ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN THẾ KHÁNH
ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ BƯỚC ĐI DÙNG CẢM
BIẾN QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN BÀN CHÂN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8520216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Đà Nẵng - Năm 2020
Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH
Phản biện 1: TS. Nguyễn Hoàng Mai
Phản biện 2: TS. Nguyễn Khánh Quang
Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại Trường
Đại học Bách khoa vào ngày 18 tháng 01 năm 2020
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm thông tin - Học liệu, Trường ĐHBK - Đại học
Đà Nẵng
- Thư viện Khoa Điện - Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết 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. Điều 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. Điều 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].
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.
2
Để 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.
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.
3
2. Tổng quan về hệ thống
w
y
w
z
b
y
b
z
b
x
w
x
Hình 1. Ước lượng chuyển động bàn chân sử dụng IMU
Để 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 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
𝑇𝑤
𝑏 và ma trận quay 𝐶𝑤
𝑏 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 𝑧𝑤 hướng thẳng đứng lên trên, 𝑥𝑤 nằm ngang và trùng với phương
của trục 𝑥𝑏 tại thời điểm ban đầu.
Trong INA, chúng tôi đặt v∈R3 và r∈R3 là vận tốc và vị trí
của IMU trong WCS. Đặt C(q)∈R3×3 là ma trận quay từ WCS sang