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
36 trang |
Chia sẻ: Trịnh Thiết | Ngày: 06/04/2024 | Lượt xem: 239 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Báo cáo Tóm tắt Nghiên cứu cải biên thuật toán định vị quán tính để ước lượng chuyển động trong chăm sóc sức khỏe, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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