Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo thực hiện việc cải thiện độ chính xác của hệ PDR bằng cách sử dụng mã QR tại một số điểm chuẩn để loại bỏ sai số tích lũy. Hệ thống kết hợp giữa PDR và mã QR được thực hiện trên điện thoại thông minh có sai số trung bình khoảng 0,65 m.
Cải thiện độ xác hệ thống định vị nhà PDR sử dụng mã QR Nguyễn Hoàng Dương Trần Thị Thúy Quỳnh Khoa Điện Tử - Viễn Thơng, Trường Đại học Cơng Nghệ-ĐHQGHN Email: dn09922@gmail.com, quynhttt@vnu.edu.vn Tóm tắt nội dung—Hệ thống định vị nhà PDR (Precise Dead Reckoning) hệ thống định vị tự trị cho đối tượng di chuyển tốc độ thấp (đi bộ) dựa liệu thu thập từ cảm biến Nhược điểm hệ thống sai số tích lũy trình định vị Bài báo thực việc cải thiện độ xác hệ PDR cách sử dụng mã QR số điểm chuẩn để loại bỏ sai số tích lũy Hệ thống kết hợp PDR mã QR thực điện thoại thơng minh có sai số trung bình khoảng 0,65 m tốt so với hệ PDR không kết hợp mã QR khoảng 6,4 lần Từ khóa–Hệ thống định vị nhà, định vị tự trị, mã QR I INTRODUCTION Hiện nay, bên cạnh việc phát triển hệ truyền tin tốc độ cao, hướng nghiên cứu kết nối vạn vật, trí tuệ nhân tạo, tơ tự hành, thu hút ý đặc biệt nhà nghiên cứu công ty cơng nghệ Để phát triển hệ thống thông minh (nhà thông minh, nhà máy thông minh, thành phố thơng minh, ), vị trí đối tượng cần phải xác định Các đối tượng thường tập trung nhà, di chuyển với tốc độ chậm gắn nhiều cảm biến để thu thập liệu Khi đó, hệ thống định vị tồn cầu GPS (Global Positioning System) vốn hiệu mơi trường ngồi trời khơng cịn phù hợp Hệ thống GPS hoạt động ngồi trời trời quang với độ xác khoảng 4,9 m nhiều tịa nhà tín hiệu bị suy giảm khơng có tia nhìn thẳng Như vậy, cần phải phát triển hệ thống riêng cho ứng dụng định vị nhà, gọi hệ thống IPS (Indoor Positioning System) Có nhiều phương pháp định vị nghiên cứu ứng dụng cho hệ thống IPS như: định vị dựa dấu hiệu nhận dạng (cường độ tín hiệu WiFi, Bluetooth, thơng tin kênh, hình ảnh, âm thanh, ), xác định hướng/thời gian sóng đến, tự trị dựa cảm biến [1] Các phương pháp dựa dấu hiệu nhận dạng gặp phải vấn đề xây dựng sở liệu nhận dạng tốn cơng sức Ngồi số hệ thống sử dụng BLE, camera, cần phải xây dựng hạ tầng tòa nhà Với hệ thống định vị dựa hướng/thời gian sóng đến, thơng tin kênh, cần lắp đặt thiết bị đặc biệt có tính cung cấp thơng số (Ví dụ Cisco Aironet 3700 Wi-Fi, ) Đối với hệ thống thông minh, tích hợp sẵn nhiều cảm biến, phương pháp định vị tự trị PDR coi ưu việt Phương pháp định vị tự trị PDR xác định vị trí đối tượng dựa việc đếm số bước chân, ước lượng kích thước bước chân, hướng chuyển động đối tượng Các thông số ước lượng dựa liệu thu thập từ cảm biến gia tốc, quay hồi chuyển, Tuy nhiên, cảm biến thường nhạy với môi trường nhiễu, cần phải chuẩn, dẫn đến sai số hệ thống định vị sử dụng cảm biến lỗi tín hiệu Lỗi tích lũy theo thời gian [2] Đây lý khiến phương pháp PDR có độ xác cao khoảng cách định vị ngắn Để hoạt động phạm vi rộng, cần kết hợp PDR với kỹ thuật khác Một số kỹ thuật kết hợp với PDR gồm PDR WiFi [3], PDR Bluetooth [4], PDR kiến trúc tịa nhà [5], Các phương pháp có sai số ước lượng thường lớn 1m Mục đích nhóm nghiên cứu xây dựng hệ thống IPS có sai số ước lượng nhỏ 1m với cấu trúc phần cứng đơn giản đồng thời giảm tải tính toán phần mềm Một hệ thống quan tâm nghiên cứu PDR kết hợp với mã QR Liên quan chặt chẽ đến hệ thống kết hợp cơng trình [2] Cơng trình thực việc xác định vị trí đối tượng dựa PDR (gồm đếm bước, tính chiều dài bước chân, hướng dựa cảm biến) chuẩn hóa vị trí mã QR dán sàn nhà sau 10m Hệ thống có số nhược điểm sau: mã QR dán sàn nhà cho độ thẩm mỹ kém, dễ bị mờ theo thời gian; mã dán góc rẽ giúp tăng độ xác hệ thống Hệ thống có độ xác khoảng 0, 64m Khác với cơng trình này, qua nghiên cứu việc ước lượng bước chân cơng trình nghiên cứu [6], nhóm tác giả nhận thấy việc xác định kích thước bước chân với độ xác cao cho nhiều đối tượng khó thực phương pháp khơng dựa vào tín hiệu thu từ cảm biến mà cịn phải dựa vào hình thái học đối tượng (chiều cao, vận tốc di chuyển, ) Hơn nữa, với chiều cao trung bình người Việt Nam (nam: 1, 64m nữ 1, 53m), kích thước bước chân (tương ứng 1, 64m × 0, 415 = 0, 68m 1, 53m × 0, 413 = 0, 63m) khơng khác nhiều Độ xác hệ thống PDR dựa vào độ xác việc xác định số bước, kích thước bước hướng đối tượng Qua phân tích thấy rằng, sai số bước dẫn đến sai số khoảng cách khoảng 0, 6m sai số kích thước bước đối tượng dẫn đến sai số khoảng cách khoảng 0, 04m Dựa phân tích này, nhóm tác giả nhận thấy sai số hệ PDR chủ yếu dựa vào sai số xác định số bước sai số hướng Hay nói cách khác, nhóm tác giả loại bỏ độ phức tạp hệ thống cách loại bỏ phần ước lượng kích thước bước chân, sai số tích lũy tổng cộng loại bỏ dựa việc chuẩn hóa vị trí sử dụng mã QR dán tường vị trí 48 Hình Hình Hệ thống PDR Hệ thống PDR kết hợp mã QR ngẫu nhiên Hệ thống đạt sai số khoảng cách 0, 65m quãng đường 61m Chi tiết nội dung nghiên cứu trình bày sau: phần hai mơ tả hệ thống PDR kết hợp mã QR nguyên lý hoạt động, phần ba trình bày kết thực nghiệm thảo luận, phần cuối số kết luận II PDR KẾT HỢP MÃ QR VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hệ thống định vị nhà PDR kết hợp với mã QR biểu diễn hình gồm phần: • Vị trí xác định từ hệ thống PDR • Vị trí xác định từ hệ thống PDR hiệu chỉnh dựa thông tin biết trước vị trí mã QR 2.1 Hệ thống định vị nhà PDR Sơ đồ hoạt động hệ thống định vị tự trị PDR biểu diễn hình Trong hệ thống PDR, vị trí đối tượng xác định dựa việc xử lý liệu thu thập từ cảm biến Cụ thể, hệ thống thiết kế sử dụng cảm biến gia tốc để phát bước chân cảm biến vận tốc góc để xác định hướng đối tượng Phương trình sử dụng để cập nhật vị trí đối tượng sau: pn = pn−1 + lstep Acc2x + Acc2y + Acc2z Dữ liệu thô thu từ cảm biến gia tốc Tín hiệu |Acc| miền thời gian miền tần số biểu diễn hình Dựa phổ tín hiệu thu được, nhóm tác giả thiết kế lọc thơng dải Butterword có dải thơng [1, 2]Hz để loại bỏ nhiễu thành phần chiều Hàm truyền lọc biểu diễn bởi: (1) đó, pn , pn−1 , lstep vị trí thời điểm tại, vị trí trước đó, vector chiều dài bước chân (có biên độ 0, 62m - kích thước bước đặt cố định góc nghiêng tương ứng với hướng đối tượng) 2.1.1 Xác định bước dựa liệu cảm biến gia tốc Dữ liệu thô thu từ cảm biến gia tốc (gắn máy di động có tần số lấy mẫu Fs = 40Hz) gồm thành phần theo ba hướng Accx , Accy Accz biểu diễn hình Dữ liệu thơ có số đặc điểm: Tín hiệu lặp lại tương ứng với bước chân, tín hiệu bị ảnh hưởng nhiễu Như dựa tín hiệu thu từ cảm biến gia tốc để xác định bước chân Tuy nhiên, để đánh giá tồn diện (điện thoại song song vng góc với mặt đất) [7], biên độ vector gia tốc xem xét: |Acc| = Hình (2) b1 + b2 z −1 + b3 z −2 + b4 z −3 + b5 z −4 a1 + a2 z −1 + a3 z −2 + a4 z −3 + a5 z −4 (3) A = 0.0055; 0.00000; −0.0111; 0.00000; 0.0055 (4) B = 1.0000; −3.6856; 5.1840; −3.2970; 0.8008 (5) H(z) = với Tín hiệu sau qua lọc biểu diễn hình (hình trên) Dựa tín hiệu |Acc| sau lọc, có số phương pháp xác định bước như: dựa thay đổi phương sai, phát điểm không, phát đỉnh Phương pháp phat đỉnh dễ triển khai, phát triển thành "phân tích đỉnh" để phân tích bước chân mở rộng sau Nên nhóm tác giả lựa chọn phương pháp phát đỉnh kết biểu diễn hình (hình dưới) 49 Hình Hình Hình Tín hiệu |Acc| thơ miền thời gian Đáp ứng biên độ lọc thơng dải Tín hiệu |Acc| thô miền tần số 2.1.2 Xác định chiều dài bước chân dựa liệu cảm biến gia tốc Hệ thống PDR truyền thống thường yêu cầu việc xác định chiều dài bước chân để tăng độ xác Các sải chân phụ thuộc vào số yếu tố vận tốc bộ, tần số bước, chiều cao người đi, sải chân số thay đổi theo yếu tố phụ thuộc Do đó, tham số chiều dài bước phải xác định liên tục trình để có khoảng cách di chuyển xác Phương pháp xác định độ dài bước thu cách phân tích mối quan hệ sải bước, giai đoạn bước, tăng tốc [6] Trong q trình thực nghiệm, nhóm tác giả nhận thấy phương pháp xác định chiều dài bước phức tạp, dễ dẫn đến sai số không ảnh hưởng nhiều đến sai số tổng cộng so với sai số gây xác định bước Vì vậy, để hệ thống đơn giản, nhóm tác giả lựa chọn kích thước bước cố định 0, 6m Hình Tín hiệu |Acc| thơ sau qua lọc (hình trên), Tín hiệu |Acc| xác định đỉnh (hình dưới) 2.1.3 Xác định hướng đối tượng Hướng đối tượng thông thường xác định tín hiệu thu từ cảm biến vận tốc góc hình với đỉnh tương ứng với rẽ trái (giá trị dương) rẽ phải (giá trị âm) Tuy nhiên, để có giá trị góc xác hơn, nhóm tác giả sử dụng thông tin hướng đối tượng từ cảm biến la bàn (kết hợp cảm biến vận tốc góc cảm biến từ) 2.2 Hệ thống PDR kết hợp mã QR Như phân tích trên, PDR hệ thống định vị nhà cho độ xác tương đối tốt so với phương pháp khác 50 hệ thống Cụ thể nên dán sai số từ hệ thống định vị PDR mức yêu cầu Hệ thống PDR sai số từ sai số xác định hướng sai số tích lũy quãng đường dài Nên nhóm tác giả đặt mã QR vài ngã rẽ số điểm quãng đường thẳng dài III KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Hình Hình Tín hiệu vận tốc góc thơ Mã QR đồ định vị khoảng cách ngắn Để nâng cao độ xác hệ thống, phần này, hệ thống PDR kết hợp với mã QR Mã QR loại mã vạch hai chiều, sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng làm đơn giản hóa việc nhập liệu (được thay việc quét mã) Mã QR tạo phần mềm có sẵn phổ biến mạng Trong hệ thống PDR kết hợp mã QR, thơng tin vị trí chuẩn hóa đối tượng quét mã lưu trữ mã QR Khi sử dụng kết hợp với mã QR, kết xác định vị trí từ hệ thống PDR điều chỉnh lại mã QR quét Việc điều chỉnh loại bỏ sai số tích lũy vốn có hệ thống Mã QR dán nhiều, độ xác hệ thống lớn Tuy nhiên, việc quét mã QR thường xuyên gây bất tiện cho đối tượng sử dụng Mã QR nên dán với mật độ phù hợp với sai số cho phép 3.1 Thực nghiệm Thực nghiệm tiến hành tầng 2, tòa nhà G2, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội với mã QR dán vị trí ngẫu nhiên hình Khoảng cách mã lớn 15m Tổng chiều dài khảo sát 61m Mục đích nhóm nghiên cứu chọn ngã rẽ để kiểm tra độ định hướng quãng đường đủ dài để khảo sát sai số Nhóm nghiên cứu thực việc viết ứng dụng điện thoại thơng minh có hệ điều hành Android (theo thống kê số máy di động sử dụng hệ điều hành Android nhiều nhất) Các cảm biến cần sử dụng cho hệ PDR phổ biến tích hợp sẵn loại điện thoại thông minh Hê thống thực nghiệm: • Quãng đường thực hiện: Dọc theo hành lang hình • Người tham gia: Hai người tham gia (gọi C J) • Thiết bị: Hai loại điện thoại thông minh cài ứng dụng thực nghiệm: – Sony Z5: hệ điều hành Android 7.0, GB Ram/32 GB Rom – OnePlus 6T: hệ điều hành Android 9.0, GB Ram/256 GB Rom • Quy trình thực – Tại điểm "Start", quét mã QR từ ứng dụng – Sau tiến hành theo lộ trình đến điểm "End" – Quét mã QR đường – Khi đến điểm "End" lưu kết (là vị trí dự đốn hệ thống) – Từ kết lưu, tính sai số vị trí dự đốn vị xác 3.2 Kết thực nghiệm thảo luận Kết thực nghiệm biểu diễn hình ảnh hình 10 sai số thống kê bảng I Như biểu diễn hình 10, xét đại diện hình bên trái (C-Sony), dấu chấm thể việc xác định bước, chấm đỏ biểu diễn quỹ đạo hệ PDR quỹ đạo chấm xanh hệ PDR kết hợp với mã QR Nhìn chung, hệ thống PDR kết hợp mã QR cho kết gần quỹ đạo thực hệ thống PDR truyền thống Kích thước bước cố định 0.6m phù hợp với đối tượng C Hướng đối tượng xác định xác Lỗi ước lượng vị trí hệ PDR PDR kết hợp mã QR (ký hiệu PDR-mã QR) đánh giá biểu thức: RM SE = (xr − xe )2 + (yr − ye )2 (6) với (xr , yr ) (xe , ye ) vị trí thực tế vị trí ước lượng điểm đích (cuối hành lang bên trái hình 9) 51 Bảng II BẢNG SO SÁNH VỚI NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Nội dung Đề xuất Tài liệu tham khảo [8] Quãng đường 60 (m) 40 (m) Số ngã rẽ 2 Số lượng mã QR Số mã QR ngã rẽ 0,65 (m) 0,64 (m) Sai số Hệ PDR sử dụng điện thoại Sony cho sai số ước lượng lớn điện thoại OnePlus hệ PDR-mã QR khơng có tượng Hệ thống đề xuất so sánh với hệ thống tương đương tài liệu tham khảo [8] Các so sánh chi tiết biểu diễn bảng II Với sai số tương đương, hệ thống đề xuất có mật độ mã QR • Hình 10 Quỹ đạo thực tế đối tượng C (bên trái) J (bên phải) trường hợp hệ thống PDR có (màu xanh) khơng có (màu đỏ) mã QR Bảng I Bài báo thực việc xây dựng hệ thống định vị nhà sử dụng hệ thống định vị tự trị PDR loại bỏ sai số tích lũy hệ thống cách kết hợp với mã QR Việc loại bỏ sai số làm tăng độ xác hệ thống đồng thời giúp đơn giản hóa hệ thống (khơng cần thực ước lượng kích thước bước) mà đảm bảo sai số ước lượng nhỏ (khoảng 0,65m) Một số vấn đề thực nghiên cứu gồm: tăng độ xác việc phát bước, xác định kích thước bước cố định phù hợp, đánh giá khoảng cách tối ưu sử dụng mã QR BẢNG SO SÁNH LỖI ƯỚC LƯỢNG VỊ TRÍ CỦA HỆ PDR VÀ PDR-MÃ QR Đối tượng/Thiết bị C-Sony J-Sony C-OnePlus J-OnePlus Tổng cộng Phương pháp Trung bình lỗi (m) Phương sai lỗi (m) PDR 4,22 2,55 PDR - mã QR 0,60 1,60 PDR 5,70 2,90 PDR - mã QR 0,71 0,49 PDR 2,83 3,93 PDR - mã QR 0,64 1,19 PDR 3,97 3,77 PDR - mã QR 0,63 0,32 PDR 4,18 3,28 PDR - mã QR 0,65 0,90 IV KẾT LUẬN TÀI LIỆU Bảng I biểu diễn giá trị trung bình phương sai sai số ước lượng hệ thống PDR hệ thống PDR kết hợp mã QR 10 lần thử đối tượng loại điện thoại khác Từ số liệu bảng I thấy rằng: • Đối với quãng đường thực nghiệm 61m, hệ PDR PDR kết hợp mã QR cho trung bình phương sai sai số ước lượng vị trí tổng cộng (đối tượng loại điện thoại khác nhau) 4, 18m 3, 28m hệ PDR kết hợp mã QR 0, 65m 0, 90m Số liệu phản ánh lỗi ước lượng hệ PDR kết hợp mã QR nhỏ (khoảng 6,4 lần) ổn định so với hệ PDR (do trung bình phương sai sai số nhỏ) Lỗi ước lượng lỗi tích lũy từ mã QR cuối đến cuối hành trình [1] Jiang Xiao, Zimu Zhou, and Youwen Yi, Lionel M NI, A Survey on Wireless Indoor Localization from the Device Perspective, ACM Computing Surveys, Vol 49, No 2, Article 25, June 2016 [2] Vinjohn V Chirakkal, Myungchul Park, and Dong Seog Han, Exploring Smartphone-Based Indoor Navigation: A QR Code Assistance-Based Approach, ACM Computing Surveys, IEIE Transactions on Smart Processing and Computing, vol 4, no 3, June 2015 [3] Thong Ho-Sy, Filippo Sanfillippo, Vinh Truong-Quang, A Hybrid Algorithm Based on Wifi for Robust and Effective Indoor Positioning, 19th International Symposium on Communications and Information Technologies, 24-27 September 2019, Ho Chi Minh, Vietnam [4] Ning Yu, Xiaohong Zhan, Shengnan Zhao, Yinfeng Wu, Renjian Feng, A Precise Dead Reckoning Algorithm Based on Bluetooth and Multiple Sensors, IEEE Internet of Things Journal, Vol 5, Issue: 1, Feb 2018 [5] H Wang, S Sen, A Elgohary, M Farid, M Youssel, and R.r Choudhury, No need to war-drive: unsupervised indoor localization, International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services, 2012, pp 197210 [6] Đỗ Đức Trung, Thực thi hệ thống IPS điện thoại thông minh, Luận văn thạc sĩ, Đại học Công nghệ - ĐHQGHN, 2019 [7] Qingchi Zeng, Biao Zhou, Changqiang Jing, Nammoon Kim, Youngok Kim, A Novel Step Counting Algorithm Based on Acceleration and Gravity Sensors of a Smart-Phone, International Journal of Smart Home, Vol 9, (No 4), pp 211-224, 2015 [8] Vinjohn V Chirakkal, Myungchul Park, and Dong Seog Han, Exploring Smartphone-Based Indoor Navigation: A QR Code Assistance-Based Approach, IEIE Transactions on Smart Processing and Computing, vol 4, no 3, June 2015 52 ... Vị trí xác định từ hệ thống PDR • Vị trí xác định từ hệ thống PDR hiệu chỉnh dựa thơng tin biết trước vị trí mã QR 2.1 Hệ thống định vị nhà PDR Sơ đồ hoạt động hệ thống định vị tự trị PDR biểu... dựng hệ thống định vị nhà sử dụng hệ thống định vị tự trị PDR loại bỏ sai số tích lũy hệ thống cách kết hợp với mã QR Việc loại bỏ sai số làm tăng độ xác hệ thống đồng thời giúp đơn giản hóa hệ thống. .. mạng Trong hệ thống PDR kết hợp mã QR, thông tin vị trí chuẩn hóa đối tượng qt mã lưu trữ mã QR Khi sử dụng kết hợp với mã QR, kết xác định vị trí từ hệ thống PDR điều chỉnh lại mã QR quét Việc
