Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị trong nhà dựa trên cảm biến điện thoại thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG 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
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Nguyễn Hải Châu

Hà Nội – 07/2019


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.......................................................................... 2
1.1. Hệ thống định vị trong nhà ................................................................................................ 2
1.2. Ứng dụng và thách thức của hệ thống định vị trong nhà ................................. 3
1.2.1. Ứng dụng của hệ thống định vị trong nhà ...................................... 3
1.2.2. Thách thức của hệ thống định vị trong nhà .................................... 4
CHƢƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ .......................... 6
2.1. Các công nghệ không dây .................................................................................................. 6
2.1.1. Công nghệ Wi-Fi ............................................................................. 6
2.1.2. Công nghệ LTE ............................................................................... 7
2.1.3. Công nghệ Bluetooth ....................................................................... 8

2.1.4. Công nghệ Băng siêu rộng UWB .................................................... 9
2.2. Các công nghệ cảm biến ..................................................................................................... 9
2.2.1. Cảm biến gia tốc ............................................................................. 9
2.2.2. Con quay hồi chuyển ..................................................................... 10
2.2.3. Cảm biến từ trường ....................................................................... 10
2.3. Các phương pháp ước lượng vị trí .............................................................................. 10
2.3.1. Góc tín hiệu đến (AOA) ................................................................. 11
2.3.2. Thời gian nhận tín hiệu (TOA) ...................................................... 11
2.3.3. Chênh lệch thời gian nhận tín hiệu (TDOA) ................................. 12
2.3.4. Chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI) ................................................. 13
2.4. Các thuật toán định vị ......................................................................................................... 14
2.4.1. Phép đạc tam giác ......................................................................... 14
2.4.2. Phép đo 3 cạnh .............................................................................. 15
2.4.3. Thuật toán định vị sử dụng tiệm cận ............................................. 17


2.4.4. Lấy dấu và lập bản đồ tín hiệu...................................................... 17
2.4.5. Phương pháp dẫn đường dự đoán ................................................ 19
2.5. Các thuật toán lọc và khớp dữ liệu ............................................................................. 19
2.5.1. Bộ lọc Kalman ............................................................................... 19
2.5.2. Thuật toán người láng giềng gần nhất.......................................... 20
CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ DỰA TRÊN CẢM
BIẾN TỪ TRƢỜNG ..................................................................................... 22
3.1. Giới thiệu ................................................................................................................................... 22
3.2. Cơ sở............................................................................................................................................. 24
3.3. Xây dựng bản đồ từ trường ............................................................................................. 26
3.4. Thuật toán xác định vị trí.................................................................................................. 33
3.5. Tích hợp với bản đồ Google Map ............................................................................... 35
3.6. Thiết kế và cài đặt hệ thống ............................................................................................ 36
3.6.1. Ứng dụng lập bản đồ từ trường .................................................... 36

3.6.2. Ứng dụng định vị .............................................................................................................. 38
3.6.3. Khả năng mở rộng ........................................................................ 41
CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM ................................................................... 43
4.1. Môi trường thực nghiệm ................................................................................................... 43
4.2. Phương pháp thực hiện ...................................................................................................... 44
4.2.1. Thực hiện lập bản đồ từ trường .................................................... 44
4.2.2. Thực hiện định vị ........................................................................... 45
4.3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................................... 46
4.4. Đánh giá độ chính xác của hệ thống .......................................................................... 47
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN ............................................................................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 54


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.
Hà Nội, ngày 20 tháng 7 năm 2019

Vũ Việt Dũng

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


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Sơ đồ mạng di động sử dụng LTE ................................................... 7
Hình 2.2. Định vị sử dụng góc tín hiệu đến ................................................... 11
Hình 2.3. Định vị sử dụng thời gian nhận tín hiệu......................................... 12
Hình 2.4. Định vị sử dụng chỉ báo cường độ tín hiệu .................................... 13
Hình 2.5. Phép đạc tam giác........................................................................... 15
Hình 2.6. Phép đo 3 cạnh ............................................................................... 16
Hình 2.8. Thuật toán k người láng giềng gần nhất......................................... 21
Hình 3.1. Tính cục bộ của cường độ từ trường .............................................. 25
Hình 3.2. Cường độ từ trường theo thời gian................................................. 25
Hình 3.3. Ảnh hưởng của thiết bị điện tử lên cường độ từ trường ................ 26
Hình 3.4. Lập bản đồ từ trường ...................................................................... 27
Hình 3.5. Hệ quy chiếu của điện thoại (nguồn: Google [18]) ....................... 28
Hình 3.6. Phép biến đổi giá trị cường độ từ trường về hệ quy chiếu trái đất 29
Hình 3.7. Cường độ từ trường trong khu vực thử nghiệm ............................. 31
Hình 3.8. Biểu đồ phân bố cường độ từ trường trong khu vực thử nghiệm .. 33

Hình 3.9. Lược đồ kiến trúc ứng dụng lập bản đồ từ trường ......................... 37
Hình 3.10. Giao diện ứng dụng lập bản đồ từ trường .................................... 38
Hình 3.11. Lược đồ kiến trúc ứng dụng định vị............................................. 39
Hình 3.12. Giao diện ứng dụng định vị.......................................................... 40
Hình 3.13. Hiển thị kết quả định vị lên bản đồ .............................................. 41
Hình 3.14. Đóng gói dữ liệu trong hệ thống .................................................. 42
Hình 4.1. Bề mặt khu vực thử nghiệm ........................................................... 43
Hình 4.2. Hình ảnh nền nhà khu vực thử nghiệm .......................................... 43
Hình 4.3. Vị trí khu vực thử nghiệm trên bản đồ ........................................... 44
Hình 4.4. Đường đi thử nghiệm ..................................................................... 45
Hình 4.5. Kết quả thử nghiệm định vị của hệ thống ...................................... 46
Hình 4.6. Phân bố giá trị sai số ...................................................................... 47
Hình 4.7. Thống kê sai số trên từng đoạn đường thử nghiệm ....................... 50


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thống kê cường độ từ trường trong khu vực thử nghiệm ............. 32
Bảng 3.2. Giả mã thuật toán định vị k người láng giềng gần nhất ................ 34
Bảng 4.1. Thống kê sai số đầu ra của hệ thống.............................................. 47
Bảng 4.2. Các phân vị của sai số đầu ra của hệ thống ................................... 51


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


CHƢƠNG 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.

2


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 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.

3


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,
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

4


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 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.

5


CHƢƠNG 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].

6


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 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

7


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].

8


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 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.

9


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.
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 phƣơng pháp ƣớc lƣợng 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

10


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].

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

11


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.

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].

12


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 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.

13


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 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

14


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:
(

)

Hình 2.5. Phép đạc tam giác
2.4.2. Phép đo 3 cạnh
Phép đo 3 cạnh (trilateration) là phương pháp định vị được biết đến rất
rộng rãi và cũng được sử dụng trong hệ thống định vị toàn cầu GPS. Phép đo
3 cạnh cũng sử dụng các tính chất hình học của hình tam giác để ước tính vị
trí của một đối tượng. Tuy nhiên, các phép đo khoảng cách liên quan đến ba
điểm tham chiếu đã biết được sử dụng để xác định vị trí bằng cách tính độ suy
giảm của tín hiệu truyền đi. Độ chính xác của thuật toán định vị này phụ
thuộc rất lớn vào tín hiệu nhận được và các điều kiện môi trường [10]. Nếu
trong môi trường có nhiều yếu tố gây nhiễu và làm suy giảm tín hiệu, thuật
toán này có thể đưa ra kết quả rất thiếu chính xác.

15


Phép đo 3 cạnh thực chất là việc tính khoảng cách giữa thiết bị với 3
điểm tham chiếu đã biết. Sau khi có tính được các khoảng cách này, việc xác
định vị trí của thiết bị suy biến về bài toán tìm giao điểm của 3 đường tròn với
tâm và bán kính đã biết.

Hình 2.6. Phép đo 3 cạnh
Wi-Fi là công nghệ được sử dụng nhiều nhất với phép đo 3 cạnh. Bằng
việc cài đặt nhiều điểm truy cập và kết nối với thiết bị, có thể dễ dàng xác định
được vị trí của thiết bị trong không gian. Công nghệ BLE và LTE cũng có thể
được sử dụng trong trường hợp này, tuy nhiên khi sử dụng công nghệ LTE, kết
quả có thể có độ chính xác không cao vì khoảng cách thực tế giữa trạm phát
sóng và thiết bị là quá lớn và có thể có nhiều vật cản gây suy giảm tín hiệu dẫn
đến sai lệch về khoảng cách ước tính giữa thiết bị với điểm tham chiếu.

16


2.4.3. Thuật toán định vị sử dụng tiệm cận
Thuật toán định vị sử dụng tiệm cận không đưa ra kết quả chính xác về
vị trí thực tế của đối tượng so với các điểm tham chiếu. Thuật toán này chỉ
đưa ra các thông tin về vị trí của đối tượng. Để đưa ra thông tin về vị trí của
đối tượng, một lưới các vị trí cho trước được gắn các ăng-ten được sử dụng
làm hệ quy chiếu. Khi đối tượng được xác định chuyển động trong lưới, vị trí
ăng-ten gần nhất với đối tượng trong lưới được sử dụng để cung cấp thông tin
về vị trí của đối tượng. Xác định vị trí gần nhất với đối tượng bằng thuộc tính
chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI), thường được sử dụng để ước lượng khoảng
cách giữa đối tượng với vị trí cố định.
Việc tính toán thông tin về vị trí của đối tượng đưa ra một ước lượng về
vị trí thực tế của đối tượng. Vị trí này không hoàn toàn chính xác nhưng trong
một số trường hợp, sai số là chấp nhận được. Từ thông tin về vị trí của đối
tượng, hệ thống định vị trong nhà có thể theo dấu và cung cấp điều hướng cho
người dùng.
Thuật toán định vị sử dụng tiệm cận yêu cầu xây dựng một lưới các vị
trí cho trước và có thể phát được tín hiệu tới đối tượng, do đó, thời gian triển
khai và chi phí hệ thống định vị sử dụng thuật toán này là cao khi so sánh với
các thuật toán trên.
2.4.4. Lấy dấu và lập bản đồ tín hiệu
Lấy dấu và lập bản đồ tín hiệu là một phương pháp ước lượng vị trí rất
phổ biến trong các hệ thống định vị ngày nay. Phương pháp này có khả năng
ước lượng vị trí của thiết bị với độ chính xác cao. Ý tưởng của phương pháp
này là đo các giá trị tín hiệu thu được ở mỗi vị trí và lưu trữ các giá trị này
cùng với vị trí đo vào cơ sở dữ liệu để tạo ra bản đồ tín hiệu của khu vực được
lấy dấu. Việc xác định vị trí của thiết bị dựa trên một giả thiết rằng các giá trị
tín hiệu đo được ở mỗi vị trí là khác nhau và các giá trị này có tính ổn định

17


theo thời gian. Vị trí của thiết bị trong khu vực được xác định bằng cách khớp
hoặc so sánh giá trị tín hiệu quan sát được với các giá trị tín hiệu đã được lưu
trữ. Độ chính xác của phương pháp này không phụ thuộc vào việc biết trước
vị trí của các điểm truy cập hoặc nguồn phát tín hiệu, thực tế có thể không cần
biết vị trí của nguồn phát tín hiệu mà vẫn có thể xác định vị trí của thiết bị
dựa trên phương pháp này.
Phương pháp ước lượng vị trí bằng cách lấy dấu và lập bản đồ thường
bao gồm 2 quá giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là việc đo các tín hiệu trong khu
vực và lập bản đồ tín hiệu từ các giá trị tín hiệu đo được. Giai đoạn thứ 2 là
việc xác định vị trí của thiết bị bằng cách so sánh các giá trị tín hiệu quan sát
được tại thời điểm đó với các giá trị tín hiệu trong tập mẫu đã được lập bản đồ
tín hiệu.
Nhiều loại tín hiệu khác nhau có thể được sử dụng trong phương pháp
này, trong đó, có thể sử dụng bức xạ từ trường để lấy dấu và lập bản đồ khu vực.
Trong trường hợp đó, kết quả của giai đoạn 1 là một bản đồ thể hiện cường độ
bức xạ từ trường tại các vị trí trong khu vực. Vị trí của thiết bị sẽ được xác định
bằng cách đo cường độ bức xạ từ trường và khớp với bản đồ đã có.
Việc ước lượng vị trí của đối tượng trong hệ thống sử dụng phương
pháp lấy dấu và lập bản đồ là độc lập và không sử dụng các thông số về góc
và khoảng cách. Phương pháp này thu thập các thông tin và đặc trưng về môi
trường ngoại cảnh, sau đó ước lượng vị trí của đối tượng bằng cách so sánh
dữ liệu đã thu thập được với dữ liệu quan sát tại vị trí của đối tượng. Các dữ
liệu thu thập được còn được gọi là bản đồ (fingerprint), là các đặc trưng duy
nhất hoặc dấu hiệu để phân biệt một vị trí với các vị trí khác. Thuật toán này
sử dụng một tập mẫu các cường độ tín hiệu đo được ở mỗi vị trí để ước lượng
vị trí của đối tượng mục tiêu. Phương pháp này còn được gọi là phương pháp

phân tích ngoại cảnh.

18