Nghiên cứu cải biên thuật toán định vị quán tính để ước lượng chuyển động trong chăm sóc sức khỏe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TĨM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU CẢI BIÊN THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH ĐỂ ƯỚC LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE Mã số: B2018-DNA-07 (KYTH-45) Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Đà Nẵng, 04/2020 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI ThS Phạm Duy Dưởng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, ĐH Đà Nẵng TS Nguyễn Anh Duy Trường Đại học Đông Á TS Trương Thị Bích Thanh Trường Đại học Bách khoa, ĐH Đà Nẵng TS Ngơ Đình Thanh Trường Đại học Bách khoa, ĐH Đà Nẵng ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Cơng ty TNHH Văn Thanh MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN QUÁN TÍNH 18 1.1 Giới thiệu cảm biến quán tính 18 1.2 Cảm biến quán tính Mti-1 hãng Xsens 18 Chương 2: THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN 19 2.1 Các phương trình định vị qn tính 19 2.2 Thuật toán định vị quán tính 20 2.3 Bộ lọc Kalman cho định vị quán tính 21 2.3.1 Xây dựng mơ hình lọc Kalman cho định vị quán tính 21 2.3.2 Phương trình cập nhật cho lọc Kalman 22 Chương 3: CẢI BIÊN THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH CHO WALKER 22 3.1 Thiết kế phần cứng cho hệ thống 22 3.2 Thuật toán phát phân loại chuyển động cho walker 23 3.2.1 Định nghĩa chuyển động khung tâp 23 3.2.2 Thuật toán phát chuyển động 23 3.2.3 Thuật toán phân loại chuyển động 24 3.3 Ước lượng quỹ đạo chuyển động khung tập 25 3.3.1 Xây dựng phương trình cập nhật quaternion dựa vào phương đứng khung tâp 25 3.3.2 Xây dựng phương trình cập nhật quaternion sử dụng góc quay quanh trục đứng 26 3.3.3 Xây dựng phương trình cập nhật vị trí sử dụng thơng tin từ encoder 27 Chương 4: TRÍCH XUẤT THƠNG SỐ BƯỚC ĐI VÀ ỨNG DỤNG 28 4.1 Trích xuất thông số bước 28 Chương 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA THUẬT TOÁN 29 5.1 Mơ tả thí nghiệm 29 5.2 Đánh giá thuật toán ước lượng chuyển động sử dụng kết hợp chuyển động cảm biến quán tính encoder ước lượng 30 5.3 Đánh giá thuật toán ước lượng chuyển động cách sử dụng thông tin encoder để cập nhật cho lọc Kalman 31 5.4 Phân tích đánh giá ảnh hưởng phương trình cập nhật sử dụng thông tin từ encoder 33 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 5.1 Kết người dùng khung tâp đi thẳng 20 m 31 Bảng 5.2 Độ xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động đẩy liên tục 31 Bảng 5.3 Độ xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động đẩy bước 32 Bảng 5.4 Độ xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động nhấc chân sau khung tập 32 Bảng 5.5 Độ xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động nhấc hoàn toàn khung tập 33 Bảng 5.6 Sai số ước lượng (m) cho 20 m đẩy liên tục 33 Bảng 5.7 Sai số ước lượng (m) cho 20 m đẩy bước 33 Bảng 5.8 Sai số ước lượng (m) cho 20 m nhấc hoàn toàn 34 Bảng 5.9 Sai số ước lượng (m) cho 20 m nhấc chân sau 35 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 3.1 Tổng quan hệ thống đề xuất 22 Hình 4.1 Thơng số bước q trình đẩy khung tập 20 m 28 Hình 4.2 Độ cao tư khung tập trình sử dụng 29 Hình 5.1 Hệ thống khung tập dùng thử nghiệm 29 Hình 5.2 Kết việc phát phân loại chuyển động 30 DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT IMU ICS BCS WCS INA GPS LPS RMSE Inertial Measurement Unit - Cảm biến quán tính Inertial Coordinate System – Hệ tục tọa độ IMU Body Coordinate System – Hệ tọa độ đối tượng World Coordinate System – Hệ tọa độ giới Inertial Navigation Algorithm – Thuật tốn định vị qn tính Global Posistioning System – Định vị toàn cầu Local Posistioning System – Định vị cục Root Mean Square Error – Căn trung bình bình phương sai số BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CẢI BIÊN THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QN TÍNH ĐỂ ƯỚC LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG TRONG CHĂM SĨC SỨC KHỎE - Mã số: B2018-DNA-07 (KYTH-45) - Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đoàn Quang Vinh - Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 2018 - 2019 Mục tiêu: - Xây dựng thuật tốn định vị qn tính cải biên nhằm nâng cao độ xác ước lượng đại lượng chuyển động - Thiết kế chế tạo phần cứng phục vụ kiểm chứng thuật toán hỗ trợ trình phục hồi chức người bệnh Tính sáng tạo: - Đề xuất cải biên thuật tốn định vị qn tính nhằm nâng cao độ xác việc ước lượng thơng số chuyển động - Thiết kế chế tạo sản phẩm phần cứng để kiểm chứng thuật toán Kết nghiên cứu: - Thuật tốn định vị qn tính cải biên nhằm nâng cao độ xác ước lượng đại lượng chuyển động - Chương trình xây dựng phần mềm Matlab để xử lý liệu thu từ thiết bị ước lượng (dựa thuật tốn định vị qn tính cải biên) thơng số bước phục vụ y tế - Xây dựng phần cứng để kiểm chứng thuật toán Cụ thể 01 walker có bánh trước, gắn cảm biến quán tính Mỗi bánh walker gắn encoder Một nút Start/stop gắn tay cầm để thuận lợi cho người dùng để bắt đầu/kết thúc việc lấy liệu trình tập luyện kiểm tra sức khỏe Sản phẩm: 5.1 Sản phẩm khoa học: Sản phẩm khoa học: - 01 báo tạp chí khoa học quốc tế chuyên ngành danh mục Scopus: Inertial navigation algorithm for trajectory of front-wheel walker estimation Authors: Quang Vinh Doan, Duy Duong Pham Heliyon No: 5(6) Pages: 1-7 Year 2019 - 02 Bài báo khoa học đăng tạp chí khoa học chuyên ngành nước (Trong danh mục Hội đồng chức danh Giáo sư Nhà nước): Xây dựng lọc Kalman mở rộng cho thuật tốn định vị qn tính Tác giả: Phạm Duy Dưởng Đoàn Quang Vinh Tạp chí KHCN-Đại học Đà Nẵng Số: TẠP CHÍ SỐ 9(19) Trang: 45-50 Năm 2019 Xây dựng thuật toán định vị quán tính để ước lượng chuyển động cho khung tập có hai bánh trước, Tác giả: Phạm Duy Dưởng, Đồn Quang Vinh Phan Thị Hồi Tạp chí KHCN-Đại học Đà Nẵng Số: TẠP CHÍ SỐ 10(17) Trang: 24-29 Năm 2019 5.2 Sản phẩm đào tạo: - Đào tạo 01 thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa: Thạc sĩ Phạm Khắc Trung - Hỗ trợ đào tạo 01 NCS chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa: Nghiên cứu sinh Phạm Duy Dưởng 5.3 Sản phẩm ứng dụng - 01 walker có bánh trước, gắn cảm biến quán tính Mỗi bánh walker gắn encoder Một nút Start/stop gắn tay cầm để thuận lợi cho người dùng để bắt đầu/kết thúc việc lấy liệu q trình kiểm tra thơng số bước - Thuật tốn định vị qn tính cải biên nhằm nâng cao độ xác ước lượng đại lượng chuyển động Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: 6.1 Phương thức chuyển giao: Công ty TNHH Văn Thanh đơn vị chịu trách nhiệm thử nghiệm sản phẩm đề tài Sau đề tài nghiệm thu, hai bên tiến hành thương thảo hợp đồng hợp tác sản xuất thử điều khoản quyền sản phẩm đề tài 6.2 Địa ứng dụng: Công ty TNHH Văn Thanh Đây công ty chuyên sản xuất lắp đặt hệ thống, thiết bị kỹ thuật hỗ trợ y tế Ngồi sản phẩm sử dụng trung tâm phục hồi chức năng, bệnh viện, nhà riêng, phòng thí nghiệm [a ×] ∈ R3×3 ma trận đối xứng lệch tương ứng với vector a ∈ R3×1 Nhiễu wbg wba đại diện cho thay đổi nhỏ thành phần nhiễu chậm tương ứng 2.3.2 Phương trình cập nhật cho lọc Kalman Do thuật tốn định vị qn tính sử dụng nguyên lý tích phân nên sai số bị tích lũy theo thời gian, sai số tăng lên nhanh khơng có biện pháp để cập nhật Phương trình cập nhật tổng quát cho lọc Kalman có dạng 𝑧(𝑡) = 𝐻(𝑡)𝑥(𝑡) + 𝑣(𝑡) (2-10) Tùy vào đối tượng, đặc trưng chuyển động tình cụ thể mà ta xây dựng phương trình cập nhật phù hợp để nâng cao độ xác ước lượng chuyển động Trong có cập nhật như: cập nhật vận tốc lúc đứng yên (vận tốc không), cập nhật độ cao, cập nhật vận tốc, cập nhật vị trí, cập nhật phương hướng sử dụng cảm biến từ trường, cập nhật phương đứng sử dụng gia tốc trọng trường… Chương 3: CẢI BIÊN THUẬT TỐN ĐỊNH VỊ QN TÍNH CHO WALKER 3.1 Thiết kế phần cứng cho hệ thống Hệ thống đề xuất thể Hình 3.1 bao gồm 01 cảm biến qn tính (Mti-1, cơng ty Xsens) 02 encoder (loại 1024 xung/vòng) gắn vào khung tập Trong cảm biến qn tính gắn vị trí khung tập encoder gắn vào bánh đo độ dịch chuyển bánh khung tập Cảm biến quán tính bao gồm cảm biến gia tốc cảm biến vận tốc góc theo trục với tần số lấy mẫu 100 Hz Một mô đun thu thập liệu thiết kế để thu thập đồng liệu cảm biến quán tính encoder Trong Arduino Uno R3 sử dụng để đọc liệu từ cảm biến lưu vào thẻ nhớ Micro SD Hình 3.1 Tổng quan hệ thống đề xuất 22 3.2 Thuật toán phát phân loại chuyển động cho walker 3.2.1Định nghĩa chuyển động khung tâp  Hình 3.2 Định nghĩa chuyển động người dùng sử dụng khung tâp Theo hướng dẫn sử dụng khung tâp [4-6], chuyển động khung tâp chia thành loại bao gồm: chuyển động đẩy liên tục (lăn liên tục), chuyển động đẩy bước (lăn bước), chuyển động nhấc chân sau lên đẩy tới bước (nhấc chân sau), chuyển động nhấc hoàn toàn khung tâp lên đặt tới trước (nhấc hoàn toàn), chuyển động liên quan đến chuyển hướng (đổi hướng) Những chuyển động miêu tả cụ thể Hình 3.2 3.2.2 Thuật tốn phát chuyển động Về nguyên tắc encoder phát chuyển động chuyển động liên quan đến việc bánh khung tâp lăn mặt đất Cảm biến qn tính phát chuyển vật người dựa vào việc phát gia tốc tịnh tiến vận tốc góc quay theo hướng Việc xác định khoảng chuyển động 23 walker sử dụng encoder thực dựa nguyên tắc số xung encoder chu kỳ lấy mẫu đủ lớn thời gian phải đủ lớn công thức bên 𝑁𝑝 𝑁𝑝 ≤𝑖≤𝑘+ 2 (3-1) 𝑁𝑝 𝑁𝑝 |𝑝𝑝 | ≥ 𝐵𝑝 , 𝑘 − ≤𝑖≤𝑘+ 2 Các chuyển động liên quan đến việc nhấc khung tâp lên ảnh hưởng đến góc quay quanh phương 𝑦𝑏 BCS chuyển động liên quan đến đổi hướng vừa liên quan đến góc quay quanh phương 𝑦𝑏 𝑧𝑏 BCS Như vậy, để xác định khoảng chuyển động sử dụng cảm biến quán tính, ta xét tín hiệu cảm biến quán tính theo phương nêu để việc phát chuyển động xác hiệu Vận tốc góc quay theo phương 𝑦𝑏 thời điểm 𝑖 cảm biến quán tính tính sau |𝑝𝑡 | ≥ 𝐵𝑝 , 𝑘− 𝑦𝑔𝑦,𝑖 = 𝑦𝑔,𝑖 𝐶𝑏𝐼 [0 0]𝑇 (3-2) Vận tốc góc quay theo phương 𝑧𝑏 thời điểm 𝑖 cảm biến quán tính tính sau 𝑦𝑔𝑧,𝑖 = 𝑦𝑔,𝑖 𝐶𝑏𝐼 [0 1]𝑇 (3-3) Thời điểm 𝑘 xem thuộc khoảng thời gian chuyển động liên quan đến việc nhấc khung tâp lên điều kiện sau thỏa mãn 𝑁𝑦 𝑁𝑦 (3-4) ≤𝑖≤𝑘+ 2 Trong đó, 𝐵𝑦 ngưỡng vận tốc góc quay theo phương 𝑦𝑏 mà khung tâp bị nhấc lên, 𝑁𝑦 số nguyên đại cho khoảng thời gian đủ lớn để xem chuyển động ‖𝑦𝑔𝑦,𝑖 ‖ ≥ 𝐵𝑦 , 𝑘 − Tương tự, thời điểm 𝑘 xem thuộc khoảng thời gian chuyển động liên quan đến việc quay khung tâp lên điều kiện sau thỏa mãn 𝑁𝑧 𝑁𝑧 (3-5) ≤𝑖≤𝑘+ 2 Trong đó, 𝐵𝑧 ngưỡng vận tốc góc quay theo phương 𝑧𝑏 mà khung tâp bị nhấc lên, 𝑁𝑧 số nguyên đại cho khoảng thời gian đủ lớn để xem chuyển động Như vậy, khoảng chuyển động khung tâp tổng hợp khoảng chuyển động encoder cảm biến quán tính phát 3.2.3Thuật toán phân loại chuyển động Thuật toán phân loại chuyển động miêu tả Hình 3.2 ‖𝑦𝑔𝑧,𝑖 ‖ ≥ 𝐵𝑧 , 𝑘 − 24 Tìm khoảng chuyển động: - Sử dụng encoder (dùng (3-5)) - Quay quanh trục y (dùng (3-8)) - Quay quanh trục z (dùng (3-9)) Đ: Đúng S: Sai Đ Chuyển động sử dụng encoder Chuyển động quay quanh y Chuyển động quanh y S Đ T chuyển động > T bước (Tb) Đ S Lăn liên tục Lăn bước S 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 Hình 3.2 Lưu đồ thuật tốn phân loại chuyển động 3.3 Ước lượng quỹ đạo chuyển động khung tập Việc ước lượng quỹ đạo chuyển động khung tập thực hai cách Cách thứ ước lượng chuyển động khung tập sử dụng cảm biến quán tính cho tồn q trình chuyển động khung tập Lúc tín hiệu từ encoder sử dụng để xây dựng phương trình cập nhật quỹ đạo cho khung tập cho khoảng chuyển động liên quan đến việc đẩy khung tập mặt đất Mục 3.3.1, 3.3.2 3.3.3 Cách thứ hai kết hợp việc ước lượng chuyển động khung tập sử dụng cảm biến quán tính cho khoảng chuyển động liên quan đến việc nhấc khung tập lên việc ước lượng chuyển động khung tập sử dụng encoder cho khoảng chuyển động liên quan đến việc đẩy khung tâp đi mặt đất 3.3.1Xây dựng phương trình cập nhật quaternion dựa vào phương đứng khung tâp Trong trường hợp khung tâp đẩy mặt đất, trục zb khung tâp hướng lên trùng với phương zw Theo định nghĩa WCS, zw trùng với phương gia tốc trọng trường Gia tốc trọng trường gia tốc đo từ cảm biến quán tính thời điểm trước chuyển động Do ta có phương trình C  qi  zw   zw,1  I (3-6) Trong zw  0 1 trục zw xét WCS,  zw,1  I zw thời điểm đầu T trước chuyển động xét ICS 25 Triển khai phương trình ta có phương trình cập nhật quaternion khung tâp cho lọc Kalman sau ze1  H e1 x  ve1 (3-7) Với ze1   zw,1  I  C  qˆi  zw H e1   K  C  qˆi  zw  0312   R315 Nhiễu ve1  R3 đại diện cho việc trục zb khơng hồn tồn trùng với zw q trình di chuyển 3.3.2 Xây dựng phương trình cập nhật quaternion sử dụng góc quay quanh trục đứng Trong q trình khung tâp đẩy mặt đất, hồn tồn tính góc quay quanh trục đứng khung tâp Góc quay sử dụng để dẫn phương trình cập nhật cho lọc Kalman Việc tính góc thể hình bên (3-8) Bánh phải Bánh trái Hình 3.3 Chuyển động quay khung tâp Ma trận quay quanh trục zb từ BCS i  sang BCS i tính sau cos  i  sin  i  b ,i Cb ,i 1   sin  i cos  i  (3-9)  0  Lúc này, vector tịnh tiến chuyển BCS thời điểm i  sang BCS thời điểm i xét hệ tọa độ BCS thời điểm i   E p ,i  Et ,i  Tbb,i,i   Cbb,,ii1  0 (3-10) b ,i 1   Vector tịnh tiến xét hệ tọa độ WCS xác định sau  E p ,i  Et ,i  Tbb,i,i  Cbw,i 1Cbb,,ii1  0 (3-11)   26 Thay Cbw,i 1  CT  qˆi 1  CbI vào phương trình (3-11) ta có  E p ,i  Et ,i Tbb,i,i  C T  qˆi 1  CbI Cbb,,ii1    0  (3-12) Như vị trí khung tâp (tâm BCS) thời điểm i xét WCS tính thơng qua vị trí khung tâp thời điểm i  sau rb,i  rb,i 1  Tbb,i,i (3-13) Chúng ta tính vị trí khung tâp thơng qua vị trí cảm biến quán tính ngược lại sau rb ,i  ri  Cbw,i TbI  b (3-14) ri  rb ,i  C T  b w b ,i I b   Chúng ta thấy trục xb BCS thời điểm i CIbC  qi  1 0 phép quay quanh trục zb góc  i trục xb BCS thời điểm i (  VP  Cbb,,ii1 CIbC  qˆi 1  1 0 T T T T ) Triển khai tính chất ta phương trình cập nhật quaternion cho lọc Kalman sử dụng góc quay quanh trục zb sau ze  H e x  ve (3-15) Với ze  VP  CIbC  qˆi  1 0 T  T H e   2C T  qˆi  K CIb  1 0  T T  0312   R315  Nhiễu ve  R3 đại diện cho việc tính tốn góc quay  i quanh trục zb khơng hồn tồn xác 3.3.3Xây dựng phương trình cập nhật vị trí sử dụng thơng tin từ encoder Trong phần chúng tơi trình bày việc xây dựng phương trình cập nhật vị trí cho lọc Kalman sử dụng thơng tin từ encoder Từ phương trình (3-14) ta có T ri  rb,i  Cbw,i 1 Cbb,,ii1  TbI  b (3-16) Triển khai phương trình (3-16) ta có phương trình cập nhật vị trí cho lọc Kalman sử dụng thông tin từ encoder sau ze3  H e3 x  ve3 (3-17) Với ze3  ri  rˆi H e3  039 I3 033   R315 Trong đó, nhiễu ve3  R3 đại diện cho sai số xác định vị trí encoder Từ phương trình cập nhật Mục 3.3.1, 3.3.2 3.3.3 ta có phương trình cập nhật tổng quát sau 27  ze1   H e1   ve1   z    H  x  v   e2   e2   e2   ze3   H e3   ve3  (3-18) Chương 4: TRÍCH XUẤT THƠNG SỐ BƯỚC ĐI VÀ ỨNG DỤNG 4.1 Trích xuất thơng số bước Phương pháp xác định thông số bước người dùng dưa quỹ đạo chuyển động khung tập theo thời gian Nguyên tắc phân biệt bước riêng lẽ quỹ dựa điểm có vận tốc (thiết bị dừng chuyển động) Tuy nhiên trường hợp khung tâp có bánh trước xuất tình thiết bị đẩy liên tục mặt đất Do việc xác định thông số bước xây dựng trường hợp tổng quát cho tình thiết bị đặt khung tâp có bánh trước Chuyển động khung tâp phản ánh chuyển động người dùng Một ước lượng quỹ đạo chuyển động khung tâp (𝑟𝑖 ) thơng số liên quan đến bước người dùng cách đi, độ dài bước, thời gian bước, tốc độ bước, tổng quãng đường được…có thể dễ dàng xác định Những thông số hữu dụng việc đánh giá tình trạng sức khỏe tiến trình hồi phục người Thực chất, thơng số bước dễ dàng xác định phát thời điểm bước bàn chân Trong trường hợp chuyển động đẩy bước, chân sau lên hồn tồn khung tâp việc xác định bước riêng lẻ dễ dàng Chúng ta dễ dàng thấy bước cách “điểm dừng” Hình 4.2 thể thơng số bước trích xuất q trình đẩy khung tập liên tục dọc theo hành lan dài 20 m Thông số bước thể gồm tốc độ bước (hình dưới) độ dài bước (hình trên) Ngồi thơng số bước đơn giản, truy xuất quỹ đạo chuyển động tư khung tập trình sử dụng Hình 4.3 Điều hữu ích cho bác sĩ chuyên gia đánh giá khả lại tình trạng sức khỏe người dùng Hình 4.1 Thơng số bước q trình đẩy khung tập 20 m 28 Hình 4.2 Độ cao tư khung tập trình sử dụng Chương 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA THUẬT TỐN 5.1 Mơ tả thí nghiệm Hệ thống khung tâp thực nghiệm để kiểm chứng độ xác cho thuật tốn đề xuất thể Hình 5.1 Trong chúng tơi sử dụng cảm biến quán tính hãng Xsens (Mti-1) encoder có độ phân giải 1024 xung/vòng Mơ đun IMU Mô đun SD Card Mô đun Bluetooth Encoder Bánh xe Hình 5.1 Hệ thống khung tập dùng thử nghiệm 29 Một thí nghiệm tiến hành với người dùng có khả lại bình thường sử dụng khung tâp đi dọc hành lang dài 20 m Những người dùng hướng dẫn cách sử dụng khung tâp theo cách người già, người gặp vấn đề lại Trong lượt đi, người dùng sử dụng cách lăn liên tục cho m đầu tiên, lăn bước cho m sau m theo kiểu nhấc chân sau cuối m với cách nhấc hoàn toàn khung tâp Kết phát phân loại chuyển động theo thời gian thể Hình 5.2 Hình 5.2 Kết việc phát phân loại chuyển động 5.2 Đánh giá thuật toán ước lượng chuyển động sử dụng kết hợp chuyển động cảm biến quán tính encoder ước lượng Để kiểm chứng độ xác mặt định lượng chúng tơi tiến hành ước lượng khoảng cách di chuyển người dùng Trong trường hợp chuyển động lăn chúng tơi sử dụng encoder để ước lượng quỹ đạo chuyển động Trong trường hợp chuyển động liên quan đến việc nhấc khung tâp lên chúng tơi sử dụng cảm biến quán tính để ước lượng quỹ đạo chuyển động thuật tốn định vị qn tính bản, nhiên trường hợp này, quỹ đạo di chuyển quỹ đạo cảm biến qn tính khơng phải quỹ đạo khung tâp Kết việc ước lượng khoảng cách di chuyển so với giá trị thực thể Bảng 5.1 Trong giá trị lớn RMSE 0,266 m m di chuyển 0,317 m cho 20 m di chuyển Một bước trung bình khoảng 0,6 m, ta xét khoảng cách 20 m có khoảng 33 bước chân Như vậy, xét sai số trung bình 30 cho việc ước lượng độ dài bước khoảng cm tương đương với độ xác 98,3% Đây sai số nhỏ cho phép trường hợp sử dụng cảm biến quán tính để ước lượng chuyển động Bảng 5.1 Kết người dùng khung tâp đi thẳng 20 m Người Tiêu Thông số ước lượng dùng chuẩn Lăn Lăn Nhấc Nhấc Tổng đánh liên chân hoàn hợp giá tục bước sau toàn M 5,019 4,953 4,893 4,992 19,80 STD 0,025 0,033 0,108 0,112 0,136 RMSE 0,029 0,055 0,144 0,101 0,235 M 4,958 4,989 5,125 5,099 20,14 STD 0,018 0,016 0,113 0,078 0,187 RMSE 0,045 0,018 0,161 0,121 0,221 M 4,981 5,012 4,966 5,109 20,02 STD 0,019 0,010 0,125 0,098 0,141 RMSE 0,025 0,015 0,117 0,140 0,128 M 5,002 4,965 5,093 5,231 20,29 STD 0,016 0,019 0,044 0,114 0,153 RMSE 0,015 0,039 0,101 0,252 0,317 M 4,992 4,975 5,237 4,982 2,.15 STD 0,074 0,015 0,134 0,189 0,238 RMSE 0.066 0,029 0,266 0,170 0,262 M 4,990 4,979 5,063 5,083 20,08 STD 0,040 0,028 0,159 0,146 0,231 RMSE 0,040 0,034 0,168 0,165 0,168 M: giá trị trung bình kết ước lượng, STD: Sai lệch chuẩn sai số, RMSE: trung bình bình phương sai số 5.3 Đánh giá thuật tốn ước lượng chuyển động cách sử dụng thông tin encoder để cập nhật cho lọc Kalman Một thí nghiệm khác thực với người thực 20 lượt dọc hành lan 20 m, có lượt với chuyển động đẩy khung liên tục (kết thể Bảng 5.2), lượt với chuyển động đẩy khung bước (kết thể Bảng 5.3), lượt với chuyển động nhấc chân sau khung lên đẩy tới trước (kết thể Bảng 5.4), lượt lượt cuối với chuyển động nhấc hoàn toàn khung lên đặt tới trước (kết thể Bảng 5.5) Bảng 5.2 Độ xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động đẩy liên tục Lần thực Độ xác (%) thí Người Người Người Người Người nghiệm dùng dùng dùng dùng dùng 96,9 97,6 99,9 31 98,7 100 Trung bình 98,2 98,0 97,6 98,3 98,0 98,0 98,1 98,1 99,6 99,6 97,8 98,3 98,5 98,3 100,0 98,7 99,5 99,8 97,8 97,8 98,6 Bảng 5.3 Độ xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động đẩy bước Lần thực Độ xác (%) thí Người Người Người Người Người nghiệm dùng dùng dùng dùng dùng 5 Trung bình 98,9 99,1 98,3 98,9 98,6 97,6 98,7 99,1 98,1 98,9 96,6 98,2 98,1 98,9 98,8 98,8 99,1 99,3 99,0 99,4 99,8 99,7 99,8 99,5 99,4 98,7 Bảng 5.4 Độ xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động nhấc chân sau khung tập Lần thực Độ xác (%) thí Người Người Người Người Người nghiệm dùng dùng dùng dùng dùng 5 Trung bình 98.2 98.9 97.3 97.2 99.4 97.7 96.5 95.9 96.7 95.3 99.5 99.5 99.6 99.9 99.9 98,5 97.6 97.7 99.6 100 99.2 99.2 99.8 99.4 99.9 98.6 Theo bảng này, độ xác phần trăm việc ước lượng khoảng cách di chuyển so với khoảng cách thực tế (20 m) trung bình 98,8% cho chuyển động đẩy bước, 98,5% cho chuyển động đẩy liên tục, 98.5% cho chuyển động nhấc chân sau khung tập 98,3% cho chuyển động nhấc hoàn toàn khung tập Rõ ràng ta thấy, khoảng cách di chuyển khung tập tổng số độ dài bước chân người dùng Do độ xác ước lượng khoảng cách di chuyển suy độ xác độ dài bước Giả sử, bước người dùng khoảng 60 cm sai số dao động từ 1.2 cm (đối với độ xác 98%) Như vậy, sai số nhỏ ứng dụng ước lượng thông số bước Đồng thời, độ xác tương đương với độ xác so với trường hợp Mục 5.1 32 5.4 Phân tích đánh giá ảnh hưởng phương trình cập nhật sử dụng thông tin từ encoder Đối với kiểu sử dụng khung tập đi, thể sai số RMSE 20 m di chuyển sử dụng thuật toán định vị qn tính tùy (chưa có cập nhật encoder) (xem cột 3), cập nhật quaternion Mục 3.3.1 (xem cột 4), cập nhật quaternion Mục 3.3.2 (xem cột 5) cập nhật vị trí Mục 3.3.3 (xem cột 6) Kết phân tích thể Bảng 5.6, 5.7, 5.8, 5.9 Bảng 5.5 Độ xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động nhấc hoàn toàn khung tập Lần thực Độ xác (%) thí Người Người Người Người Người nghiệm dùng dùng dùng dùng dùng 5 Trung bình Người dùng Tổng Người dùng 97.6 98.5 99.9 99.1 99.1 97.9 97.5 98.5 97 99.4 99 98 97.6 99.2 98.7 98,3 99.4 99.8 99 97.4 96.6 96.2 98.6 97.3 97.2 99.1 Bảng 5.6 Sai số ước lượng (m) cho 20 m đẩy liên tục INA + cập INA + cập INA + cập INA nhật nhật Tiêu chuẩn nhật vị trí Đơn giản quaternion quaternion (mục 3.3.3) (mục 3.3.1) (mục 3.3.2) TB -4.594 -7.664 0.597 0.312 RMSE 5.002 7.724 5.359 0.313 TB -42.362 -4.390 -9.892 0.328 RMSE 51.243 4.514 14.518 0.340 TB -9.278 -4.540 0.425 0.156 RMSE 35.987 4.648 17.964 0.210 TB 2.702 6.928 -2.175 0.200 RMSE 2.835 7.006 17.857 0.237 TB 6.848 -3.946 11.255 0.640 RMSE 7.417 3.999 12.152 0.730 TB -9.337 -5.493 0.242 0.327 RMSE 28.316 5.774 14.344 0.412 Bảng 5.7 Sai số ước lượng (m) cho 20 m đẩy bước INA + cập INA + cập INA + cập INA nhật nhật Tiêu chuẩn nhật vị trí Đơn giản quaternion quaternion (mục 3.3.3) (mục 3.3.1) (mục 3.3.2) 33 Tổng Người dùng Tổng TB RMSE TB RMSE TB -0.438 0.453 -0.443 0.444 -0.719 0.537 0.558 0.010 0.113 -0.321 0.069 0.078 0.045 0.099 -0.316 0.1880 0.194 -0.23 0.239 -0.272 RMSE 0.738 0.365 0.346 0.282 TB RMSE TB RMSE TB RMSE -0.303 0.309 -0.319 0.332 -0.445 0.480 0.242 0.260 0.170 0.207 0.128 0.337 0.023 0.076 0.023 0.087 -0.030 0.173 0.024 0.084 -0.002 0.137 -0.059 0.200 Bảng 5.8 Sai số ước lượng (m) cho 20 m nhấc hoàn toàn INA + cập INA + cập INA + cập Tiêu INA nhật nhật nhật vị trí chuẩn Đơn giản quaternion quaternion (mục 3.3.3) (mục 3.3.1) (mục 3.3.2) TB 0.231 0.369 0.473 0.467 RMSE 0.275 0.397 0.495 0.499 TB 0.510 0.629 0.510 0.520 RMSE 0.573 0.677 0.562 0.559 TB -0.292 -0.158 -0.062 0.005 RMSE 0.544 0.477 0.448 0.438 TB 0.248 0.334 0.401 0.452 RMSE 0.397 0.449 0.497 0.536 TB -0.460 -0.350 -0.262 -0.194 RMSE 0.504 0.405 0.332 0.282 TB 0.047 0.164 0.212 0.250 RMSE 0.471 0.492 0.473 0.473 Như thấy Bảng 5.6 5.7, phương trình cập nhật đóng vai trò quan trọng việc nâng cao độ xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển trường hợp đẩy liên tục (RMSE giảm từ 28.316 m xuống 0.412 m giá trị trung bình sai số giảm từ 9.337 m xuống 0.327 m) Tuy nhiên phương trình cập nhật có tác dụng khơng lớn trường hợp đẩy bước (RMSE giảm từ 0.480 m xuống 0.2 m giá trị trung bình sai số giảm từ 0.445 m xuống 0.059 m) Trong đó, phương trình cập nhật vị trí sử dụng thơng tin từ encoder (xem Mục 3.3.3) cho kết tốt Trong trường hợp chuyển động liên quan đến việc nhấc khung tập lên (xem Bảng 5.8 5.9) phương trình cập nhật sử dụng encoder khơng có tác dụng lúc encoder encoder không ghi lại chuyển động khung tập Bên cạnh đó, so sánh kết cột Bảng 5.6 Bảng 5.7 ta thấy INA sử dụng phương trình cập nhật quaternion Mục 3.3.1 cho kết tốt Mục 3.3.2 trường hợp đẩy liên tục (chuyển động dài) ngược lại, INA 34 sử dụng phương trình cập nhật Mục 3.3.2 cho kết tốt Mục 3.3.1 trường hợp đẩy bước (chuyển động ngắn) Bảng 5.9 Sai số ước lượng (m) cho 20 m nhấc chân sau INA + cập INA + cập INA + cập Người Tiêu INA nhật nhật nhật vị trí dùng chuẩn Đơn giản quaternion quaternion (mục 3.3) (mục 3.1) (mục 3.2) TB 0.360 0.481 0.566 0.383 RMSE 0.399 0.513 0.595 0.441 TB 0.712 0.623 0.903 0.299 RMSE 0.729 0.699 0.915 0.441 TB 0.060 0.121 0.174 0.218 RMSE 0.076 0.132 0.183 0.225 TB 0.237 0.317 0.379 0.325 RMSE 0.311 0.383 0.440 0.381 TB 0.060 0.149 0.219 0.272 RMSE 0.152 0.205 0.262 0.309 TB 0.286 0.338 0.448 0.299 Tổng RMSE 0.404 0.437 0.545 0.369 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kuipers, J.B Quaternions and rotation sequences: a primer with applications to orbits, aerospace, and virtual reality; Princeton University Press: New Jersey, 1999 [2] Nam, C.N.K.; Kang, H.J.; Suh, Y.S Golf Swing Motion Tracking Using Inertial Sensors and a Stereo Camera IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 2014, 63, 943–952 [3] Savage, P.G Strapdown Inertial Navigation Integration Algorithm Design Part 1: Attitude Algorithms J of Guidance, Control, and Dynamics 1998, 21, 19–28 [4] Markley, F.L Multiplicative vs Additive Filtering for Spacecraft Attitude Determination Proc of 6th Cranfield Conference on Dynamics and Control of Systems and Structures in Space, 2004, pp 467–474 [5] Homemedicalequipment/Walkingaids/Howtouseawalkersafely.aspx Hawkinson W, et al (2012) Geospatial Location, Accountability, and Navigation System For Emergency Responders In Proceedings of the Position Location and Navigation Symposium, Myrtle Beach, SC [6] Park S.K, Suh YS (2010) A Zero Velocity Detection Algorithm Using Inertial Sensors for Pedestrian Navigation Systems Sensors [7] Skog I, Nilsson JO, Handel P (2010) Evaluation of zero velocity detectors for footmounted inertial navigation systems In Proceedings of the International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation, Zurich, Switzerland ... dùng cho định vị quán tính Việc ước lượng chuyển động cảm biến quán tính thực thuật tốn định vị qn tính Thuật tốn định vị quán tính ước lượng quỹ đạo chuyển động dựa nguyên lý kết hợp tính phân lớp... HỌC ĐÀ NẴNG THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thơng tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CẢI BIÊN THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH ĐỂ ƯỚC LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE - Mã số: B2018-DNA-07 (KYTH-45)... dụng vào cải biên thuật toán định vị quán tính cho đối tượng PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài giới hạn phạm vi cải biên thuật tốn định vị qn tính sử dụng lọc Kalman để ước lượng thông số bước phục vụ