Thực thi hệ thống IPS trên điện thoại thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----------

ĐỖ ĐỨC TRUNG

THỰC THI HỆ THỐNG IPS
TRÊN ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Hà Nội - 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----------

ĐỖ ĐỨC TRUNG

THỰC THI HỆ THỐNG IPS
TRÊN ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH
Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN THỊ THÚY QUỲNH

Hà Nội - 2019


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm
ơn sâu sắc tới Cô TS Trần Thị Thúy Quỳnh. Cô đã dành nhiều thời gian, công sức
để giúp tôi hoàn thành luận văn này. Cô đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp
tôi có cái nhìn khoa học về phương pháp nghiên cứu về cả lý luận và thực tiễn,
những kỹ năng đó sẽ giúp ích thiết thực cho tôi trong công việc sau này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo và các bạn trong lớp K22
Kỹ thuật Điện tử, Khoa Điện Tử - Viễn Thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại
học Quốc gia Hà Nội đã có những nhận xét, góp ý cho luận văn này của tôi. Bên
cạnh đó, luận văn còn được hỗ trợ một phần từ đề tài mã số QG.19.25 do Đại học
Quốc gia Hà Nội tài trợ.
Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các anh trong đơn vị nơi tôi công tác,
những người đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình tôi. Những
người luôn ủng hộ và động viên tôi hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng
rất nhiều nhưng không tránh khỏi sai sót, hạn chế. Tôi mong nhận được nhiều sự
góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để tôi có thể hoàn thiện hơn luận văn của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 06 tháng 3 năm 2019
Học viên

Đỗ Đức Trung


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Thực thi hệ thống IPS trên điện
thoại thông minh” là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân
dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo của các thầy, cô hướng dẫn, thầy cô trong bộ môn,
trong khoa và các bạn bè. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn
toàn trung thực. Tôi không sao chép các tài liệu hay các công trình nghiên cứu
của người khác để làm luận văn này.
Trong luận văn có dùng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong
phần tài liệu tham khảo.
Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 06 tháng 3 năm 2019
Người thực hiện

Đỗ Đức Trung


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ i
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................... iv
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 1
TÓM TẮT ............................................................................................................. 2
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TỰ TRỊ PDR .............. 3
1.1. Hệ thống PDR ............................................................................................ 3
1.1.1. Sơ đồ khối ........................................................................................... 4
1.1.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................................... 4
1.1.3. Con quay hồi chuyển ........................................................................... 5
1.1.4. Cảm biến gia tốc.................................................................................. 7
1.2. Kết hợp PDR với các hệ thống IPS khác ................................................. 15
1.2.1. Ưu, nhược điểm của hệ thống PDR .................................................. 15

1.2.2. Kết hợp PDR và các hệ thống IPS khác............................................ 16
Kết luận chương I ............................................................................................ 21
CHƯƠNG II. MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA THUẬT TOÁN SỬ
DỤNG TRONG HỆ THỐNG PDR .................................................................... 22
2.1. Dữ liệu thu thập từ cảm biến gia tốc ........................................................ 22
2.2. Tiền xử lý tín hiệu thu thập từ cảm biến gia tốc ...................................... 25
2.2.1. Tín hiệu thô ....................................................................................... 25
2.2.2. Tín hiệu tiền xử lý ............................................................................. 26
2.3. Phát hiện bước chân ................................................................................. 28
2.3.1. Phát hiện dựa trên thay đổi phương sai ............................................. 28
2.3.2. Phát hiện điểm không ........................................................................ 29
2.3.3. Phát hiện đỉnh .................................................................................... 31
2.3.4. Lựa chọn phương pháp phát hiện bước chân .................................... 32
2.4. Ước lượng bước chân ............................................................................... 33
2.4.1. Phương pháp trực tiếp ....................................................................... 34
2.4.2. Phương pháp gián tiếp....................................................................... 36
2.4.3. Lựa chọn phương pháp ước lượng bước chân .................................. 37


Kết luận chương II .......................................................................................... 41
CHƯƠNG III. THỰC THI HỆ THỐNG PDR TRÊN ĐIỆN THOẠI THÔNG
MINH .................................................................................................................. 42
3.1. Giới thiệu về Android .............................................................................. 42
3.1.1. Giới thiệu........................................................................................... 42
3.1.2. Quy trình tạo một ứng dụng trên Android Studio ............................. 42
3.2. Hệ thống V_IPS ....................................................................................... 42
3.2.1. Giao diện phần mềm ......................................................................... 43
3.2.2. Lưu đồ thuật toán .............................................................................. 46
3.3. Đánh giá phần mềm ................................................................................. 47
3.3.1. Đánh giá chức năng xác định hướng đi ............................................ 47

3.3.2. Đánh giá chức năng đếm bước .......................................................... 48
3.3.3. Đánh giá chức năng xác định khoảng cách đi được.......................... 49
Kết luận chương III ......................................................................................... 52
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 54


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Ý nghĩa

Viết tắt

AP

Access point

Điểm truy cập

BLE

Bluetooth Low Energy

Bluetooth năng lượng thấp

BNs

Beacon nodes

Các nút dẫn đường

IPS

Indoor Positioning System

Hệ thống định vị trong nhà

MU

Mobile unit

Thiết bị di động

NFC

Near Field Communication

Truyền thông trường gần

PDR

Pedestrian Dead Reckoning

Ước lượng vị trí theo bước chân

QR code

Quick response code

Mã phản hồi nhanh

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RFID

Radio-Frequency Identification

Nhận dạng tần số sóng vô tuyến

RPs

Reference points

Các điểm tham chiếu

RSS

Received signal strengths

Cường độ tín hiệu thu được

Wifi

Wireless Fidelity

Mạng không dây sử dụng sóng
vô tuyến

i


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô tả đặc trưng hệ thống PDR [1]............................................................. 4
Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống PDR........................................................................... 4
Hình 1.3: Con quay hồi chuyển [2] ............................................................................ 5
Hình 1.4: Dạng tín hiệu con quay hồi chuyển khi người đi chuyển hướng ............... 6
Hình 1.5: Cảm biến gia tốc [3] ................................................................................... 7
Hình 1.6: Hướng của cảm biến gia tốc trên điện thoại thông minh [4] ..................... 7
Hình 1.7: Các giai đoạn của hành vi đi bộ [6] ........................................................... 8
Hình 1.8: Chân của người đi [6] ................................................................................ 9
Hình 1.9: Giai đoạn bàn chân không tiếp xúc với mặt đất thứ nhất [6]..................... 9
Hình 1.10: Giai đoạn bàn chân không tiếp xúc mặt đất thứ hai [6] ......................... 10
Hình 1.11: Mẫu tín hiệu tăng tốc theo phương dọc (a) và ngang (b) [6] ................. 11
Hình 1.12: Giai đoạn gót chân chạm đất [6] ............................................................ 12
Hình 1.13: Tín hiệu điển hình trong giai đoạn gót chân chạm đất [6] ..................... 12
Hình 1.14: Gia tốc theo phương dọc của hành vi đi bộ [6]...................................... 13
Hình 1.15: Gia tốc theo phương ngang của hành vi đi bộ [6].................................. 13
Hình 1.16: Mẫu tín hiệu thực trước lọc khi người dùng đi ...................................... 14
Hình 1.17: Mẫu tín hiệu thực sau lọc khi người dùng đi ......................................... 14
Hình 1.18: Loại tín hiệu và các cảm biến trên điện thoại thông minh ..................... 15
Hình 1.19: Đánh giá các tiêu chí và so sánh hiệu suất của tất cả các phương pháp tiếp
cận dựa trên thiết bị gần đây [7]............................................................................... 16
Hình 1.20: Sử dụng cường độ tín hiệu Wifi để định vị [9] ...................................... 19
Hình 1.21: Cường độ tín hiệu Wifi ở các điểm khác nhau ..................................... 19

Hình 1.22: Định vị sử dụng nút dẫn đường [12] ...................................................... 21
Hình 2.1: Các cách biểu diễn tín hiệu gia tốc [13]................................................... 22
Hình 2.2: Tỷ lệ % xác định bước chân thành công của các phương pháp biểu diễn tín
hiệu gia tốc trong trường hợp người dùng đi bộ [13] .............................................. 23
Hình 2.3: Tỷ lệ % xác định bước chân thành công của các phương pháp biểu diễn tín
hiệu gia tốc trong trường hợp người dùng chạy [13] ............................................... 24
ii


Hình 2.4: Giao diện chương trình thu thập dữ liệu từ cảm biến gia tốc .................. 25
Hình 2.5: Tín hiệu cảm biến gia tốc thô (trước khi lọc) .......................................... 26
Hình 2.6: Phổ tín hiệu Acc ....................................................................................... 27
Hình 2.7: Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp ...................................................... 27

Hình 2.8: Tín hiệu cảm biến gia tốc sau khi lọc ...................................................... 28
Hình 2.9: Phát hiện dịch phương sai [4] .................................................................. 29
Hình 2.10: Phát hiện điểm không [4] ....................................................................... 30
Hình 2.11: Phát hiện bước sai khi người dùng dừng lại .......................................... 30
Hình 2.12: Đỉnh thật và đỉnh giả [14] ...................................................................... 31
Hình 2.13: Các thông số lựa chọn đỉnh .................................................................... 32
Hình 2.14: Mô tả tham số trong thuật toán phát hiện bước chân ............................. 32
Hình 2.15: Tín hiệu Acc thu được của bước 60 cm và 80 cm [6] ........................... 33
Hình 2.16: Accmax và Accmin trong một bước chân ............................................. 35
Hình 2.17: Chênh lệch giữa hai đỉnh Accmax và Accmin theo tần số bước [4].... 35

Hình 2.18: Chênh lệch Accmax và Accmin tại mỗi bước...................................... 36

Hình 2.19: Phương sai gia tốc và chiều dài sải chân đi [4]...................................... 37
Hình 2.20: Phương sai của Acc với cửa sổ trượt bằng 10 mẫu ............................... 38

Hình 2.21: Phương sai của Acc với cửa sổ trượt bằng 20 mẫu ............................... 38
Hình 2.22: Phương sai của Acc với cửa sổ trượt bằng 40 mẫu ............................... 39
Hình 2.23: Phổ tần số của tín hiệu Acc [13] ............................................................ 40
Hình 2.24: Phổ tần số của tín hiệu Acc khi người dùng ở trạng thái đi bình thường
và đi nhanh ............................................................................................................... 41
Hình 3.1: Giao diện phần mềm V_IPS..................................................................... 43
Hình 3.2: Biểu thị hướng đi trên phần mềm V_IPS ................................................. 44
Hình 3.3: Biểu thị phím chức năng của phần mềm .................................................. 45
Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán hệ thống V_IPS .......................................................... 46

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các hệ thống IPS lai của PDR [8] ........................................................... 17
Bảng 2.1: Tổng hợp kết quả từ hình 2.2 và hình 2.3................................................ 24
Bảng 2.2: Giá trị trung bình của Acc ứng với độ dài bước [6] ................................ 34
Bảng 2.3: Thời gian trung bình của một bước chân [6] ........................................... 34
Bảng 2.4: Giá trị trung bình phương sai của Acc theo thời gian ............................. 39
Bảng 3.1: Thử nghiệm xác định hướng đi ............................................................... 47
Bảng 3.2: Sai số thử nghiệm đếm số bước chân ...................................................... 48
Bảng 3.3: Thử nghiệm xác định khoảng cách .......................................................... 50
Bảng 3.4: Thống kê phần trăm sai số xác định khoảng cách ................................... 52

iv


LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) đang được sử
dụng rộng rãi trong các ứng dụng xác định vị trí ở không gian rộng. Tuy nhiên dưới

sự che khuất của các công trình, tòa nhà, hoặc đi vào những vùng không thể thu được
tín hiệu GPS thì phương pháp định vị này không còn chính xác. Trong khi đó, nhu
cầu xác định vị trí trong các không gian hẹp như tòa nhà, khu thương mại, bệnh viện,
hay trong công tác cứu hộ cứu nạn ngày càng tăng dẫn đến nhu cầu cần phải xây
dựng, phát triển các hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System IPS). Một số công nghệ cho IPS đã và đang được nghiên cứu dựa trên hệ thống tín
hiệu và cơ sở hạ tầng thiết bị của tòa nhà ví dụ như định vị dựa trên tín hiệu Wifi,
Bluetooth, ... Tuy nhiên các công nghệ này cần thêm thời gian nghiên cứu để nâng
cao độ chính xác, giảm chi phí và đảm bảo khả năng hoạt động ổn định. Bên cạnh đó
các nhà nghiên cứu cũng đề xuất phương pháp định vị tự trị PDR (Pedestrian Dead
Reckoning) cho IPS với khả năng không sử dụng hạ tầng thiết bị của tòa nhà. Đây
cũng là nội dung được nghiên cứu trong luận văn với phương pháp đánh giá một số
kỹ thuật định vị tự trị phổ biến trên thế giới sau đó lựa chọn xây dựng và thực thi hệ
thống trên điện thoại thông minh.
Bố cục của luận văn gồm:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống định vị tự trị PDR.
Chương 2: Mô phỏng, đánh giá hiệu năng của thuật toán sử dụng trong hệ
thống PDR.
Chương 3: Thực thi hệ thống PDR trên điện thoại thông minh.

1


TÓM TẮT
Tóm tắt:
Ngày nay, hệ thống định vị trong nhà rất được quan tâm nghiên cứu để phục
vụ các nhu cầu thiết yếu của con người. Trong luận văn này, tác giả đã tiến hành xây
dựng ứng dụng định vị trong nhà dựa trên định vị tự trị (PDR - IPS) cho điện thoại
thông minh sử dụng hệ điều hành Android với dữ liệu thu thập từ cảm biến gia tốc
và con quay hồi chuyển, và xây dựng ứng dụng với các kỹ thuật xác định số bước
chân, kích thước bước chân trong trường hợp người dùng đi nhanh và đi chậm, từ đó

tính ra quãng đường đã đi. Ứng dụng được thử nghiệm với sai số trung bình 4,66%
với quãng đường đi 38 m. Bên cạnh đó, ứng dụng cũng có khả năng xác định hướng
quay của người dùng với độ chính xác 100%.
Từ khóa: IPS, PDR, cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, ước lượng kích thước
bước chân.

2


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
ĐỊNH VỊ TỰ TRỊ PDR
1.1. Hệ thống PDR
Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí đối tượng, tính toán
khoảng cách, tìm đường có độ chính xác cao ở môi trường ngoài trời. Nhưng khi
hoạt động trong môi trường nhiều vật cản như trong các công trình kiến trúc thì gây
ra sai số lớn. Vì vậy trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu về các hệ
thống IPS (Indoor Positioning System: Hệ thống định vị trong nhà).
Với sự phát triển của công nghệ, nhiều kỹ thuật, phương pháp định vị trong
nhà đã được sử dụng và đã đạt được những kết quả nhất định. Tuy nhiên việc thiết
kế và triển khai hệ thống để lấy thông tin vị trí trong môi trường trong nhà là một
vấn đề không đơn giản vì nhiều lý do như quyền riêng tư của người dùng, chi phí
đầu tư, khả năng mở rộng hệ thống, vấn đề năng lượng và tính chất của kênh truyền
không dây trong nhà do ảnh hưởng của vật cản, tiếng ồn, đa đường. Trong các
phương pháp định vị trong nhà thì PDR (Pedestrian Dead Reckoning: Ước lượng vị
trí theo bước chân) là một trong các phương pháp thường được sử dụng hiện nay.
Phương pháp PDR là phương pháp định vị tự trị dựa trên cở sở đặc điểm đi bộ
của con người được phản ánh qua tín hiệu của các cảm biến trong điện thoại thông
minh, điển hình là cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển. Dựa vào đặc điểm tín
hiệu của các cảm biến này, có thể xác định được hướng đi, số bước chân, độ dài bước
chân của người đi. Từ đó, kết hợp các tham số này để xác định vị trí người đi trên

bản đồ.
Đặc điểm của hệ thống định vị sử dụng phương pháp PDR là cần xác định vị
trí khởi đầu khi hoạt động. Hình 1.1 mô tả đặc trưng của một hệ thống PDR.

3


Hình 1.1: Mô tả đặc trưng hệ thống PDR [1]
1.1.1. Sơ đồ khối
Sơ đồ khối của hệ thống PDR được biểu diễn trên hình 1.2. Hệ thống xác định
vị trí người dùng bằng cách: Xác định quãng đường (bao gồm xác định bước chân
và ước lượng độ dài bước chân) và xác định góc quay (xác định hướng).

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống PDR
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của hệ thống PDR gồm 3 bước sau:
- Bước 1: Thu thập dữ liệu từ con quay hồi chuyển để xác định hướng đi và thu
thập dữ liệu từ cảm biến gia tốc để phát hiện bước chân và ước lượng độ dài
bước chân.
- Bước 2: Từ kết quả bước 1, tính toán vị trí dựa trên khoảng cách và góc quay.
- Bước 3: Hiển thị trên bản đồ.
4


1.1.3. Con quay hồi chuyển
 Khái quát về con quay hồi chuyển (Gyroscope)
- Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương
hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng.

Hình 1.3: Con quay hồi chuyển [2]

Theo hình 1.3, cấu trúc con quay hồi chuyển gồm: Khung con quay, trục quay,
đĩa quay và khớp vạn năng.
- Dữ liệu thu được từ con quay hồi chuyển được sử dụng để xác định hướng đi
trong luận văn.
 Dạng tín hiệu thu được từ con quay hồi chuyển khi người đi rẽ trái và rẽ phải
Để đơn giản trong phân tích dạng tín hiệu, tác giả chỉ xét trường hợp người đi
chuyển hướng các góc 900 và vị trí điện thoại khi lấy mẫu nằm song song mặt đất.
Khi đó, dạng tín hiệu con quay hồi chuyển được biểu diễn như trên hình 1.4.

a. Rẽ phải - rẽ trái

b. Rẽ phải - rẽ trái - rẽ phải - rẽ trái
- rẽ phải - rẽ trái
5


c. Rẽ trái - rẽ phải 2 lần - rẽ trái
- rẽ phải 2 lần

d. Rẽ trái - rẽ phải 3 lần
- rẽ trái 2 lần - rẽ phải

e. Rẽ trái - rẽ phải 3 lần - rẽ trái
- rẽ phải - rẽ trái

f. Rẽ phải - rẽ trái - rẽ phải 3 lần
- rẽ trái

Hình 1.4: Dạng tín hiệu con quay hồi chuyển khi người đi chuyển hướng
Quan sát trong các hình 1.4a, b, c, d, e, f, mỗi lần người đi thực hiện chuyển

hướng, tín hiệu có đỉnh rõ rệt. Cụ thể, khi người đi rẽ trái vận tốc góc theo trục Z (kí
hiệu: Gyro[z]) mang dấu dương, khi rẽ phải vận tốc góc theo trục Z mang dấu âm. Đây
là cơ sở khoa học để có thể nhận biết việc chuyển hướng sang trái hay sang phải của
người đi. Tác giả chọn ngưỡng Gyro[z] là 2 để quyết định rẽ trái và -2 để quyết định
rẽ phải. Giá trị này là phù hợp dù người đi có tốc độ chuyển hướng nhỏ.

6


1.1.4. Cảm biến gia tốc
 Khái quát về Cảm biến gia tốc (Accelerometer)
- Cảm biến gia tốc là thiết bị đo gia tốc theo 3 chiều được biểu diễn trên hình
1.5. Cảm biến này được đặt trong điện thoại di động với các hướng X, Y, Z
được biểu diễn trên hình 1.6. Trong đó, trục X nằm ngang hướng về bên phải,
trục Y nằm dọc và hướng về phía trên cùng màn hình và trục Z vuông góc
với màn hình.

Hình 1.5: Cảm biến gia tốc [3]

Hình 1.6: Hướng của cảm biến gia tốc trên điện thoại thông minh [4]
- Dữ liệu thu được từ cảm biến gia tốc được sử dụng để xác định số, kích thước
bước chân, và quãng đường đi được trong luận văn.
7


 Dạng tín hiệu thu được từ cảm biến gia tốc
Trong các hệ thống PDR, tác động theo chiều dọc được đo để phát hiện bước
chân. Một bước được đếm khi đo lường tác động theo chiều dọc lớn hơn so với
ngưỡng. Tuy nhiên số lượng các bước được đếm đôi khi không chính xác do ảnh
hưởng từ độ nghiêng của chân. Các mẫu tín hiệu tác động còn phụ thuộc vào loại

chuyển động (đi lên hoặc xuống cầu thang, bò, chạy, …) và loại mặt đất mà người
đó đi (bề mặt cứng hoặc mềm, cát), khiến việc xác định ngưỡng không dễ dàng đạt
được mức đáng tin cậy. Một phương pháp phát hiện bước đáng tin cậy là dựa trên sự
phân tích về gia tốc dọc và gia tốc ngang của bàn chân trong một bước đi, mẫu tín
hiệu của hành vi đi bộ thu được.
- Phân tích hành vi của người đi bộ (Dựa trên biên độ của vector gia tốc)
Một chu kỳ đi bộ của con người bao gồm hai giai đoạn [6]: Giai đoạn đứng và
đi bộ. Phát hiện bước có nghĩa là nhận biết giai đoạn đi bộ. Giai đoạn đi bộ được chia
thành giai đoạn bàn chân không tiếp xúc với mặt đất (Swing Phase) và giai đoạn
chạm gót chân (Heel-touch-down phase) như biểu diễn trên hình 1.7.

Hình 1.7: Các giai đoạn của hành vi đi bộ [6]

8


- Xét giai đoạn bàn chân không tiếp xúc mặt đất
Giai đoạn bàn chân không tiếp xúc mặt đất được chia thành giai đoạn thứ nhất
và giai đoạn thứ hai.
Trong swing phase thứ nhất, chân nằm ở phía sau trọng tâm của cơ thể con
người và trong swing phase thứ hai thì chân nằm ở phía trước trọng tâm của cơ thể
con người. Hình 1.8 biểu diễn a, h, g tương ứng là gia tốc ngang, gia tốc dọc, và lực
hấp dẫn khi chân vuông góc với mặt đất.

Hình 1.8: Chân của người đi [6]
Hình 1.9 và hình 1.10 lần lượt biểu diễn chuyển động của chân trong swing
phase thứ nhất và swing phase thứ hai.

Hình 1.9: Giai đoạn bàn chân không tiếp xúc với mặt đất thứ nhất [6]
9

Hình 1.10: Giai đoạn bàn chân không tiếp xúc mặt đất thứ hai [6]
Gia tốc theo hướng ngang 𝐀𝐇 (𝑡) và gia tốc theo hướng dọc 𝐀𝐕 (𝑡) trong swing

phase thứ nhất và thứ hai được biểu thị tương ứng trong phương trình 1.1 và 1.2,
trong đó θ(t) là góc nghiêng của chân so với phương dọc tại thời điểm t.
{

𝐀𝐇 (𝑡) = 𝐚sin𝜃 + (𝐡 − 𝐠)cos𝜃
𝐀𝐕 (𝑡) = 𝐚cos𝜃 − (𝐡 − 𝐠)sin𝜃

𝐀 (𝑡) = −𝐚sin𝜃 + (𝐡 − 𝐠)cos𝜃
{ 𝐇
𝐀𝐕 (𝑡) = 𝐚cos𝜃 + (𝐡 − 𝐠)sin𝜃

(1.1)
(1.2)

Trong nhiều nghiên cứu, một bước được phát hiện khi đo 𝐀𝐇 (𝑡) hoặc

𝐀𝐕 (𝑡) lớn hơn ngưỡng. Tuy nhiên vì θ(t) phụ thuộc vào đặc điểm của việc đi bộ là
khác nhau với mỗi người, nên khó để xác định chính xác giá trị ngưỡng của 𝐀𝐇 (𝑡)
hoặc 𝐀𝐕 (𝑡). Số bước sẽ bị đếm sai khi ngưỡng xác định sai được áp dụng. Giả thuyết

độ nghiêng điển hình của chân nằm trong giới hạn 300 ÷ 500 và a, h có phạm vi từ
0,8 ÷ 2,3 g và 0,6 ÷ 2 g, thành phần gia tốc theo phương ngang và gia tốc theo
phương dọc được mô phỏng như trên hình 1.11.

10

(a)

(b)
Hình 1.11: Mẫu tín hiệu tăng tốc theo phương dọc (a) và ngang (b) [6]
Hình 1.11 cho thấy trong giai đoạn bàn chân không tiếp xúc với mặt đất, gia
tốc theo phương ngang có một đỉnh dương và 1 đỉnh âm trong khi đó gia tốc theo
phương dọc chỉ có một đỉnh âm.
- Xét giai đoạn bàn chân tiếp xúc với mặt đất
Ở giai đoạn này, gót chân chạm đất lúc đầu, sau đó bàn chân và ngón chân tiếp
xúc với mặt đất, tại thời điểm này lực tác động lên chân. Hình 1.12 và hình 1.13
biểu diễn lực trong giai đoạn gót chân chạm đất.

11


Hình 1.12: Giai đoạn gót chân chạm đất [6]

Hình 1.13: Tín hiệu điển hình trong giai đoạn gót chân chạm đất [6]
Sau khi kết hợp giai đoạn chân không tiếp xúc và giai đoạn gót chân chạm đất,
hình 1.14 và hình 1.15 mô tả đầy đủ sự thay đổi gia tốc theo phương dọc và phương
ngang trong một chu kỳ của hành vi đi bộ.

12


Hình 1.14: Gia tốc theo phương dọc của hành vi đi bộ [6]

Hình 1.15: Gia tốc theo phương ngang của hành vi đi bộ [6]

Bên cạnh đó, hình 1.16 và hình 1.17 cũng lần lượt biểu diễn gia tốc theo
phương X, Y, và Z được thu thập bởi điện thoại di động trước và sau khi lọc.

13


Hình 1.16: Mẫu tín hiệu thực trước lọc khi người dùng đi

Hình 1.17: Mẫu tín hiệu thực sau lọc khi người dùng đi
14


 Nhận xét
Tín hiệu sau khi lọc đã loại bỏ các thành phần tần số cao và trở lên mịn hơn.
Từ đó, thuận tiện cho quá trình phân tích.
1.2. Kết hợp PDR với các hệ thống IPS khác
Có nhiều kỹ thuật và phương pháp định vị được sử dụng trong các hệ thống
IPS. Tuy nhiên mỗi hệ thống lại có những ưu nhược điểm nhất định liên quan đến
độ chính xác, độ tiện lợi, chi phí đầu tư,... Cho nên để tăng độ chính xác trong khi
các điều kiện khác vẫn đảm bảo thì người ta thường thiết kế các hệ thống kết hợp.
1.2.1. Ưu, nhược điểm của hệ thống PDR
Với sự bùng nổ của điện thoại thông minh thì IPS sử dụng điện thoại thông
minh là một lựa chọn tiện lợi nhất cho người dùng. Như trên hình 1.18, hệ thống IPS
sử dụng điện thoại thông minh có thể dựa trên tín hiệu: GPS, Wifi, GSM, Camera,
FM Radio, Bluetooth, Micro phone, và các cảm biến quán tính (cảm biến gia tốc,
nam châm số, con quay hồi chuyển, cảm biến tiệm cận (gần - xa), cảm biến áp suất,
cảm biến ánh sáng RGB,…).

Hình 1.18: Loại tín hiệu và các cảm biến trên điện thoại thông minh
dùng để định vị [7]

15