Phương pháp nghiên cứu khoa học Giải quyết ỨNG DỤNG CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRONG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TÍNH SỐ BƯỚC CHÂN TRÊN iPHONE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PH Ố HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 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 VĂN KIẾM Học viên: Vũ Thế Nhân – CH1301030 TPHCM, tháng năm 2014 MỤC LỤC Chương 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 2.3 Phương pháp tính số bước chân từ tín hiệu gia tốc kế 2.4 Kết đạt 12 Chương II: ỨNG DỤNG NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRÊN SỰ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN VÀ TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN 15 Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo phát triển cảm biến: 15 1.1 Nguyên tắc phân nhỏ: 15 1.2 Nguyên tắc phẩm chất cục bộ: 15 1.3 Nguyên tắc kết hợp: 16 1.4 Nguyên tắc vạn năng: 16 1.5 Nguyên tắc động: 16 1.6 Nguyên tắc rẽ thay cho đắt: 17 1.7 Nguyên tắc thay sơ đồ học: 17 1.8 Nguyên tắc sử dụng vật liệu tổng hợp: 18 Ứng dụng nguyên tắc sáng tạo trình thực hiện: 18 2.1 Nguyên tắc phân nhỏ: 18 2.2 Nguyên tắc “tách khỏi”: 18 2.3 Nguyên tắc phẩm chất cục bộ: 19 2.4 Nguyên tắc kết hợp: 19 2.5 Nguyên tắc vạn năng: 19 2.6 Nguyên tắc gây ứng xuất sơ bộ: 20 2.7 Nguyên tắc thực sơ bộ: 20 2.8 Nguyên tắc động: 20 2.9 Nguyên tắc sử dụng trung gian: 21 2.10 Nguyên tắc đổi màu: 21 Chương III: ỨNG DỤNG NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO 22 Vũ Thế Nhân – CH1301030 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 1|Tr a ng Vũ Thế Nhân – CH1301030 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 2|Tr a ng Vũ Thế Nhân – CH1301030 1.3 Một số loại cảm biến smartphone - Proximity Sensor: cảm biến gần - Accelerometer: gia tốc kế - 1.4 Ambient Light Sensor (ALS): cảm biến ánh sáng Magnetometer: cảm biến từ trường Gyroscope : cảm biến quay hồi chuyển 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 3|Tr a ng Vũ Thế Nhân – CH1301030 trò chơi, tiện ích mà điện thoại điều khiển cách nghiêng điện thoại qua lại 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 tốn 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 4|Tr a ng Vũ Thế Nhân – CH1301030 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 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 mô 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: 5|Tr a ng Vũ Thế Nhân – CH1301030 Hình Mơ hình xử lí lọc Kalman rời rạc Trong đó: - P: ma trận sai số hệ thống x- :giá trị ước đốn từ mơ hình hệ thống x: giá trị tính tốn Bộ lọc Kalman rời rạc gồm phần: - Time Update: dựa vào mơ hình trạng thái thiết lập giá trị x tiền nghiệm tính tính tốn giá trị ước đoán x Và điều chỉnh giá trị sai số P Measurement Update: tính tốn giá trị thật x dựa vào giá trị ước đoán, giá trị đo sai số ước lượng Ta mơ hình Kalman rời rạc cách tổng quát sau: 6|Tr a ng Vũ Thế Nhân – CH1301030 Giá trị đo Mơ hình hệ thống Ước đốn giá trị x Tính tốn giá trị x Ước đốn sai số Tính tốn sai số Hình Mơ hình tổng quát lọc Kalman rời rạc Thứ tự thực từ đến lặp lại 2.2 Xử lý tín hiệu từ gia tốc kế 2.2.1 Phƣơng pháp lọc nhiễu ứng dụng lọc Kalman rời rạc Như nêu trên, để sử dụng lọc Kalman rời rạc, ta cần mơ hình hóa hệ thống theo hai phương trình ngẫu nhiên tuyến tính lọc Kalman rời rạc: (1) với A=1, u=0 xk = xk-1 + wk-1 , w ~ (0, Q) Kết đo bao gồm giá trị tín hiệu thật thêm vào lượng nhiễu nên H =1 mô tả theo phương trình: (2) với H=1 zk = xk + vk ,v ~ (0,R) 7|Tr a ng Vũ Thế Nhân – CH1301030 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 |