Luận văn Thạc sĩ Hệ thống thông tin: Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến điện thoại thông minh

Chia sẻ: Yi Yi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhằm mục đích nghiên cứu phát triển một hệthống định vịtrong nhà có thể hoạt động mà không cần cài đặt thêm bất cứ thiết bị nào, luận văn này sẽ phân tích và so sánh các giải pháp định vị trong nhà hiện có, và phát triển một hệ thống định vị trong nhà dựa trên các dữ liệu từ cảm biến từ trường trên điện thoại thông minh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hệ thống thông tin: Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến điện thoại thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ VIỆT DŨNG Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến điện thoại thông minh Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Hải Châu Hà Nội – 07/2019
i Mục lục Lời cảm ơn ..................................................................................................... iii Lời cam đoan .................................................................................................. iv Danh mục hình vẽ ........................................................................................... v Danh mục bảng biểu ...................................................................................... vi Mở đầu ...........................................................................................................vii Chương 1: Tổng quan.................................................................................... 1 1.1. Hệ thống định vị trong nhà ....................................................... 1 1.2. Ứng dụng và thách thức của hệ thống định vị trong nhà....... 2 1.2.1. Ứng dụng của hệ thống định vị trong nhà ..................... 2 1.2.2. Thách thức của hệ thống định vị trong nhà .................. 3 Chương 2. Các kỹ thuật định vị trong nhà................................................... 4 2.1. Các công nghệ không dây ............................................................. 4 2.1.1. Công nghệ Wi-Fi .............................................................. 4 2.1.2. Công nghệ LTE ................................................................ 5 2.1.3. Công nghệ Bluetooth ........................................................ 6 2.1.4. Công nghệ Băng siêu rộng UWB .................................... 6 2.2. Các công nghệ cảm biến ................................................................ 7 2.2.1. Cảm biến gia tốc ............................................................... 7 2.2.2. Con quay hồi chuyển........................................................ 7 2.2.3. Cảm biến từ trường ......................................................... 8 2.3. Các phương pháp ước lượng vị trí ............................................... 8 2.3.1. Góc tín hiệu đến (AOA) ................................................... 8 2.3.2. Thời gian nhận tín hiệu (TOA) ....................................... 9 2.3.3. Chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA) ............... 10 2.3.4. Chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI) ................................. 10 2.4. Các thuật toán định vị ................................................................. 11 2.4.1. Phép đạc tam giác........................................................... 12
ii 2.4.2. Phép đo 3 cạnh ................................................................ 13 2.4.3. Thuật toán định vị sử dụng tiệm cận ........................... 14 2.4.4. Lấy dấu và lập bản đồ tín hiệu...................................... 14 2.4.5. Phương pháp dẫn đường dự đoán ................................ 16 2.5. Các thuật toán lọc và khớp dữ liệu ............................................ 16 2.5.1. Bộ lọc Kalman ................................................................ 16 2.5.2. Thuật toán người láng giềng gần nhất ......................... 17 Chương 3. Hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến từ trường ..... 19 3.1. Giới thiệu ...................................................................................... 19 3.2. Cơ sở ............................................................................................. 20 3.3. Xây dựng bản đồ từ trường ........................................................ 23 3.4. Thuật toán xác định vị trí ........................................................... 31 3.5. Tích hợp với bản đồ Google Map............................................... 32 3.6. Thiết kế và cài đặt hệ thống ........................................................ 33 3.6.1. Ứng dụng lập bản đồ từ trường .................................... 34 3.6.2. Ứng dụng định vị ............................................................ 36 3.6.3. Khả năng mở rộng ......................................................... 39 Chương 4. Thực nghiệm ............................................................................... 41 4.1. Môi trường thực nghiệm ............................................................. 41 4.2. Phương pháp thực hiện ............................................................... 43 4.2.1. Thực hiện lập bản đồ từ trường .............................................. 43 4.2.2. Thực hiện định vị ...................................................................... 43 4.3. Kết quả thực nghiệm ................................................................... 45 4.4. Đánh giá độ chính xác của hệ thống .......................................... 46 Chương 5. Kết luận ....................................................................................... 52 Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 53
iii Lời cảm ơn Trước tiên tôi xin dành lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy giáo, PGS. TS. Nguyễn Hải Châu – người đã hướng dẫn, khuyến khích, chỉ bảo và tạo cho tôi những điều kiện tốt nhất từ khi bắt đầu cho tới khi hoàn thành công việc của mình. Tôi xin dành lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN đã tận tình đào tạo, cung cấp cho tôi những kiến thức vô cùng quý giá và đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại trường. Đồng thời tôi xin cảm ơn tất cả những người thân yêu trong gia đình tôi cùng toàn thể bạn bè những người đã luôn giúp đỡ, động viên tôi những khi vấp phải những khó khăn, bế tắc và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
iv Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin “Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến điện thoại thông minh” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều đã được trình bày hoặc là của chính cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các nguồn tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan này. Hà Nội, ngày 20 tháng 7 năm 2019 Vũ Việt Dũng
v Danh mục hình vẽ Hình 2.1. Sơ đồ mạng di động sử dụng LTE .................................................... 5 Hình 2.2. Định vị sử dụng góc tín hiệu đến ...................................................... 9 Hình 2.3. Định vị sử dụng thời gian nhận tín hiệu ......................................... 10 Hình 2.4. Định vị sử dụng chỉ báo cường độ tín hiệu..................................... 11 Hình 2.5. Phép đạc tam giác ........................................................................... 12 Hình 2.6. Phép đo 3 cạnh ................................................................................ 14 Hình 2.8. Thuật toán k người láng giềng gần nhất ......................................... 18 Hình 3.1. Tính cục bộ của cường độ từ trường............................................... 21 Hình 3.2. Cường độ từ trường theo thời gian ................................................. 22 Hình 3.3. Ảnh hưởng của thiết bị điện tử lên cường độ từ trường ................. 23 Hình 3.4. Lập bản đồ từ trường ...................................................................... 24 Hình 3.5. Hệ quy chiếu của điện thoại (nguồn: Google [18]) ........................ 25 Hình 3.6. Phép biến đổi giá trị cường độ từ trường về hệ quy chiếu trái đất . 26 Hình 3.7. Cường độ từ trường trong khu vực thử nghiệm.............................. 28 Hình 3.8. Biểu đồ phân bố cường độ từ trường trong khu vực thử nghiệm ... 30 Hình 3.9. Lược đồ kiến trúc ứng dụng lập bản đồ từ trường .......................... 35 Hình 3.10. Giao diện ứng dụng lập bản đồ từ trường ..................................... 36 Hình 3.11. Lược đồ kiến trúc ứng dụng định vị ............................................. 37 Hình 3.12. Giao diện ứng dụng định vị .......................................................... 38 Hình 3.13. Hiển thị kết quả định vị lên bản đồ ............................................... 39 Hình 3.14. Đóng gói dữ liệu trong hệ thống ................................................... 40 Hình 4.1. Bề mặt khu vực thử nghiệm............................................................ 41 Hình 4.2. Hình ảnh nền nhà khu vực thử nghiệm ........................................... 42 Hình 4.3. Vị trí khu vực thử nghiệm trên bản đồ ........................................... 42 Hình 4.4. Đường đi thử nghiệm ...................................................................... 44 Hình 4.5. Kết quả thử nghiệm định vị của hệ thống ....................................... 45 Hình 4.6. Phân bố giá trị sai số ....................................................................... 47 Hình 4.7. Thống kê sai số trên từng đoạn đường thử nghiệm ........................ 50
vi Danh mục bảng biểu Bảng 3.1. Thống kê cường độ từ trường trong khu vực thử nghiệm .............. 29 Bảng 3.2. Giả mã thuật toán định vị k người láng giềng gần nhất ................. 32 Bảng 4.1. Thống kê sai số đầu ra của hệ thống .............................................. 46 Bảng 4.2. Các phân vị của sai số đầu ra của hệ thống .................................... 51
vii Mở đầu Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được ứng dụng trong rất nhiều phần mềm và thiết bị. Các thiết bị không dây như điện thoại thông minh đã được cài đặt sẵn tính năng định vị toàn cầu GPS như một phần không thể thiếu. Độ chính xác của GPS khi sử dụng ở môi trường ngoài trời là rất cao, tuy nhiên, hệ thống định vị toàn cầu GPS không thể cho một kết quả chính xác khi thiết bị ở trong môi trường trong nhà. Đặc biệt là các môi trường trong các toà nhà lớn như cao ốc, viện bảo tàng, trung tâm thương mại. Định vị trong nhà đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu được quan tâm nhiều trong những năm trở lại đây và đã có những hệ thống được thương mại hoá. Việc định vị thiết bị trong môi trường trong nhà có thể mang lại lợi ích ở nhiều trường hợp khác nhau như theo dõi vị trí của bệnh nhân trong bệnh viện hoặc giúp người tiêu dùng tìm vị trí của cửa hàng trong trung tâm thương mại... Tuy nhiên, chưa có một giải pháp hoàn hảo cũng như chưa có một chuẩn chung cho việc định vị trong nhà. Nhiều giải pháp khác nhau đã được sử dụng trong các hệ thống định vị trong nhà, mỗi hệ thống trong số chúng phù hợp với các môi trường khác nhau với công nghệ và chi phí khác nhau, tuy nhiên, các hệ thống định vị trong nhà hiện có có chung đặc điểm là thường yêu cầu chi phí rất cao để cài đặt cơ sở hạ tầng và triển khai các thiết bị làm tham chiếu. Nhằm mục đích nghiên cứu phát triển một hệ thống định vị trong nhà có thể hoạt động mà không cần cài đặt thêm bất cứ thiết bị nào, luận văn này sẽ phân tích và so sánh các giải pháp định vị trong nhà hiện có, và phát triển một hệ thống định vị trong nhà dựa trên các dữ liệu từ cảm biến từ trường trên điện thoại thông minh.
1 Chương 1: Tổng quan 1.1. Hệ thống định vị trong nhà Định vị là việc xác định vị trí của đối tượng trong một khu vực được toạ độ hoá bởi một hệ quy chiếu cho trước. Một hệ thống định vị hoạt động trên một thiết bị điện toán phải có chức năng xác định vị trí của thiết bị trong khu vực cho trước với một độ chính xác nhất định. Sự phổ biến của điện thoại di động đã giúp việc điện toán trở nên phổ biến hơn, mạnh mẽ hơn và mềm dẻo hơn. Điện thoại di động là thiết bị di động phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất trong thời đại thông tin ngày nay. Cùng với sự phát triển của công nghệ, hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được cài đặt sẵn trên hầu hết các thiết bị điện thoại di động, khiến cho việc sử dụng điện thoại di động cho việc định vị và điều hướng ngoài trời trở nên dễ dàng và phổ biến hơn bao giờ hết. Tuy nhiên trong các tòa nhà lớn, hệ thống định vị toàn cầu GPS phải đối mặt với những khó khăn như tín hiệu yếu, nhiễu lớn làm cho độ chính xác của kết quả giảm đi đáng kể. Những khó khăn như vậy chủ yếu gặp phải trong môi trường trong nhà, tầng hầm và môi trường ngầm của các tòa nhà lớn. Vì vậy, phát sinh nhu cầu tất yếu xây dựng các hệ thống định vị trong nhà độc lập với hệ thống định vị toàn cầu GPS. Một hệ thống định vị trong nhà là một hệ thống có thể xác định vị trí của đối tượng hoặc con người trong một toà nhà sử dụng các tín hiệu sóng radio, bức xạ từ trường, hoặc các dữ liệu cảm biến từ các thiết bị di động. Trên thực tế, đã có rất nhiều nghiên cứu để phát triển các hệ thống định vị trong nhà sử dụng các công nghệ khác nhau với các mục tiêu khác nhau như giảm chi phí, tăng độ chính xác của kết quả định vị. Nhờ vậy, nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này đã được triển khai, các phát minh nhằm cải thiện các hệ thống định vị trong nhà và tăng tính ứng dụng của chúng. Những công trình này sử dụng các kỹ thuật và công nghệ có các điểm mạnh và điểm yếu khác nhau. Đa số các công nghệ được sử dụng trong các hệ thống định vị trong nhà phụ thuộc rất lớn vào yếu tố môi trường. Một số công nghệ như định vị bằng sóng Wi-Fi yêu cầu chi phí lớn trong việc cài đặt các thiết bị làm tham chiếu phục vụ cho việc định vị. Các hệ thống định vị có thể sử dụng các tín hiệu và
2 đặc trưng của tín hiệu để định vị, thông qua các phương pháp và thuật toán định vị. Các phương pháp ước lượng vị trí phổ biến là Góc tín hiệu đến (AOA), Thời gian nhận tín hiệu (TOA), Chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA) và Chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI), trong khi các thuật toán định vị là Triangulation, Trilateration. Các phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày về các công nghệ và kỹ thuật định vị, và phát triển một hệ thống định vị trong nhà dựa trên tín hiệu bức xạ từ trường từ cảm biến của điện thoại thông minh. 1.2. Ứng dụng và thách thức của hệ thống định vị trong nhà 1.2.1. Ứng dụng của hệ thống định vị trong nhà Hệ thống định vị toàn cầu GPS hoạt động dựa trên các tính toán với tín hiệu radio từ tập hợp các vệ tinh xung quanh trái đất. Có ba thành phần trong toàn bộ hệ thống GPS: thành phần không gian chứa các vệ tinh, thành phần điều khiển là các trạm giám sát trên mặt đất và thành phần người dùng là các máy thu và giải mã các tín hiệu được phát bởi các vệ tinh. Điều kiện tiên quyết của việc định vị bằng hệ thống GPS là máy thu có thể nhận được tín hiệu với tần số sóng là 1.57542G Hz được gọi là Tín hiệu L1 hoặc 1.22760G Hz được gọi là Tín hiệu L2 từ các vệ tinh quay quanh trái đất. Những tín hiệu GPS với tần số thấp như vậy khó có thể xâm nhập vào các tòa nhà, đặc biệt là các toà nhà cao tầng. Vì vậy, hệ thống định vị toàn cầu GPS không hoạt động chính xác trong nhà, đặc biệt là bên trong các tòa nhà lớn và công trình ngầm. Trong khi hệ thống định vị toàn cầu GPS hoạt động không hiệu quả ở các môi trường trong nhà, nhu cầu về các hệ thống định vị trong nhà ngày một tăng lên. Rất nhiều trường hợp trong thực tế yêu cầu một hệ thống định vị trong nhà hoạt động ổn định với độ chính xác tương tự như GPS khi hoạt động ngoài trời, ví dụ như: - Định vị trong trung tâm thương mại: Người dùng đi đến trung tâm thương mại, trong trung tâm thương mại có rất nhiều cửa hàng và một số cửa hàng đang giảm giá. Tuy nhiên, người dùng không biết chính xác vị trí của cửa hàng đang giảm giá và đường đi đến cửa hàng đó. Trong trường hợp này,
3 một hệ thống định vị trong nhà có thể giúp người dùng định hướng mua sản phẩm cần thiết và trung tâm thương mại có thể nâng cao doanh thu. - Định vị trẻ em: Các phụ huynh mang con mình đến một khu vui chơi trẻ em tập thể lớn. Trong khi vui chơi, có thể những trẻ em đi lạc trong khu vui chơi. Các bậc phụ huynh có thể sử dụng hệ thống định vị trong nhà để nhanh chóng tìm ra vị trí của con mình. - Định vị trong bãi đỗ xe: Người dùng đỗ xe trong bãi đỗ xe. Người dùng có thể dùng các hệ thống định vị trong nhà để biết đường đi đến các vị trí còn trống để đỗ xe, cũng như có thể sử dụng các hệ thống định vị trong nhà để tìm vị trí đã đỗ xe trước đó. Trên đây là một số ví dụ phổ biến trong thực tế về tính ứng dụng của các hệ thống định vị trong nhà. Các ví dụ này cho thấy một nhu cầu lớn về hệ thống định vị trong nhà trong tương lai, mở ra một lĩnh vực nghiên cứu nhiều hứa hẹn. 1.2.2. Thách thức của hệ thống định vị trong nhà Khi xây dựng một hệ thống định vị, điều đầu tiên cần quan tâm là khả năng xác định vị trí đối tượng của hệ thống. Hệ thống cần xác định vị trí của đối tượng trong khoảng sai số cho phép, tuỳ trường hợp cụ thể. Một yếu tố quan trọng khác trong đánh giá hiệu năng của hệ thống là độ trễ, hệ thống phải có khả năng định vị đối tượng trong một khoảng thời gian cho phép thì kết quả định vị của hệ thống mới có giá trị. Mặt khác, chi phí triển khai hệ thống cũng là một yếu tố quan trọng cần cân nhắc. Các hệ thống định vị trong nhà hiện có thường yêu cầu cài đặt các thiết bị đắt tiền làm các mốc định vị, điều này góp phần làm tăng chi phí triển khai hệ thống và khó có thể áp dụng rộng rãi. Ngược lại, các hệ thống không yêu cầu các thiết bị cài đặt sẵn thường đưa ra các kết quả có độ chính xác không cao. Bên cạnh đó, đối với một số môi trường đặc biệt như di tích lịch sử hoặc các vị trí cơ quan quan trọng, việc lắp đặt các thiết bị phục vụ định vị là không khả thi. Điều này làm tăng độ khó khi phát triển hệ thống định vị cho các môi trường này. Như vậy, các thách thức chủ yếu khi phát triển hệ thống định vị trong nhà là đảm bảo được độ chính xác của hệ thống trong khi giảm chi phí và các thiết bị sử dụng khi triển khai. Mục tiêu của luận văn này là xây dựng một hệ thống định vị
4 trong nhà sử dụng cảm biến điện thoại thông minh để giải quyết bài toán định vị trong nhà với ràng buộc chi phí thấp và không yêu cầu cơ sở hạ tầng riêng biệt. Chương 2. Các kỹ thuật định vị trong nhà Khi tín hiệu vệ tinh GPS không khả thi để định vị trong nhà, các hệ thống định vị trong nhà cần lựa chọn các tín hiệu khác phục vụ cho việc định vị. Sự phổ biến của các công nghệ không dây như Wi-Fi hay Bluetooth mở ra khả năng ứng dụng các tín hiệu này cho việc định vị trong nhà. Bên cạnh đó, các thuật toán định vị cũng là một phần không thể thiếu trong các hệ thống định vị trong nhà. Phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày về các loại tín hiệu thường được sử dụng trong các hệ thống định vị trong nhà cũng như các thuật toán định vị phổ biến. 2.1. Các công nghệ không dây Các công nghệ không dây được sử dụng rất phổ biến trên toàn cầu nhằm mục đích liên lạc và chia sẻ dữ liệu. Các hệ thống định vị trong nhà hiện có thường dựa trên các công nghệ không dây được triển khai tại môi trường hoạt động. Tuy các công nghệ này chủ yếu được thế kế nhằm mục đích liên lạc và truy cập dữ liệu, không nhằm mục đích định vị, các nhà nghiên cứu vẫn có thể dựa trên các thuộc tính thu nhận được từ tín hiệu vô tuyến để ước lượng vị trí của nguồn phát tín hiệu từ đó ứng dụng vào các hệ thống định vị trong nhà. 2.1.1. Công nghệ Wi-Fi Wi-Fi là công nghệ truyền dữ liệu không dây được sử dụng rất phổ biến trên toàn cầu và cũng là một trong các công nghệ được sử dụng nhiều nhất ở mạng nội bộ. Wi-Fi được triển khai trong một mạng nội bộ bằng cách cài đặt các điểm truy cập (Access Point – AP) cho phép các thiết bị trong mạng truy cập không dây. Điều này cho phép các thiết bị di chuyển trong vùng phủ sóng của các điểm truy cập tuỳ ý. Wi-Fi là tên gọi chung của công nghệ bao gồm nhiều chuẩn phát tín hiệu khác nhau được phát triển bởi tổ chức IEEE. Trong đó, chuẩn phổ biến nhất ngày nay là IEEE 802.11 hoạt động với các băng tần 2.4GHz, 3.6GHz, 5GHz và 60GHz, mỗi băng tần cho phép phạm vi hoạt động và tốc độ mạng khác nhau [1]. Với công nghệ Wi-Fi, dữ liệu có thể được truyền tải theo cả 2 chiều từ điểm truy cập hoặc từ thiết bị truy cập. Việc truyền tải dữ liệu được thực hiện bằng cách
5 mã hoá dữ liệu vào sóng mang và giải mã dữ liệu ở thiết bị nhận. Việc truyền tải dữ liệu dưới dạng tín hiệu sóng cho phép các nhà nghiên cứu ước lượng được vị trí tương đối giữa thiết bị với điểm truy cập sử dụng các thông số như cường độ tín hiệu, góc truyền tín hiệu, thời gian nhận tín hiệu, từ đó định vị được thiết bị trong thực tế. 2.1.2. Công nghệ LTE Công nghệ LTE (Long-Term Evolution) là công nghệ mới nhất đã và đang được ứng dụng trong việc truyền tải dữ liệu không dây. Mạng sử dụng công nghệ LTE được chia thành các vùng phủ sóng nhỏ hơn, với mỗi vùng có một trạm phát có nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu trong toàn bộ mạng, giữa các thiết bị trong cùng một vùng phủ sóng hoặc giữa các thiết bị ở các vùng phủ sóng khác nhau. Công nghệ LTE được thiết kế để có tốc độ nhanh hơn đáng kể so với các công nghệ 3G trước đó sử dụng mạng GSM hoặc UMTS [2]. Công nghệ LTE hoạt động bằng cách cho phép các thiết bị giao tiếp với trạm phát sóng gần nhất và truyền tải dữ liệu với các trạm hoặc thiết bị khác thông qua trạm phát sóng gần nhất đã được kết nối. Hình 2.1. Sơ đồ mạng di động sử dụng LTE
6 Bên cạnh công nghệ LTE, mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) đang được phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Bằng cách chia nhỏ vùng phủ sóng hiện có của các mạng di động, công nghệ 5G được hứa hẹn mang lại tốc độ cao hơn đáng kể so với LTE và tiết kiệm hơn 90% năng lượng sử dụng [3]. Tương tự như công nghệ Wi-Fi, việc truyền tải tín hiệu trong các mạng LTE và 5G cũng có thể được sử dụng để ước lượng vị trí tương đối của thiết bị so với các trạm phát sóng đã biết, từ đó sử dụng các thuật toán định vị để đưa ra vị trí của thiết bị trong thực tế. 2.1.3. Công nghệ Bluetooth Bluetooth là công nghệ truyền dữ liệu trong phạm vi nhỏ rất phổ biến với các thiết bị di động. Bluetooth được thiết kế để hoạt động trong một phạm vi nhỏ với tần số 2.4GHz và do đó, tiêu thụ rất ít năng lượng [4]. Đặc điểm này khiến cho Bluetooth trở thành công nghệ rất phù hợp cho việc giao tiếp giữa các thiết bị không dây nhỏ và mở ra phương pháp định vị trong môi trường trong nhà bằng cách lắp đặt một số thiết bị bluetooth hoạt động như đèn hiệu chỉ báo vị trí cho thiết bị. Công nghệ bluetooth năng lượng thấp (Bluetooth Low Energy – BLE) là công nghệ được phát triển từ bluetooth nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng hơn nữa để hoạt động với các thiết bị có thời gian hoạt động lâu dài như các thiết bị đeo tay, hoặc đèn hiệu (beacon). Công nghệ này đã được công nhận là một phiên bản của bluetooth và được gọi là bluetooth phiên bản 4.0. Các đèn hiệu là các thiết bị sử dụng công nghệ bluetooth năng lượng thấp phát sóng đến các thiết bị sử dụng bluetooth ở xung quanh. Nhờ mức tiêu thụ năng lượng thấp, các thiết bị đèn hiệu này có thời gian hoạt động lâu dài và ít cần thay thế nguồn điện. Các thiết bị này được thiết kế chủ yếu phục vụ mục đích định vị trong nhà [5]. 2.1.4. Công nghệ Băng siêu rộng UWB Công nghệ băng siêu rộng (Ultra Wide Band – UWB) là công nghệ truyền tải dữ liệu trong khoảng cách ngắn sử dụng băng thông rộng. Công nghệ này sử dụng mức năng lượng thấp trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao ở phạm vi ngắn
7 và do đặc tính công suất, công nghệ băng siêu rộng cũng có thể được sử dụng ở các phạm vi từ trung bình đến dài với tốc độ thấp [6]. UWB sử dụng các sóng ngắn với tần số lớn để truyền tải dữ liệu. Việc sử dụng tần số lớn có nghĩa là UWB ít bị ảnh hưởng bởi các phản xạ khi đi qua vật cản hơn so với các công nghệ sử dụng băng thông nhỏ hơn. 2.2. Các công nghệ cảm biến Cùng với sự phổ biến của các thiết bị điện thoại thông minh, khả năng tính toán của các thiết bị này ngày càng mạnh mẽ với các chức năng mở rộng so với chức năng chính là giao tiếp và truyền tải dữ liệu. Điện thoại thông minh ngày càng trở nên thông minh hơn xét trong khía cạnh hiểu biết về môi trường xung quanh. Đa số các điện thoại thông minh ngày nay có khả năng nhận biết và lưu trữ các trạng thái trong môi trường hiện tại dưới dạng các giá trị cảm biến về vị trí và chuyển động. Đối với các hệ thống định vị, có một số cảm biến của điện thoại thông minh cung cấp những dữ liệu giá trị giúp cho việc định vị như các cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển và cảm biến từ trường. 2.2.1. Cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc là một trong các cảm biến thường được tích hợp sẵn trong các điện thoại thông minh. Cảm biến gia tốc có vai trò xác định gia tốc của thiết bị khi chuyển động. Một chuyển động không đều của thiết bị là kết quả của việc có một lực tác động lên thiết bị và làm cho thiết bị nhận một gia tốc chuyển động theo hướng của lực đó. Cảm biến gia tốc đưa ra kết quả đo lường gia tốc của thiết bị lần lượt theo 3 cạnh của thiết bị. 2.2.2. Con quay hồi chuyển Tương tự như cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển cũng là một trong những cảm biến được tích hợp sẵn trong hầu hết các điện thoại thông minh ngày nay. Con quay hồi chuyển được sử dụng để xác định hướng của thiết bị. Con quay hồi chuyển hoạt động dựa trên các nguyên tắc của động lượng góc, có nghĩa là con quay hồi chuyển tác động một lực ngược chiều với ngoại lực đang tác dụng lên thiết bị. Lực tác dụng của con quay hồi chuyển có thể đo được và từ đó xác định được hướng của thiết bị.
8 2.2.3. Cảm biến từ trường Bên cạnh cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển, cảm biến từ trường cũng là một trong các cảm biến thông dụng được tích hợp sẵn trên các thiết bị điện thoại thông minh. Các ứng dụng la bàn trên điện thoại thông minh là ứng dụng dễ thấy nhất của việc sử dụng cảm biến từ trường. Trong ứng dụng la bàn, cảm biến từ trường được sử dụng để đọc giá trị từ trường trái đất và xác định hướng bắc trên la bàn và trong thực tế. Từ trường trái đất đo rất dễ bị ảnh hưởng bởi các vật thể có từ tính trong môi trường xung quanh như các thiết bị điện, điện tử... Cảm biến từ trường trong điện thoại thông minh thường sẽ đo toàn bộ cường độ bức xạ từ trường bao gồm cả bức xạ phát ra từ các thiết bị này theo nguyên lý chồng chất từ trường. Điều này mở ra một phương hướng khác cho các nghiên cứu về định vị. Vì bức xạ từ trường phát ra từ các thiết bị điện, điện tử là tương đối ổn định theo thời gian nên bức xạ từ trường đo được từ chồng chất từ trường trái đất với từ trường từ các vật thể cũng ổn định theo thời gian và có thể được sử dụng như một đặc trưng để xác định vị trí của thiết bị. 2.3. Các phương pháp ước lượng vị trí Các tín hiệu đo lường được tại vị từ thiết bị có thể được sử dụng để xác định vị trí của thiết bị đó. Để đạt được mục tiêu này, chúng ta cần có các phương pháp ước lượng vị trí. Ví dụ như ước lượng khoảng cách giữa nguồn phát và thiết bị nhận tín hiệu hoặc góc đến của tín hiệu. Các dữ kiện cho việc ước lượng vị trí thường là các thông số thu được từ việc thu phát tín hiệu không dây giữa một nguồn phát và một thiết bị nhận. 2.3.1. Góc tín hiệu đến (AOA) Góc tín hiệu đến (AOA) là góc và khoảng cách được tính toán từ đối tượng đến 2 hoặc nhiều điểm tham chiếu cho sẵn. Việc tính toán góc và khoảng cách đến các điểm tham chiếu được sử dụng để ước lượng vị trí của đối tượng. Sử dụng phương pháp này, vị trí của đối tượng có thể được xác định bằng cách đo góc giữa đường đi của tín hiệu từ nguồn phát đến thiết bị với đường chuẩn cho trước [7].
9 Hình 2.2. Định vị sử dụng góc tín hiệu đến 2.3.2. Thời gian nhận tín hiệu (TOA) Thời gian nhận tín hiệu (TOA) là phương pháp ước lượng vị trí bằng cách đo khoảng thời gian từ khi tín hiệu vô tuyến được gửi từ nguồn phát đến khi tín hiệu được nhận ở thiết bị nhận. Sau khi có được khoảng thời gian này, khoảng cách từ nguồn phát đến thiết bị nhận có thể được ước lượng đơn giản bằng cách nhân thời gian lan truyền của tín hiệu với vận tốc ánh sáng. Khi có tối thiểu 3 khoảng cách từ thiết bị đến các điểm tham chiếu là nguồn phát, dễ dàng xác định được vị trí chính xác của thiết bị bằng cách tìm điểm giao nhau giữa 3 đường tròn với tâm và bán kính đã biết. Phương pháp ước lượng vị trí dựa trên thời gian nhận tín hiệu phụ thuộc vào việc đo thời gian truyền tín hiệu giữa nguồn phát và thiết bị nhận. Để việc đo thời gian được chính xác, cần phải đồng bộ thời gian giữa các thiết bị này, tuy nhiên việc này là rất phức tạp và thường không thể thực hiện được chính xác.
10 Hình 2.3. Định vị sử dụng thời gian nhận tín hiệu 2.3.3. Chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA) Tương tự như phương pháp sử dụng thời gian nhận tín hiệu, phương pháp sử dụng chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA) xác định vị trí dựa trên khoảng cách giữa nguồn phát và thiết bị nhận. Phương pháp này xác định vị trí tương đối của thiết bị với các điểm tham chiếu dựa trên chênh lệch thời gian nhận tín hiệu ở nhiều thiết bị nhận khác nhau. Do đó, phương pháp sử dụng chênh lệch thời gian nhận tín hiệu không cần xác định chính xác thời điểm mà nguồn phát tín hiệu bắt đầu phát tín hiệu [8]. 2.3.4. Chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI) Khác với các phương pháp trên, phương pháp sử dụng chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI) thực hiện đo cường độ tín hiệu truyền tải giữa điểm đối tượng cần các định vị trí và các mốc vị trí. Cường độ của tín hiệu thu được ở thiết bị nhận là lượng năng lượng còn lại của tín hiệu sau khi lan truyền trong không gian và suy giảm một phần. Bằng cách tính toán sự suy giảm của tín hiệu khi lan truyền trong không gian, chúng ta có thể tính được quãng đường mà tín hiệu đã truyền đi, từ đó tìm ra khoảng cách tương đối giữa thiết bị và các điểm tham chiếu và xác định vị trí của thiết bị [9]. Phương pháp này có ưu điểm là không yêu cầu các cảm biến
11 tinh vi, tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này không cao vì các tín hiệu có thể bị nhiễu và suy yếu do nhiều nguyên nhân. Hình 2.4. Định vị sử dụng chỉ báo cường độ tín hiệu Như vậy, các tín hiệu đo lường được là một yếu tố quan trọng trong việc xác định vị trí của đối tượng. Sau khi đo lường được các thông số cần thiết cho việc định vị, các thuật toán định vị được sử dụng để xác định vị trí của đối tượng. 2.4. Các thuật toán định vị Các thuật toán định vị là các phương pháp tính toán nhằm xác định vị trí của đối tượng trong hệ quy chiếu cho trước. Từ các giá trị thuộc tính tín hiệu thu được, hệ thống định vị sử dụng thuật toán định vị để tính toán ra vị trí chính xác của đối tượng dưới dạng các toạ độ. Khi giá trị của các thuộc tính tín hiệu này thay đổi, như khi khoảng cách giữ đối tượng đến điểm tham chiếu thay đổi hoặc khi cường độ tín hiệu mà đối tượng nhận được thay đổi, hệ thống định vị sẽ tiến hành tính toán lại toạ độ của đối tượng. Có nhiều thuật toán định vị khác nhau cho các độ chính xác khác nhau khi xác định vị trí của đối tượng. Độ chính xác của kết quả phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của các giá trị thuộc tính tín hiệu. Bên cạnh đó, mỗi thuật toán định vị có điểm mạnh và điểm yếu riêng, vậy nên việc kết hợp các thuật toán với nhau trong các bài toán cụ thể có thể cải thiện độ chính xác của kết quả đáng kể. Nhiều thuật
12 toán định vị khác nhau đã được phát triển, trong đó chủ yếu các thuật toán xoay quanh các phương pháp định vị sử dụng phép đạc tam giác (Triangulation hoặc Trilateration), định vị sử dụng tiệm cận hoặc phân tích ngoại cảnh (scene analysis) / lấy dấu (fingerprinting). 2.4.1. Phép đạc tam giác Phép đạc tam giác (triangulation) là việc sử dụng các tính chất hình học của tam giác để ước tính vị trí của đối tượng bằng cách tính số đo góc so với 2 điểm tham chiếu đã biết. Nói cách khác, vị trí của một đối tượng được xác định với giao điểm của 2 cặp đường định hướng góc. Vị trí của đối tượng được xác định bằng cách tính toán vị trí của điểm phát tín hiệu dựa trên góc và khoảng cách so với các điểm tham. Hơn nữa, khi hai hoặc ba điểm tham chiếu được sử dụng để xác định vị trí, hệ thống sẽ dễ dàng xác định vị trí của đối tượng hơn và chi phí thấp. Tuy nhiên, khi vùng tìm kiếm rộng hơn với nhiều điểm tham chiếu, việc xác định vị trí có thể gây lỗi có thể dẫn đến độ chính xác giảm. Ngoài ra, trong một khu vực rộng, yêu cầu phần cứng thiết bị có xu hướng tăng và chi phí cao. Khoảng cách giữa thiết bị đến đường thẳng nối 2 điểm tham chiếu được tính bằng công thức: sin 𝛼 sin 𝛽 𝐷=𝐿 sin(𝛼 + 𝛽) Hình 2.5. Phép đạc tam giác