7. Bố cục chung của luận án
4.6 Thí nghiệm đánh giá hoạt động của thuật toán
4.6.3 Đánh giá thuật toán kết hợp chuyển động do IMU và encoder ước lượng
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.
Hình 4.13 Kết quả việc phát hiện và phân loại chuyển động (nguồn: [106])
Bảng 4.4 Kết quả 5 người dùng khung tập đi đi thẳng 20 m Người dùng 1 2 3 4 5 TB STD RMSE Sai số TB
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 không thể phát hiện được chuyển động nhấc hoàn toàn 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 khơng 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 hoàn tồn khung tập đi.
Hình cuối của Hình 4.13 thể hiện việc phân loại chuyển động sử dụng thuật toán đề xuất kết hợp thông 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 thông 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 hiện thí nghiệm 1 2 3 4 5 Trung bình
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 hiện thí nghiệm 1 2 3 4 5 Trung bình Trang 117
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 hiện thí nghiệm 1 2 3 4 5 Trung bình
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 hồn 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 hồn tồn khung tập đi
Lần thực hiện thí nghiệm 1 2 3 4 5 Trung bình
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
Người dùng 1 2 3 4 5
Tổng
Bảng 4.10 Sai số ước lượng (m) cho 20 m đẩy đi từng bước Người dùng 1 2 3 4 5 Tổng
Bảng 4.11 Sai số ước lượng (m) cho 20 m nhấc hoàn toàn
Người dùng
1
2 3
4
5
Tổng
Bảng 4.12 Sai số ước lượng (m) cho 20 m nhấc 2 chân sau Người dùng 1 2 3 4 5 Tổng
Như có thể thấy trong các Bảng 4.9 và Bảng 4.10, các phương trình cập nhật đóng vai trị quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của việc ước lượng khoảng cách di chuyển trong trường hợp đẩy đi liên tục (sai số RMSE giảm từ 28,316 xuống 0,412 và giá trị trung bình sai số giảm từ 9,337 xuống 0,327 ). Tuy nhiên các phương trình cập nhật này có tác dụng khơng lớn trong trường hợp đẩy đi từng bước (sai số RMSE giảm từ 0,480 xuống 0,2 và giá trị trung bình sai số giảm từ 0,445 xuống 0,059 ). Trong đó, phương trình cập nhật vị trí sử dụng thơng tin từ encoder cho kết quả tốt nhất.
Trong các trường hợp chuyển động liên quan đến việc nhấc khung tập đi lên (xem Bảng 4.11 và Bảng 4.12) thì các phương trình cập nhật sử dụng encoder khơng có tác dụng vì lúc này các encoder không ghi lại chuyển động của khung tập đi. Lúc này, các cập nhật ZUPT và độ cao trong INS cơ bản tại các khoảng thời gian ZVI được xác định sau mỗi bước đi đã cập nhật vận tốc và độ cao để nâng cao độ chính xác.
Bên cạnh đó, khi so sánh kết quả trong các cột 4 và 5 của Bảng 4.9 và Bảng 4.10 ta thấy rằng thuật tốn INA sử dụng phương trình cập nhật quaternion sử dụng
encoder cho kết quả tốt hơn cập nhật quaternion sử dụng phương đứng trong trường hợp đẩy đi liên tục và đẩy đi từng bước.