Cảm biến gia tốc hay gia tốc kế (accelerometer) là một loại cảm biến quán tính được sử dụng nhiều trong thực tế bởi tính 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 chuyển động của thiết bị cũng như gĩc nghiêng so với phương nằm ngang. Với sự phát triển của cơng nghệ chế tạo cảm biến, các cảm biến gia tốc cĩ kích thước nhỏ ngày càng nhỏ hơn, tiêu thụ ít năng lượng, hiệu suất hoạt động hiếm khi 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 sử dụng. Cảm biến gia tốc sử dụng đầu dị để đo gia tốc tuyến tính (Hình 2.1)
Hình 2. 1: Cảm biến gia tốc tuyến tính
Tín hiệu thu được với cảm biến gia tốc cĩ 2 thành phần: một là gia tốc trọng trường cung cấp thơng tin về tư thế của chủ thể; và một thành phần nữa đo sự thay đổi vận tốc của cơ thể và từ đĩ cung cấp thơng tin về sự chuyển động của người đeo cảm biến. Hoạt động của gia tốc kế dựa trên Định luật II về chuyển động của Newton. Theo đĩ, vector gia tốc của một vật luơn cùng hướng với lực tác dụng lên vật; và độ lớn của vector gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của vector lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. Định luật này thường được phát biểu dưới dạng phương trình Fma
, với F là lực tác dụng lên vật, m là khối lượng của vật và a là gia tốc của vật đĩ. Lực cĩ đơn vị là N, m cĩ đơn vị là gam (g), gia tốc a được đo bằng đơn vị m/s2. Các loại gia tốc kế thơng dụng hiện tại đều cĩ khả năng đo sự biến đổi gia tốc theo cả 3 chiều: x, y, và z. Hình 2.2 mơ tả các chiều của một gia tốc kế trên các điện thoại di động thơng minh (smartphone), trong đĩ x là trục hướng theo chiều ngang của thiết bị, y là trục hướng theo chiều thẳng đứng của thiết bị và z hướng từ sau ra trước.
Hình 2. 2: Gia tốc kế 3 chiều trên smartphone
(Nguồn: https://goo.gl/97bEFb)
Đơn vị thơng dụng được dùng để đo sự biến thiên của gia tốc là G hoặc m/s2. Hai đơn vị này cĩ thể được chuyển đổi lẫn nhau bằng cơng thức: 1G =9.8m/s2. Tùy từng loại gia tốc (độ nhạy) mà chúng cĩ thể đo được sự biến đổi gia tốc cho mỗi chiều trong khoảng từ (-1G, +1G) cho đến (-3G, 3G).
Hình 2. 3: Nguyên lý đo gia tốc theo trục y
(Nguồn: https://goo.gl/gB74Kj)
Khi đặt gia tốc kế thẳng đứng theo trục y, do tác động của trọng lực thì khối lượng chuyển động (seismic mass) sẽ bị kéo xuống và giá trị chuẩn của trạng thái này là +1G. Khi di chuyển khoang chứa (housing) lên xuống theo phương thẳng đứng thì khối lượng chuyển động sẽ di chuyển, dẫn đến giá trị của y sẽ thay đổi. Độ biến thiên của y phụ thuộc vào việc gia tốc chuyển động của khoang chứa theo chiều thẳng đứng. Một gia tốc nhiều chiều sẽ bao gồm nhiều đơn vị đo gia tốc trong Hình 2.2 được đặt theo nhiều hướng khác nhau.
Hình 2.4 minh họa giá trị của x, y, z trong một số trường hợp khác nhau: (1) là trường hợp đặt gia tốc kế đứng yên theo phương thẳng đứng của trục y; (2) là trường hợp di chuyển gia tốc kế lên xuống theo phương thẳng đứng (trục y); (3) là trường hợp di chuyển gia tốc kế qua lại theo chiều ngang (trục x); và (4) là trường hợp di chuyển gia tốc kế tới lui (trục z).
Hình 2. 4: Minh họa giá trị của x, y, z
Nhiều nghiên cứu trước đây về phát hiện ngã hay nhận dạng hành động bằng cách sử dụng dữ liệu cảm biến gia tốc được sử dụng rộng rãi và cho kết quả khá cao. Trong nghiên cứu của Brezme và các cộng sự, các tác giả sử dụng gia tốc kế trên điện thoại di động để nhận dạng các hành động đi, lên xuống cầu thang, đứng dậy, ngồi xuống và ngã [18]. Mơ hình nhận dạng các hoạt động được xây dựng bằng giải thuật k-láng giềng. Kết quả thực nghiệm được thơng báo trong nghiên cứu trung bình cho tất cả các hành động là 80%. Tuy nhiên, quá trình thu thập dữ liệu, các đặc trưng dùng để học mơ hình, cũng như quá trình kiểm tra tính chính xác của mơ hình khơng được mơ tả chi tiết. Đây là các thơng tin rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác và độ tin cậy của mơ hình. Tuy khơng trực tiếp phát hiện té ngã nhưng các nghiên cứu về nhận dạng hành vi về bản chất cũng cĩ liên quan rất lớn đến các nghiên cứu về phát hiện té ngã. Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy độ chính xác của nhận dạng lên tới 85-95% cho nhận dạng hành động, tư thế và các hành vi khác sử dụng dữ liệu cảm biến gia tốc [19]. Một số cơng trình được mơ tả trong hình 2.5:
Hình 2. 5: Một số nghiên cứu liên quan sử dụng cảm biến gia tốc
Những nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng các hình thức vận động như đi bộ, chạy bộ, leo cầu thang và các tư thế như ngồi, nằm, đứng cĩ thể được ghi nhận với độ chính xác từ 83 – 95% sử dụng cảm biến gia tốc trên hơng, đùi và mắt cá chân. Tuy nhiên các nghiên cứu của Ling Bao và Stephen S. Intille [20] cho thấy rằng đùi và cổ tay là vị trí thích hợp để đặt cảm biến gia tốc để phát hiện ADL. Dữ liệu cảm biến thu được từ cổ tay thuận là tốt hơn cho hoạt động phân biệt hành vi liên quan đến chuyển động cơ thể và dữ liệu từ gia tốc ở đùi là hữu ích cho việc nhận dạng hành vi được thực hiện với chi dưới. Hệ thống nhận dạng hành vi nên sử dụng dữ liệu với các dữ liệu ở vị trí khác nhau, cho phép người dùng mang theo thiết bị ở vị trí thuận tiện cho một bối cảnh nhất định. Khi cảm biến đang ở một vị trí duy nhất, nĩ rất hữu ích để áp dụng một hệ thống thơng tin đa chiều để ghi lại các tín hiệu theo ngữ cảnh của mơi trường.