Việc xác định mối quan hệ giữa các hệ tọa độ ICS và BCS bao gồm ma trận quay và vectơ tịnh tiến không dễ dàng đo được bằng thước mà cần phải được hiệu chỉnh thơng qua thuật tốn để đem lại giá trị chính xác sẽ được trình bày ở Mục 4.2.3.
4.2.2 Kết nối phần cứng và đồng bộ dữ liệu
Một vi điều khiển Arduino Uno R3 được sử dụng để dọc và đồng bộ dữ liệu của 01 IMU MTi-1 của hãng Xsens và 02 encoder 1024 xung/vòng của hãng LS sau đó lưu vào thẻ nhớ Micro SD. Để tiện cho việc sử dụng, một công tắc được bố trí tại vị trí tay cầm để bắt đầu hoặc kết thúc quá trình đọc dữ liệu.
Việc kết nối các thành phần của hệ thống được thể hiện trong Bảng 4.1. Trong đó, việc truyền nhận dữ liệu giữa cảm biến IMU và Arduino được thực hiện qua cổng truyền nhận dữ liệu không đồng bộ (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter
– UART) với 2 dây Rx, Tx. Các encoder được sử dụng cả dây A và B để xác định
chiều quay của bánh xe. Các chân ngắt ngồi của Arduino được sử dụng trong mục đích này để việc đọc encoder được thực hiện một cách nhanh chóng và kịp thời. Điều này là cần thiết khi tốc độ di chuyển lớn và độ phân giải của encoder cao.
Bảng 4.1 Đấu nối cảm biến với arduinoArduino Uno R3 Arduino Uno R3 Rx Tx INT 0 (Digital 2) Digital 4 INT 1 (Digital 3) Digital 5 Digital 7 Digital 11 Digital 12 Digital 13
Do việc đọc dữ liệu qua cổng UART khá mất thời gian trong khi thời gian lấy mẫu là 10 nên MTi-1 được cấu hình khơng sử dụng dữ liệu của cảm biến từ trường để giảm số byte dữ liệu đọc về. Cấu trúc của một khung dữ liệu lưu trữ vào thẻ nhớ SD có dạng như Bảng 4.2 gồm 32 byte. Trong đó, phần đầu khung gồm các byte báo hiệu bắt đầu 1 khung dữ liệu và số lượng byte dữ liệu đi kèm. Gia tốc và vận tốc góc gồm 3 thành phần theo 3 phương , , . Dữ liệu của mỗi thành phần là một số thực nên được mã hóa bằng 4 byte dữ liệu. Mặc dù độ phân giải của encoder lớn nhưng do thời gian lấy mẫu rất nhỏ (10 ) nên số lượng xung encoder trong thời gian lấy mẫu tối đa khoảng tầm 20 xung. Do vậy, dữ liệu về số xung encoder chỉ được mã hóa bằng 1 byte dữ liệu. Số thứ tự của dữ liệu được sử dụng để kiểm tra việc mất dữ liệu trong quá trình đọc và ghi dữ liệu.
Bảng 4.2 Khung dữ liệu đóng góiĐầu Đầu
khung
4 byte
4.2.3 Thuật tốn ước lượng mối quan hệ giữa hệ toạ độ ICS và BCS
Đặt vectơ ∈ 3 và ma trận ∈ 3×3 là vectơ tịnh tuyến và ma trận quay chuyển một vectơ biểu diễn trong hệ toạ độ BCS sang ICS. Lúc này, là vị trí của cảm biến IMU trong hệ toạ độ BCS, có thể đo được bằng thước. Do các vectơ cột trong ma trận chính là các trục của hệ toạ độ BCS trong ICS, nên = [[ ] [yb] [zb] ]. Do cảm biến IMU có kích thước rất nhỏ nên khơng thể đo chính xác phương hướng các trục bằng thước nên cần đề xuất phương pháp ước lượng
.
Theo cách định nghĩa của hệ toạ độ BCS thì thẳng đứng và hướng lên trên trùng phương với gia tốc trọng trường trong trường hợp khung tập đi di chuyển trên mặt đất nằm ngang. Tại thời điểm ban đầu thì khung tập đi đang đứng yên nên giá trị gia tốc mà IMU đo được chính là gia tốc trọng trường và có hướng từ dưới lên trên. Như vậy ta có:
[ ]
Thí nghiệm để ước lượng [ ] được thực hiện bằng cách đẩy khung tập đi theo đường thẳng hướng về trước trên sàn nhà một khoảng cách ngắn (khoảng 1 ). Lúc này, hướng di chuyển của khung tập đi trong hệ toạ độ BCS là [ ] được tính tốn sử dụng thơng tin từ 2 encoder như trong Hình 4.6 và cơng thức (4-23). Ngồi ra hướng di chuyển này trong hệ toạ độ ICS là [ ] cũng được ước lượng sử dụng cảm biến IMU bằng thuật toán của hệ thống INS trong Chương 2.
Theo quy trình của thí nghiệm thì trục [ ] là trùng hướng với [ ] , tuy nhiên trong q trình thực hiện thí nghiệm [ ] khơng hồn tồn trùng với trục [ ] . Gọi là góc giữa [ ] và [ ] và được xác định như sau
cos =
sin =
trong đó, [ ] = [ ] .
Việc xác định [ ] được xác định bằng cách quay [ ] quanh trục [ ] một góc đúng bằng góc giữa [ ] và [ ] . Phép quay vectơ [ ] quay trục [ ] để tìm [ ] được thực hiện thông qua 5 bước liên tiếp bao gồm việc quay quanh trục để đưa [ ] về mặt phẳng , quay quanh trục để đưa [ ] về trùng với , quay quanh trục một góc , quay ngược lại theo trục , quay ngược lại theo trục . Kết quả của việc này được tóm tắt như sau
[ ] = ( , − ) ( , − ) ( , ) ( , ) ( , )[ ] trong đó: 1 -(,)=[0 0 cos - (,)=[ 0 −sin cos - ( , ) = [sin 0 - =√2+2 - cos = - sin = - cos = - sin = −
Một thuật toán để ước lượng nhanh mối quan hệ giữa cảm biến IMU và khung tập đi loại không bánh gồm ma trận quay và vectơ tịnh tiến cũng được tác giả luận án đề xuất trong cơng bố [107].
4.3 Thuật tốn 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.
Đẩy đi từng bước (B) (1) (2) (3) (4) (5) Nhấc 2 chân sau (C) (1) (2) (3) (4) (5) Nhấc hoàn toàn (D) (1) (2) (3) (4) (5) Đổi hướng (E) (1) (2) (3) (4) (5)