7. Bố cục chung của luận án
1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu việc ứng dụng cảm biến IMU trong ước lượng
1.4.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu ước lượng thông số bước đi sử dụng IMU
IMU đặt trên khung tập đi
Một nghiên cứu trong [22] đã chứng minh rằng việc sử dụng hệ thống khung tập đi để ước lượng thông số bước đi giúp cho quá trình phục hồi chức năng được diễn ra nhanh chóng và giảm thiểu sai sót một cách đáng kể. Cụ thể, thời gian thực hiện trung bình giảm 5 lần (từ 25 phút xuống 5 phút); sai sót giảm gần như hồn tồn đối với bài vật lý trị liệu đi 5 𝑚 về phía trước sử dụng khung tập đi.
Khung tập đi được sử dụng trong rất nhiều nghiên cứu về ước lượng thông số bước đi [51]. Theo tiêu chuẩn ISO thì khái niệm khung tập đi bao gồm loại cơ bản không bánh, loại 2 bánh, 3 bánh và 4 bánh (rollator) [52]. Có một số hệ thống sử dụng cảm biến gắn trên khung tập đi loại 4 bánh đã được đề xuất [53]–[56] để ước lượng thông số bước đi. Trong [53], hệ thống khung tập đi thông minh (loại 4 bánh) dựa trên ra đa Doppler, cảm biến gia tốc và cảm biến lực, được đề xuất sử dụng trong chăm sóc sức khỏe. Những cảm biến này được phân bố trên khung tập đi nhằm phân tích thơng tin dáng đi của người dùng. Trong đó, một ra đa Boppler hướng vào chân và một ra đa khác phát hiện sự quay của bánh xe trong khi cảm biến lực được bố trí tại tay cầm để ghi lại dữ liệu lực tay tác động vào. Cảm biến gia tốc 3D được ứng dụng để ước lượng mức độ vận động của người dùng.
Trang 36
Trong [54] và [55], một rollator được đề xuất để theo dõi chuyển động của chân người dùng, gồm 2 encoder và cảm biến khoảng cách 2D. Cảm biến khoảng cách 2D này xác định sự chuyển động giữa các chân so với rollator trong khi các encoder (gắn với 2 bánh) được dùng để xác định sự chuyển động của rollator.
Một phiên bản rollator thông minh được đề xuất trong [56] để ước lượng khoảng cách, tốc độ di chuyển, gia tốc và lực. Tốc độ của rollator được ước lượng sử dụng cảm biến Hall và chuỗi các nam châm được bố trí trên các bánh xe. Góc nghiên và gia tốc của rollator được ước lượng sử dụng cảm biến gia tốc 3D.
Những hệ thống được đề xuất trên đây chỉ có thể ước lượng một số thơng số bước đi đơn giản. Hơn nữa, các hệ thống chỉ sử dụng với rollator mà không thể trực tiếp áp dụng cho một khung tập đi không bánh hoặc khung tập đi có 2 bánh trước do khung tập đi có thể bị nhấc lên khỏi mặt đất trong quá trình di chuyển. Trong khi đó, theo [4], loại khung tập đi chuẩn và khung tập đi với 2 bánh trước được sử dụng chính trong việc hỗ trợ đi lại. Do đó, việc ước lượng thơng số bước đi cho những loại khung tập đi này là rất quan trọng.
Trong [57], tác giả bài báo đã đề xuất hệ thống ước lượng thông số bước đi cho người dùng sử dụng khung tập đi với hệ thống INS đeo trên cổ tay. Tuy đây là hệ thống rất tiện lợi cho người dùng nhưng độ chính xác đạt được của hệ thống này thấp với sai số khoảng cách là 1,78 𝑚 trên quãng đường ước lượng 20 𝑚 (tương ứng với sai số 8,9%).
Trong luận án này, đề xuất một hệ thống INS để ước lượng thông số bước đi cho cả khung tập đi không bánh và khung tập đi với 2 bánh trước có độ chính xác cao, sử dụng linh hoạt. Trong đó, một cảm biến IMU được gắn trên khung tập đi để ước lượng quỹ đạo chuyển động của khung sử dụng bộ lọc Kalman dựa trên hệ thống INS. Với loại khung tập đi có 2 bánh trước thì sử dụng thêm 2 encoder để giám sát chuyển động của 2 bánh. Khi đó, quỹ đạo ước lượng của khung tập đi sẽ được cập nhật từ thông tin của encoder trong trường hợp khung tập đi được đẩy trên mặt đất. Từ đó, thơng số bước đi của người dùng được trích xuất từ quỹ đạo của khung tập đi do vị
Trang 37
trí tương đối giữa chân người dùng và khung tập đi sau mỗi bước đi được xem là không đổi.