Vị trí gốc hệ toạ độ BCSN được tính thơng qua vị trí gốc hệ toạ độ BCS như sau:
= + [ ] (4-42)
, , ,
trong đó, [] = [− 0 0]′ với là khoảng cách giữa 2 chân trước và chân sau của khung tập đi.
Trong các trường hợp chuyển động đẩy đi từng bước, nhấc 2 chân sau và nhấc lên hồn tồn khung tập đi thì việc xác định từng bước riêng lẻ dựa trên nguyên tắc là mỗi bước đi cách nhau bởi một khoảng ZVI và tại khoảng ZVI này vị trí của gốc hệ toạ độ BCSN được xem là vị trí của bàn chân người dùng. Việc trích xuất thơng số bước đi dựa vào các khoảng ZVI đã được thể hiện trong Mục 3.6.
Trong trường hợp khung tập đi được đẩy đi liên tục thì khơng có các khoảng thời gian ZVI này giữa các bước đi, do vậy việc xác định từng bước đi riêng lẻ sẽ phức tạp hơn nhiều. Khi phân tích chuyển động của khung tập đi thơng qua thơng tin encoder thì tốc độ chuyển động của khung tập đi tương ứng với tốc độ quay của bánh xe tăng lên và giảm xuống có chu kỳ theo bước chân người dùng. Để thấy rõ được điều này, một bộ lọc thông thấp được sử dụng cho tốc độ quay của bánh xe (xem Hình 4.8). Như vậy, các bước đi riêng lẻ được xác định từ tốc độ quay của bánh xe trong trường hợp được đẩy đi liên tục.
Hình 4.8 Chuyển động có chu kỳ của bánh xe trong q trình đẩy đi liên tục
Thuật tốn phát hiện đỉnh [110] được sử dụng để phát hiện ra các điểm cực tiểu. Trong đó, chỉ những điểm cực tiểu rõ ràng tại thời điểm thỏa mãn điều kiện sau:
≤ ‖
, −
, −1‖ ≤ ℎ (4-43)
Trong đó:
- và −1 là chỉ số thời điểm rời rạc của điểm cực tiểu hiện tại và điểm cực tiểu trước đó. Cácđiểm tương ứng với các bước chân được đánh dấu bằng dấu ‘*’ màu đỏ trong Hình 4.8.
Hình 4.9 thể hiện thơng số bước đi được trích xuất trong q trình đẩy khung tập đi liên tục dọc theo hành lang dài 20 gồm tốc độ bước (hình dưới) và độ dài bước (hình trên). Thơng số bước đi gồm khoảng cách, số bước, thời gian hoàn thành, độ dài một bước, chu kỳ bước và tốc độ bước của một người dùng sử dụng 4 cách đi khác nhau với khung tập đi được thể hiện trong Bảng 4.3.
Bảng 4.3 Kết quả thông số bước đi một người dùng khung tập đi đi thẳng 20 m
Loại Lần thí Khoảng Sớ Thời Độ dài Chu kỳ Tốc độ
chuyển nghiệm cách bước gian bước bước bước
động (m) (bước) (s) (mm) (s) (mm/s) 1 19,95 42 146,54 476,71 3,49 136,92 Đẩy đi 2 19,94 41 148,9 489,08 3,63 135,01 từng 3 19,89 46 146,84 435,41 3,19 136,7 bước 4 19,9 48 152,76 417,77 3,18 131,09 5 19,99 48 168,38 418,16 3,51 119,28 1 19,78 32 22,76 620,72 0,71 933,58 Đẩy đi 2 19,85 35 27,17 575,15 0,78 776,97 liên 3 19,81 34 26,06 589,86 0,77 797,96 tục 4 19,63 33 26,54 587,94 0,8 798,23 5 19,85 33 25,19 614,45 0,76 837,86 1 20,42 38 136,12 539,05 3,58 150,63 Nhấc 2 2 19,84 38 130,6 523,94 3,44 152,67 chân 3 20,03 39 138,94 514,93 3,56 144,68 sau 4 20,26 39 138,57 521,12 3,55 146,7 5 19,66 39 132,1 506,13 3,39 149,71 1 20,32 35 136,78 582,06 3,91 150,19 Nhấc 2 20,26 35 135,58 581,12 3,87 151,33 hoàn 3 20,04 34 138,31 591,25 4,07 146,12 toàn 4 20,23 33 135,1 615,19 4,09 151,16 5 20,62 34 140,76 608,57 4,14 147,67
Sai sớ trung bình 1%
Ngồi các thơng số bước đi đơn giản, cịn có thể truy xuất được quỹ đạo chuyển động và tư thế của khung tập đi trong quá trình sử dụng như trong Hình 4.10. Điều này khá hữu ích cho các bác sĩ hoặc chuyên gia đánh giá khả năng đi lại và tình trạng sức khỏe của người dùng.
Hình 4.9 Thơng số bước đi trong q trình đẩy khung tập đi 20 m
Hình 4.10 Độ cao và tư thế của khung tập đi trong quá trình sử dụng4.6 Thí nghiệm đánh giá hoạt động của thuật tốn 4.6 Thí nghiệm đánh giá hoạt động của thuật tốn
4.6.1 Hệ thống thí nghiệm
Hình 4.11 thể hiện hệ thống khung tập đi, có gắn mơ đun cảm biến IMU của hãng Xsens (MTi-1) và 2 encoder có độ phân giải là 1024 xung/vịng của hãng LS,
được chế tạo phục vụ thí nghiệm kiểm chứng kết quả của thuật tốn đề xuất. Trong đó, mơ đun cảm biến IMU có thể được gắn tại bất kì vị trí nào trên khung tập đi. Trong mơ hình thực nghiệm mơ đun cảm biến IMU được gắn như trên hình để thuận tiện cho việc thao tác. Các encoder được gắn trên bánh xe thông qua hệ thống gồm 2 bánh răng.
Hình 4.11 Hệ thống khung tập đi được chế tạo (nguồn [106])
SD Card
IMU
Tuy nhiên, do việc sử dụng cơ cấu bánh răng để truyền chuyển động từ bánh xe lên encoder nên việc tiếp xúc và truyền động không tốt và thường gây ra hư hỏng trong q trình sử dụng. Mơ hình thực nghiệm đã được cải tiến như trong Hình 4.12. Trong đó, Encoder được gắn với trục bánh xe thay vì hệ thống bánh răng để đảm bảo độ tin cậy.
4.6.2 Mơ tả các thí nghiệm
Trong phần này, tiến hành 05 thí nghiệm để kiểm chứng và đánh giá hoạt động của thuật tốn đề xuất. Thí nghiệm đầu tiên thực hiện với 05 người dùng (xem thông tin tại Bảng 3.4) đi dọc hành lang 20 m. Trong đó, mỗi người đi 05 lượt, mỗi lượt sử dụng 4 kiểu sử dụng khung tập đi khác khau, mỗi kiểu đi 5 , mục đích để kiểm chứng thuật tốn phát hiện và phân loại chuyển động. Đồng thời, cũng truy xuất kết quả để đánh giá độ chính xác của thuật tốn ước lượng chuyển động sử dụng kết hợp chuyển động do cảm biến IMU và encoder ước lượng.
Thí nghiệm thứ hai cũng thực hiện với 05 người dùng đi bộ dọc hành lang 20 . Trong đó, mỗi người thực hiện 5 lượt đi cho mỗi kiểu sử dụng khung tập đi (có 4 kiểu) với tổng là 20 lượt đi dọc hành lang 20 . Mục đích của thí nghiệm này để đánh giá thuật tốn ước lượng chuyển động bằng cách sử dụng thơng tin encoder để cập nhật chuyển động do cảm biến IMU ước lượng trong các kiểu sử dụng khung tập đi khác nhau. Thí nghiệm này cũng được sử dụng để phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các phương trình cập nhật lên độ chính xác phương pháp đề xuất.
Thí nghiệm thứ ba được thực hiện với 05 người sử dụng khung tập đi 2 dưới sự giám sát của hệ thống OptiTrack. Lúc này, quỹ đạo chuyển động trong từng bước đi được trích xuất để đánh giá vai trị của bộ lọc Kalman và độ chính xác của thuật tốn phát hiện thời điểm bước chân chạm đất trong trường hợp đẩy khung tập đi liên tục cũng như đánh giá độ chính xác của thuật tốn trong từng bước đi sử dụng hệ thống chuẩn.
Lưu ý rằng các thí nghiệm trên đây khơng thực hiện với hoạt động đổi hướng khung tập đi do việc đổi hướng khung tập đi khơng làm thay đổi vị trí của người dùng. Thí nghiệm thứ tư được thực hiện với chuyển động đổi hướng với các quỹ đạo định
sẵn nhằm đánh giá hoạt động của thuật tốn trong trường hợp các bài kiểm tra thơng số bước đi có sử dụng hoạt động đổi hướng.
Thí nghiệm thứ năm được thực nghiệm tại bệnh viện với sự tham dự của các bệnh nhân đang điều trị và phục hồi chức năng. Thí nghiệm nhằm để đánh giá khả năng và độ chính xác của việc ước lượng được thơng số bước đi của bệnh nhân.
4.6.3 Đánh giá thuật toán kết hợp chuyển động do IMU và encoder ướclượng lượng
Thí nghiệm thứ nhất được tiến hành với 05 người dùng có khả năng đi lại bình thường sử dụng khung tập đi dọc một hành lang dài 20 . Những người dùng này đã được hướng dẫn cách sử dụng khung tập đi theo cách của người già hoặc người cần hỗ trợ đi lại. Trong mỗi lượt đi, người dùng sử dụng tuần tự khung tập đi: 5 đẩy đi liên tục, 5 đẩy đi từng bước, 5 nhấc 2 chân sau và 5 nhấc hoàn toàn khung tập đi.
Bảng 4.4 Kết quả 5 người dùng khung tập đi đi thẳng 20 m
Người Tiêu Thông số ước lượng (m)
dùng chuẩn Đẩy đi Đẩy đi Nhấc 2 Nhấc Tổng đánh
liên từng chân hoàn hợp
giá
tục bước sau toàn
TB 5,019 4,953 4,893 4,992 19,80 1 STD 0,025 0,033 0,108 0,112 0,136 RMSE 0,029 0,055 0,144 0,101 0,235 TB 4,958 4,989 5,125 5,099 20,14 2 STD 0,018 0,016 0,113 0,078 0,187 RMSE 0,045 0,018 0,161 0,121 0,221 TB 4,981 5,012 4,966 5,109 20,02 3 STD 0,019 0,010 0,125 0,098 0,141 RMSE 0,025 0,015 0,117 0,140 0,128 TB 5,002 4,965 5,093 5,231 20,29 4 STD 0,016 0,019 0,044 0,114 0,153 RMSE 0,015 0,039 0,101 0,252 0,317 TB 4,992 4,975 5,237 4,982 20,15 5 STD 0,074 0,015 0,134 0,189 0,238 RMSE 0,066 0,029 0,266 0,170 0,262 TB 4,990 4,979 5,063 5,083 20,08 STD 0,040 0,028 0,159 0,146 0,231 RMSE 0,040 0,034 0,168 0,165 0,241 Sai số TB 0,36% 0,52% 2,38% 1,86% 0,80%
Kết quả phát hiện và phân loại chuyển động theo thời gian được thể hiện trong Hình 4.13. Trong đó, hình đầu tiên thể hiện tín hiệu xung encoder thu được trong q trình làm thí nghiệm. Hình thứ hai là các khoảng thời gian chuyển động được phát hiện sử dụng tín hiệu các encoder. Rõ ràng việc sử dụng encoder khơng thể phát hiện được chuyển động nhấc hồn tồn khung tập đi lên và không thể phân biệt được giữa chuyển động lăn đi từng bước hay chuyển động nhấc 2 chân sau của khung tập đi.
Hình thứ ba thể hiện tín hiệu vận tốc góc quay quanh phương của khung tập đi được tính từ tín hiệu của cảm biến IMU. Hình thứ tư thể hiện các khoảng chuyển động của khung tập đi được phát hiện bởi thuật toán phát hiện chuyển động sử dụng thơng tin vận tốc góc quay quanh phương của khung tập đi. Rõ ràng việc sử dụng thông tin từ cảm biến IMU không thể phát hiện chính xác khoảng chuyển động trong trường hợp đẩy đi liên tục và đẩy đi từng bước. Ngoài ra, khi chỉ sử dụng riêng cảm biến IMU thì khó có thể phân biệt rõ ràng được loại chuyển động nhấc 2 chân sau và nhấc hồn tồn khung tập đi.
Hình cuối của Hình 4.13 thể hiện việc phân loại chuyển động sử dụng thuật tốn đề xuất kết hợp thơng tin của encoder và cảm biến IMU. Trong hình này, chuyển động đẩy đi liên tục được thể hiện trong khoảng từ giây thứ 1 đến giây thứ 12 tương ứng với 5 đi đầu tiên, chuyển động đẩy đi từng bước được thể hiện từ giây thứ 12 đến giây thứ 42 tương ứng với 5 đi thứ hai, chuyển động nhấc 2 chân sau khung tập đi thể hiện từ giây thứ 42 đến giây thứ 78 tương ứng với 5 đi thứ ba và chuyển động nhấc hoàn toàn khung tập đi tương ứng với 5 đi cuối cùng của chặng đường
20 thí nghiệm.
Do rất khó để kiểm chứng độ chính xác của các thơng số bước đi trong khoảng đường 20 nên độ chính xác được kiểm chứng gián tiếp thơng qua khoảng cách di chuyển của người dùng được ước lượng so với quãng đường di chuyển thực là 20 . Kết quả của việc ước lượng khoảng cách di chuyển so với giá trị thực được thể hiện trong Bảng 4.4. Trong đó, sai số trung bình của việc ước lượng khoảng cách là 0,8% trên tổng quãng đường 20 di chuyển. Theo Bảng 4.3 thì số lượng bước đi trung bình xét trong khoảng cách 20 là 38 bước chân. Như vậy, khi xét về sai số trung bình cho việc ước lượng độ dài của mỗi bước đi là khoảng 0,42 . Đây là sai số rất nhỏ cho phép được trong ứng dụng đo thông số bước đi người dùng.
4.6.4 Đánh giá thuật tốn sử dụng thơng tin encoder để cập nhật cho bộ lọc
Kalman
Bảng 4.5 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với
chuyển động đẩy đi liên tục
Lần thực Độ chính xác (%)
hiện thí Người Người Người Người Người
nghiệm dùng 1 dùng 2 dùng 3 dùng 4 dùng 5 1 96,9 97,6 99,9 98,7 100 2 98,2 98,0 99,6 98,3 99,8 3 98,0 98,0 99,6 100,0 97,8 4 97,6 98,1 97,8 98,7 97,8 5 98,3 98,1 98,3 99,5 98,6 Trung bình 98,5
Thí nghiệm thứ hai được thực hiện với 05 người dùng, mỗi người thực hiện 20 lượt đi dọc hành lang 20 . Trong đó có 5 lượt đi với chuyển động đẩy khung đi liên tục (kết quả được thể hiện trong Bảng 4.4), 5 lượt đi với chuyển động đẩy khung đi từng bước (kết quả được thể hiện trong Bảng 4.6), 5 lượt đi với chuyển động nhấc 2 chân sau (kết quả được thể hiện trong Bảng 4.7) và 5 lượt đi cuối cùng với chuyển động nhấc hoàn toàn khung (kết quả được thể hiện trong Bảng 4.8).
Bảng 4.6 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với
chuyển động đẩy đi từng bước
Lần thực Độ chính xác (%)
hiện thí Người Người Người Người Người
nghiệm dùng 1 dùng 2 dùng 3 dùng 4 dùng 5 1 98,9 97,6 96,6 99,1 99,7 2 99,1 98,7 98,2 99,3 99,8 3 98,3 99,1 98,1 99,0 99,5 4 98,9 98,1 98,9 99,4 99,4 5 98,6 98,9 98,8 99,8 98,7 Trung bình 98,8
Bảng 4.7 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động
nhấc 2 chân sau khung tập đi
Lần thực Độ chính xác (%)
hiện thí Người Người Người Người Người
nghiệm dùng 1 dùng 2 dùng 3 dùng 4 dùng 5 1 98,2 97,7 99,5 97,6 99,2 2 98,9 96,5 99,5 97,7 99,8 3 97,3 95,9 99,6 99,6 99,4 4 97,2 96,7 99,9 100 99,9 5 99,4 95,3 99,9 99,2 98,6 Trung bình 98,5
Theo các bảng này, độ chính xác phần trăm của việc ước lượng khoảng cách di chuyển so với khoảng cách thực tế (20 ) trung bình là 98,8% cho chuyển động đẩy đi từng bước, 98,5% cho chuyển động đẩy đi liên tục, 98,5% cho chuyển động nhấc 2 chân sau của khung tập đi và 98,3% cho chuyển động nhấc hoàn tồn khung tập đi. Độ chính xác trung bình trong 4 trường hợp trên là 98,53% tương ứng với sai số trung bình là 1,47%.
Bảng 4.8 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động
nhấc hoàn toàn khung tập đi
Lần thực Độ chính xác (%)
hiện thí Người Người Người Người Người
nghiệm dùng 1 dùng 2 dùng 3 dùng 4 dùng 5 1 97,6 97,9 99,0 99,4 96,2 2 98,5 97,5 98,0 99,8 98,6 3 99,9 98,5 97,6 99,0 97,3 4 99,1 97,0 99,2 97,4 97,2 5 99,1 99,4 98,7 96,6 99,1 Trung bình 98,3
Khoảng cách di chuyển của khung tập đi chính là tổng số của độ dài các bước chân của người dùng. Do vậy, độ chính xác ước lượng khoảng cách di chuyển cũng
có thể suy ra được độ chính xác của độ dài các bước đi. Theo Bảng 4.3, trung bình có 38 bước đi cho khoảng cách 20 . Như vậy sai số trung bình cho mỗi bước đi là 0,77 cho bước đi trung bình 0,53 . Sai số này là rất nhỏ trong ứng dụng ước lượng thông số bước đi.
Đối với mỗi kiểu sử dụng khung tập đi, luận án thể hiện sai số trung bình và sai số RMSE của 20 m di chuyển sử dụng thuật toán của hệ thống INS cơ bản sử dụng ZUPT và cập nhật độ cao (xem cột 3), cập nhật quaternion sử dụng phương đứng của khung tập đi (xem cột 4), cập nhật quaternion sử dụng các encoder (xem cột 5) và cập nhật vị trí sử dụng các encoder (xem cột 6) trong các Bảng 4.9, Bảng 4.10, Bảng 4.11 và Bảng 4.12.
4.6.5 Phân tích đánh giá sự ảnh hưởng của các phương trình cập nhật sử dụng thông tin từ encoder
Bảng 4.9 Sai số ước lượng (m) cho 20 m đẩy đi liên tục
INS + cập INS + cập
INS nhật INS + cập
Người Tiêu nhật
quaternion nhật vị trí dùng chuẩn +ZUPT (phương quaternion (encoder)
(encoder) đứng) 1 TB -4,594 -7,664 0,597 0,312 RMSE 5,002 7,724 5,359 0,313 2 TB -42,362 -4,390 -9,892 0,328 RMSE 51,243 4,514 14,518 0,340 3 TB -9,278 -4,540 0,425 0,156 RMSE 35,987 4,648 17,964 0,210 4 TB 2,702 6,928 -2,175 0,200 RMSE 2,835 7,006 17,857 0,237 5 TB 6,848 -3,946 11,255 0,640