CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ DỰA TRÊN CẢM BIẾN TỪ TRƢỜNG
3.1. Giới thiệu
Các hệ thống định vị đóng một vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp các thông tin cơ bản về người dùng và thiết bị, đóng góp rất lớn vào các ứng dụng thương mại ngày nay. Do đó, một nhu cầu tất yếu đòi hỏi phát triển các hệ thống định vị có độ chính xác cao, dễ sử dụng với chi phí thấp. Trong môi trường ngoài trời, hệ thống định vị toàn cầu GPS có độ chính xác cao, tuy nhiên, hệ thống định vị toàn cầu GPS yêu cầu truyền tín hiệu thẳng từ vệ tinh đến thiết bị nhận, do đó kết quả định vị không chính xác ở môi trường trong nhà có nhiều vật cản việc truyền tín hiệu từ vệ tinh. Do đó, đã có nhiều nghiên cứu phát triển các hệ thống định vị trong nhà riêng biệt được thực hiện trong những năm trở lại đây.
Nhiều công nghệ khác nhau đã được phát triển cho các hệ thống định vị trong nhà. Hệ thống đầu tiên là Active Badge [12] được phát triển bởi Want và cộng sự năm 1992. Hệ thống này sử dụng một thiết bị có đèn LED hồng ngoại khuếch tán phát ra một định danh duy nhất cho thiết bị theo chu kỳ. Tín hiệu được thu bởi các cảm biến hồng ngoại gần đó được đặt trong tòa nhà để xác định vị trí của thiết bị. Một hệ thống tương tự, Active Bat [13], sử dụng phương pháp TOA với sóng siêu âm để xác định vị trí của thiết bị, hệ thống trả về kết quả chính xác trong phạm vi 9cm trong 95% các phép đo.
Trong những năm gần đây, Wi-Fi đã được sử dụng như một công nghệ phổ biến trong các hệ thống định vị trong nhà bởi tính khả thi và chi phí thấp. Hướng tiếp cận này sử dụng 2 phương pháp cho việc định vị: phương pháp thứ nhất là các sử dụng các phép đạc tam giác hoặc đo thời gian nhận tín hiệu từ điểm truy cập đã biết vị trí, phương pháp thứ hai là lập bản đồ cường độ tín
hiệu xung quanh các điểm truy cập và dựa vào đó để ước tính vị trí của thiết bị. Bên cạnh đó, một số hệ thống khác sử dụng các công nghệ như sóng siêu âm, Bluetooth cho việc định vị trong nhà. Điểm chung của các hệ thống này là yêu cầu cài đặt các thiết bị phát tín hiệu trong toà nhà. Tuy nhiên trong một số trường hợp, việc cài đặt các hệ thống như vậy là không khả thi, do đó, cần có những hướng tiếp cận khác cho bài toán định vị trong nhà trong những trường hợp này.
Một hướng nghiên cứu khác của định vị trong nhà là sử dụng các đặc trưng có sẵn của môi trường trong nhà để xây dựng các bản đồ đặc trưng và từ đó xác định vị trí của thiết bị. Hướng nghiên cứu này không yêu cầu cài đặt cơ sở hạ tầng và các thiết bị phát tín hiệu trong toà nhà. Một trong các đặc trưng có sẵn ở môi trường trong nhà là từ trường, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sử dụng từ trường để định vị trong nhà. Siiksakulchai, Thongchai, Wilkes và Kawamura [14] đã phát triển một hệ thống định vị trong nhà sử dụng các cảm biến từ trường gắn trên robot, hệ thống này thu thập dữ liệu từ trường và so sánh với dữ liệu mẫu đã thu thập từ trước, từ đó xác định vị trí của robot. Haverinen và Kemppainen [15] cũng phát triển một hệ thống tương tự bằng cách gắn các cảm biến từ trường lên robot và sử dụng thuật toán bộ lọc hạt để xác định vị trí. Navarro và Benet [16] cũng đã phát triển một hệ thống định vị trong nhà bằng cách kết hợp phương pháp định vị bằng các cảm biến chuyển động với việc lập bản đồ từ trường. Tuy nhiên, các hệ thống định vị trong nhà sử dụng từ trường chỉ có thể ứng dụng trong thực tế trong vòng vài năm trở lại đây, khi các cảm biến từ trường trở nên phổ biến vì được tích hợp sẵn trong các thiết bị điện thoại thông minh.
Việc tích hợp các cảm biến bức xạ từ trường vào các thiết bị điện thoại thông minh đã mở ra một hướng tiếp cận mới cho các hệ thống định vị trong
nhà dựa trên các đặc trưng bức xạ từ trường. Bằng việc sử dụng bức xạ từ trường có sẵn trong môi trường, chúng ta không cần cài đặt các thiết bị phát tín hiệu định vị khác. Ở môi trường trong nhà, từ trường bị khúc xạ bởi các cấu trúc có chứa kim loại hoặc các thiết bị điện, điện tử, các vật thể lớn cố định cũng có khả năng ảnh hưởng đến hướng và độ lớn của bức xạ từ trường tại các vị trí cố định. Kết quả của điều này là chúng ta có thể xây dựng được một bản đồ về cường độ và hướng của từ trường ở các vị trí khác nhau trong môi trường. Với giả thiết các giá trị cường độ và hướng của bức xạ từ trường là ổn định và khác biệt ở các vị trí khác nhau, có thể xác định được vị trí của thiết bị trong môi trường mà không cần dùng thêm các dữ liệu khác. Các phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày phương pháp xây dựng hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến từ trường của điện thoại thông minh.
3.2. Cơ sở
Ở môi trường trong nhà, từ trường chịu ảnh hưởng từ các kiến trúc xây dựng có kim loại và các thiết bị điện, điện tử, gây ra các nhiễu cục bộ ảnh hưởng đến hướng và cường độ của từ trường tại một vị trí nhất định. Bên cạnh đó, các nhiễu cục bộ này có tính ổn định theo thời gian với điều kiện bố cục của môi trường trong nhà không thay đổi. Hình 3.1. thể hiện tính chất này, trong đó các tín hiệu từ trường được thu thập bằng cách đo từ cảm biến của điện thoại tại 1 vị trí ở các thời điểm khác nhau trong ngày và ở những ngày khác nhau. Các nhiễu cục bộ này làm cho phép đo cường độ từ trường trong nhà có tính cục bộ, cường độ từ trường đo được là khác nhau ở các vị trí khác nhau [14]. Đồng thời, tính ổn định theo thời gian khiến cho từ trường có thể được ứng dụng vào việc định vị trong nhà.