Ước lượng thông số bước đi dùng cảm biến quán tính đặt trên bàn chân

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THẾ KHÁNH

ƯỚC LƯNG THÔNG SỐ BƯỚC ĐI
DÙNG CẢM BIẾN QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN BÀN CHÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng - Năm 2020


IH C
N NG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THẾ KHÁNH

ƢỚC LƢỢNG THÔNG SỐ BƢỚC ĐI
DÙNG CẢM BIẾN QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN BÀN CHÂN
C u n n n Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
M số: 8520216

LU N V N TH C S

N ƣời ƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Đo n Quan Vin

Đ N n - Năm 2020

LỜI CẢM ƠN
Với tình cảm chân thành, tôi bày tỏ lòng biết ơn đối với ại học à Nẵng,
Trường ại học Bách Khoa à Nẵng, các Thầy, cô đã tham gia quản lý, giảng dạy và
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đến Thầy PGS.TS. oàn Quang Vinh và Th.S Phạm
Duy Dưởng người đã trực tiếp giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn
trong thời gian qua.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song vẫn còn
mặt hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp và sự chỉ dẫn của
quý thầy, cô giáo và các bạn học viên để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cám ơn!


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... 3
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... 4
MỤC LỤC ..................................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................... 10
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................1
2. Tổng quan về hệ thống...........................................................................................3
3. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn ......................................................................4
4. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu.....................................................4
4.1. ối tượng nghiên cứu ........................................................................................4
4.2. Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................................5
5. Ý n

ĩa k oa ọc và thực tiễn của đề tài .............................................................5

6. Bố cục luận văn.......................................................................................................5
CHƢƠNG 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN QUÁN TÍNH VÀ
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
6
1.1 Giới thiệu................................................................................................................6
1.2 Tổng quan về MEMS .............................................................................................6
1.3 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS ..............................................................7
1.4 Giới thiệu cảm biến quán tính (IMU) ....................................................................7
1.4.1 Giới thiệu cảm biến gia tốc..............................................................................9
1.4.2 Giới thiệu cảm biến vận tốc góc ....................................................................11
1.4.3 Giới thiệu cảm biến từ trường .......................................................................14
1.5 Khả năng ứng dụng của IMU ...............................................................................14
1.6 Cảm biến quán tính Mti-1 của hãng Xsens ..........................................................17
1.7 Tổng quan về tình hình nghiên cứu .....................................................................18
1.7.1 Phân tích dáng đi (gait analysis) ....................................................................19
1.7.2 ịnh vị cho người đi bộ (pedestrian navigation) ...........................................20
1.8

Kết luận ............................................................................................................21

CHƯƠNG 2 - THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH .......................................... 22
2.1 Giới thiệu ..........................................................................................................22
2.2

Các hệ thống định vị và dẫn đường ..................................................................22

2.2.1 Hệ thống dẫn đường toàn cầu GPS ...............................................................22
2.2.2 Hệ thống dẫn đường quán tính .........................................................................23

2.3

Các phương trình cơ bản của định vị quán tính ...............................................24

2.4 Ƣớc lƣợn
2.5

ƣớng và vị trí trong thuật toán định vị quán tính (INA) ..........27

Kết luận ............................................................................................................28

CHƢƠNG 3 - BỘ LỌC ALMAN CHO ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH VÀ CÁC
PHƢƠNG TRÌNH C P NH T ................................................................................ 29
3.1 Giới thiệu ..........................................................................................................29
3.2

Bộ lọc Kalman ..................................................................................................29

3.3 Xây dựng mô hình bộ lọc Kalman cho định vị quán tính ....................................32
3.4 Phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman ...........................................................35
3.5 Phương trình cập nhật cơ bản cho IMU đặt trên bàn chân ..................................35
3.6

Kết luận ............................................................................................................37

CHƢƠNG 4 - THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .......................................................... 38
4.1 Giới thiệu..............................................................................................................38
4.2 Thiết bị thí nghiệm ...............................................................................................38

4.3 Thí nghiệm đi thẳng dọc hành lang ......................................................................39
4.4 Thí nghiệm đi ba bước với hệ thống camera .......................................................45
4.5 ánh giá sức khỏe thông qua thông số bước đi ...................................................48
4.5.1 UUK Walk test ...............................................................................................48
4.5.2 The Time up and go .......................................................................................49
4.5.3 Four Meter Walk Test ....................................................................................50
4.6 Kết luận ................................................................................................................53
KẾT LU N.............................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................55


ƢỚC LƢỢNG THÔNG SỐ BƢỚC ĐI
DÙNG CẢM BIẾN QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN BÀN CHÂN
Học viên: Nguyễn Thế Khánh
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8520216

Khóa: 36

Trường ại học Bách Khoa à Nẵng - H N
Tóm tắt Cảm biến quán tính (IMU) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ước lượng chuyển động
sử dụng thuật toán định vị quán tính (INA). INA dựa trên nguyên tắc kết hợp tích phân hai
lớp của gia tốc và tích phân của vận tốc góc. Tuy nhiên, việc sử dụng nguyên lý tích phân sẽ
làm cho sai số ước lượng tích lũy rất nhanh theo thời gian do nhiễu của các thành phần trong
cảm biến. Trong luận văn này, tôi trình bày việc xây dựng INA sử dụng bộ bộ lọc Kalman mở
rộng để nâng cao độ chính xác của việc ước lượng quỹ đạo chuyển động của bàn chân để ước
lượng thông số bước đi của người dùng. Lúc này cảm biến quán tính được đặt trên bàn chân
và ghi lại dữ liệu chuyển động của bàn chân. Quỹ đạo chuyển động của bàn chân được ước
lượng bằng cách chạy INA cho dữ liệu này trên Matlab. Từ quỹ đạo chuyển động của bàn
chân, chúng ta có thể trích xuất các thông số chuyển động của người dùng như độ dài bước,

tốc độ bước, thời gian bước… Những thông số bước đi này rất hữu ích trong việc đánh giá
tình trạng sức khỏe người dùng và giúp phát hiện một số loại bệnh qua thông số bước đi.
Từ k óa - định vị; đường dẫn; cảm biến quán tính; IMU; phân tích dáng đi; ước lượng
chuyển động.

THE APPLICATION OF THE INERTIAL NAVIGATION OFKALMAN
FILTER IN WALKING PARAMETER ESTIMATION
Abstract - Inertial Measurement Unit (IMU) are increasingly widely used in motion
estimation using inertial positioning algorithm (INA). INA is based on the principle of
combining two-layer integration of acceleration and integration of angular velocity. However,
using the integral principle will make the estimated error of accumulation very fast over time
due to noise of the components in the sensor. In this dissertation we present the construction
of INA using the extended Kalman filter set to improve the accuracy of the foot trajectory
estimation to estimate the user's step parameters. At this moment the inertial sensor is placed
on the foot and records the movement data of the foot. Trajectory motion of the foot is
estimated by running INA for this data on Matlab. From the motion trajectory of the foot, we
can extract the user's movement parameters such as step length, step speed, step time, etc.
These step parameters are very useful in evaluating User health status and help detect some
diseases through step parameters.
Key words - positioning; navigation; inertial measurement unit; IMU, gait analysis; motion
estimation


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiến An

Tiến Việt

Inertial Measurement Units

Khối đo quán tính

Kalman Filter

Bộ lọc Kalman

EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

ICS

IMU coordinate system

Hệ trục tọa độ của cảm biến

WSC

World coordinate system

Hệ trục tọa độ trái đất

BSC

Body coordinate system

Hệ trục tọa độ của hệ

INA

Inertial Navigation Algorithm

Thuật toán định vị quán tính

IMU
KF


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4. 1 Ước lượng thông số bước đi và sai lệch trên quãng đường 30m ..............44
Bảng 4. 2 Sai số vị trí theo các trục khi sử dụng cập nhật vận tốc tại ZVI (m) ........47
Bảng 4. 3 Sai số vị trí theo các trục khi sử dụng cập nhật vận tốc và cập nhật độ cao
tại ZVI (m) ..............................................................................................................47


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Ước lượng chuyển động bàn chân sử dụng IMU ...........................................3
Hình 1. 1 Các thành phần của thiết bị MEMS .............................................................7
Hình 1. 2 Cấu tạo của một cảm biến quán tính 6DOF.................................................8
Hình 1. 3 Một cảm biến gia tốc cổ điển được gắn trên tên lửa IRBM S3 ...................8
Hình 1. 4 Sơ đồ khối của một hệ lò xo - gia trọng ........................................................9
Hình 1. 5 Các dipole áp điện ..........................................................................................9
Hình 1. 6 Đáp ứng tần số của cảm biến kiểu áp điện .................................................10
Hình 1. 7 Cảm biến gia tốc kiểu tụ ..............................................................................10
Hình 1. 8 Cảm biến gia tốc kiểu tụ chế tạo theo công nghệ MEMS ..........................10
Hình 1. 9 Cảm biến áp trở ............................................................................................11

Hình 1. 10 Con quay hồi chuyển .................................................................................12
Hình 1. 11 Ứng dụng giám sát độ nghiêng máy bay ..................................................12
Hình 1. 12 Lực Coriolis ................................................................................................ 13
Hình 1. 13 Cấu tạo cảm biến vận tốc góc ....................................................................13
Hình 1. 14 Cảm biến vận tốc góc bằng công nghệ MEMS ........................................14
Hình 1. 15 Nguyên lý cảm biến từ trường ...................................................................14
Hình 1. 16 Năm chế độ cảm biến chuyển động. .........................................................15
Hình 1. 17 Chuyển động quay của một vật xung quanh trục Z .................................16
Hình 1. 18 Ứng dụng IMU trong chơi golf .................................................................16
Hình 1. 19 Các dòng IMU của hãng Xsens ................................................................ 17
Hình 1. 20 IMU Mti-1 ..................................................................................................17
Hình 1. 21 Sơ đồ khối chức năng của cảm biến Mti-1 ...............................................18
Hình 1. 22 Mặt trước của board mạch sử dụng cảm biến Mti-1 ...............................18
Hình 1. 23 Phân tích dáng đi .......................................................................................19
Hình 1. 24 Phân tích dáng đi sử dụng cảm biến quán tính. ......................................20
Hình 1. 25 Hệ thống định vị cho người đi bộ .............................................................20
Hình 2. 1 Quỹ đạo các vệ tinh của hệ thống GPS.......................................................23
Hình 3. 1 Hoạt động của bộ lọc Kalman .....................................................................30
Hình 3. 2 Lưu đồ thuật toán hoạt động của bộ lọc Kalman trong định vị quán tính
................................................................................................................................ 31
Hình 4. 1 Mô đun thu thập dữ liệu (trái) và bản thiết kế (phải) ................................ 38
Hình 4. 2 Tín hiệu gia tốc theo 3 trục thu được với quãng đường đi 30m ................39
Hình 4. 3 Tín hiệu vận tốc góc theo 3 trục thu được với quãng đường đi 30m ........39
Hình 4. 4 Tín hiệu gia tốc truy xuất từ giây thứ hai đến giây thứ ba ........................40
Hình 4. 5 Tín hiệu vận tốc góc truy xuất từ giây thứ hai đến giây thứ ba ................40
Hình 4. 6 Phát hiện ZVI sử dụng tín hiệu gia tốc ......................................................41
Hình 4. 7 Phát hiện ZVI sử dụng tín hiệu vận tốc góc ...............................................41


Hình 4. 8 Phát hiện ZVI sử dụng gia tốc truy xuất từ giây thứ hai đến giây thứ ba 42

Hình 4. 9 Phát hiện ZVI sử dụng vận tốc góc truy xuất từ giây thứ hai đến giây thứ
ba ............................................................................................................................42
Hình 4. 10 Phát hiện ZVI sử dụng cảm biến quán tính .............................................43
Hình 4. 11 Phát hiện ZVI sử dụng cảm biến quán tính truy xuất từ giây thứ hai đến
giây thứ ba ..............................................................................................................43
Hình 4. 12 Mô đun thu thập dữ liệu gắn trên bàn chân ............................................45
Hình 4. 13 Vị trí bàn chân sử dụng INA không cập nhật ..........................................45
Hình 4. 14 Vị trí bàn chân sử dụng INA cập nhật vận tốc tại điểm ZVI ...................46
Hình 4. 15 Vị trí bàn chân sử dụng INA cập nhật vận tốc và độ cao tại điểm ZVI ..46
Hình 4. 16 Phiếu đánh giá của bài kiểm tra UUK Walk test......................................49
Hình 4. 17 Bài kiểm tra The Time up and go ..............................................................50
Hình 4. 18 Bài kiểm tra 4 Meter Walk Test .................................................................51
Hình 4. 19 Đánh giá chung từ tốc độ di chuyển .........................................................51
Hình 4. 20 Đánh giá các chỉ số từ tốc độ di chuyển ...................................................52
Hình 4. 21 Một số khuyến cáo từ tốc độ di chuyển.....................................................52


1

MỞ ĐẦU
1. Tín cấp t iết của đề tài
Ở nước ta hiện nay, tình hình kinh tế và đời sống xã hội ngày càng được cải
thiện và phát triển. Do vậy, nhu cầu chăm sóc sức khỏe ngày càng cao và cấp thiết.
iều này đặt ra yêu cầu phải cải thiện chất lượng y tế trong đó có việc phát triển các
sản phẩm phục vụ chăm sóc sức khỏe. Việc nghiên cứu và đánh giá về tình trạng sức
khỏe của người bệnh thông qua các phương pháp chẩn đoán như: sử dụng các xét
nghiệm, chụp X - quang, Cộng hưởng từ, phân tích tín hiệu điện như điện tim, điện
não…ngày càng phổ biến và được chỉ định rộng rãi.
Trong đó, chẩn đoán những loại bệnh thông qua bước đi và dáng đi cũng là một
trong những yếu tố đánh giá về tình trạng sức khỏe của con người, vì những thay đổi

trong thông số bước đi tiết lộ thông tin quan trọng về chất lượng cuộc sống của con
người. iều này đặc biệt hữu ích khi tìm kiếm thông tin đáng tin cậy về sự phát triển
của các bệnh khác nhau: các bệnh thần kinh như bệnh đa xơ cứng hoặc bệnh
Parkinson; các bệnh toàn thân như bệnh tim mạch (trong đó dáng đi có ảnh hưởng rất
rõ ràng). Phần lớn những bệnh nhân sẽ có sự thay đổi trong cách đi do di chứng từ đột
quỵ và bệnh gây ra bởi lão hóa. Vì vậy, với kiến thức đáng tin cậy và chính xác về đặc
điểm thông số bước đi tại một thời điểm nhất định hoặc khi theo dõi và đánh giá
chúng theo thời gian, sẽ cho phép chẩn đoán sớm các loại bệnh và biến chứng của
chúng, từ đó giúp tìm ra cách khuyến cáo và hướng điều trị tốt nhất.
Trên thế giới hiện nay có nhiều bài kiểm tra để đánh giá các thông số bước đi (ví
dụ: 4-meters walk test [1], 50-foot walk test [2], 30-seconds chair stand test [2] và the
timed up and go [3]). Trong đó, các thông số bước đi bao gồm độ dài bước, tốc độ
bước, thời gian bước hoặc thời gian hoàn thành một bài kiểm tra… được sử dụng để
đưa ra các khuyến cáo cho bệnh nhân như khả năng bị té ngã đối với người bị rối loạn
tiền đình, khả năng bị té ngã đối với người già [3]. Hơn nữa, ở tài liệu [1] gồm 54
trang nói về bài kiểm tra 4 - Meters Walk Test. Trong đó, người ta đưa ra rất nhiều các
tiêu chí để khuyến cáo cho người dùng dựa vào tốc độ của bước đi. Cụ thể như sau: tốc
độ bước bé hơn 0.6 m/s thì ở mức độ nguy hiểm, từ 0.6 m/s đến 1 m/s thì ở mức độ
cảnh báo, lớn hơn 1 m/s là bình thường; tốc độ bước bé hơn 0.67 m/s thì phải cẩn thận
và phải được chăm sóc, từ 0.67 m/s đến 0.89 m/s thì có thể di chuyển và tham gia các
hoạt động trong nhà, từ 0.89 m/s đến 1.11 m/s thì có thể bưng bê các vật nhẹ và tham
gia các công việc nhẹ trong sân vườn, từ 1.11 m/s đến 1.33 m/s thì có thể đi cầu
thang…


2

Trên cơ sở các bài kiểm tra đó, chúng ta có thể hiệu chỉnh lại cho phù hợp với
điều kiện thể trạng người Việt Nam. Hơn nữa, chúng ta có thể xây dựng lại các bài
kiểm tra đối với những người sử dụng gậy hoặc walker để hỗ trợ đi lại.

ể có thể tính toán và đáp ứng được các yêu cầu trong việc thực hiện các bài
kiểm tra để đánh giá thông số bước đi hạn chế được sự nhầm lẫn do sự chủ quan gây ra
từ quá trình quan sát bằng mắt của Bác sỹ. Chúng ta cần hướng đến việc chế tạo thiết
bị để xác định ước lượng được các thông số bước đi cho người dùng để tạo kênh thông
tin khách quan, chính xác hơn hỗ trợ Bác sĩ trong quá trình đánh giá tình trạng sức
khỏe của người dùng.
Xuất phát từ thực tiễn đó, để có thể thực hiện việc ước lượng tính toán một cách
chính xác các thông số bước đi như: độ dài bước, tốc độ bước, thời gian bước chúng ta
cần phải sử dụng các thiết bị để thu thập thông tin và tính toán dữ liệu đáng tin cậy và
hiệu quả. Ở đề tài này, tôi nghiên cứu sử dụng cảm biến quán tính IMU (Inertial
Measurement Units) để thực hiện quá trình thu thập thông tin của bước đi. Từ thông
tin của gia tốc và vận tốc góc chúng ta có thể ước lượng quỹ đạo chuyển động của bàn
chân bằng cách sử dụng thuật toán định vị quán tính kết hợp với bộ lọc Kalman để ước
lượng tín hiệu vào từ cảm biến đưa ra các thông tin cần thiết và làm giảm nhiễu hiệu
quả.
Cảm biến quán tính thường gồm một cảm biến gia tốc (đo giá trị gia tốc tịnh tiến
theo 3 trục) và một cảm biến vận tốc góc quay (đo giá trị vận tốc góc quay theo 3
trục), nó thường được sử dụng trong các thiết bị quân sự, giải trí, thể thao, y tế… với
chức năng ước lượng các thông số chuyển động của thiết bị phục vụ cho việc định vị
và điều khiển chuyển động cũng như góp phần quan trọng cho việc phân tích chuyển
động của đối tượng cần nghiên cứu. Với việc ước lượng các thông số (quỹ đạo, vận
tốc, góc nghiêng…) của chuyển động, cảm biến quán tính có thể được sử dụng để định
vị cho người đi bộ và phương tiện, dẫn đường cho tên lửa, phân tích dáng đi của con
người trong chăm sóc sức khỏe cũng như mô phỏng chuyển động trong thể thao, phim
ảnh….
Ngày nay, do cấu trúc nhỏ, gọn, giá thành tương đối thấp, cảm biến quán tính
được sử dụng trong các thiết bị dân sự như điện thoại di động, các thiết bị đo lường
trong y tế, các thiết bị đo lường, phân tích trong thể thao… nơi mà các hệ thống giám
sát chuyển động truyền thống như hệ thống Camera hoặc GPS thường quá đắt hoặc bị
hạn chế bởi không gian làm việc.

Do vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng cảm biến quán tính vào kỹ thuật và đời
sống ngày càng trở nên phổ biến và cần thiết. Trong đó, luận văn đã tập trung nghiên
cứu ứng dụng của cảm biến quán tính IMU, thuật toán định vị quán tính INA kết hợp


3

với bộ lọc Kalman để ước lượng thông số bước đi của người dùng bằng cách đặt cảm
biến quán tính trên bàn chân.
Việc ước lượng quỹ đạo chuyển động của cảm biến quán tính được thực hiện
bằng thuật toán định vị quán tính INA (Inertial Navigation Algorithm) bằng cách tích
phân các tín hiệu được cung cấp từ cảm biến. Với việc tích phân 2 lớp của gia tốc tịnh
tiến cho ta quãng đường di chuyển và tích phân của vận tốc góc quay cho ta hướng di
chuyển. Từ thông tin về quãng đường và hướng di chuyển, ta có thể ước lượng được
quỹ đạo di chuyển của hệ thống.
Tuy nhiên, do nguyên lý cơ bản của INA là quá trình tích phân các tín hiệu được
cung cấp từ cảm biến, vì vậy sai số sẽ bị tích lũy theo thời gian rất nhanh, để khắc
phục được điều này trong quá trình tính toán ước lượng cần phải kết hợp với các bộ
lọc để tăng độ chính xác và làm giảm nhiễu tác động vào hệ thống, trong đó phổ biến
nhất hiện nay thường sử dụng bộ lọc Kalman.
Với những lý do trên, tôi đã quyết định thực hiện đề tài: “Ước lượng thông số
bước đi dùng cảm biến quán tính đặt trên bàn chân” để nghiên cứu sâu hơn về IMU,
INA, bộ lọc Kalman và xây dựng các phương trình cập nhật cho IMU đặt trên bàn
chân ứng dụng của chúng vào đánh giá thông số bước đi của người dùng.
2. Tổn quan về ệ t ốn
zb

Twb , Cwb

xb

yb

zw

yw

xw
Hình 1. Ước lượng chuyển động bàn chân sử dụng IMU
ể giám sát chuyển động của một đối tượng bất kỳ, chúng ta cần đặt cố định một
IMU lên đối tượng đó. Lúc này, quỹ đạo chuyển động của đối tượng được xem như
trùng với quỹ đạo chuyển động của IMU. Trong ước lượng thông số bước đi của người
dùng, thông thường IMU thường được đặt trên mu bàn chân vì chuyển động của bàn
chân có tính chất tuần hoàn và luôn có khoảng thời gian bàn chân chạm đất. Khoảng
thời gian chạm đất là thời điểm mà vận tốc và độ cao của bàn chân đạt đến vị trí 0,
người ta thường gọi thời điểm này là ZVI (Zero Velocity Interval). Dựa vào đặc điểm


4

này tại các thời điểm ZVI này, chúng ta có thể xây dựng các phương trình để cập nhật
quỹ đạo chuyển động ước lượng nhằm nâng cao độ chính xác của việc ước lượng
thông số bước đi.
Hình 1 thể hiện ứng dụng định vị quán tính để phân tích chuyển động của bàn
chân. Trong đó, quỹ đạo chuyển động của bàn chân chính là vị trí và hướng của hệ
trục tọa độ gắn với bàn chân (BCS - Body Coordinate System) trong hệ tọa độ định vị
(WCS - Wolrd Coordinate System). Vị trí và hướng này chính là vector tịnh tiến
và
ma trận quay
chuyển từ hệ trục WCS sang BCS. BCS thường được chọn trùng với

hệ trục toạn độ vật lý của IMU. Gốc của WCS thường được chọn trùng với BCS tại
thời điểm đầu của chuyển động, trục
hướng thẳng đứng lên trên,
nằm ngang và
trùng với phương của trục
tại thời điểm ban đầu.
Trong INA, chúng tôi đặt
và
là vận tốc và vị trí của IMU trong
WCS. ặt ( )
là ma trận quay từ WCS sang BCS tương ứng với quaternion
[4]
. Lúc này
và ( )
. Việc thực hiện phép quay trong không
gian có thể được xác định theo nhiều cách khác nhau như: ma trận quay DCM,
quaternion, phương pháp Euler. Trong nghiên cứu này, chúng tôi xây dựng hướng của
BCS theo phương pháp quaternion.
3. Mục ti u v n iệm vụ của luận văn
Nghiên cứu thiết bị ước lượng thông số bước đi, ứng dụng INA và bộ lọc Kalman
mở rộng vào việc ước lượng thông số bước đi cho IMU đặt trên bàn chân, nhằm tạo ra
ứng dụng tự động ước lượng thông số bước đi cho người dùng phục vụ cho việc đánh
giá tình trạng sức khỏe của người dùng từ đó cung cấp các thông tin đáng tin cậy và
khách quan về thông số bước đi của người dùng làm giảm sai số và nhầm lẫn trong
phương pháp đo chủ quan.
Mục tiêu cụ thể:
- Xây dựng được INA để ước lượng chuyển động của IMU.
- Xây dựng được bộ lọc Kalman ứng dụng trong định vị quán tính để nâng cao
độ chính xác trong ước lượng.
- Xây dựng các phương trình cập nhật cho IMU đặt trên bàn chân

4. Đối tƣợn n

i n cứu v p ạm vi n

4.1. Đối tƣợn n

i n cứu

 Cảm biến quán tính IMU
 Thuật toán định vị quán tính
 Bộ lọc Kalman

i n cứu


5

 Chuyển động của bàn chân trong quá trình bước đi
4.2. P ạm vi n

i n cứu

Xây dựng được INA sử dụng bộ lọc Kalman cho IMU đặt trên bàn chân nhằm
ước lượng các thông số bước đi đơn giản như: số bước, tốc độ bước, thời gian bước,
quỹ đạo chuyển động của bàn chân với độ chính xác phù hợp với mục đích sử dụng.
P ƣơn p áp n

i n cứu

 Tìm hiểu bộ lọc Kalman

 Tham khảo các hệ thống, thiết bị, bài báo liên quan đến IMU
 Xây dựng INA sử dụng bộ lọc Kalman để ước lượng chuyển động cho hệ
thống. Tìm hiểu các đặc trưng riêng trong chuyển động cho từng đối tượng để
tìm phương pháp cập nhật, tăng độ chính xác cho ước lượng chuyển động.
Cụ thể hóa những điều này vào thuật toán cập nhật giá trị đo cho bộ lọc Kalman.
Từ đó ước lượng thông số bước đi của người dùng.
5. Ý n

ĩa k oa ọc v t ực tiễn của đề t i

ề tài sẽ mang lại một hướng đi trong việc nghiên cứu và chế tạo thiết bị ước
lượng thông số bước đi, ứng dụng INA và bộ lọc Kalman mở rộng vào việc ước lượng
thông số bước đi cho IMU đặt trên bàn chân nhằm tạo ra ứng dụng tự động ước lượng
thông số bước đi cho người dùng phục vụ cho việc đánh giá tình trạng sức khỏe của
người dùng nhằm cung cấp các thông tin đáng tin cậy và khách quan về thông số bước
đi của người dùng làm giảm sai số và nhầm lẫn trong phương pháp đo chủ quan.
ồng thời, IMU và INA đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh trên thế giới.
Tuy nhiên, việc này còn khá hạn chế ở Việt Nam. Việc tìm kiếm các tài liệu, chương
trình tham khảo về IMU và INA bằng tiếng Việt rất khó khăn và cho kết quả rất ít mà
đa số tài là các tài liệu dịch sơ sài từ các nghiên cứu quốc tế. Luận văn này trình bày
một cách bài bản, chi tiết và rành mạch về IMU và INA. Do đó, có thể được sử dụng
làm tài liệu tham khảo bằng tiếng Việt rất quan trọng cho các sinh viên và học viên cao
học tại Việt Nam.
6. Bố cục luận văn
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về cảm biến quán tính và tình hình nghiên cứu
Chương 2: Thuật toán định vị quán tính
Chương 3: Bộ lọc Kalman cho định vị quán tính và các phương trình cập nhật
Chương 4: Thí nghiệm và kết quả

6

CHƢƠNG 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN QUÁN TÍNH
VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu
Luận văn tập trung nghiên cứu thiết bị để ước lượng thông số bước đi sử dụng
cảm biến quán tính, do vậy chương này tập trung nghiên cứu tổng quan về cảm biến
quán tính. Trước đây, cảm biến quán tính thường chỉ được ứng dụng trong hàng không
vũ trụ và trong quân sự do có kích thước lớn và giá thành đắt. Cùng với sự phát triển
của công nghệ vi - cơ - điện tử (MEMS) thì cảm biến quán tính ngày càng được tính
hợp, có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và ngày càng ứng dụng rộng rãi trong dân
dụng.
Trong chương này giới thiệu công nghệ MEMS và ứng dụng công nghệ này
trong các ngành công nghiệp. ồng thời, chương này giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý
của cảm biến quán tính được chế tạo từ công nghệ MEMS, khả năng ứng dụng của
cảm biến quán tính và cảm biến quán tính của Hãng Xsens loại Mti-1 được sử dụng
trong luận văn. Cuối chương trình bày về tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
về các hướng nghiên cứu sử dụng cảm biến quán tính.
1.2 Tổng quan về MEMS
Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn,
kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao. iều này đã mang
lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội. Vào cuối năm 50 của thế kỷ
XX, một cuộc cách mạng hóa về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai
cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi - cơ - điện tử (Micro Electro
Mechanical Systems) viết tắt là MEMS đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn
này.
Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công
nghệ bán dẫn. MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi cảm biến, vi chấp hành và vi
điện tử cùng được tích hợp trên một chip (on chip) (Hình 1.1). Các linh kiện MEMS

thường được cấu tạo từ silic. Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ
tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu
tố sinh học, hóa học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng
với nhiều loại lối vào: hóa, ánh sáng, áp suất, rung động, vận tốc và gia tốc… Với ưu
thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ
vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành
(actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất
tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây. Song công
nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều nghiên cứu cơ bản hơn,
sâu hơn.


7

Vi điện tử

Vi cảm biến

MEMS
Vi cấu trúc

Vi chấp hành

Hình 1. 1 Các thành phần của thiết bị MEMS
1.3 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS
Các sản phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các vi linh kiện, các chi
tiết vi cơ, mạch vi điện tử được chế tạo trên phiến silic do đó xu hướng chung là lợi
dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kỹ thuật tương tự
với kỹ thuật làm mạch vi điện tử, điển hình là kỹ thuật khắc hình.
Một số phương pháp gia công các chi tiết cơ tiêu biểu ở công nghệ MEMS như

sau:
-

Gia công vi cơ khối
n mòn ướt
n mòn khô
Gia công vi cơ bề mặt
Hàn
Gia công bằng tia laser
Liga

1.4 Giới thiệu cảm biến quán tính (IMU)
IMU bao gồm một cảm biến gia tốc (accelerometer) theo 3 trục và cảm biến
vận tốc góc (gyroscope) theo 3 trục, lúc này IMU có 6 bậc tự do (6DOF). Cảm biến
gia tốc được sử dụng đo gia tốc tịnh tiến theo 3 trục và cảm biến vận tốc góc được sử
dụng để đo vận tốc góc theo 3 trục. Hình 1.2 thể hiện cấu tạo nguyên lý của một IMU
6DOF gồm 3 cảm biến gia tốc theo 3 trục và 3 cảm biến vận tốc góc theo 3 trục. Trong
đó mỗi cảm biến gia tốc là một hệ lò xo - gia trọng và mỗi cảm biến vận tốc góc chính
là một con quay hồi chuyển.


8

Hình 1. 2 Cấu tạo của một cảm biến quán tính 6DOF
Ngoài ra, một số IMU còn tích hợp thêm cảm biến từ trường (magnetic sensor)
theo 3 trục, lúc này IMU có 9 bậc tự do (9DOF). Cảm biến từ trường được đưa vào
nhằm sử dụng từ trường (thường là từ trường trái đất) để làm tham chiếu cho hướng
của cảm biến. Trước đây, các cảm biến được chế tạo theo công nghệ cơ - điện nên nó
khá cồng kềnh và giá thành cao nên chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực quân sự và
không gian vũ trụ (gồm máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ và các thiết bị bay không người

lái). Ngày nay, các cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ MEMS nên kích thước
nhỏ gọn, giá thành rẻ, độ chính xác cao nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực của đời sống.

Hình 1. 3 Một cảm biến gia tốc cổ điển được gắn trên tên lửa IRBM S3


9

1.4.1 Giới thiệu cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc cho phép biến gia tốc tịnh tiến thành một tín hiệu điện ở ngõ
ra. Cảm biến gia tốc hoạt động theo định luật II Newton,
, đó là đo lực tác
động lên một vật nặng đã biết trước khối lượng để tính ra gia tốc tịnh tiến của vật. Có
rất nhiều cách để đo lực tác động lên khối gia trọng, nhưng cách phổ biến nhất được
dùng trong cảm biến gia tốc là đo khoảng cách dịch chuyển của khối gia trọng tương
tự như khi khối gia trọng đó được treo bằng một lò xo. Một hệ thống lò xo - gia trọng
được vẽ trong Hình 1.4
Hệ số tiêu hao B(x)

Khối gia trọng M

Lò xo K(x)

x

Hình 1. 4 Sơ đồ khối của một hệ lò xo - gia trọng
Cảm biến ia tốc kiểu áp điện
Vật liệu áp điện tạo ra một điện tích tức thời trên bề mặt tỉ lệ với biên độ của lực
tác động. iện tích này xuất hiện do sự phân cực của các dipole điện bên trong, như

Hình 1.5 và sau đó bị trung hòa rất nhanh do các điện tích tự do trong môi trường. Một
lực tác động vào tinh thể có thể là nguyên nhân gây ra sự biến dạng của cấu trúc
dipole, làm cho điện tích bề mặt thay đổi tạm thời cho đến khi nó bị trung hòa lại. Như
vậy, điện tích trên vật liệu áp điện là một hàm số của biên độ của sự biến dạng và phụ
thuộc vào việc sự biến dạng đó xuất hiện nhanh như thế nào.

Hình 1. 5 Các dipole áp điện
Cảm biến áp điện là loại cảm biến điển hình dùng để đo gia tốc có biên độ và tần
số cao như các cú va chạm mạnh, shock. Hình 1.6 trình bày đáp ứng tần số của sensor


10

gia tốc kiểu áp điện. Từ hình vẽ này ta thấy dải đo của sensor gia tốc kiểu áp điện có
thể lên tới gần 50 KHz.

Hình 1. 6 Đáp ứng tần số của cảm biến kiểu áp điện
Cảm biến ia tốc kiểu tụ
Trong cảm biến gia tốc kiểu tụ, bản cực thứ nhất của tụ điện được giữ nguyên, bản
cực thứ hai thì di chuyển cùng gia trọng của hệ lò xo - gia trọng. Như trong Hình 1.7,
khi bản tụ thứ hai di chuyển cùng gia trọng nên khoảng cách của 2 bản tụ thay đổi.
Khoảng cách của 2 bản tụ thay đổi sẽ dẫn đến điện dung của tụ điện thay đổi. Do vậy,
khi đo điện dung của tụ điện ta sẽ tính được độ co giãn của lò xo và tính được gia tốc
tác như đã đề cập ở trên.

Hình 1. 7 Cảm biến gia tốc kiểu tụ

Hình 1. 8 Cảm biến gia tốc kiểu tụ chế tạo theo công nghệ MEMS

11

Cảm biến ia tốc kiểu áp trở
Vật liệu áp trở là một điện trở trạng thái rắn, điện trở của nó thay đổi khi có một
sức căng cơ học tác động vào. ặc biệt, độ dẫn của vật liệu áp trở tỉ lệ tuyến tính với
lực tác dụng, hay điện trở tỉ lệ nghịch với lực tác dụng. Sơ đồ của hai loại áp trở được
trình bày trong Hình 1.9. Ở Hình 1.9 áp trở được hình thành bằng cách sắp xếp các dây
dẫn nằm trên lớp điện trở mỏng, điện trở giữa các dây dẫn sẽ thay đổi khi lớp điện trở
mỏng bị biến dạng. Một áp trở như vậy có thể được chế tạo trên bề mặt của một phần
tử đàn hồi, để đo sự biến dạng của phần tử đàn hồi cũng như sự chuyển động của khối
gia trọng.

Hình 1. 9 Cảm biến áp trở
Ứng dụng của cảm biến gia tốc: cảm biến gia tốc công nghệ MEMS đã nhanh
chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông thường trước đây trong nhiều ứng dụng.
Một vài những ứng dụng điển hình của cảm biến gia tốc:
-

Cảm biến góc Roll - Pitch
ịnh hướng 3D trong không gian
Phát hiện va chạm: những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển giúp
phân biệt sự va chạm và việc không xảy ra va chạm
o và điều khiển mức rung
iều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc, thiết bị
o một số thông số sinh học trong cơ thể con người

1.4.2 Giới thiệu cảm biến vận tốc góc
Con qua ồi c u ển là thiết bị dùng để đo hoặc duy trì sự định hướng được sử
dụng rộng rãi trong thực tế. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, con quay hồi chuyển
được sử dụng trong hệ thống dẫn đường quán tính. Trong các hệ thống tự động thì con

quay hồi chuyển được sử dụng như là một cảm biến vận tốc góc để điều khiển chuyển
động và rô bốt. Ngoài ra, các con quay hồi chuyển được sử dụng trong các máy thực tế
ảo sử dụng trong giải trí, tiêu dùng.


12

Con quay hổi chuyển hoạt động dựa trên nguyên lý bảo toàn moment của vật thể
chuyển động quay khi tổng các lực tác dụng lên vật bằng không. Hiện nay, gyro gồm
có 3 loại: gyro cơ, gyro quang và gyro điện.
Con quay hồi chuyển cơ được cấu tạo đơn giản gồm bánh đà (đĩa quán tính) quay
với vận tốc cao gắn trên khung đỡ như trong Hình 1.10
Khung đỡ
Bánh đà

Mô men xoắn

Trục quay

Ngoại lực

Hình 1. 10 Con quay hồi chuyển
Khi khung ngoài quay nó tác động mô men ngoài lực và đĩa, làm đĩa chuyển
động theo phương vuông góc với phương quay của khung. Khi đĩa xoay với vận tốc rất
cao, sự chuyển hướng theo mô men ngoại lực được giảm thiểu (do hầu hết đã bị
chuyển sang vuông góc) giúp con quay hồi chuyển hầu như duy trì được độ nghiêng
của nó. Hiện tượng mà sự quay theo trục này được chuyển thành sự quay theo trục kia
đã được dùng để giám sát độ nghiêng (trong máy bay) như trong Hình 1.11
Góc quay
Góc

nghiêng

Góc chúc

Hình 1. 11 Ứng dụng giám sát độ nghiêng máy bay
Cảm biến vận tốc góc công nghệ MEMS: dùng để đo vận tốc xoay của vật với
chuyển động đầu vào và đầu ra là chuyển động tịnh tiến (thường là dao động). Cảm
biến vận tốc góc MEMS hoạt động dựa trên hiệu ứng Coriolis. Hiệu ứng Coriolis là
hiệu ứng xảy ra trong hệ quy chiếu quay so với hệ quy chiếu quán tính. Nó được thể
hiệu qua hiện tượng quỹ đạo của những vật chuyển động trong hệ quy chiếu này. Sự


13

lệch quỹ đạo do một loại lực quán tính gây ra gọi là lực Coriolis (Hình 1.12). Lực
Coriolis được xác định bằng công thức sau:
⃗

⃗

⃗

⃗⃗⃗

Trong đó: ⃗ là vận tốc của vật
⃗⃗⃗⃗⃗là vận tốc xoay

Hình 1. 12 Lực Coriolis
Chuyển động chính

Chuyển động
phụ

Vận tốc góc
quay

Khối gia
trọng

Hình 1. 13 Cấu tạo cảm biến vận tốc góc
Cảm biến vận tốc góc sử dụng một khối proof mass dao động theo một phương
(phương sơ cấp). Khối này đồng thời quay quanh một trục làm xuất hiện lực Coriolis
khiến nó có thêm dao động theo phương khác (vuông góc với phương sơ cấp và
phương trục quay) gọi là phương thứ cấp (Hình 1.13)
Trên phương chuyển động thứ cấp này có gắn bản cực tụ điện để nhận biết sự
thay đổi điện dung gây bởi chuyển động này và từ đó tính ra vận tốc xoay. Hình 1.14
thể hiện việc chế tạo cảm biến vận tốc góc bằng công nghệ MEMS.


14

Hình 1. 14 Cảm biến vận tốc góc bằng công nghệ MEMS
1.4.3 Giới thiệu cảm biến từ trường
Cảm biến từ trường được dùng để đo đạc cường độ và hướng của từ trường trong
vùng đặt cảm biến từ trường. Cảm biến từ trường có thể được chế tạo theo 2 nguyên
lý: hiệu ứng Hall và hiệu ứng từ điện trở như trong Hình 1.15
Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng từ trở

Dòng điện

Điện trở thay đổi

Hình 1. 15 Nguyên lý cảm biến từ trường
1.5 Khả năng ứng dụng của IMU
Trong năm kiểu chuyển động - gia tốc, rung động, chấn động, nghiêng và quay thì ngoại trừ chuyển động quay, những chuyển động còn lại đều là kết quả của sự thay
đổi của gia tốc theo thời gian (Hình 1.16). Tuy nhiên, chúng ta không liên hệ những
chuyển động trên, bằng trực giác, với sự thay đổi của gia tốc hay giảm tốc. Xem xét
riêng từng chế độ cảm biến giúp chúng ta nhận ra các tiềm năng của chúng dễ dàng
hơn.