7. Bố cục chung của luận án
1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu việc ứng dụng cảm biến IMU trong ước lượng
1.4.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ước lượng thơng số bước đi sử dụng IMU
bình thường và IMU đặt trên khung tập đi cho người dùng cần hỗ trợ đi lại, đặc biệt là người tập vận động phục hồi chức năng. Lúc này, hệ thống INS sẽ ước lượng quỹ đạo chuyển động của cảm biến IMU gắn liền với bàn chân hoặc khung tập đi, từ đó các thơng số bước đi của người dùng được trích xuất từ quỹ đạo của cảm biến IMU.
1.4.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ước lượng thơng số bước đi sử dụng IMU đặt trên bàn chân IMU đặt trên bàn chân
Liên quan đến hướng nghiên cứu này, một hệ thống gồm một cảm biến IMU và hai cảm biến lực được gắn dưới gót và dưới mũi bàn được đề xuất năm 2010 [41]. Cảm biến lực được sử dụng để phát hiện thời điểm chạm đất của bàn chân, đây là thời điểm bắt đầu của chu kỳ sải chân. Sai số của việc ước lượng độ dài sải chân đạt được cho bài 10MWT là 34,1 ± 2,7 𝑚𝑚 tương đương với 3,4% (với độ dài sải chân trung bình là 1 𝑚).
Mặc dù quy trình ước lượng tương tự như trên nhưng trong [42] sử dụng biểu diễn DCM để xác định hướng của cảm biến IMU gắn trên bàn chân. Phương pháp này đạt được sai số ước lượng khoảng cách đi bộ là 2%. Một số hệ thống sử dụng tích phân trực tiếp cho định vị người đi bộ được thể hiện trong [44]–[46]. Những cơng trình này thuộc nhóm phương pháp ước lượng vị trí và hướng bàn chân sử dụng cảm biến IMU và các cảm biến phụ trợ để ước lượng thơng số bước đi [47]. Trong cơng trình [44] sử dụng một cảm biến IMU và một camera gắn trên bàn chân. Trong đó, camera được sử dụng để đọc các điểm đánh dấu trên mặt đất nhằm cập nhật vị trí và hướng của bàn chân. Hệ thống đạt được sai số rất thấp là 1,99 𝑚𝑚 cho sải chân trung
Trang 34
bình là 0,8 𝑚 tương ứng với 0,25%. Tuy có độ chính xác cao nhưng giải pháp này khá cồng kềnh về mặt phần cứng như đã trình bày ở trên vừa nặng về mặt xử lý (do sử dụng đến thuật toán INA, xử lý ảnh, thuật toán làm trơn quỹ đạo). Ngồi ra, cịn phải cài đặt hệ thống điểm đánh dấu trên mặt đất và không gian làm việc bị giới hạn bởi số lượng các điểm đánh dấu như trong bài báo đã đề cập. Trong [45], sử dụng 2 cảm biến IMU đặt trên 2 bàn chân kết hợp với một camera được đặt trên mu bàn chân và hướng đến các đèn LED hồng ngoại được bố trí ở gót chân cịn lại để ước lượng tương quan giữa hai bàn chân nhằm nâng cao độ chính xác trong ước lượng quỹ đạo bàn chân. Hệ thống này có ưu điểm là ước lượng thêm được một số thông số bước đi như độ rộng bước nhưng sai số lớn (2,5 𝑐𝑚/bước tương ứng với 5%), phức tạp về mặt phần cứng và xử lý (sử dụng bộ lọc Kalman 24 trạng thái, xử lý ảnh và thuật toán làm trơn quỹ đạo), Trong [46], hệ thống gồm 2 cảm biến IMU và nhiều cảm biến lực gắn trên cả 2 chiếc giày của người dùng đã được đề xuất để ước lượng thông số bước đi nhằm phát hiện dáng đi bất thường. Hơn nữa, hệ thống còn sử dụng các cảm biến khoảng cách để cập nhật độ cao của bản chân. Nhược điểm của hệ thống là khá phức tạp (về phần cứng và thuật toán) và sai số lớn (9,34%). Một hướng nghiên cứu khác [48] tuy không sử dụng các cảm biến phụ trợ để nâng cao độ chính xác trong việc ước lượng vị trí và hướng của bàn chân nhưng lại sử dụng đến 03 cảm biến IMU trên một bàn chân. Hướng nghiên cứu này ước lượng được bước đi trong trường hợp mặt đất không bằng phẳng nhưng sai số lớn (8%) và phức tạp do sử dụng đến 03 cảm biến IMU.
Nhìn chung các cơng trình đã cơng bố đã giải quyết được một số vấn đề nhất định nhưng cũng tồn tại những hạn chế riêng. Trong đó, các hệ thống đơn giản thường có sai số lớn trong khi các hệ thống có sai số nhỏ thì thường phức tạp về phần cứng và thuật tốn,… Luận án hướng đến việc xây dựng hệ thống INS đặt trên bàn chân để ước lượng thông số bước đi vừa đơn giản về phần cứng và thuật toán vừa đảm bảo độ chính xác và linh hoạt trong sử dụng. Hệ thống đề xuất sử dụng kết hợp một cảm biến IMU và một cảm biến khoảng cách đặt trên bàn chân. Trong đó, cảm biến IMU được dùng để ước lượng quỹ đạo 3D của bàn chân trong quá trình bước đi sử dụng
Trang 35
nguyên lý thuật tốn INA, và cảm biến khoảng cách ln hướng xuống đất trong quá trình bước đi để cập nhật sai số cho hệ thống. Thông tin từ cảm biến khoảng cách cho phép nâng cao độ chính xác trong việc ước lượng vị trí cũng như quỹ đạo 3D của bàn chân trong quá trình bước đi. Luận án sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng kiểu MEKF cho hệ thống INS để cập nhật và loại bỏ sai số sử dụng cập nhật ZUPT và thông tin từ các cảm biến khoảng cách. Cùng ý tưởng này, một cơng trình được nghiên cứu mới đây [49] được cơng bố trên hệ thống IEEE, đã trích dẫn cơng trình của tác giả luận án [50], sử dụng kết hợp cảm biến IMU và cảm biến khoảng cách đặt trên bàn chân. Tuy nhiên kết quả cơng bố chỉ mang tính định tính mà khơng phân tích định lượng.