Báo cáo Tóm tắt Nghiên cứu cải biên thuật toán định vị quán tính để ước lượng chuyển động trong chăm sóc sức khỏe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU CẢI BIÊN THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH ĐỂ ƯỚC LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE Mã số: B2018-DNA-07 (KYTH-45) Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đoàn Quang Vinh Đà Nẵng, 04/2020 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI 1. ThS. Phạm Duy Dưởng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, ĐH Đà Nẵng 2. TS. Nguyễn Anh Duy Trường Đại học Đông Á 3. TS. Trương Thị Bích Thanh Trường Đại học Bách khoa, ĐH Đà Nẵng 4. TS. Ngô Đình Thanh Trường Đại học Bách khoa, ĐH Đà Nẵng ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Công ty TNHH Văn Thanh MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN QUÁN TÍNH ................................................ 18 1.1. Giới thiệu cảm biến quán tính ................................................................................. 18 1.2. Cảm biến quán tính Mti-1 của hãng Xsens ............................................................. 18 Chương 2: THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN ... 19 2.1. Các phương trình cơ bản của định vị quán tính ...................................................... 19 2.2. Thuật toán định vị quán tính ................................................................................... 20 2.3. Bộ lọc Kalman cho định vị quán tính ..................................................................... 21 2.3.1 Xây dựng mô hình bộ lọc Kalman cho định vị quán tính ................................. 21 2.3.2 Phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman ....................................................... 22 Chương 3: CẢI BIÊN THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH CHO WALKER .......... 22 3.1. Thiết kế phần cứng cho hệ thống ............................................................................ 22 3.2. Thuật toán phát hiện và phân loại chuyển động cho walker ................................... 23 3.2.1 Định nghĩa chuyển động của khung tâp đi ....................................................... 23 3.2.2 Thuật toán phát hiện chuyển động .................................................................... 23 3.2.3 Thuật toán phân loại chuyển động .................................................................... 24 3.3. Ước lượng quỹ đạo chuyển động của khung tập đi ................................................ 25 3.3.1 Xây dựng phương trình cập nhật quaternion dựa vào phương đứng của khung tâp đi........................................................................................................................... 25 3.3.2 Xây dựng phương trình cập nhật quaternion sử dụng góc quay quanh trục đứng .................................................................................................................................... 26 3.3.3 Xây dựng phương trình cập nhật vị trí sử dụng thông tin từ encoder .............. 27 Chương 4: TRÍCH XUẤT THÔNG SỐ BƯỚC ĐI VÀ ỨNG DỤNG ............................. 28 4.1. Trích xuất thông số bước đi .................................................................................... 28 Chương 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA THUẬT TOÁN ....... 29 5.1. Mô tả thí nghiệm ..................................................................................................... 29 5.2. Đánh giá thuật toán ước lượng chuyển động sử dụng kết hợp chuyển động do cảm biến quán tính và encoder ước lượng ............................................................................. 30 5.3. Đánh giá thuật toán ước lượng chuyển động bằng cách sử dụng thông tin encoder để cập nhật cho bộ lọc Kalman ...................................................................................... 31 5.4. Phân tích đánh giá sự ảnh hưởng của các phương trình cập nhật sử dụng thông tin từ encoder ....................................................................................................................... 33 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 5.1 Kết quả 5 người dùng khung tâp đi đi thẳng 20 m ............................................. 31 Bảng 5.2 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động đẩy đi liên tục ....................................................................................................................................... 31 Bảng 5.3 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động đẩy đi từng bước.................................................................................................................................... 32 Bảng 5.4 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động nhấc 2 chân sau khung tập đi ........................................................................................................ 32 Bảng 5.5 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động nhấc hoàn toàn khung tập đi ............................................................................................................... 33 Bảng 5.6 Sai số ước lượng (m) cho 20 m đẩy đi liên tục ................................................... 33 Bảng 5.7 Sai số ước lượng (m) cho 20 m đẩy đi từng bước .............................................. 33 Bảng 5.8 Sai số ước lượng (m) cho 20 m nhấc hoàn toàn ................................................. 34 Bảng 5.9 Sai số ước lượng (m) cho 20 m nhấc 2 chân sau ............................................... 35 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 3.1 Tổng quan hệ thống đề xuất ............................................................................... 22 Hình 4.1 Thông số bước đi trong quá trình đẩy khung tập đi 20 m ................................. 28 Hình 4.2 Độ cao và tư thế của khung tập đi trong quá trình sử dụng ............................... 29 Hình 5.1 Hệ thống khung tập dùng trong thử nghiệm ...................................................... 29 Hình 5.2 Kết quả việc phát hiện và phân loại chuyển động ............................................. 30 DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT IMU Inertial Measurement Unit - Cảm biến quán tính ICS Inertial Coordinate System – Hệ tục tọa độ IMU BCS Body Coordinate System – Hệ tọa độ đối tượng WCS World Coordinate System – Hệ tọa độ thế giới INA Inertial Navigation Algorithm – Thuật toán định vị quán tính GPS Global Posistioning System – Định vị toàn cầu LPS Local Posistioning System – Định vị cục bộ RMSE Root Mean Square Error – Căn trung bình bình phương sai số BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CẢI BIÊN THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH ĐỂ ƯỚC LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE - Mã số: B2018-DNA-07 (KYTH-45) - Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đoàn Quang Vinh - Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 2018 - 2019 2. Mục tiêu: - Xây dựng được thuật toán định vị quán tính cải biên nhằm nâng cao độ chính xác trong ước lượng các đại lượng chuyển động. - Thiết kế và chế tạo được phần cứng phục vụ kiểm chứng thuật toán hỗ trợ quá trình phục hồi chức năng của người bệnh. 3. Tính mới và sáng tạo: - Đề xuất cải biên thuật toán định vị quán tính mới nhằm nâng cao độ chính xác trong việc ước lượng các thông số chuyển động. - Thiết kế và chế tạo được sản phẩm phần cứng để kiểm chứng thuật toán. 4. Kết quả nghiên cứu: - Thuật toán định vị quán tính cải biên nhằm nâng cao độ chính xác trong ước lượng các đại lượng chuyển động. - Chương trình được xây dựng trên phần mềm Matlab để xử lý dữ liệu thu được từ thiết bị và ước lượng (dựa trên thuật toán định vị quán tính cải biên) các thông số bước đi phục vụ trong y tế. - Xây dựng được phần cứng để kiểm chứng thuật toán. Cụ thể là 01 walker có 2 bánh trước, được gắn một cảm biến quán tính. Mỗi bánh của walker được gắn 1 encoder. Một nút Start/stop được gắn tại tay cầm để thuận lợi cho người dùng để bắt đầu/kết thúc việc lấy dữ liệu trong quá trình tập luyện và kiểm tra sức khỏe 5. Sản phẩm: 5.1 Sản phẩm khoa học: 1 Sản phẩm khoa học: - 01 bài báo trên tạp chí khoa học quốc tế chuyên ngành trong danh mục Scopus: Inertial navigation algorithm for trajectory of front-wheel walker estimation. Authors: Quang Vinh Doan, Duy Duong Pham. Heliyon. No: 5(6). Pages: 1-7. Year 2019 - 02 Bài báo khoa học đăng trên tạp chí khoa học chuyên ngành trong nước (Trong danh mục của Hội đồng chức danh Giáo sư Nhà nước): Xây dựng bộ lọc Kalman mở rộng cho thuật toán định vị quán tính. Tác giả: Phạm Duy Dưởng và Đoàn Quang Vinh. Tạp chí KHCN-Đại học Đà Nẵng. Số: TẠP CHÍ SỐ 9(19). Trang: 45-50. Năm 2019 Xây dựng thuật toán định vị quán tính để ước lượng chuyển động cho khung tập đi có hai bánh trước, Tác giả: Phạm Duy Dưởng, Đoàn Quang Vinh và Phan Thị Hoài. Tạp chí KHCN-Đại học Đà Nẵng. Số: TẠP CHÍ SỐ 10(17). Trang: 24-29. Năm 2019 5.2. Sản phẩm đào tạo: - Đào tạo 01 thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Thạc sĩ Phạm Khắc Trung - Hỗ trợ đào tạo 01 NCS chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu sinh Phạm Duy Dưởng 5.3. Sản phẩm ứng dụng - 01 walker có 2 bánh trước, được gắn một cảm biến quán tính. Mỗi bánh của walker được gắn 1 encoder. Một nút Start/stop được gắn tại tay cầm để thuận lợi cho người dùng để bắt đầu/kết thúc việc lấy dữ liệu trong quá trình kiểm tra thông số bước đi. - Thuật toán định vị quán tính cải biên nhằm nâng cao độ chính xác trong ước lượng các đại lượng chuyển động. 6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu: 6.1. Phương thức chuyển giao: Công ty TNHH Văn Thanh là đơn vị sẽ chịu trách nhiệm thử nghiệm sản phẩm của đề tài. Sau khi đề tài được nghiệm thu, hai bên sẽ tiến hành thương thảo hợp đồng hợp tác sản xuất thử cũng như các điều khoản về bản quyền của sản phẩm đề tài. 6.2. Địa chỉ ứng dụng: Công ty TNHH Văn Thanh. Đây là công ty chuyên sản xuất và lắp đặt các hệ thống, thiết bị kỹ thuật hỗ trợ trong y tế. Ngoài ra sản phẩm có thể được sử dụng tại các trung tâm phục hồi chức năng, bệnh viện, nhà riêng, phòng thí nghiệm. 6.3. Tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu - Đối với lĩnh vực giáo dục và đào tạo: Đề tài là tài liệu tham khảo về cảm biến quán tính, thuật toán định vị quán tính cho sinh viên, học viên cao học. Đề tài đồng thời là tài liệu tham khảo về việc ứng dụng bộ lọc Kalman vào định vị quán tính. Ngoài ra, đề tài là nguồn tài liệu tham khảo quan trọng trong việc cải biên thuật toán định vị quán tính vào các đối tượng chuyển động không có “điểm dừng” rõ ràng.- Đối với lĩnh vực khoa học và công nghệ có liên quan: - Đối với lĩnh vực khoa học và công nghệ có liên quan: + Xây dựng thuật toán hiệu chỉnh mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống walker. Trong đó vấn đề chính là mối quan hệ giữa cảm biến quán tính với walker. + Đề tài định nghĩa một số loại chuyển động cơ bản của walker trong quá trình sử dụng và xây dựng thuật toán phân loại chuyển động đó. Thuật toán định vị quán tính được cải biên nhằm ước lượng chuyển động trong từng trường hợp cụ thể. - Đối với phát triển kinh tế-xã hội: Đề tài nhằm xây dựng hệ thống ước lượng các thông số chuyển động cho người cần được hỗ trợ đi lại. Với hệ thống này, người dùng có thể tự kiểm tra các thông số tại nhà. Dựa vào các thông số này, bác sĩ có thể chuẩn đoán tình trạng, khả năng phục hồi sức khỏe - Đối với tổ chức chủ trì và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu: + Nâng cao năng lực nghiên cứu cho cán bộ giảng viên và học viên. + Tăng cường hợp tác giữa Nhà trường và địa phương trong chuyển giao công nghệ + Tiếp cận và làm chủ cảm biến quán tính và thuật toán định vị quán tính. Ứng dụng cảm biến quán tính phục vụ cho cuộc sống thường ngày. Mẫu 22. Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài khoa học và công nghệ cấp bộ bằng tiếng Anh INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: APPYING THE INERTIAL NAVIGATION ALGORITHM TO ESTIMATE WALKING PARAMETERS FOR HEALTH CARE Code number: B2018-DNA-07 (KYTH-45) Coordinator: Assoc. Prof. Doan Quang Vinh Implementing institution: Da Nang University Duration: from 2018 to 2019 2. Objective(s): - Build the inertial navigation algorithm to improve the accuracy of movement estimation - Implement a prototype to verify the proposed algorithm. 3. Creativeness and innovativeness: - Propose an inertial navigation algorithm to improve the accuracy of movement estimation - Implement a prototype to verify the proposed algorithm. 4. Research results: - An inertial navigation algorithm to improve the accuracy of movement estimation - A code file in Matlab to analysis walking data and estimate the walking parameters used in health care. - A prototype to verify the algorithm consisting of a two front-wheels walker, inertial sensor and two encoders attached in walker’s wheel. A Start/Stop button at the walker’s handle for recoding walking data during walking test. 5. Products: 5.1 Scientific products: - 01 papper in international journal (SCOPUS): Inertial navigation algorithm for trajectory of front-wheel walker estimation. Authors: Quang Vinh Doan, Duy Duong Pham. ELSEVIER PUBLISHER. No: 5(6). Pages: 1-7. Year 2019 - 02 articles in specialized scientific journals of Viet Nam (ISSN): Implement an extended Kalman filter for intertial navigation algorithm, Authors: Duy Duong Pham and Quang Vinh Doan. JST-UD. Số: No: 9(19). Pages: 45-50. Year 2019 Applying an inertial navigation algorithm to movement estimation of two front- wheel walker. Authors: Duy Duong Pham, Quang Vinh Doan and Thi Hoai Phan . JST- UD. No: 10(17). Pages: 24-29. Year 2019 5.2. Training products: - Training 01 master of Automation Engineering: Khac Trung Pham - Support 01 PhD student of Automation Engineering: Duy Duong Pham 5.3 Application product. - A prototype to verify the algorithm consisting of a two front-wheels walker, inertial sensor and two encoders attached in walker’s wheel. A Start/Stop button at the walker’s handle for recoding walking data during walking test. - An inertial navigation algorithm to improve the accuracy of movement estimation 6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: 6.1. Transfer method: Van Thanh Co., Ltd is the unit that will be responsible for testing the product of the project. After the project is finished, the two sides will negotiate a trial production contract as well as copyright terms of the product. 6.2. Application address: Van Thanh Company Limited. This is a company specialized in manufacturing and installing medical support systems and equipment. Also the product can be used in rehabilitation centers, hospitals, private houses, laboratories. 6.3. Impacts and benefits of research results - In the field of education and training: The topic is the reference on inertial sensors, inertial positioning algorithms for students and graduate students. The topic is also a reference about the application of Kalman filter in inertial positioning. In addition, the subject is an important reference source for modifying the inertial positioning algorithm into moving objects without obvious "stops". - For science and technology fields: + Building algorithm to adjust the relationship between components in the walker system. The main issue is the relationship between the inertial sensor and the walker. + The thesis defines some basic types of walkers in the process of using and constructing that classification algorithm of motion. The inertial positioning algorithm is modified to estimate motion in each specific case. - For socio-economic development: The thesis aims to build a system of estimating motion parameters for people in need of travel assistance. With this system, users can manually check the parameters at home. Based on these parameters, the doctor can diagnose the condition, the ability to recover health . - For host organizations and research application establishments + Improve research capacity for lecturers and students. + Enhancing cooperation between the University and localities in technology transfer + Approaching and mastering inertial sensors and inertial positioning algorithms. Inertial sensor application for everyday life. MỞ ĐẦU Chăm sóc sức khỏe là việc chuẩn đoán, điều trị và phòng ngừa bệnh tật, thương tích, và suy yếu về thể chất và tinh thần [1]. Trong đó, việc chuẩn đoán và đánh giá tình trạng sức khỏe của bệnh nhân là bước quan trọng đầu tiên. Việc ước lượng các thông số bước đi (ví dụ: độ dài bước đi, tốc độ và thời gian bước) rất quan trọng trong quá trình phục hồi chức năng cũng như chăm sóc sức khỏe [2], [3]. Có nhiều hướng nghiên cứu và hệ thống được đề xuất để ước lượng các thông số này. Trong đó, việc ước lượng chuyển động dựa trên cảm biến quán tính được sử dụng rất phổ biến. Cảm biến quán tính bao gồm một cảm biến gia tốc và cảm biến vấn tốc góc quay, 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. Một 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). Như vậy cảm biến quán tính đo được các đại lượng như gia tốc, góc nghiên, độ rung, va đập và đặc biệt là có thể được sử dụng để ước lượng quỹ đạo chuyển động. Hình 1 Nguyên lý tích phân của thuật toán định vị quán tính Hình 2 Bộ lọc Kalman dùng cho định vị quán tính Việc ước lượng chuyển động của cảm biến quán tính được thực hiện bằng thuật toán định vị quán tính. Thuật toán định vị quán tính ước lượng quỹ đạo chuyển động dựa trên nguyên lý kết hợp tính phân 2 lớp của gia tốc tịnh tiến và tích phân của vận tốc góc quay (xem Hình 1). Cụ thể, việc tích phân 2 lớp của gia tốc tịnh tiến (được lấy từ cảm biến gia tốc) cho ta quãng đường di chuyển và tích phân của vận tốc góc quay (được lấy từ cảm biến vận tốc góc) cho ta hướng di chuyển. Tuy nhiên trong tín hiệu đầu ra của cảm biến quán tính luôn tồn tại các thành phần nhiễu dẫn đến sai số của quá trình ước lượng sẽ tích lũy theo thời gian do việc sử dụng nguyên lý tích phân của thuật toán định vị quán tính. Để giảm sai số tích lũy trên, thuật toán định vị quán tính thường sử dụng bộ lọc Kalman để lọc nhiễu và cập nhật lại các giá trị ước lượng. Hoạt động của bộ lọc Kalman gồm 2 quá trình là dự đoán theo mô hình và cập nhật theo phép đo (xem Hình 2). Cần chú ý rằng tuy cảm biến quán tính là thiết bị đo nhưng giá trị đầu ra của nó là gia tốc và vận tốc góc của đối tượng trong khi giá trị cần ước lượng là quỹ đạo chuyển động của đối tượng. Do vậy giá trị đo của cảm biến quán tính được sử dụng để đưa vào mô hình của bộ lọc Kalman chứ không phải đưa vào các phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman. Việc xây dựng mô hình của bộ lọc sử dụng nguyên lý của thuật toán định vị quán tính và thường không có gì thay đổi cho các đối tượng khác nhau. Tuy nhiên việc xây dựng các phương trình cập nhật giá trị ước lượng cho bộ lọc Kalman phụ thuộc vào từng đối tượng chuyển động, tính chất chuyển động, vị trí đặt cảm biến quán tính hay việc thêm vào hệ thống các cảm biên khác. Do vậy, vấn đề đặt ra là cần phải cải biên thuật toán định vị quán tính nhằm nâng cao độ chính xác của việc ước lượng chuyển động trong một số trường hợp cụ thể. Trong đề tài này, chúng tôi đề xuất nghiên cứu, cải biên thuật toán định vị quán tính ứng dụng vào hệ thống hỗ trợ người đi bộ có hai bánh trước (front wheeled-walker) hiện nay đang được sử dụng khá rộng rãi [4]. Hiện nay có nhiều bài kiểm tra để đánh giá các thông số này (ví dụ: 6-minutes walk test [5], 50-foot walk test [6], 30-seconds chair stand test [6] và the t