7. Bố cục chung của luận án
1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu việc ứng dụng cảm biến IMU trong ước lượng
1.4.2 Mơ hình dáng đi
Một số nghiên cứu ước lượng tốc độ bước đi thông qua độ dài sải chân. Độ dài sải chân được tính tốn từ mơ hình động học của chân được xác định bởi các cảm biến IMU đặt trên hai chân.
Các nghiên cứu ban đầu đã cố gắng áp dụng một mơ hình dáng đi đơn giản để hạn chế việc cấu hình cảm biến phức tạp và giảm q trình tính tốn. Năm 1997, Miyazaki [29] đã đề xuất phương pháp ước lượng độ dài sải chân và tốc độ bước đi sử dụng một cảm biến vận tốc góc gắn trên đùi và mơ hình dáng đi đối xứng. Trong mơ hình này, mỗi chân được xem là một đoạn đơn và hai chân được giả sử là cân đối. Do vậy, hai đoạn chân và đoạn nối giữa hai gót chân tạo thành một tam giác cân. Góc giữa hai chân được tính bằng cách tích phân vận tốc góc đo được từ cảm biến vận tốc góc gắn trên đùi. Từ đó khoảng cách giữa hai chân, gọi là độ dài bước chân hay một nửa sải chân, được tính sử dụng tính chất tam giác cân. Thí nghiệm đi trên mặt đất chỉ ra rằng đây là mơ hình dáng đi đơn giản với sai số khoảng 15%.
Trong [30], cũng mơ hình mỗi chân được xem là đoạn đơn nhưng với cảm biến vận tốc góc đặt trên cẳng chân. Độ dài sải chân được tính theo mơ hình con lắc với một chân lắc qua lại quanh hông trong quá trình đi bộ. Độ dài sải chân được tính bằng tích của giới hạn góc quay và độ dài đoạn chân.
Một phương pháp khác sử dụng mơ hình một đoạn chân cũng được đề xuất trong [31]. Trong đó, sử dụng thêm một cảm biến gia tốc gắn trên cẳng chân dọc theo
Trang 29
cảm biến vận tốc góc. Thuật tốn sử dụng cùng phương pháp với thuật toán trong bài báo [30] nhưng cảm biến gia tốc được sử dụng để đo góc của đùi trước khi bắt đầu bước đi.
Trong [32], các thông số bước đi được ước lượng sử dụng thời điểm đổi chân (để xác định các tham số tạm thời) và hai cảm biến vận tốc góc. Một mơ hình dáng đi hồn chỉnh được sử dụng với việc tách biệt đoạn đùi và cẳng chân với giả sử hai chân cân đối. Trong phương pháp này, góc quay của cẳng chân và đùi được xác định bởi hai cảm biến vận tốc góc. Một chu kỳ sải chân được chia thành giai đoạn chạm đất và giai đoạn quay sử dụng thời điểm đổi chân. Khoảng cách dịch chuyển của mỗi giai đoạn được tính bằng phương pháp hình học sử dụng góc quay và độ dài đoạn đùi và đoạn cẳng chân. Thơng qua các thí nghiệm khi đi bộ trên máy chạy bộ và trên mặt đất, sai số RMSE chung là 0,06 𝑚/𝑠 (khoảng 6,7%) cho việc ước lượng tốc độ bước đi và 0,07 𝑚/𝑠 (khoảng 7,2%) cho việc ước lượng độ dài sải chân.
Một mơ hình dáng đi khác để ước lượng tốc độ bước đi được đề xuất trong [33]. Ngoài việc gắn các cảm biến ở chân, sự chuyển dịch theo phương đứng của trọng tâm được sử dụng để ước lượng tốc độ. Chuyển động của trọng tâm nằm trên mặt phẳng đối xứng của cơ thể theo quỹ đạo cung tròn quanh bàn chân trong suốt giai đoạn chạm đất. Từ đó độ dài sải chân có thể được tính theo phương pháp hình học. Kết quả thí nghiệm cho thấy sai số tối đa của phương pháp này khoảng 16%.
Việc sử dụng các mơ hình dáng đi và tín hiệu đo của cảm biến IMU để ước lượng tốc độ bước đi có ưu điểm với việc thiết lập cảm biến đơn giản và dễ sử dụng. Thứ nhất, với sự hỗ trợ của mơ hình dáng đi, cảm biến IMU chỉ cần sử dụng để cung cấp một số thơng số đơn giản như góc cẳng chân/đùi [29]–[32] và sự chuyển dịch của trọng tâm [33]. Do chỉ có một hoặc hai cảm biến được sử dụng nên sẽ hạn chế được việc xử lý vấn đề nhiễu của cảm biến như nhiễu trắng và nhiễu chậm thay đổi. Thứ hai, không giống như phương pháp mơ hình trừu tượng, mơ hình dáng đi dựa trên các nguyên lý vật lý nên khơng có những giai đoạn đặc biệt cần huấn luyện trước trong các ứng dụng ước lượng tốc độbước đi. Tuy nhiên phương pháp này cũng có những hạn chế. Đó là độ chính xác phụ thuộc lớn vào sự chính xác của mơ hình và mơ hình
Trang 30
trực tiếp ảnh hưởng đến độ phức tạp của thuật toán. So sánh kết quả trong [32] và [29] thì sai số ước lượng tốc độ bước đi của các mơ hình bước đi đơn giản khoảng gấp đôi so với sai số trong mơ hình dáng đi phức tạp. Việc nâng cao độ chính xác địi hỏi quy trình tính tốn phức tạp hơn nhiều [32]. Hơn nữa các thông số người dùng như độ dài các khớp chân phải được xác định và đưa vào xây dựng mơ hình dáng đi.