Tài liệu ước lượng thông số bước đi dùng cảm biến quán tính đặt trên bàn chân

ÑAÏI HOÏC ÑAØ NAÜNG TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA NGUYEÃN THEÁ KHAÙNH ÖÔÙC LÖÔÏNG THOÂNG SOÁ BÖÔÙC ÑI DUØNG CAÛM BIEÁN QUAÙN TÍNH ÑAËT TREÂN BAØN CHAÂN LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ KYÕ THUAÄT ÑIEÀU KHIEÅN VAØ TÖÏ ÑOÄNG HOÙA Ñaø Naüng - Naêm 2020 IH C N NG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THẾ KHÁNH ƢỚC LƢỢNG THÔNG SỐ BƢỚC ĐI DÙNG CẢM BIẾN QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN BÀN CHÂN C u n n n Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa M số: 8520216 LU N V N TH C S N ƣời ƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Đo n Quan Vin Đ N n - Năm 2020 LỜI CẢM ƠN Với tình cảm chân thành, tôi bày tỏ lòng biết ơn đối với ại học à Nẵng, Trường ại học Bách Khoa à Nẵng, các Thầy, cô đã tham gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đến Thầy PGS.TS. oàn Quang Vinh và Th.S Phạm Duy Dưởng người đã trực tiếp giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn trong thời gian qua. Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song vẫn còn mặt hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp và sự chỉ dẫn của quý thầy, cô giáo và các bạn học viên để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cám ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... 3 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... 4 MỤC LỤC ..................................................................................................................... 5 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................... 10 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................1 2. Tổng quan về hệ thống...........................................................................................3 3. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn ......................................................................4 4. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu.....................................................4 4.1. ối tượng nghiên cứu ........................................................................................4 4.2. Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................................5 5. Ý n ĩa k oa ọc và thực tiễn của đề tài .............................................................5 6. Bố cục luận văn.......................................................................................................5 CHƢƠNG 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN QUÁN TÍNH VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 6 1.1 Giới thiệu................................................................................................................6 1.2 Tổng quan về MEMS .............................................................................................6 1.3 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS ..............................................................7 1.4 Giới thiệu cảm biến quán tính (IMU) ....................................................................7 1.4.1 Giới thiệu cảm biến gia tốc..............................................................................9 1.4.2 Giới thiệu cảm biến vận tốc góc ....................................................................11 1.4.3 Giới thiệu cảm biến từ trường .......................................................................14 1.5 Khả năng ứng dụng của IMU ...............................................................................14 1.6 Cảm biến quán tính Mti-1 của hãng Xsens ..........................................................17 1.7 Tổng quan về tình hình nghiên cứu .....................................................................18 1.7.1 Phân tích dáng đi (gait analysis) ....................................................................19 1.7.2 ịnh vị cho người đi bộ (pedestrian navigation) ...........................................20 1.8 Kết luận ............................................................................................................21 CHƯƠNG 2 - THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH .......................................... 22 2.1 Giới thiệu ..........................................................................................................22 2.2 Các hệ thống định vị và dẫn đường ..................................................................22 2.2.1 Hệ thống dẫn đường toàn cầu GPS ...............................................................22 2.2.2 Hệ thống dẫn đường quán tính .........................................................................23 2.3 Các phương trình cơ bản của định vị quán tính ...............................................24 2.4 Ƣớc lƣợn 2.5 ƣớng và vị trí trong thuật toán định vị quán tính (INA) ..........27 Kết luận ............................................................................................................28 CHƢƠNG 3 - BỘ LỌC ALMAN CHO ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH VÀ CÁC PHƢƠNG TRÌNH C P NH T ................................................................................ 29 3.1 Giới thiệu ..........................................................................................................29 3.2 Bộ lọc Kalman ..................................................................................................29 3.3 Xây dựng mô hình bộ lọc Kalman cho định vị quán tính ....................................32 3.4 Phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman ...........................................................35 3.5 Phương trình cập nhật cơ bản cho IMU đặt trên bàn chân ..................................35 3.6 Kết luận ............................................................................................................37 CHƢƠNG 4 - THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .......................................................... 38 4.1 Giới thiệu..............................................................................................................38 4.2 Thiết bị thí nghiệm ...............................................................................................38 4.3 Thí nghiệm đi thẳng dọc hành lang ......................................................................39 4.4 Thí nghiệm đi ba bước với hệ thống camera .......................................................45 4.5 ánh giá sức khỏe thông qua thông số bước đi ...................................................48 4.5.1 UUK Walk test ...............................................................................................48 4.5.2 The Time up and go .......................................................................................49 4.5.3 Four Meter Walk Test ....................................................................................50 4.6 Kết luận ................................................................................................................53 KẾT LU N.............................................................................................................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................55 ƢỚC LƢỢNG THÔNG SỐ BƢỚC ĐI DÙNG CẢM BIẾN QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN BÀN CHÂN Học viên: Nguyễn Thế Khánh Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: 36 Trường ại học Bách Khoa à Nẵng - H N Tóm tắt Cảm biến quán tính (IMU) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ước lượng chuyển động sử dụng thuật toán định vị quán tính (INA). INA dựa trên nguyên tắc kết hợp tích phân hai lớp của gia tốc và tích phân của vận tốc góc. Tuy nhiên, việc sử dụng nguyên lý tích phân sẽ làm cho sai số ước lượng tích lũy rất nhanh theo thời gian do nhiễu của các thành phần trong cảm biến. Trong luận văn này, tôi trình bày việc xây dựng INA sử dụng bộ bộ lọc Kalman mở rộng để nâng cao độ chính xác của việc ước lượng quỹ đạo chuyển động của bàn chân để ước lượng thông số bước đi của người dùng. Lúc này cảm biến quán tính được đặt trên bàn chân và ghi lại dữ liệu chuyển động của bàn chân. Quỹ đạo chuyển động của bàn chân được ước lượng bằng cách chạy INA cho dữ liệu này trên Matlab. Từ quỹ đạo chuyển động của bàn chân, chúng ta có thể trích xuất các thông số chuyển động của người dùng như độ dài bước, tốc độ bước, thời gian bước… Những thông số bước đi này rất hữu ích trong việc đánh giá tình trạng sức khỏe người dùng và giúp phát hiện một số loại bệnh qua thông số bước đi. Từ k óa - định vị; đường dẫn; cảm biến quán tính; IMU; phân tích dáng đi; ước lượng chuyển động. THE APPLICATION OF THE INERTIAL NAVIGATION OFKALMAN FILTER IN WALKING PARAMETER ESTIMATION Abstract - Inertial Measurement Unit (IMU) are increasingly widely used in motion estimation using inertial positioning algorithm (INA). INA is based on the principle of combining two-layer integration of acceleration and integration of angular velocity. However, using the integral principle will make the estimated error of accumulation very fast over time due to noise of the components in the sensor. In this dissertation we present the construction of INA using the extended Kalman filter set to improve the accuracy of the foot trajectory estimation to estimate the user's step parameters. At this moment the inertial sensor is placed on the foot and records the movement data of the foot. Trajectory motion of the foot is estimated by running INA for this data on Matlab. From the motion trajectory of the foot, we can extract the user's movement parameters such as step length, step speed, step time, etc. These step parameters are very useful in evaluating User health status and help detect some diseases through step parameters. Key words - positioning; navigation; inertial measurement unit; IMU, gait analysis; motion estimation DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiến An Tiến Việt Inertial Measurement Units Khối đo quán tính Kalman Filter Bộ lọc Kalman EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng ICS IMU coordinate system Hệ trục tọa độ của cảm biến WSC World coordinate system Hệ trục tọa độ trái đất BSC Body coordinate system Hệ trục tọa độ của hệ INA Inertial Navigation Algorithm Thuật toán định vị quán tính IMU KF DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4. 1 Ước lượng thông số bước đi và sai lệch trên quãng đường 30m ..............44 Bảng 4. 2 Sai số vị trí theo các trục khi sử dụng cập nhật vận tốc tại ZVI (m) ........47 Bảng 4. 3 Sai số vị trí theo các trục khi sử dụng cập nhật vận tốc và cập nhật độ cao tại ZVI (m) ..............................................................................................................47 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Ước lượng chuyển động bàn chân sử dụng IMU ...........................................3 Hình 1. 1 Các thành phần của thiết bị MEMS .............................................................7 Hình 1. 2 Cấu tạo của một cảm biến quán tính 6DOF.................................................8 Hình 1. 3 Một cảm biến gia tốc cổ điển được gắn trên tên lửa IRBM S3 ...................8 Hình 1. 4 Sơ đồ khối của một hệ lò xo - gia trọng ........................................................9 Hình 1. 5 Các dipole áp điện ..........................................................................................9 Hình 1. 6 Đáp ứng tần số của cảm biến kiểu áp điện .................................................10 Hình 1. 7 Cảm biến gia tốc kiểu tụ ..............................................................................10 Hình 1. 8 Cảm biến gia tốc kiểu tụ chế tạo theo công nghệ MEMS ..........................10 Hình 1. 9 Cảm biến áp trở ............................................................................................11 Hình 1. 10 Con quay hồi chuyển .................................................................................12 Hình 1. 11 Ứng dụng giám sát độ nghiêng máy bay ..................................................12 Hình 1. 12 Lực Coriolis ................................................................................................ 13 Hình 1. 13 Cấu tạo cảm biến vận tốc góc ....................................................................13 Hình 1. 14 Cảm biến vận tốc góc bằng công nghệ MEMS ........................................14 Hình 1. 15 Nguyên lý cảm biến từ trường ...................................................................14 Hình 1. 16 Năm chế độ cảm biến chuyển động. .........................................................15 Hình 1. 17 Chuyển động quay của một vật xung quanh trục Z .................................16 Hình 1. 18 Ứng dụng IMU trong chơi golf .................................................................16 Hình 1. 19 Các dòng IMU của hãng Xsens ................................................................ 17 Hình 1. 20 IMU Mti-1 ..................................................................................................17 Hình 1. 21 Sơ đồ khối chức năng của cảm biến Mti-1 ...............................................18 Hình 1. 22 Mặt trước của board mạch sử dụng cảm biến Mti-1 ...............................18 Hình 1. 23 Phân tích dáng đi .......................................................................................19 Hình 1. 24 Phân tích dáng đi sử dụng cảm biến quán tính. ......................................20 Hình 1. 25 Hệ thống định vị cho người đi bộ .............................................................20 Hình 2. 1 Quỹ đạo các vệ tinh của hệ thống GPS.......................................................23 Hình 3. 1 Hoạt động của bộ lọc Kalman .....................................................................30 Hình 3. 2 Lưu đồ thuật toán hoạt động của bộ lọc Kalman trong định vị quán tính ................................................................................................................................ 31 Hình 4. 1 Mô đun thu thập dữ liệu (trái) và bản thiết kế (phải) ................................ 38 Hình 4. 2 Tín hiệu gia tốc theo 3 trục thu được với quãng đường đi 30m ................39 Hình 4. 3 Tín hiệu vận tốc góc theo 3 trục thu được với quãng đường đi 30m ........39 Hình 4. 4 Tín hiệu gia tốc truy xuất từ giây thứ hai đến giây thứ ba ........................40 Hình 4. 5 Tín hiệu vận tốc góc truy xuất từ giây thứ hai đến giây thứ ba ................40 Hình 4. 6 Phát hiện ZVI sử dụng tín hiệu gia tốc ......................................................41 Hình 4. 7 Phát hiện ZVI sử dụng tín hiệu vận tốc góc ...............................................41 Hình 4. 8 Phát hiện ZVI sử dụng gia tốc truy xuất từ giây thứ hai đến giây thứ ba 42 Hình 4. 9 Phát hiện ZVI sử dụng vận tốc góc truy xuất từ giây thứ hai đến giây thứ ba ............................................................................................................................42 Hình 4. 10 Phát hiện ZVI sử dụng cảm biến quán tính .............................................43 Hình 4. 11 Phát hiện ZVI sử dụng cảm biến quán tính truy xuất từ giây thứ hai đến giây thứ ba ..............................................................................................................43 Hình 4. 12 Mô đun thu thập dữ liệu gắn trên bàn chân ............................................45 Hình 4. 13 Vị trí bàn chân sử dụng INA không cập nhật ..........................................45 Hình 4. 14 Vị trí bàn chân sử dụng INA cập nhật vận tốc tại điểm ZVI ...................46 Hình 4. 15 Vị trí bàn chân sử dụng INA cập nhật vận tốc và độ cao tại điểm ZVI ..46 Hình 4. 16 Phiếu đánh giá của bài kiểm tra UUK Walk test......................................49 Hình 4. 17 Bài kiểm tra The Time up and go ..............................................................50 Hình 4. 18 Bài kiểm tra 4 Meter Walk Test .................................................................51 Hình 4. 19 Đánh giá chung từ tốc độ di chuyển .........................................................51 Hình 4. 20 Đánh giá các chỉ số từ tốc độ di chuyển ...................................................52 Hình 4. 21 Một số khuyến cáo từ tốc độ di chuyển.....................................................52 1 MỞ ĐẦU 1. Tín cấp t iết của đề tài Ở nước ta hiện nay, tình hình kinh tế và đời sống xã hội ngày càng được cải thiện và phát triển. Do vậy, nhu cầu chăm sóc sức khỏe ngày càng cao và cấp thiết. iều này đặt ra yêu cầu phải cải thiện chất lượng y tế trong đó có việc phát triển các sản phẩm phục vụ chăm sóc sức khỏe. Việc nghiên cứu và đánh giá về tình trạng sức khỏe của người bệnh thông qua các phương pháp chẩn đoán như: sử dụng các xét nghiệm, chụp X - quang, Cộng hưởng từ, phân tích tín hiệu điện như điện tim, điện não…ngày càng phổ biến và được chỉ định rộng rãi. Trong đó, chẩn đoán những loại bệnh thông qua bước đi và dáng đi cũng là một trong những yếu tố đánh giá về tình trạng sức khỏe của con người, vì những thay đổi trong thông số bước đi tiết lộ thông tin quan trọng về chất lượng cuộc sống của con người. iều này đặc biệt hữu ích khi tìm kiếm thông tin đáng tin cậy về sự phát triển của các bệnh khác nhau: các bệnh thần kinh như bệnh đa xơ cứng hoặc bệnh Parkinson; các bệnh toàn thân như bệnh tim mạch (trong đó dáng đi có ảnh hưởng rất rõ ràng). Phần lớn những bệnh nhân sẽ có sự thay đổi trong cách đi do di chứng từ đột quỵ và bệnh gây ra bởi lão hóa. Vì vậy, với kiến thức đáng tin cậy và chính xác về đặc điểm thông số bước đi tại một thời điểm nhất định hoặc khi theo dõi và đánh giá chúng theo thời gian, sẽ cho phép chẩn đoán sớm các loại bệnh và biến chứng của chúng, từ đó giúp tìm ra cách khuyến cáo và hướng điều trị tốt nhất. Trên thế giới hiện nay có nhiều bài kiểm tra để đánh giá các thông số bước đi (ví dụ: 4-meters walk test [1], 50-foot walk test [2], 30-seconds chair stand test [2] và the timed up and go [3]). Trong đó, các thông số bước đi bao gồm độ dài bước, tốc độ bước, thời gian bước hoặc thời gian hoàn thành một bài kiểm tra… được sử dụng để đưa ra các khuyến cáo cho bệnh nhân như khả năng bị té ngã đối với người bị rối loạn tiền đình, khả năng bị té ngã đối với người già [3]. Hơn nữa, ở tài liệu [1] gồm 54 trang nói về bài kiểm tra 4 - Meters Walk Test. Trong đó, người ta đưa ra rất nhiều các tiêu chí để khuyến cáo cho người dùng dựa vào tốc độ của bước đi. Cụ thể như sau: tốc độ bước bé hơn 0.6 m/s thì ở mức độ nguy hiểm, từ 0.6 m/s đến 1 m/s thì ở mức độ cảnh báo, lớn hơn 1 m/s là bình thường; tốc độ bước bé hơn 0.67 m/s thì phải cẩn thận và phải được chăm sóc, từ 0.67 m/s đến 0.89 m/s thì có thể di chuyển và tham gia các hoạt động trong nhà, từ 0.89 m/s đến 1.11 m/s thì có thể bưng bê các vật nhẹ và tham gia các công việc nhẹ trong sân vườn, từ 1.11 m/s đến 1.33 m/s thì có thể đi cầu thang… 2 Trên cơ sở các bài kiểm tra đó, chúng ta có thể hiệu chỉnh lại cho phù hợp với điều kiện thể trạng người Việt Nam. Hơn nữa, chúng ta có thể xây dựng lại các bài kiểm tra đối với những người sử dụng gậy hoặc walker để hỗ trợ đi lại. ể có thể tính toán và đáp ứng được các yêu cầu trong việc thực hiện các bài kiểm tra để đánh giá thông số bước đi hạn chế được sự nhầm lẫn do sự chủ quan gây ra từ quá trình quan sát bằng mắt của Bác sỹ. Chúng ta cần hướng đến việc chế tạo thiết bị để xác định ước lượng được các thông số bước đi cho người dùng để tạo kênh thông tin khách quan, chính xác hơn hỗ trợ Bác sĩ trong quá trình đánh giá tình trạng sức khỏe của người dùng. Xuất phát từ thực tiễn đó, để có thể thực hiện việc ước lượng tính toán một cách chính xác các thông số bước đi như: độ dài bước, tốc độ bước, thời gian bước chúng ta cần phải sử dụng các thiết bị để thu thập thông tin và tính toán dữ liệu đáng tin cậy và hiệu quả. Ở đề tài này, tôi nghiên cứu sử dụng cảm biến quán tính IMU (Inertial Measurement Units) để thực hiện quá trình thu thập thông tin của bước đi. Từ thông tin của gia tốc và vận tốc góc chúng ta có thể ước lượng quỹ đạo chuyển động của bàn chân bằng cách sử dụng thuật toán định vị quán tính kết hợp với bộ lọc Kalman để ước lượng tín hiệu vào từ cảm biến đưa ra các thông tin cần thiết và làm giảm nhiễu hiệu quả. Cảm biến quán tính thường gồm một cảm biến gia tốc (đo giá trị gia tốc tịnh tiến theo 3 trục) và một cảm biến vận tốc góc quay (đo giá trị vận tốc góc quay theo 3 trục), nó thường được sử dụng trong các thiết bị quân sự, giải trí, thể thao, y tế… với chức năng ước lượng các thông số chuyển động của thiết bị phục vụ cho việc định vị và điều khiển chuyển động cũng như góp phần quan trọng cho việc phân tích chuyển động của đối tượng cần nghiên cứu. Với việc ước lượng các thông số (quỹ đạo, vận tốc, góc nghiêng…) của chuyển động, cảm biến quán tính có thể được sử dụng để định vị cho người đi bộ và phương tiện, dẫn đường cho tên lửa, phân tích dáng đi của con người trong chăm sóc sức khỏe cũng như mô phỏng chuyển động trong thể thao, phim ảnh…. Ngày nay, do cấu trúc nhỏ, gọn, giá thành tương đối thấp, cảm biến quán tính được sử dụng trong các thiết bị dân sự như điện thoại di động, các thiết bị đo lường trong y tế, các thiết bị đo lường, phân tích trong thể thao… nơi mà các hệ thống giám sát chuyển động truyền thống như hệ thống Camera hoặc GPS thường quá đắt hoặc bị hạn chế bởi không gian làm việc. Do vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng cảm biến quán tính vào kỹ thuật và đời sống ngày càng trở nên phổ biến và cần thiết. Trong đó, luận văn đã tập trung nghiên cứu ứng dụng của cảm biến quán tính IMU, thuật toán định vị quán tính INA kết hợp 3 với bộ lọc Kalman để ước lượng thông số bước đi của người dùng bằng cách đặt cảm biến quán tính trên bàn chân. Việc ước lượng quỹ đạo chuyển động của cảm biến quán tính được thực hiện bằng thuật toán định vị quán tính INA (Inertial Navigation Algorithm) bằng cách tích phân các tín hiệu được cung cấp từ cảm biến. Với việc tích phân 2 lớp của gia tốc tịnh tiến cho ta quãng đường di chuyển và tích phân của vận tốc góc quay cho ta hướng di chuyển. Từ thông tin về quãng đường và hướng di chuyển, ta có thể ước lượng được quỹ đạo di chuyển của hệ thống. Tuy nhiên, do nguyên lý cơ bản của INA là quá trình tích phân các tín hiệu được cung cấp từ cảm biến, vì vậy sai số sẽ bị tích lũy theo thời gian rất nhanh, để khắc phục được điều này trong quá trình tính toán ước lượng cần phải kết hợp với các bộ lọc để tăng độ chính xác và làm giảm nhiễu tác động vào hệ thống, trong đó phổ biến nhất hiện nay thường sử dụng bộ lọc Kalman. Với những lý do trên, tôi đã quyết định thực hiện đề tài: “Ước lượng thông số bước đi dùng cảm biến quán tính đặt trên bàn chân” để nghiên cứu sâu hơn về IMU, INA, bộ lọc Kalman và xây dựng các phương trình cập nhật cho IMU đặt trên bàn chân ứng dụng của chúng vào đánh giá thông số bước đi của người dùng. 2. Tổn quan về ệ t ốn zb Twb , Cwb xb yb zw yw xw Hình 1. Ước lượng chuyển động bàn chân sử dụng IMU ể giám sát chuyển động của một đối tượng bất kỳ, chúng ta cần đặt cố định một IMU lên đối tượng đó. Lúc này, quỹ đạo chuyển động của đối tượng được xem như trùng với quỹ đạo chuyển động của IMU. Trong ước lượng thông số bước đi của người dùng, thông thường IMU thường được đặt trên mu bàn chân vì chuyển động của bàn chân có tính chất tuần hoàn và luôn có khoảng thời gian bàn chân chạm đất. Khoảng thời gian chạm đất là thời điểm mà vận tốc và độ cao của bàn chân đạt đến vị trí 0, người ta thường gọi thời điểm này là ZVI (Zero Velocity Interval). Dựa vào đặc điểm 4 này tại các thời điểm ZVI này, chúng ta có thể xây dựng các phương trình để cập nhật quỹ đạo chuyển động ước lượng nhằm nâng cao độ chính xác của việc ước lượng thông số bước đi. Hình 1 thể hiện ứng dụng định vị quán tính để phân tích chuyển động của bàn chân. Trong đó, quỹ đạo chuyển động của bàn chân chính là vị trí và hướng của hệ trục tọa độ gắn với bàn chân (BCS - Body Coordinate System) trong hệ tọa độ định vị (WCS - Wolrd Coordinate System). Vị trí và hướng này chính là vector tịnh tiến và ma trận quay chuyển từ hệ trục WCS sang BCS. BCS thường được chọn trùng với hệ trục toạn độ vật lý của IMU. Gốc của WCS thường được chọn trùng với BCS tại thời điểm đầu của chuyển động, trục hướng thẳng đứng lên trên, nằm ngang và trùng với phương của trục tại thời điểm ban đầu. Trong INA, chúng tôi đặt và là vận tốc và vị trí của IMU trong WCS. ặt ( ) là ma trận quay từ WCS sang BCS tương ứng với quaternion [4] . Lúc này và ( ) . Việc thực hiện phép quay trong không gian có thể được xác định theo nhiều cách khác nhau như: ma trận quay DCM, quaternion, phương pháp Euler. Trong nghiên cứu này, chúng tôi xây dựng hướng của BCS theo phương pháp quaternion. 3. Mục ti u v n iệm vụ của luận văn Nghiên cứu thiết bị ước lượng thông số bước đi, ứng dụng INA và bộ lọc Kalman mở rộng vào việc ước lượng thông số bước đi cho IMU đặt trên bàn chân, nhằm tạo ra ứng dụng tự động ước lượng thông số bước đi cho người dùng phục vụ cho việc đánh giá tình trạng sức khỏe của người dùng từ đó cung cấp các thông tin đáng tin cậy và khách quan về thông số bước đi của người dùng làm giảm sai số và nhầm lẫn trong phương pháp đo chủ quan. Mục tiêu cụ thể: - Xây dựng được INA để ước lượng chuyển động của IMU. - Xây dựng được bộ lọc Kalman ứng dụng trong định vị quán tính để nâng cao độ chính xác trong ước lượng. - Xây dựng các phương trình cập nhật cho IMU đặt trên bàn chân 4. Đối tƣợn n i n cứu v p ạm vi n 4.1. Đối tƣợn n i n cứu  Cảm biến quán tính IMU  Thuật toán định vị quán tính  Bộ lọc Kalman i n cứu 5  Chuyển động của bàn chân trong quá trình bước đi 4.2. P ạm vi n i n cứu Xây dựng được INA sử dụng bộ lọc Kalman cho IMU đặt trên bàn chân nhằm ước lượng các thông số bước đi đơn giản như: số bước, tốc độ bước, thời gian bước, quỹ đạo chuyển động của bàn chân với độ chính xác phù hợp với mục đích sử dụng. P ƣơn p áp n i n cứu  Tìm hiểu bộ lọc Kalman  Tham khảo các hệ thống, thiết bị, bài báo liên quan đến IMU  Xây dựng INA sử dụng bộ lọc Kalman để ước lượng chuyển động cho hệ thống. Tìm hiểu các đặc trưng riêng trong chuyển động cho từng đối tượng để tìm phương pháp cập nhật, tăng độ chính xác cho ước lượng chuyển động. Cụ thể hóa những điều này vào thuật toán cập nhật giá trị đo cho bộ lọc Kalman. Từ đó ước lượng thông số bước đi của người dùng. 5. Ý n ĩa k oa ọc v t ực tiễn của đề t i ề tài sẽ mang lại một hướng đi trong việc nghiên cứu và chế tạo thiết bị ước lượng thông số bước đi, ứng dụng INA và bộ lọc Kalman mở rộng vào việc ước lượng thông số bước đi cho IMU đặt trên bàn chân nhằm tạo ra ứng dụng tự động ước lượng thông số bước đi cho người dùng phục vụ cho việc đánh giá tình trạng sức khỏe của người dùng nhằm cung cấp các thông tin đáng tin cậy và khách quan về thông số bước đi của người dùng làm giảm sai số và nhầm lẫn trong phương pháp đo chủ quan. ồng thời, IMU và INA đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh trên thế giới. Tuy nhiên, việc này còn khá hạn chế ở Việt Nam. Việc tìm kiếm các tài liệu, chương trình tham khảo về IMU và INA bằng tiếng Việt rất khó khăn và cho kết quả rất ít mà đa số tài là các tài liệu dịch sơ sài từ các nghiên cứu quốc tế. Luận văn này trình bày một cách bài bản, chi tiết và rành mạch về IMU và INA. Do đó, có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo bằng tiếng Việt rất quan trọng cho các sinh viên và học viên cao học tại Việt Nam. 6. Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về cảm biến quán tính và tình hình nghiên cứu Chương 2: Thuật toán định vị quán tính Chương 3: Bộ lọc Kalman cho định vị quán tính và các phương trình cập nhật Chương 4: Thí nghiệm và kết quả 6 CHƢƠNG 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN QUÁN TÍNH VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu Luận văn tập trung nghiên cứu thiết bị để ước lượng thông số bước đi sử dụng cảm biến quán tính, do vậy chương này tập trung nghiên cứu tổng quan về cảm biến quán tính. Trước đây, cảm biến quán tính thường chỉ được ứng dụng trong hàng không vũ trụ và trong quân sự do có kích thước lớn và giá thành đắt. Cùng với sự phát triển của công nghệ vi - cơ - điện tử (MEMS) thì cảm biến quán tính ngày càng được tính hợp, có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và ngày càng ứng dụng rộng rãi trong dân dụng. Trong chương này giới thiệu công nghệ MEMS và ứng dụng công nghệ này trong các ngành công nghiệp. ồng thời, chương này giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý của cảm biến quán tính được chế tạo từ công nghệ MEMS, khả năng ứng dụng của cảm biến quán tính và cảm biến quán tính của Hãng Xsens loại Mti-1 được sử dụng trong luận văn. Cuối chương trình bày về tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới về các hướng nghiên cứu sử dụng cảm biến quán tính. 1.2 Tổng quan về MEMS Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao. iều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội. Vào cuối năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hóa về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi - cơ - điện tử (Micro Electro Mechanical Systems) viết tắt là MEMS đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này. Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghệ bán dẫn. MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi cảm biến, vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên một chip (on chip) (Hình 1.1). Các linh kiện MEMS thường được cấu tạo từ silic. Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hóa học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hóa, ánh sáng, áp suất, rung động, vận tốc và gia tốc… Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây. Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều nghiên cứu cơ bản hơn, sâu hơn. 7 Vi điện tử Vi cảm biến MEMS Vi cấu trúc Vi chấp hành Hình 1. 1 Các thành phần của thiết bị MEMS 1.3 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS Các sản phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các vi linh kiện, các chi tiết vi cơ, mạch vi điện tử được chế tạo trên phiến silic do đó xu hướng chung là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kỹ thuật tương tự với kỹ thuật làm mạch vi điện tử, điển hình là kỹ thuật khắc hình. Một số phương pháp gia công các chi tiết cơ tiêu biểu ở công nghệ MEMS như sau: - Gia công vi cơ khối n mòn ướt n mòn khô Gia công vi cơ bề mặt Hàn Gia công bằng tia laser Liga 1.4 Giới thiệu cảm biến quán tính (IMU) IMU bao gồm một cảm biến gia tốc (accelerometer) theo 3 trục và cảm biến vận tốc góc (gyroscope) theo 3 trục, lúc này IMU có 6 bậc tự do (6DOF). Cảm biến gia tốc được sử dụng đo gia tốc tịnh tiến theo 3 trục và cảm biến vận tốc góc được sử dụng để đo vận tốc góc theo 3 trục. Hình 1.2 thể hiện cấu tạo nguyên lý của một IMU 6DOF gồm 3 cảm biến gia tốc theo 3 trục và 3 cảm biến vận tốc góc theo 3 trục. Trong đó mỗi cảm biến gia tốc là một hệ lò xo - gia trọng và mỗi cảm biến vận tốc góc chính là một con quay hồi chuyển. 8 Hình 1. 2 Cấu tạo của một cảm biến quán tính 6DOF Ngoài ra, một số IMU còn tích hợp thêm cảm biến từ trường (magnetic sensor) theo 3 trục, lúc này IMU có 9 bậc tự do (9DOF). Cảm biến từ trường được đưa vào nhằm sử dụng từ trường (thường là từ trường trái đất) để làm tham chiếu cho hướng của cảm biến. Trước đây, các cảm biến được chế tạo theo công nghệ cơ - điện nên nó khá cồng kềnh và giá thành cao nên chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực quân sự và không gian vũ trụ (gồm máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ và các thiết bị bay không người lái). Ngày nay, các cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ MEMS nên kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, độ chính xác cao nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Hình 1. 3 Một cảm biến gia tốc cổ điển được gắn trên tên lửa IRBM S3 9 1.4.1 Giới thiệu cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc cho phép biến gia tốc tịnh tiến thành một tín hiệu điện ở ngõ ra. Cảm biến gia tốc hoạt động theo định luật II Newton, , đó là đo lực tác động lên một vật nặng đã biết trước khối lượng để tính ra gia tốc tịnh tiến của vật. Có rất nhiều cách để đo lực tác động lên khối gia trọng, nhưng cách phổ biến nhất được dùng trong cảm biến gia tốc là đo khoảng cách dịch chuyển của khối gia trọng tương tự như khi khối gia trọng đó được treo bằng một lò xo. Một hệ thống lò xo - gia trọng được vẽ trong Hình 1.4 Hệ số tiêu hao B(x) Khối gia trọng M Lò xo K(x) x Hình 1. 4 Sơ đồ khối của một hệ lò xo - gia trọng Cảm biến ia tốc kiểu áp điện Vật liệu áp điện tạo ra một điện tích tức thời trên bề mặt tỉ lệ với biên độ của lực tác động. iện tích này xuất hiện do sự phân cực của các dipole điện bên trong, như Hình 1.5 và sau đó bị trung hòa rất nhanh do các điện tích tự do trong môi trường. Một lực tác động vào tinh thể có thể là nguyên nhân gây ra sự biến dạng của cấu trúc dipole, làm cho điện tích bề mặt thay đổi tạm thời cho đến khi nó bị trung hòa lại. Như vậy, điện tích trên vật liệu áp điện là một hàm số của biên độ của sự biến dạng và phụ thuộc vào việc sự biến dạng đó xuất hiện nhanh như thế nào. Hình 1. 5 Các dipole áp điện Cảm biến áp điện là loại cảm biến điển hình dùng để đo gia tốc có biên độ và tần số cao như các cú va chạm mạnh, shock. Hình 1.6 trình bày đáp ứng tần số của sensor