7. Bố cục chung của luận án
4.3 Thuật toán phát hiện và phân loại chuyển động của khung tập đi
4.3.1 Định nghĩa chuyển động của khung tập đi
Một số hướng dẫn sử dụng khung tập đi được thể hiện trong [108], [109]. Trong đó, chuyển động của khung tập đi có bánh trước được chia thành 5 loại bao gồm:
- Đẩy đi liên tục: chuyển động này liên quan đến việc người dùng đẩy khung tập đi và bước liên tục về phía trước. Lúc này 2 bánh của khung tập đi sẽ lăn liên tục trên sàn nhà. Đây là chuyển động phù hợp với người có 2 chân khỏe mạnh (xem Hình 4.3a).
- Đẩy đi từng bước: đây là chuyển động phù hợp cho người có đơi chân khơng khỏe hoặc bị đau ở một chân. Lúc này người dùng đẩy khung tập đi từng bước về phía trước và dừng lại ở mỗi bước (xem Hình 4.3b). Theo đó, 2 bánh của khung tập đi lăn từng đoạn trên sàn nhà.
- Nhấc 2 chân sau: đây là chuyển động tương tự chuyển động đẩy đi từng bước, tuy nhiên trong trường hợp này người dùng nhấc 2 chân sau của khung lên và đẩy tới trước (xem Hình 4.3c). Lúc này 2 bánh của khung tập đi lăn từng từng đoạn trên sàn nhà.
- Nhấc hoàn toàn: đây là chuyển động tương tự chuyển động nhấc 2 chân sau, tuy nhiên trong trường hợp này khung tập đi được nhấc hoàn toàn lên khỏi mặt đất trong mỗi chuyển động và đặt xuống đất ở cuối chuyển động (xem Hình 4.3d). Lúc này, 2 bánh của khung tập đi gần như khơng lăn trong q trình di chuyển.
Trang 96
(A)
(E)
Hướng lực tác động Chân yếu/bị thương Chân khoẻ mạnh Mặt sàn Khung nhìn từ trên Khung nhìn từ mặt bên (1) (2) (3) (B) (1) (2) (3) (4) (5) (C) (1) (2) (3) (4) (5) (D) (1) (2) (3) (4) (5) (1) (2) (3) (4) (5)
Đẩy đi từng bước Đẩy đi liên tục
Nhấc 2 chân sau
Nhấc hồn tồn
Đổi hướng
Hình 4.3 Định nghĩa các chuyển động của người dùng khi sử dụng khung tập đi- Đổi hướng: đây là chuyển động thường được sử dụng khi người dùng đổi - Đổi hướng: đây là chuyển động thường được sử dụng khi người dùng đổi
hướng chuyển động. Lúc này người dùng đứng trên 2 chân, sau đó nhấc khung tập đi lên và quay một góc trước khi đặt khung tập đi trở lại mặt đất (xem Hình 4.3e). Hai bánh của khung tập đi gần như khơng lăn trong q trình di chuyển.
Trang 97
Với khung tập đi khơng có bánh thì chuyển động đẩy đi liên tục và đẩy đi từng bước khơng tồn tại.
4.3.2 Thuật tốn phát hiện chuyển động của khung tập đi
Về nguyên tắc cảm biến IMU có thể phát hiện được mọi chuyển động của vật thể dựa vào việc phát hiện gia tốc và vận tốc góc quay theo các hướng. Tuy nhiên trường hợp chuyển động đẩy đi trên mặt đất có các nguyên nhân gây khó khăn cho việc phát hiện chuyển động của cảm biến IMU như sau:
- Gia tốc thay đổi chủ yếu theo phương di chuyển và không rõ ràng do vậy việc sử dụng sự thay đổi gia tốc để phát hiện khoảng chuyển động là khơng chính xác.
- Vận tốc góc quay thường rất nhỏ do vậy không thể sử dụng vận tốc góc để phát hiện chuyển động.
Lúc này, các encoder được sử dụng phát hiện được chuyển động liên quan đến chuyển động đẩy đi trên mặt đất. Trong phần này, đề xuất giải pháp phát hiện và phân loại chuyển động sử dụng kết hợp thông tin từ encoder và cảm biến IMU.
Chuyển động của khung tập đi liên quan đến việc đẩy đi trên mặt đất được phát hiện thông qua việc lăn bánh xe hay encoder. Thời điểm 𝑘 được xem là thuộc khoảng thời gian chuyển động của bánh xe nếu một trong 2 điều kiện sau được thỏa mãn:
|𝑝𝑡,𝑖| ≥ 𝐵𝑝, 𝑘 −𝑁2𝑝 ≤ 𝑖 ≤ 𝑘 +𝑁2𝑝 |𝑝𝑝,𝑖| ≥ 𝐵𝑝, 𝑘 −𝑁𝑝2 ≤ 𝑖 ≤ 𝑘 +𝑁𝑝2
(4-5)
trong đó 𝑝𝑡,𝑖 (𝑝𝑝,𝑖) là số xung encoder ở bánh trái (phải) tại thời điểm rời rạc 𝑖, 𝐵𝑝 là ngưỡng đặt của giá trị này và 𝑁𝑝 là một số nguyên đại diện cho khoảng thời gian đủ lớn để xem là một chuyển động. Trong luận án này, chọn 𝑁𝑝 = 30 tương ứng với khoảng thời gian là 0,3 giây. Trong quá trình phân tích thực nghiệm luận án chọn 𝐵𝑝 = 𝐵𝑡 = 2 xung.
Trang 98
Các chuyển động liên quan đến việc nhấc khung tập đi lên ảnh hưởng đến vận tốc góc quay quanh trục 𝑦𝑏 của hệ toạ độ BCS trong khi chuyển động liên quan đến đổi hướng vừa liên quan đến vận tốc góc quay quanh các trục 𝑦𝑏 và 𝑧𝑏 của hệ BCS. Như vậy, để xác định khoảng chuyển động sử dụng cảm biến IMU, các tín hiệu của cảm biến IMU theo các phương nêu trên được xét đến để việc phát hiện chuyển động chính xác và hiệu quả hơn.
Vận tốc góc quay theo phương 𝑦𝑏 tại thời điểm rời rạc 𝑖 được tính như sau: 𝑦𝑔𝑦,𝑖 = [0 1 0]𝐶𝐼𝑏𝑦𝑔,𝑖 (4-6) Vận tốc góc quay theo phương 𝑧𝑏 tại thời điểm 𝑖 của IMU được tính như sau:
𝑦𝑔𝑧,𝑖 = [0 0 1]𝐶𝐼𝑏𝑦𝑔,𝑖 (4-7) Thời điểm 𝑘 được xem là thuộc khoảng thời gian chuyển động liên quan đến việc nhấc khung tập đi lên nếu điều kiện sau được thỏa mãn:.
‖𝑦𝑔𝑦,𝑖‖ ≥ 𝐵𝑦, 𝑘 −𝑁𝑦2 ≤ 𝑖 ≤ 𝑘 +𝑁2𝑦 (4-8) trong đó:
- 𝐵𝑦 là ngưỡng của vận tốc góc quay theo phương 𝑦𝑏 mà khung tập đi bị nhấc lên,
- 𝑁𝑦 là số nguyên đại diện cho khoảng thời gian đủ lớn để xem là một chuyển động. Trong luận án này, chọn 𝑁𝑦 = 30 tương ứng với thời gian là 0,3 giây và 𝐵𝑦 = 0,2 tương ứng với sự thay đổi 0,2 𝑟𝑎𝑑/𝑠.
Tương tự, thời điểm 𝑘được xem là thuộc khoảng thời gian chuyển động liên quan đến việc quay khung tập đi lên nếu điều kiện sau được thỏa mãn:
𝑦𝑔𝑧,𝑖 ≥ 𝐵𝑧, 𝑘 −𝑁2𝑧 ≤ 𝑖 ≤ 𝑘 +𝑁2𝑧 (4-9) trong đó:
- 𝐵𝑧 là ngưỡng của vận tốc góc quay theo phương 𝑧𝑏 mà khung tập đi bị nhấc lên,
Trang 99
- 𝑁𝑧 là số nguyên đại diện cho khoảng thời gian đủ lớn để xem là một chuyển động. Trong luận án này, chọn 𝑁𝑧 = 30 tương ứng với thời gian là 0,3 giây và 𝐵𝑧 = 0,2 tương ứng với sự thay đổi 0,2 𝑟𝑎𝑑/𝑠.
Như vậy, các khoảng chuyển động của khung tập đi là tổng hợp của các khoảng chuyển động do encoder và cảm biến IMU phát hiện ra.
4.3.3 Thuật toán phân loại chuyển động của khung tập đi
Chuyển động sử dụng encoder Chuyển động quanh y Đ T chuyển động > T bước (Tb) S
Đẩy đi liên tục Đ Đẩy đi từng bước S Nhấc 2 chân sau Đ Chuyển động quay quanh y Chuyển động quay quanh z Nhấc hoàn
toàn Quay đổi
hướng Chuyển động quay quanh z S Đ S Đ S S Khơng chuyển động Đ Tìm các khoảng chuyển động: - Sử dụng encoder
- Quay quanh trục y dùng IMU - Quay quanh trục z dùng IMU
Đ: Đúng
S: Sai
Bắt đầu
Kết thúc
Trang 100
Thuật toán phân loại chuyển động được thể hiện trong Hình 4.4. Trong đó, các khoảng chuyển động được phát hiện dựa vào encoder và cảm biến IMU theo các công thức (4-5), (4-8) và (4-9).
Chuyển động đẩy đi liên tục được xác định bởi chuyển động do encoder phát hiện ra nhưng khơng có sự quay quanh trục 𝑦𝑏 và thời gian của chuyển động là đủ dài hơn thời gian chuyển động của 1 bước chân 𝑇𝑏 (chọn 𝑇𝑏 = 1,5 𝑠). Nếu thời gian chuyển động trong trường hợp này nhỏtương ứng với thời gian của 1 bước chân thì đó là chuyển động đẩy đi từng bước. Chuyển động nhấc 2 chân sau được xác định bằng việc phát hiện chuyển động của encoder và chuyển động quay quanh trục 𝑦𝑏. Chuyển động nhấc hoàn toàn khung tập đi được xác định bằng việc có chuyển động quanh trục 𝑦𝑏 nhưng khơng có chuyển động do encoder phát hiện ra và khơng có chuyển động quay quanh trục 𝑧𝑏. Chuyển động đổi hướng được xác định bằng việc phát hiện chuyển động quay quanh phương 𝑦𝑏 và phương 𝑧𝑏 nhưng khơng có chuyển động quay của encoder.