tắc trên, thu t toán IDC tìm phép d ch chuy n T và phép xoay w: ậ ị ể
1 Tìm v trí g n nh t Pị ầ ấ cp b ng quy tằ ắc điểm g n nh t d a trên d u Scan ầ ấ ự ữ liệ trước Sref và Scan hi n tệ ại Snew
2 Tìm v trí Pị mrp b ng quy t c so kh p phằ ắ ớ ạm vi điểm d a trên d u Sự ữliệ ref và
3 Tìm phép biến đổi (w cp , T cp ) t v ừ ịtrí P cp và (w mrp , T mrp ) t v ừ ịtrí P mrp b i tở ối thiể ỗu l i (gi i pháp hình vuông nh nh ả ỏ ất)
4 Chọn phép biến đổi (w mrp, T cp ) và tính sai s ố
5 L p lặ ại các bước từ 1 đến 4 cho đến khi sai s ố