Định vị đa người dùng sử dụng cảm biến không dây và cảm biến quán tính trên điện thoại thông minh

..
.

.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN VĂN NAM

---------------------------------------

NGUYỄN VĂN NAM

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU
KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỊNH VỊ ĐA NGƯỜI DÙNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN KHƠNG
DÂY VÀ CẢM BIẾN QN TÍNH TRÊN ĐIỆN THOẠI THÔNG
MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHỐ 2017-2018

Hà Nội – Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN VĂN NAM

ĐỊNH VỊ ĐA NGƯỜI DÙNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY VÀ
CẢM BIẾN QN TÍNH TRÊN ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. ĐÀO TRUNG KIÊN
2. TS. NGUYỄN THANH HƯỜNG

Hà Nội – Năm 2018


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LỜI CAM ĐOAN
Tơi tên là Nguyễn Văn Nam, mã học viên CBC17023, học viên lớp cao học
ĐL&HTĐK03. Sau thời gian học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô
trường Bách Khoa Hà Nội, Viện nghiên cứu quốc tế về thông tin đa phương tiện
truyền thông và ứng dụng MICA và đặc biệt là sự giúp đỡ của hai giáo viên hướng
chính của tơi: TS. Đào Trung Kiên, TS. Nguyễn Thanh Hường, tôi đã đi đến cuối
chặng đường để kết thúc khóa học.
Tơi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp “Định vị đa người dùng sử dụng cảm
biến không dây và cảm biến quán tính trên điện thoại thơng minh”. Tơi xin cam
đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi dưới sự hướng dẫn của TS. Đào

Trung Kiên, TS. Nguyễn Thanh Hường và chỉ tham khảo các tài liệu đã liệt kê. Tơi
khơng sao chép cơng trình của các cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào. Nếu có
tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Người cam đoan

Trang 1


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tơi xin cám ơn Thầy TS. Đào Trung Kiên, Cô TS. Nguyễn Thanh
Hường đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo từ định hướng đề tài đến việc tiếp cận và khai
thác các tài liệu tham khảo cũng như trong q trình tơi viết luận văn.
Tôi xin cám ơn các thầy cô, anh chị trong viện nghiên cứu quốc tế về thông
tin đa phương tiện truyền thông và ứng dụng MICA đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
về mặt thời gian cũng như thiết bị trong q trình hồn thành luận văn báo cáo này.
Cuối cùng tơi muốn bày tỏ lịng biết ơn đối với gia đình, các thầy cơ giáo, các
bạn cùng lớp cao học đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn
này.

Tác giả luận văn

Trang 2


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .........................................................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................7
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................8
LỜI NĨI ĐẦU ..........................................................................................................10
1. Lý do chọn đề tài ..............................................................................................10
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .....................................................................11
CHƯƠNG 1 :

TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ .................................12

1. Giới thiệu chung ...............................................................................................12
2. Các công nghệ và kỹ thuật định vị ...................................................................12
2.1. Công nghệ sử dụng ................................................................................12
2.2. Kỹ thuật định vị .....................................................................................21
3. Định vị trên điện thoại thông minh ..................................................................29
4. Nhận xét............................................................................................................31
CHƯƠNG 2 :

ĐỊNH VỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẤU VÂN TAY WI-FI .......32

1. Cấu trúc hệ thống và các thuật toán .................................................................32
1.1. Giai đoạn huấn luyện .............................................................................33
1.2. Giai đoạn định vị ...................................................................................35

1.3. Thuật toán K-Nearest Neighbor (KNN) ................................................36

Trang 3


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

1.4. Thuật tốn Random Forest (RF) ............................................................37
2. Phần mềm thu thập dữ liệu ngữ cảnh người dùng............................................39
2.1. Thiết kế phần mềm thu thập dữ liệu trên Android ................................39
2.2. Xây dựng và cài đặt ...............................................................................40
3. Kết quả thử nghiệm ..........................................................................................42
3.1. Dữ liệu sử dụng .....................................................................................42
3.2. Xử lý dữ liệu ..........................................................................................46
3.3. Xác định tầng .........................................................................................49
3.4. Xác định vị trí ........................................................................................52
4. Nhận xét............................................................................................................56
CHƯƠNG 3 :

ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CẢM BIẾN QUÁN TÍNH ..........................57

1. Hệ thống SHS ...................................................................................................57
1.1. Xác định khoảng cách di chuyển ...........................................................58
1.2. Xác định hướng di chuyển.....................................................................59
1.3. Xác định quỹ đạo sử dụng bộ lọc hạt ....................................................64
2. Kết quả thử nghiệm ..........................................................................................64
2.1. Dữ liệu sử dụng .....................................................................................64
2.2. Khoảng cách di chuyển .........................................................................65

2.3. Hướng di chuyển ...................................................................................68
2.4. Quỹ đạo di chuyển .................................................................................69
3. Nhận xét............................................................................................................71
CHƯƠNG 4 :

KẾT HỢP KẾT QUẢ HAI PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ...............72

1. Hiệu chỉnh trực tiếp ..........................................................................................72

Trang 4


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

2. Mơ hình quan sát ..............................................................................................75
3. Đánh giá kết quả ...............................................................................................77
4. Nhận xét............................................................................................................81
KẾT LUẬN ...............................................................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................84

Trang 5


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tên thuật ngữ

LBS

Location Based Service

IPS

Indoor Positioning System

GPS

Global Positioning System

IPIN

Indoor Positioning and Indoor Navigation

SSID

Service Set Identifier

MAC

Media Access Control

AP

Access Point

RP

Reference Point

BLE

Bluetooth Low Energy

IMU

Inertial Measurement Units

PDR

Pedestrian Dead Reckoning

INS

Inertial Navigation System

SHS

Step Heading System

TOA

Times of Arrival

TDOA

Time Difference of Arrival

AOA

Angle of Arrival

RSS

Received Signal Strength

RSSI

Received Signal Strength Indicator

KNN

K Nearest Neighbors

RF

Random Forest

ACCE

Accelerometer

MAGN

Magnetic

GYRO

Gyroscope

Trang 6


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Một số nghiên cứu về định vị trong nhà trên điện thoại thông minh .......30
Bảng 2-1: Bộ dữ liệu với đặc tính thơ RSS của 3 điểm truy cập ..............................38
Bảng 2-2: Thông tin một số điểm truy cập Wi-Fi .....................................................45
Bảng 2-3: Thông tin của một số điểm mốc trong quỹ đạo di chuyển .......................45
Bảng 2-4: Dữ liệu huấn luyện của UAH ...................................................................45
Bảng 2-5: Dữ liệu đánh giá của tòa UAH .................................................................46
Bảng 2-6: Dữ liệu của tòa UAH ................................................................................49
Bảng 2-7: Kết quả đánh giá mơ hình ........................................................................51
Bảng 2-8: Kết quả xác định vị trí trên dữ liệu huấn luyện và dữ liệu đánh giá ........56
Bảng 3-1: Kết quả thử nghiệm trên các quỹ đạo di chuyển ......................................70
Bảng 4-1: Kết quả của hai phương pháp kết hợp ......................................................78
Bảng 4-2: Kết quả của Track 3: “Smartphone-based (off-site), IPIN 2016..............81

Trang 7

Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Hệ thống định vị tồn cầu GPS. ...............................................................14
Hình 1-2: Hai hướng tiếp cận của hệ thống Pedestrian Dead Reckoning.................18
Hình 1-3: Định vị dựa trên phương pháp TOA [11] .................................................22
Hình 1-4: Định vị dựa trên phương pháp TDOA [12] ..............................................23
Hình 1-5: Định vị dựa trên phương pháp AOA [12] ................................................24
Hình 1-6: Định vị dựa trên phương pháp RSS Path Loss [11] .................................25
Hình 1-7: Mơ hình giám sát điểm truy cập khơng dây [14] ......................................28
Hình 2-1: Cấu trúc hệ thống định vị bằng phương pháp dấu vân tay Wi-Fi ............32
Hình 2-2: Lưu đồ minh họa giai đoạn huấn luyện ....................................................34
Hình 2-3: Minh họa quá trình thu thập dữ liệu [25]..................................................34
Hình 2-4: Lưu đồ minh họa giai đoạn định vị...........................................................36
Hình 2-5: Một cây quyết định với hai nút nội bộ và ba nút lá ..................................38
Hình 2-6: Nhiệm vụ của ứng dụng thu thập dữ liệu ngữ cảnh người dùng ..............39
Hình 2-7: Thiết kế của chương trình thu thập dữ liệu ngữ cảnh người dùng ...........40
Hình 2-8: Giao diện chương trình .............................................................................41
Hình 2-9: Dữ liệu thu thập lưu trữ dưới dạng các tập tin XML ...............................42
Hình 2-10: Bốn tịa nhà sử dụng trong Track 3, IPIN 2016......................................43
Hình 2-11: Một phần quỹ đạo di chuyển trong bộ dữ liệu UAH ..............................44
Hình 2-12: Phân bố các giá trị RSS dựa trên dữ liệu thu thập ..................................47
Hình 2-13: Kết quả đánh giá mơ hình KNN khi thay đổi giá trị K...........................49
Hình 2-14:Kết quả đánh giá mơ hình RF khi thay đổi số cây trong mơ hình ...........50

Trang 8

Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Hình 2-15: Kết quả xác định tầng trong tệp dữ liệu đánh giá 4 ................................52
Hình 2-16: Sai số khoảng cách của mơ hình KNN với độ lêch chuẩn khi thay đổi giá
trị K ...........................................................................................................................53
Hình 2-17: Sai số khoảng cách của mơ hình RF với độ lệch chuẩn khi số lượng cây
thay đổi ......................................................................................................................54
Hình 2-18: Phân cụm bằng phương pháp K-Means Clustering ................................55
Hình 3-1: Vị trí của điện thoại thơng minh trong các thử nghiệm ............................58
Hình 3-2: Lưu đồ hệ thống SHS ...............................................................................58
Hình 3-3: Giá trị của cảm biến gia tốc theo các trục.................................................59
Hình 3-4: Hệ quy chiếu trái đất G-frame (bên trái), hệ quy chiếu gắn với vật thể Pframe (bên phải) ........................................................................................................60
Hình 3-5: Phương pháp góc Euler với các góc quay quanh các trục ........................61
Hình 3-6: Các phân đoạn quỹ đạo di chuyển trong thử nghiệm ...............................65
Hình 3-7: Phân bố của độ dài bước trên tập dữ liệu huấn luyện ...............................67
Hình 3-8 Phân bố sai số tuyệt đối của khoảng cách di chuyển .................................67
Hình 3-9: Một phần quỹ đạo đi chuyển và góc quay xác định theo hai phương pháp
...................................................................................................................................69
Hình 3-10: Kết quả thử nghiệm trên quỹ đạo có kết quả tốt nhất và xấu nhất .........71
Hình 4-1: Hiệu chỉnh trực tiếp quỹ đạo di chuyển của hệ thống SHS dựa trên đầu ra
vị trí Wi-Fi.................................................................................................................74
Hình 4-2: Hạn chế của phương pháp Hiệu chỉnh trực tiếp .......................................75
Hình 4-3: Chức năng tính giá trị đánh giá cho mỗi hạt.............................................76
Hình 4-4: Sai số khoảng cách của ba phương pháp ..................................................79
Hình 4-5: Quỹ đạo di chuyển theo các phương pháp................................................80

Trang 9

Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LỜI NĨI ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Ngày nay, dịch vụ dựa trên vị trí (LBS) đã phổ biến và trở nên không thể thiếu

đối với kinh tế xã hội. Dịch vụ dựa trên vị trí cung cấp cho con người những dịch vụ,
tiện ích cụ thể dựa vào vị trí của họ, ví dụ: tìm đường, tìm chỗ mua sắm, hỗ trợ đỗ xe
trong nhà, theo dõi người và tài sản cá nhân, tìm vị trí của mình trong các tịa nhà,
cơng trình rộng lớn như trung tâm thương mại, bệnh viện, trường đại học, viện bảo
tàng…
Cùng với đó, nền kinh tế xã hội ngày càng phát triển, hàng loạt các cơng trình,
cơ sở hạ tầng được xây dựng thì các hệ thống định vị để phục vụ cho các dịch vụ dựa
trên vị trí thu hút được sự quan tâm mạnh mẽ của cộng đồng trên thế giới. Cho đến
nay có rất nhiều hệ thống định vị đã được nghiên cứu và trở phổ biến, không thể
không nhắc đến là hệ thống định vị toàn cầu (GPS, GLONASS, BeiDou,…). Hệ thống
định vị GPS đã áp dụng rất thành cơng tại các mơi trường ngồi trời, GPS đã có những
tác động to lớn đến cuộc sống hàng ngày bằng cách hỗ trợ rất nhiều ứng dụng trong
hướng dẫn, lập bản đồ, tìm đường v.v... Tuy nhiên, trong mơi trường trong nhà, khả
năng của GPS hoặc các hệ thống định vị vệ tinh tương đương bị hạn chế và khơng đủ
chính xác khi sử dụng cho nhiệm vụ xác định vị trí. Vì vậy, trong những năm gần
đây, các giải pháp và công nghệ chuyên dụng cho các hệ thống định vị trong nhà đã
trở thành xu hướng mới.
Hiện nay, điện thoại thông minh và Internet đã phổ biến trên toàn thế giới. Đặc
biệt là sự bùng nổ về số lượng của điện thoại thông minh, hệ thống mạng không dây

cho phép con người truy cập Internet mọi lúc mọi nơi. Bằng việc truy cập Internet
phổ biến như vậy, họ có thể tiếp nhận và chia sẻ thơng tin cho mọi người một cách
dễ dàng. Sự phát triển mạnh mẽ của những thông tin dựa trên truy cập Internet dẫn

Trang 10


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

đến một nhu cầu tất yếu của con nguời đó là làm sao để có thể tận dụng được những
thơng tin đó để trở thành thơng tin có ích với mình như là xác định vị trí.
Vì vậy tôi đã lựa chọn đề tài: “Định vị đa người dùng sử dụng cảm biến không
dây và cảm biến quán tính trên điện thoại thơng minh” nhằm mục đích nghiên
cứu, xây dựng một hệ thống định vị áp dụng trong các tòa nhà.
2.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Trong phạm vị của đề tài, mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng hệ thống

định vị trong nhà sử dụng các cảm biến có sẵn trên điện thoại thơng minh như cảm
biến khơng dây và cảm biến qn tính. Cụ thể hơn, nghiên cứu hướng tới những công
việc sau:
-

Nghiên cứu tổng quan và tìm hiểu lý thuyết về các thống định vị nói chung,
các hệ thống định vị trên điện thoại nói riêng.

-

Đề xuất cấu trúc mơ hình và phương thức hoạt động của hệ thống định vị
trong nhà dựa trên điện thoại thông minh.

-

Xây dựng phần mềm thu thập thơng tin từ các cảm biến phục vụ bài tốn
định vị như cảm biến quán tính, Wi-Fi.

-

Xây dựng giải thuật định vị nhờ kết hợp và xử lý thông tin đa cảm biến

-

Thử nghiệm và đánh giá các kết quả thu được.

Trang 11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
1.

Giới thiệu chung
Hệ thống định vị trong nhà- IPS là hệ thống xác định vị trí của một đối tượng

trong môi trường trong nhà, như trong trung tâm thương mại, văn phòng, tòa nhà cao
tầng hay bệnh viện... Hiện nay, một số ứng dụng hữu ích của các hệ thống định vị
trong nhà trong thực tế như là phát hiện vị trí của các sản phẩm được lưu trữ trong
kho, phát hiện vị trí, theo dõi nhân viên y tế hoặc thiết bị trong bệnh viện, xác định
vị trí của mình trong các trung tâm thương mại, các tịa nhà rộng lớn để có thể dễ
dàng tìm đường hay tìm kiếm các cơng cụ và thiết bị bảo trì được gắn thẻ nằm rải rác
khắp nhà máy...
Về cơ bản, nhiệm vụ của một hệ thống định vị trong nhà là xác định vị trí của
người sử dụng hoặc vật thể di chuyển trong mơi trường trong nhà. Có một số cơng
nghệ có thể cung cấp thơng tin hữu ích cho việc xác định vị trí, và tùy theo cơng nghệ
sử dụng, tính chính xác của việc xác định vị trí có thể khác nhau từ chục mét đến vài
mét hoặc độ chính xác của phịng. Trong việc thiết kế các hệ thống định vị, các yếu
tố như độ ổn định, khả năng triển khai và chi phí quản lý, và sự thân thiện đối với
người sử dụng cũng đóng một vai trò quan trọng.
Ngày nay, với sự phát triển cơ sở hạ tầng trong mơi trường trong nhà thì định
vị trong nhà nhận được nhiều sự quan tâm từ cả cộng đồng nghiên cứu và ngành công
nghiệp.
2.
2.1.

Các công nghệ và kỹ thuật định vị
Cơng nghệ sử dụng
Ngày nay, có rất nhiều nguồn thông tin được sử dụng cho mục đích định vị và

mỗi loại thơng tin đó đến từ các cơng nghệ riêng biệt. Những cơng nghệ này có mặt
trong các loại thiết bị khác nhau như là camera, cảm biến, thẻ nhận dạng hoặc điện
thoại thơng minh. Nói chung, mỗi công nghệ đi kèm với một bộ các thông số khác

Trang 12

Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

nhau như kiểu dữ liệu, thời gian cập nhật, diện tích bao phủ, nhiễu... và các phương
pháp để trích xuất vị trí của người dùng từ một cơng nghệ cụ thể là khác nhau. Do đó,
dựa vào đặc tính của tín hiệu, dữ liệu dùng để xác định vị trí, ta có thể phân loại các
cơng nghệ sử dụng cho hệ thống định vị thành ba nhóm riêng biệt như là: công nghệ
không dây, công nghệ dựa trên cảm biến và công nghệ dựa trên quang học
-

Công nghệ không dây: GPS, Wi-Fi, Bluetooth…

-

Công nghệ dựa trên cảm biến quán tính: cảm biến gia tốc, cảm biến con
quay hồi chuyển và cảm biến từ trường...

-

Công nghệ dựa trên quang học: camera trong nhà, camera của điện thoại
thơng minh.

Ngồi ra, cịn có các cảm biến khác như là cảm biến ánh sáng và microphone,
có thể được sử dụng để xác định vị trí của người dùng. Tuy nhiên, chúng khơng phổ
biến như ở ba nhóm trên. Vì vậy, trong phần tiếp theo tôi xin giới thiệu những công
nghệ phổ biến nhất.
2.1.1 Cơng nghệ khơng dây
a.

Hệ thống định vị tồn cầu
Hệ thống định vị tồn cầu là một cơng nghệ đã phổ biến và nổi bật trong công

nghệ định vị. Đặc điểm nổi bật của hệ thống định vị toàn cầu là phạm vi phủ sóng
trên tồn thế giới, cơ sở hạ tầng vệ tinh hoàn toàn phổ biến.
Hiện nay trên thế giới, có hai hệ thống định vị tồn cầu đã phổ biến và đang
được áp dụng trên tất cả điện thoại thơng minh, đó là A-GPS và GLONASS. Trong
đó A-GPS chính là hệ thống định vị của Mỹ với 24 vệ tinh nhân tạo (nay đã lên tới
31), còn GLONASS được phát triển bởi Nga với 24 vệ tinh nhân tạo. Ngồi ra cịn
có một vài hệ thống GPS khác hiện nay nhưng không được phổ biến và chưa biết đến
nhiều là: Bắc Đẩu của Trung Quốc, Galileo của châu Âu và các nước đối tác.

Trang 13


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Các vệ tinh bay xung quanh trái đất và dựa vào cách sắp đặt của các vệ tinh, khi
đứng dưới mặt đất, bạn có thể nhìn được ít nhất là 4 vệ tinh trên bầu trời tại bất kì
thời điểm nào. Các vệ tinh gửi tín hiệu đến các thiết bị thu GPS, cả hai đều được đồng
bộ hóa thời gian một cách chính xác. Khi nhận được tín hiệu từ vệ tinh, thiết bị sẽ tự
tính tốn ra khoảng cách giữa thiết bị và vệ tinh thông qua phương pháp TOA. Theo
lý thuyết, chỉ cần có 3 vệ tinh là có thể tính tốn đc vị trí (tính ra tọa độ x, y, z trong
khơng gian), tuy nhiên do có sai số nhất định nên hệ thống cần thêm 1 hoặc nhiều
tham chiếu nữa, tức là thêm một hoặc nhiều vệ tinh nữa để có thể tính tốn được
chính xác vị trí.

Hình 1-1: Hệ thống định vị tồn cầu GPS.
Tín hiệu GPS được phát từ máy phát trên các vệ tinh có quỹ đạo cách 20000 km
so với bề mặt trái đất, vì vậy tín hiệu rất yếu khi đến bề mặt trái đất. Dưới đây là
cường độ của tín hiệu GPS trong các vị trí bề mặt Trái đất [1]:
- Mơi trường ngồi trời, khơng gian không bị che khuất: > −172dBW,
- Trong rừng, khu đô thị trên hẻm núi, gần cửa sổ trong khu dân cư: từ
−172dBW đến −180dBW,

Trang 14


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

- Bên trong tịa nhà văn phịng, bãi gửi xe nhiều tầng…: từ −180dBW đến
−190dBW.
Và theo cùng nghiên cứu [1], độ chính xác của GPS là từ 20m đến 60m với môi
trường trong nhà, điều này là vô nghĩa với xác định vị trí của đối tượng trong mơi
trường đó.
b.

Wi-Fi
Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity truyền và nhận dữ liệu bằng sóng điện từ,

cung cấp kết nối khơng dây trong vùng phủ sóng, hoạt động dựa trên chuẩn 802.11
(802.11 được phát triển từ năm 1997 bởi nhóm Institut of Electrical an Electronics
Engineers). Hiện nay IEEE 802.11 bao gồm các chuẩn sau:
- 802.11 là chuẩn IEEE gốc của mạng không dây (hoạt động ở tần số 2.4GHz,
tốc độ 1 Mbps – 2 Mbps).

- 802.11a: phát triển vào năm 1999, hoạt động ở tần số 5GHz – 6GHz, tốc độ
54 Mbps.
- 802.11b: phát triển năm 1999, hoạt động ở tần số 2.4 – 2.48GHz, tốc độ từ
1Mbps-11Mbps
- 802.11g: là chuẩn tương tự chuẩn 802.11b nhưng có tốc độ từ 20 – 54 Mbps.
- 802.11e: là chuẩn đang thử nghiệm, cung cấp đặc tính QoS.
Hiện nay, Wi-Fi là kết nối khơng thể thiếu trên điện thoại, laptop, máy tính bảng
và các thiết bị điện tử tiêu dùng. Định vị trong nhà sử dụng cơng nghệ Wi-Fi có rất
nhiều lợi thế bởi sự phổ biến của Wireless Access Point ở khắp các khu vực trong các
tòa nhà. Các phương pháp định vị sử dụng cơng nghệ Wi-Fi đều dựa trên cường độ
tín hiệu sóng điện từ từ các điểm phát, điểm truy cập Wi-Fi ở xung quanh. Các thông
tin thu được từ điểm truy cập như SSID, MAC address… được sử dụng để xác định
vị trí hiện tại. Độ chính xác của cơng nghệ Wi-Fi là từ 20m đến 40m, nhưng nó có
thể được cải thiện bằng việc triển khai mạng khơng dây bộ định tuyến hoặc tích hợp

Trang 15


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

các cơng nghệ khác. Theo nghiên cứu đã cơng bố, độ chính xác của Wi-Fi có thể đạt
được từ 3-5m [2].
Ngoài một số lợi thế mà hệ thống định vị dựa trên cơng nghệ Wi-Fi có như có
độ chính xác cao, chi phí thấp, có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có, có sẵn trong các
thiết bị di động (điện thoại thơng minh, máy tính bảng ...). Tuy nhiên cũng có những
hạn chế nhất định như bị nhiễu sóng. Sóng Wi-Fi có thể bị ảnh hưởng bởi cấu trúc
không gian trong môi trường trong nhà, ảnh hưởng bởi nhiều thiết bị điện tử khác
như điện thoại khơng dây, lị vi sóng... Hơn nữa, tín hiệu Wi-Fi có thể bị cấm trong

một số mơi trường nhạy cảm.
c.

Bluetooth
Bluetooth là chuẩn công nghệ không dây dùng để truyền dữ liệu và tiêu chuẩn

được chỉ định trong IEEE 802.15. Các phiên bản khác nhau của Bluetooth là: từ 1.0
đến 4.0, dải tần số hoạt động là từ 2,4 đến 2,485 GHz. Ban đầu, mục đích chính của
cơng nghệ Bluetooth là tạo kết nối giao tiếp giữa các thiết bị di động và cố định hoặc
hai thiết bị di động. Nhằm loại bỏ cáp nối, dây kết nối giữa các thiết bị trong phạm vi
nhỏ (ví dụ như trong việc sử dụng tai nghe không dây) và để tạo điều kiện đồng bộ
hóa dữ liệu giữa các thiết bị cá nhân.
Đặc tính của cơng nghệ Bluetooth tương tự như Wi-Fi nhưng có phạm vi truyền
thơng ngắn hơn, phạm vi truyền thơng khoảng từ 10m đến 15m. Việc truyền tín hiệu
Bluetooth cũng bị ảnh hưởng bởi điều kiện không gian trong môi trường trong nhà.
Đã có nhiều hệ thống định vị sử dụng công nghệ Bluetooth được nghiên cứu,
hệ thống đầu tiên áp dụng Bluetooth RSSI với sai số trong phòng nhỏ là 2m [3]. Tuy
nhiên hệ thống này thiếu ổn định bởi sự suy giảm của tín hiệu Bluetooth, do sự cản
trở của người mang thiết bị Bluetooth và các điểm truy cập.

Trang 16


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Ngày nay, với sự xuất hiện của cơng nghệ Bluetooth Low Energy (BLE) và
đang được áp dụng rộng rãi cho các thiết bị (đặc biệt là điện thoại thông minh), trong
các công nghệ sử dụng cho hệ thống định vị trong nhà, công nghệ Bluetooth đã được

xem như một đối thủ cạnh tranh với Wi-Fi. Lợi thế của cơng nghệ Bluetooth Low
Energy (BLE) là chi phí thấp và mức tiêu thụ điện năng rất thấp, thời gian hoạt động
liên tục trong nhiều tháng [4].
2.1.2 Công nghệ dựa trên cảm biến qn tính
Cơng nghệ dựa trên cảm biến qn tính là cơng nghệ dựa trên một bộ ba cảm
biến. Bộ ba cảm biến quán tính này được gọi chung là một cơ cấu đo lường quán tính
IMU bao gồm 3 cảm biến:
- Cảm biến gia tốc (Accelerometer)
- Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope)
- Cảm biến từ trường (Magnetic)
Trong đó, cảm biến gia tốc và cảm biến con quay hổi chuyển đo gia tốc và tốc
độ góc của thiết bị, cảm biến từ trường đo từ trường và còn được gọi là la bàn.
Trong hệ thống định vị dựa trên cơng nghệ cảm biến qn tính, hệ thống theo
dõi người dùng sử dụng IMU còn được gọi là hệ thống Pedestrian Dead Reckoning
(PDR). Phương pháp Dead Reckoning đã được các thủy thủ ngày xưa áp dụng từ lâu
đời, trong đó vị trí của đối tượng được xác định dựa vào vị trí ban đầu, tốc độ và
hướng di chuyển của đối tượng đó.
Trong hệ thống theo dõi người dùng PDR, Inertial Navigation System (INS) và
Step-Heading-System (SHS) là hai hướng tiếp cận chính cho việc áp dụng phương
pháp Dead Reckoning [5] . Hệ thống INS theo dõi chuyển động của IMU trong không
gian ba chiều, bao gồm khoảng cách di chuyển và vectơ hướng của mỗi chuyển động
trong không gian ba chiều, cịn hệ thống SHS theo dõi trong khơng gian hai chiều.

Trang 17


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Hình 1-2: Hai hướng tiếp cận của hệ thống Pedestrian Dead Reckoning
Trên thực tế, các hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ dựa trên cảm
biến quán tính, người ta thường ưu tiên dùng hệ thống SHS bởi sự đơn giản của nó.
Việc ước tính vị trí có thể mơ tả như dưới đây [6]:
𝑆𝑘+1 = 𝑆𝑘 + 𝐿𝑘 × [

𝑠𝑖𝑛𝜃𝑘
]
𝑐𝑜𝑠𝜃𝑘

(1.1)

trong đó:
-

𝑆𝑘+1 là tọa độ của người đi bộ tại thời điểm bước thứ k+1

-

𝑆𝑘 là tọa độ của người đi bộ

-

𝐿𝑘 là độ dài bước

-

𝜃𝑘 là hướng đi

Từ công thức trên, hệ thống SHS bao gồm hai nhiệm vụ xác định khoảng cách

di chuyển, xác định hướng di chuyển.

Trang 18


Luận văn thạc sĩ

a.

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Khoảng cách di chuyển
Khoảng cách di chuyển hay độ dài bước di chuyển có thể được tính bằng phương

pháp đếm bước. Trong phương pháp đếm bước, phát hiện bước đi của người đi bộ
được thực hiện bằng một thuật toán phát hiện đỉnh áp dụng cho các giá trị gia tốc thu
được từ cảm biến gia tốc. Kỹ thuật này khá phổ biến cho việc phát hiện bước [7]. Độ
dài từng bước là tham số cơ bản để tính tốn khoảng cách đi. Độ dài mỗi bước khơng
phải là giá trị không đổi theo thời gian, cũng như trong mọi hệ thống. Nó phụ thuộc
vào nhiều yếu tố như tốc độ, môi trường xung quanh, cũng như đặc điểm của người
đi bộ. Theo nghiên cứu của Levi và Judd [8], độ dài bước và tần số bước có mối quan
hệ theo mơ hình tuyến tính, do đó mơ hình tuyến tính này được áp dung phổ biến để
xác định độ dài bước.
b.

Hướng di chuyển
Để xác định hướng của mỗi thời điểm, có rất nhiều cách để xác định như: sử

dụng cảm biến từ trường, dựa vào vận tốc góc của cảm biến con quay hồi chuyển…
Tuy nhiên, dữ liệu lấy từ các phép đo của IMU bao gồm cả nhiễu, do đó làm sai lệch

trong việc tính tốn xác định hướng. Các bộ lọc được áp dụng để giảm ảnh hưởng
của nhiễu trong dữ liêu cũng như kết hợp các kết quả từ các cảm biến, có thể kể đến:
bộ lọc Complimentary, bộ lọc Kalman, bộ lọc Madgwick.
2.1.3 Công nghệ dựa trên quang học
Ngày nay, công nghệ định vị dựa trên quang học đã trở thành kỹ thuật thống
trị cho việc định vị trong nhà với khả năng bao quát rộng lớn và độ chính xác cao [9].
Sự thành công của công nghệ dựa trên quang học bắt nguồn từ sự phát triển của khả
năng tính tốn và thuật tốn xử lý hình ảnh, đặc biệt là tiến bộ trong cơng nghệ thu,
phát các tín hiệu quang học.

Trang 19


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Hệ thống định vị dựa trên quang học có thể chia làm hai loại: camera cố định
(fixed camera) và camera di dộng (mobile camera). Cả hai cách tiếp cận đều phải giải
quyết bài toán làm thế nào để chuyển đổi giữa thông tin tọa độ trong không gian hình
ảnh sang tọa độ trong khơng gian thực tế. Tất cả các hệ thống dựa trên camera đều
xây dựng dựa trên kỹ thuật góc tới Angle of Arrival (AOA). Việc xác định được vị
trí và ma trận quay trong khơng gian 3 chiều khi quan sát chính là hình ảnh 2 chiều
từ cảm biến được thiết lập theo mơ hình [10]:
𝑥 − 𝑥𝑝
𝑋
𝑋𝑐
𝑐
(𝑌 ) = (𝑌 ) + 𝜆𝑅 (𝑦 − 𝑦𝑝 )
−𝑐

𝑍
𝑍𝑐

(1.2)

trong đó:
- (𝑋, 𝑌, 𝑍) là vị trí của đối tượng định vị
- (𝑋 𝑐 , 𝑌 𝑐 , 𝑍 𝑐 ) là vị trí của trung tâm camera
- (𝑥, 𝑦) là vị trí trong hình ảnh (2D), (𝑥𝑝 , 𝑦𝑝 ) là điểm chính và 𝑐 là khoảng
cách chính
- 𝜆 là yếu tố khoảng cách
- 𝑅 là ma trận trận quay
a.

Camera cố định
Với cách tiếp cận này, hệ thống được trang bị các camera gắn ở vị trí cố định,

đối tượng định vị là các mục tiêu di chuyển (tức là, cá nhân, đối tượng hoặc động
vật). Hệ thống sẽ phải thu thập hình ảnh của các đối tượng được bởi một hoặc một số
camera sau đó xác định, theo dõi những đặc điểm của đối tượng. Bằng cách này, nếu
các đặc điểm nổi bật của đối tượng xuất hiện trong tầm quan sát của camera, vị trí có
thể được tính tốn so với vị trí các camera cố định. Vị trí của mục tiêu được ước tính
dựa trên vị trí của nó trong hình ảnh chụp và không gian phân phối các đặc điểm nổi
bật của nó.

Trang 20


Luận văn thạc sĩ

b.

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Camera di động
Đối với hệ thống camera cố định, đối tượng định vị được trang bị camera di

chuyển trong mơi trường. Hệ thống xác định vị trí đối tượng theo hai cách: Các thứ
nhất, thiết lập một số điểm mốc ở các vị trí và hướng đã biết: khi camera di động phát
hiện hai hoặc nhiều hơn các điểm mốc, nó có thể tìm ra vị trí và hướng của mục tiêu.
Cách thứ hai là trích xuất các đặc tính mơi trường xung quanh. Trong giai đoạn huấn
luyện, hình ảnh của mơi trường xung quanh được thu thập tại các vị trí được xác định
trước và mỗi hình ảnh được xử lý để trích xuất các đặc điểm nối bật của nó và được
lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. Trong giai đoạn định vị, camera chụp một hình ảnh, và
các đặc điểm của nó được trích xuất và so sánh với các đặc điểm được lưu trữ để ước
tính vị trí của camera.
Nhìn chung, tùy thuộc vào việc áp dụng hệ thống camera cố định hay di động,
độ chính xác của các hệ thống dựa trên quang học có thể dao động từ dưới 1cm đến
0.5m [9].
2.2.

Kỹ thuật định vị

2.2.1 Phương pháp tính tốn hình học
Ý tưởng của các phương pháp tính tốn hình học là dựa vào khoảng cách giữa
các thiết phát và thu để ước lượng vị trí của đối tượng bởi giao điểm của các mặt cầu
hay các hình trịn. u cầu của các phương pháp này là vị trí của các thiết bị phát
phải cố định và biết trước.
a.

Times of Arrival (TOA)
Khoảng cách từ mục tiêu di động là tỷ lệ thuận với thời gian lan truyền. Do đó,

ý tưởng của định vị bằng phương pháp thời gian đến TOA đo thời gian của tín hiệu
đi đến các thiết cảm biến, khi biết được thời gian lan truyền, cùng với biết vận tốc lan
truyền của tín hiệu trong mơi trường ta có thể ước tính được khoảng cách giữa máy

Trang 21


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

phát và thiết bị thu. Yêu cầu của phương pháp TOA là phải biết thời gian tín hiệu
được truyền và phải có sự đồng bộ giữa máy phát và máy thu trong hệ thống. Mơ
hình xác định khoảng cách của phương pháp TOA được mô tả như sau:
𝑑 =𝑐×𝑡

(1.3)

trong đó:
- 𝑑 là khoảng cách giữa thiết bị phát và thiết bị thu
- c là vận tốc ánh sáng, xấp xỉ 3 × 108 m/s,
- 𝑡 là thời gian lan truyền của tín hiệu.
Dựa vào nhiều hơn ba giá trị của phép đo TOA, ta có thể ước lượng được vị trí
của thiết bị di động P tại giao điểm của các đường tròn (A, R1), (B, R2), (C, R3) như
Hình 1-3:

Hình 1-3: Định vị dựa trên phương pháp TOA [11]

b.

Time Difference of Arrival (TDOA)
Với phương pháp TOA thì khi chúng ta không biết thời gian phát chúng ta khơng

thể xác định được khoảng cách. Do đó, ý tưởng của TDOA là xác định vị trí tương

Trang 22


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

đối của điểm phát di động bằng cách kiểm tra sự khác biệt về thời gian mà tín hiệu
đến tại các điểm thu, điểm đo lường.
Hai thiết bị thu sóng gần nhau có hiệu số thời gian thu tín hiệu tn theo quy
luật đường hyperbol, do đó tại bất kì điểm nào trên hyperbol, thiết bị thu ln nhận
được tín hiệu từ 2 thiết bị thu có hiệu số thời gian như nhau. Trong phép đo TDOA,
mỗi điểm phát phải nằm trên một hyperbol có phương trình là:
𝑅𝑖,𝑗 = √(𝑥𝑖 − 𝑥)2 + (𝑦𝑖 − 𝑦)2 + (𝑧𝑖 − 𝑥)2 − √(𝑥𝑗 − 𝑥)2 + (𝑦𝑗 − 𝑦)2 + (𝑧𝑗 − 𝑥)2 (1.4)

Với (𝑥𝑖 , 𝑦𝑖 , 𝑧𝑖 ) và (𝑥𝑗 , 𝑦𝑗 , 𝑧𝑗 ) là các điểm thu cố định, (𝑥, 𝑦, 𝑧) là tọa độ của đối
tượng. Vị trí của đối tượng được xác định bởi giao của hai hay nhiều các phép đo
TDOA.

Hình 1-4: Định vị dựa trên phương pháp TDOA [12]
Phương pháp TDOA giúp chúng ta loại bỏ được thời gian truyền dẫn, cũng như
khơng bắt buộc phải đồng bộ hóa giữa điểm phát và điểm thu. Tuy nhiên trong phép
đo TDOA, các điểm thu cần được đồng bộ với nhau.

Trang 23