5. Bố cục của luận án
2.1. Các cảm biến sử dụng phát hiện VĐBT
Đã cĩ nhiều nghiên cứu sử dụng các cảm biến đeo trong nhận dạng hoạt động ở người bởi những cảm biến này cĩ lợi thế về kích thước, khơng gian theo dõi khơng bị giới hạn và bảo mật quyền riêng tư của người dùng [21, 40, 55, 93, 119]. Điển hình trong số đĩ là các cảm biến quán tính bao gồm gia tốc kế, con quay hồi chuyển và từ kế. Đây là những cảm biến rất phổ biến, được tích hợp trong nhiều thiết bị như điện thoại thơng minh, đồng hồ thơng minh v.v và cũng dễ dàng tìm mua được trên thị trường với giá thành rẻ [3, 38, 93]. Với những lợi thế đĩ, trong khuơn khổ của luận án, NCS sẽ sử dụng các loại cảm biến đeo bao gồm cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển và từ kế vào thực nghiệm để theo dõi và phát hiện VĐBT.
Cảm biến gia tốc hay gia tốc kế (accelerometer) là một loại cảm biến quán tính được sử dụng nhiều trong thực tế bởi sự phù hợp của cảm biến này đối với việc theo dõi và nhận dạng hoạt động của người. Gia tốc kế dùng để thu nhận dữ liệu gia tốc chuyển động của thiết bị cũng như gĩc nghiêng so với phương nằm ngang (đơn vị tính m/s2). Với sự phát triển của cơng nghệ chế tạo cảm biến, các cảm biến gia tốc cĩ kích thước ngày càng nhỏ hơn, tiêu thụ ít năng lượng, hiệu suất hoạt động ít chịu tác động bởi mơi trường và giá thành rẻ. Hơn nữa, sử dụng cảm biến gia tốc trong theo dõi và nhận dạng hoạt động thường tạo ra sự thoải mái và tự nguyện cho người
dùng hơn là sử dụng cảm biến hình ảnh hay cảm biến âm thanh bởi nĩ đảm bảo tính riêng tư cần thiết cho người dùng.
Con quay hồi chuyển (gyroscope) cũng là một loại cảm biến quán tính phổ biến. Đây là một cảm biến dùng để đo đạc hoặc duy trì hướng chuyển động (đơn vị tính là độ/giây - dps). Cảm biến này cĩ nhiều ứng dụng trong thực tế như để định hướng chuyển động của tầu con thoi, duy trì sự ổn định của máy bay v.v. Con quay hồi chuyển thường được sử dụng cùng với gia tốc kế để đo chuyển động quay và sự phục hồi của tư thế [119]. Sự kết hợp của hai cảm biến này cĩ thể giúp xác định nhiều hoạt động của con người như đi bộ, chạy, nhảy, ngồi, đi lên cầu thang, đi xuống cầu thang [3] v.v. Trong chăm sĩc sức khỏe, việc nhận dạng các hoạt động này rất cĩ ích cho các ứng dụng giúp phục hồi chức năng, dáng đi, các bệnh về khớp, bệnh Parkinson [3] và phát hiện ngã [73]. Trong nghiên cứu [5] đã phát triển một hệ thống cĩ tên SisFall để phát hiện ngã, các cảm biến được sử dụng gồm một cảm biến gia tốc ADXL345 (cấu hình ± 16g, 13 bit của ADC), một cảm biến gia tốc cĩ tên Freescale MMA8451Q (cấu hình (± 8g, 14 bit của ADC) và một con quay hồi chuyển cĩ tên ITG3200 (± 20000 / s, 16 bit của ADC, Texas Instruments). SisFall đạt được tỷ lệ phát hiện ngã tương đối cao.
Gần đây, cĩ nhiều nghiên cứu đã kết hợp thêm việc sử dụng cảm biến từ trường hay cịn gọi là từ kế (magnetometer). Đây là thiết bị dùng để đo đạc cường độ và hướng của từ trường (đơn vị tính là gauss). Với thiết kế nhỏ và chi phí thấp, từ kế đang được sử dụng phổ biến cho ứng dụng la bàn trong nhiều thiết bị thương mại (điện thoại thơng minh, máy tính bảng, đồng hồ thơng minh v.v). Sự kết hợp của từ kế và gia tốc kế cĩ thể giúp phát hiện hướng chuyển động của con người [97, 106]. Trong nghiên cứu [65] đã kết hợp cảm biến này với gia tốc kế để phát hiện ra một người đang "xem TV". Nghiên cứu [106] cũng kết hợp từ kế với cảm biến gia tốc để phát hiện ngã, nghiên cứu này đã trích xuất các đặc trưng về cường độ véc-tơ tín hiệu và sử dụng một thuật tốn dựa trên ngưỡng để phân biệt vận động ngã với các vận động khác.
Như các trình bày ở trên, cĩ thể thấy rằng đã cĩ các nghiên cứu kết hợp sử dụng các cảm biến như gia tốc kế với con quay hồi chuyển, gia tốc kế và từ kế hay gia tốc kế với một vài cảm biến khác (như cảm biến hình ảnh, cảm biến áp suất) [3, 97, 106, 119]. Những sự kết hợp này đều mang đến kết quả nhận dạng tốt hơn đáng kể so với việc sử dụng một cảm biến đơn lẻ. Tuy nhiên, khi kết hợp các cảm biến quán tính cũng nảy sinh những vấn đề cần phải giải quyết như tính khơng đồng bộ của các cảm biến do các cảm biến khác nhau cĩ các đặc tính kỹ thuật khác nhau, đa số các cảm biến đều gặp phải những vấn đề về khả năng kết hợp các đặc trưng nên trong thực tế rất ít hệ thống cĩ thể xử lý dữ liệu cảm biến thơ và trích xuất đặc trưng ở mức tiền xử lý. Do đĩ, nâng cao khả năng tương tác của các cảm biến quán tính khi kết hợp cũng là mục tiêu cần giải quyết đối với các nghiên cứu sử dụng cảm biến quán tính.
Trong những phần tiếp theo của chương này sẽ trình bày cách thức kết hợp các đặc trưng của ba cảm biến gồm gia tốc kế, con quay hồi chuyển, từ kế; lựa chọn phương pháp học máy phù hợp với các đặc trưng kết hợp và cuối cùng tiến hành thử nghiệm với tập dữ liệu về VĐBT do NCS tự thu thập. Tại thời điểm NCS tiến hành nghiên cứu và đề xuất phương pháp kết hợp cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển và từ kế, theo hiểu biết của NCS thì chưa cĩ các nghiên cứu tương tự thực hiện kết hợp 3 ba cảm biến trên cho bài tốn phát hiện VĐBT ở người, do đĩ NCS chỉ thực hiện so sánh kết quả của hệ thống khi kết hợp các cảm biến với kết quả trên từng cảm biến.