Trong hệ thống IPS sử dụng công nghệ NFC, các thẻ NFC được đặt ở các vị trí đã biết trong một tòa nhà và người dùng mang thiết bị hỗ trợ NFC có thể xác định vị trí bằng cách quét các thẻ dọc đường đến đích [8].
RFID
Công nghệ RFID sử dụng đầu đọc RFID để đọc vị trí từ thẻ RFID. Độ chính xác của hệ thống tùy thuộc vào mật độ của thẻ được triển khai và phạm vi đọc tối đa. Nhược điểm của phương pháp này là cần sử dụng số lượng lớn thẻ RFID [11]. Map Matching
Để tăng cường độ chính xác định vị cũng như sửa lỗi cảm biến, hệ thống sử dụng kết hợp bản đồ dựa trên bộ lọc hạt để loại bỏ các vị trí nằm ngoài phạm vi hợp lệ của bản đồ, từ đó điều chỉnh hình dạng của tuyến đường đi [8].
BNs (Beacon nodes: Các nút dẫn đường)
Nút dẫn đường là thiết bị điện tử nhỏ phát ra tín hiệu theo chuẩn Bluetooth với năng lượng thấp (Bluetooth Low Energy - BLE). Bất kỳ thiết bị nào có công nghệ BLE đều có thể bắt được tín hiệu này, chẳng hạn điện thoại thông minh và máy tính bảng. Ưu thế lớn nhất của BLE là tiết kiệm năng lượng, cho phép nút hoạt động trong thời gian 2 - 3 năm chỉ với một viên pin nhỏ. Khoảng cách truyền BLE cũng lên đến 100 m. Các nút dẫn đường theo chu kỳ (20 ms đến 10 s) sẽ phát thông tin quảng bá để các thiết bị của người dùng nhận được. Chu kỳ càng dài thì thời lượng pin càng lâu.
Hệ thống định vị BNs được dùng để nâng cao độ chính xác cho hệ thống PDR bằng cách hiệu chỉnh lại vị trí người dùng [8]. Trong Hình 1.22 mô tả cách người dùng sử dụng điện thoại để kiểm tra vị trí bằng việc thu tín hiệu phát ra từ nút dẫn đường.
Hình 1.22: Định vị sử dụng nút dẫn đường [12]
QR code (Quick response code: Mã phản hồi nhanh)
Hệ thống định vị tương tác với người dùng bằng cách quét mã QR để chỉnh sửa vị trí người đi bộ. QR code là dạng mã vạch hai chiều (2D) có thể được đọc bởi một máy đọc mã vạch hay điện thoại thông minh. Các QR code đặt dọc theo tuyến đường nhằm bổ sung cơ sở hạ tầng trong hệ thống lai [8].
Các hệ thống định vị sử dụng cơ sở hạ tầng mạng truyền thông hiện có thường được sử dụng để hiệu chỉnh vị trí của người dùng nhằm tăng độ chính xác cho định vị sử dụng kỹ thuật PDR.
Kết luận chương I
Nội dung chương I tập trung vào việc nghiên cứu tổng quan về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và hiệu năng của hệ thống định vị tự trị PDR so với các hệ thống IPS sử dụng điện thoại thông minh khác. Từ đó, luận văn tập trung vào xây dựng hệ thống định vị tự trị sử dụng hai cảm biến trong điện thoại thông minh là cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển. Việc nghiên cứu lý thuyết chi tiết và thực hiện các mô phỏng đánh giá được trình bày ở chương tiếp theo.
CHƯƠNG II. MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA THUẬT TOÁN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG PDR
Hệ thống IPS trình bày trong luận văn sử dụng dữ liệu của cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển để xác định bước chân, chiều dài bước và góc quay từ đó để tính ra quãng đường (hay vị trí). Để hiểu được nguyên lý và thuật toán của hệ thống cần tiến hành phân tích dạng tín hiệu của các cảm biến. Tuy nhiên, dạng dữ liệu của con quay hồi chuyển rất rõ ràng đối với việc xác định trạng thái đi thẳng, rẽ phải và rẽ trái của người dùng (phần 1.1.3). Phần này của luận văn chỉ tập trung vào phân tích dữ liệu của cảm biến gia tốc với mục đích xác định bước chân và kích thước bước chân.
2.1. Dữ liệu thu thập từ cảm biến gia tốc
Hình 2.1: Các cách biểu diễn tín hiệu gia tốc [13]
Hình 2.1 biểu diễn kết quả kết hợp dữ liệu thu thập từ cảm biến gia tốc khi người dùng đi bộ [13]. Cụ thể, tình huống màn hình điện thoại song song với mặt đất trong khoảng thời gian từ 300 đến 650 và màn hình điện thoại vuông góc với mặt phẳng đất trong khoảng thời gian từ 700 đến 1000. Trong đó, s1, s2, s3, s4, tương ứng đại diện cho bốn phương pháp tạo ra tín hiệu gia tốc đặc trưng từ tín hiệu gia tốc
thô, gồm: Gia tốc trên trục z, bình phương biên độ của vector gia tốc (gọi là gia tốc tổng cộng), gia tốc tổng cộng với ma trận, gia tốc tổng cộng với trọng lực.
Kết quả chỉ ra rằng, phương pháp s1 không phù hợp do dữ liệu thăng giáng nhỏ xung quanh giá trị 0 khi điện thoại đặt vuông góc với mặt đất.
Chi tiết hơn, các tác giả trong [14] đã tiến hành thực nghiệm đánh giá khả năng chứa thông tin của 4 cách biểu diễn dữ liệu thông qua tỷ lệ xác định thành công bước chân. Các trường hợp bao gồm:
- Người dùng đi bộ: Điện thoại để trong túi quần, cầm trên tay, trong túi áo, và trong túi xách.
- Người dùng chạy: Điện thoại để trong túi quần, trên tay.
Kết quả đánh giá được biểu diễn trên hình 2.2, 2.3 và tổng hợp trong bảng 2.1. Hình 2.2 cho thấy kết quả thực nghiệm trong trường hợp đi bộ. Hình 2.3 cho thấy kết quả thực nghiệm trong trường hợp đang chạy.
Hình 2.2: Tỷ lệ % xác định bước chân thành công của các phương pháp biểu diễn
Hình 2.3: Tỷ lệ % xác định bước chân thành công của các phương pháp biểu diễn
tín hiệu gia tốc trong trường hợp người dùng chạy [13] Bảng 2.1: Tổng hợp kết quả từ hình 2.2 và hình 2.3
Phương pháp
Đi bộ Chạy
Túi quần Tay Túi áo Túi xách Túi quần Tay
s1: z 0% 98% 0% 13% 0% 19% s2: 𝒙𝟐+ 𝒚𝟐 + 𝒛𝟐 77% 99% 97% 94% 81% 53% s3: Acc & Ma trận 97% 99% 97% 96% 97% 54% s4: Cảm biến trọng lực & Acc 99% 99% 99% 95% 99% 92%
Từ Bảng 2.1 nhận thấy, phương pháp s2 phản ánh tương đối các hoạt động của con người và có sai số định vị là chấp nhận được. Hai phương pháp s3, s4 mặc dù cho kết quả chính xác hơn nhưng khá phức tạp nên trong luận văn tác giả lựa chọn
sử dụng phương pháp liên quan đến s2 để xây dựng hệ thống định vị tự trị. Phương
pháp biểu diễn này cũng được sử dụng bởi rất nhiều các công trình nghiên cứu về định vị tự trị trên thế giới.
2.2. Tiền xử lý tín hiệu thu thập từ cảm biến gia tốc
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng bước đi của con người được phản ánh khá rõ qua dữ liệu cảm biến gia tốc. Do vậy, tín hiệu cảm biến gia tốc là đầu vào của thuật toán phát hiện và ước lượng chiều dài bước chân. Phân tích tín hiệu từ cảm biến gia tốc là cơ sở để xây dựng và lựa chọn thuật toán phát hiện và ước lượng chiều dài bước chân phù hợp.
Để đơn giản trong phân tích dạng tín hiệu, tác giả chỉ xét trường hợp điện thoại song song mặt đất khi thu thập dữ liệu.
2.2.1. Tín hiệu thô
Tín hiệu thô từ cảm biến gia tốc của điện thoại với tần số lấy mẫu là 40 Hz, được tác giả thu thập và biểu diễn bởi ứng dụng tự viết trên hình 2.4