7. Bố cục chung của luận án
1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu việc ứng dụng cảm biến IMU trong ước lượng
1.4.3 Tích phân trực tiếp
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu bắt đầu sử dụng mơ hình tích phân trực tiếp để ước lượng tốc độ bước đi. Một thuật tốn tích phân trực tiếp nói chung bao gồm các bước: định nghĩa thời điểm đầu và cuối của mỗi chu kỳ sải chân, xác định hướng của cả biến IMU trong hệ WCS, lọc ra gia tốc chuyển động trong hệ WCS dựa trên hướng tức thời của cảm biến IMU và loại bỏ gia tốc trọng trường, tích phân gia tốc chuyển động trong hệ WCS từ thời điểm đầu đến cuối chu kỳ sải chân để có được vận tốc tức thời của cảm biến IMU và độ dài sải chân tương ứng.
Phương pháp tích phân trực tiếp phát triển theo hai hướng riêng biệt là phân tích dáng đi và định vị cho người đi bộ. Các nghiên cứu ban đầu sử dụng cảm biến IMU gắn cố định trên cơ thể chủ yếu tập trung vào phân tích dáng đi. Phương pháp tích phân trực tiếp để ước lượng tốc độ bước đi được đề xuất lần đầu tiên trong [34] vào năm 2005 với một cảm biến IMU cố định trên mu bàn chân. Lúc này vận tốc của cảm biến IMU có thể xem là vận tốc của bàn chân. Sự kiện bàn chân chạm đất được định nghĩa là thời điểm đầu của chu kỳ sải chân và được xác định từ dữ liệu cảm biến vận tốc góc. Một bước đặc biệt trong thuật toán là cập nhật vận tốc tại thời điểm bàn chân chạm đất ZUPT, xác định bởi hướng ban đầu của cảm biến IMU và ước tính độ lệch phép đo của cảm biến trong suốt chu kỳ sải chân. Phương pháp này đạt được sai số RMES là 0,18 𝑘𝑚/ℎ với thử nghiệm trên máy chạy bộ với tốc độ từ 3 𝑘𝑚/ℎ đến 6 𝑘𝑚/ℎ.
Trong [35], phương pháp tương tự cũng được sử dụng để ước lượng sự dịch chuyển của bàn chân cho hơn một chu kỳ sải chân. Tuy nhiên, phương pháp này sử dụng đến hai cảm biến IMU cho hai bàn chân. Một thuật toán kết hợp dữ liệu giữa cảm biến đặt trên hai chân để giảm sai số ước lượng. Mặt dù độ chính xác khơng được
Trang 31
cải thiện đáng kể (sai số 10,1 ± 6,2%) nhưng đã giới thiệu một phương pháp kết hợp thơng tin có được từ nhiều cảm biến. Điều này có tiềm năng trong việc nâng cao độ chính xác ước lượng tốc độ bước đi.
Cảm biến IMU gắn trên bàn chân là điểm thuận lợi để sử dụng cập nhật ZUPT, nhưng sự linh hoạt của khớp mắt cá chân lại gây nên mối lo ngại về ảnh hưởng của dáng đi bất thường trên dữ liệu cảm biến IMU. Để tránh điều này, cảm biến IMU đã được gắn phía bên của cẳng chân để ước lượng tốc độ bước đi với phương pháp tích phân trực tiếp [36]. Lúc này, ZUPT không thể áp dụng trong trường hợp này, thay vào đó điểm đầu và cuối của mỗi chu kỳ sải chân khi cẳng chân thẳng đứng (góc cẳng chân bằng không) đã được định nghĩa và áp dụng mơ hình con lắc ngược với giả định rằng vận tốc ban đầu của cảm biến bằng không. Giả định này dựa trên thực tế là trọng tâm được đặt tại điểm cao nhất và động năng đã chuyển thành thế năng lúc cẳng chân thẳng đứng. Nghiên cứu này đạt được sai số RMSE là 7% và 4% tương ứng với thí nghiệm đi trên máy chạy bộ và đi trên mặt đất.
Các phương pháp trong [34]–[36] chỉ tập trung trong việc ước lượng tốc độ bước đi trong mặt phẳng đối xứng của cơ thể. Điều này phù hợp với hầu hết các tình huống trong y sinh sử dụng tốc độ bước đi được đánh giá dọc theo một đường thẳng như bài kiểm tra 25FWT [21], 4MWT [19] và 10MWT [37].
Năm 2010, cảm biến IMU được gắn sau gót để ước lượng độ dài sải chân, tốc độ sải chân và góc quay trong khơng gian 3D [38]. Trước tiên hướng cảm biến trong không gian 3D được biểu diễn bởi quaternion [39]. Sau đó, gia tốc chuyển động trong hệ WCS được tính tốn dựa trên việc dùng hướng của cảm biến để loại bỏ gia tốc trọng trường khỏi giá trị đo của cảm biến gia tốc. Vận tốc trong 3D của bàn chân trong mỗi bước đi được tính bằng tích phân của gia tốc chuyển động. Sau đó, vị trí trong 3D của bàn chân trong mỗi bước đi được tính bằng tích phân của vận tốc bàn chân. Độ dài sải chân được xác định bằng khoảng cách giữa hai vị trí bàn chân chạm đất liên tiếp của một bàn chân. Sai số về độ dài sải chân và tốc độ sải chân ước lượng đạt được tương ứng là 1,3 ± 6,8% và 1,5 ± 5,8%.
Trang 32
Song song với các ứng dụng phân tích dáng đi thì cảm biến IMU cũng được sử dụng trong định vị cho người đi bộ như là một giải pháp thay thế cho GPS. Trong [40], một hệ thống định vị sử dụng cảm biến IMU đặt trên bàn chân đã được đề xuất. Trong đó, cũng đã sử dụng biểu diễn quaternion để xác định hướng tức thời của cảm biến. Nhìn chung quy trình ước lượng chuyển động là vị trí hiện tại được xác định bởi vị trí trước đó, đây chính là ngun lý của thuật tốn định vị quán tính. Sai số khoảng cách ước lượng nhỏ hơn 2%.
Mơ hình tích phân trực tiếp có ưu điểm là độ chính xác cao hơn các phương pháp khác với nhiều thuật tốn mới. So với phương pháp mơ hình trừu tượng và mơ hình dáng đi, thì phương pháp này dễ dàng sử dụng mà khơng cần phải thực hiện quy trình huấn luyện phức tạp. Việc gắn cảm biến IMU trên bàn chân hoặc cẳng chân là để thuận tiện cho việc sử dụng thông tin mặt đất tham chiếu cho thuật tốn. Vấn đề cịn tồn tại của phương pháp tích phân trực tiếp là việc xác định hướng của cảm biến và hiệu chỉnh sai số cảm biến. Do việc sử dụng phương pháp tích phân trực tiếp sử dụng đơn độc cảm biến IMU trong việc ước lượng, đặc biệt khi bàn chân được nhấc lên khỏi mặt đất, việc xác định hướng của cảm biến dựa nhiều vào việc đo vận tốc góc hoặc phương pháp biểu diễn góc như góc Euler, quanternion và DCM. Bên cạnh đó, thành phần nhiễu trắng và nhiễu chậm thay đổi phải được hiệu chỉnh một cách hợp lý trong quy trình ước lượng để đảm bảo độ chính xác. Một cách hiệu chỉnh sai số phổ biến là sử dụng cập nhật ZUPT. Nhiễu của cảm biến được đánh giá trong suốt khoảng thời gian bàn chân chạm đất ZVI của chu kỳ sải chân và được bù lại trong q trình tính tốn. Với phương pháp tích phân trực tiếp thì việc giám sát quỹ đạo 3D cũng được thực hiện [38], [40]–[43]. Không giống như các ứng dụng phân tích dáng đi thì định vị cho người đi bộ yêu cầu ước lượng quỹ đạo 3D dựa trên cảm biến IMU đơn thuần và độ chính xác ước lượng cao, có thể hoạt động trong thời gian dài. Các thông số bước đi được trích xuất từ quỹ đạo chuyển động của bàn chân. Từ kết quả các bài báo cho thấy độ chính xác từ ứng dụng định vị cho người đi bộ có xu hướng tốt hơn ứng dụng phân tích dáng đi. Mặt dù hầu hết các nghiên cứu về dáng đi liên quan đến tuổi tác hoặc bệnh lý vẫn chỉ quan tâm đến tốc độ bước đi dọc theo đường
Trang 33
thẳng nhưng khả năng giám sát quỹ đạo 3D chắc chắn mở rộng các ứng dụng của cảm biến IMU trong việc phân tích dáng đi.
Tóm lại, hướng định vị cho người đi bộ của mơ hình tích phân trực tiếp có xu hướng cho sai số nhỏ nhất đồng thời cung cấp thông tin 3D cho phép mở rộng các ứng dụng của thông số bước đi trong y tế nên được sử dụng trong luận án. Hướng định vị cho người đi bộ sử dụng thuật toán hệ thống INS để ước lượng quỹ đạo chuyển động 3D của cảm biến IMU và trích xuất thơng số bước đi. Trong đó, tập trung vào