Luận văn Thực thi hệ thống IPS trên điện thoại thông minh

Nội dung tài liệu: Luận văn Thực thi hệ thống IPS trên điện thoại thông minh

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------- ĐỖ ĐỨC TRUNG THỰC THI HỆ THỐNG IPS TRÊN ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội - 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------- ĐỖ ĐỨC TRUNG THỰC THI HỆ THỐNG IPS TRÊN ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN THỊ THÚY QUỲNH Hà Nội - 2019
3. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Cô TS Trần Thị Thúy Quỳnh. Cô đã dành nhiều thời gian, công sức để giúp tôi hoàn thành luận văn này. Cô đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp tôi có cái nhìn khoa học về phương pháp nghiên cứu về cả lý luận và thực tiễn, những kỹ năng đó sẽ giúp ích thiết thực cho tôi trong công việc sau này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo và các bạn trong lớp K22 Kỹ thuật Điện tử, Khoa Điện Tử - Viễn Thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã có những nhận xét, góp ý cho luận văn này của tôi. Bên cạnh đó, luận văn còn được hỗ trợ một phần từ đề tài mã số QG.19.25 do Đại học Quốc gia Hà Nội tài trợ. Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các anh trong đơn vị nơi tôi công tác, những người đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình tôi. Những người luôn ủng hộ và động viên tôi hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng không tránh khỏi sai sót, hạn chế. Tôi mong nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để tôi có thể hoàn thiện hơn luận văn của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn. Hà Nội, ngày 06 tháng 3 năm 2019 Học viên Đỗ Đức Trung
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Thực thi hệ thống IPS trên điện thoại thông minh” là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo của các thầy, cô hướng dẫn, thầy cô trong bộ môn, trong khoa và các bạn bè. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Tôi không sao chép các tài liệu hay các công trình nghiên cứu của người khác để làm luận văn này. Trong luận văn có dùng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm. Hà Nội, ngày 06 tháng 3 năm 2019 Người thực hiện Đỗ Đức Trung
5. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ i DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ ii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... iv LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 1 TÓM TẮT ............................................................................................................. 2 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TỰ TRỊ PDR .............. 3 1.1. Hệ thống PDR ............................................................................................ 3 1.1.1. Sơ đồ khối ........................................................................................... 4 1.1.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................................... 4 1.1.3. Con quay hồi chuyển ........................................................................... 5 1.1.4. Cảm biến gia tốc .................................................................................. 7 1.2. Kết hợp PDR với các hệ thống IPS khác ................................................. 15 1.2.1. Ưu, nhược điểm của hệ thống PDR .................................................. 15 1.2.2. Kết hợp PDR và các hệ thống IPS khác ............................................ 16 Kết luận chương I ............................................................................................ 21 CHƯƠNG II. MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA THUẬT TOÁN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG PDR .................................................................... 22 2.1. Dữ liệu thu thập từ cảm biến gia tốc ........................................................ 22 2.2. Tiền xử lý tín hiệu thu thập từ cảm biến gia tốc ...................................... 25 2.2.1. Tín hiệu thô ....................................................................................... 25 2.2.2. Tín hiệu tiền xử lý ............................................................................. 26 2.3. Phát hiện bước chân ................................................................................. 28 2.3.1. Phát hiện dựa trên thay đổi phương sai ............................................. 28 2.3.2. Phát hiện điểm không ........................................................................ 29 2.3.3. Phát hiện đỉnh .................................................................................... 31 2.3.4. Lựa chọn phương pháp phát hiện bước chân .................................... 32 2.4. Ước lượng bước chân ............................................................................... 33 2.4.1. Phương pháp trực tiếp ....................................................................... 34 2.4.2. Phương pháp gián tiếp ....................................................................... 36 2.4.3. Lựa chọn phương pháp ước lượng bước chân .................................. 37
6. Kết luận chương II .......................................................................................... 41 CHƯƠNG III. THỰC THI HỆ THỐNG PDR TRÊN ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH .................................................................................................................. 42 3.1. Giới thiệu về Android .............................................................................. 42 3.1.1. Giới thiệu ........................................................................................... 42 3.1.2. Quy trình tạo một ứng dụng trên Android Studio ............................. 42 3.2. Hệ thống V_IPS ....................................................................................... 42 3.2.1. Giao diện phần mềm ......................................................................... 43 3.2.2. Lưu đồ thuật toán .............................................................................. 46 3.3. Đánh giá phần mềm ................................................................................. 47 3.3.1. Đánh giá chức năng xác định hướng đi ............................................ 47 3.3.2. Đánh giá chức năng đếm bước .......................................................... 48 3.3.3. Đánh giá chức năng xác định khoảng cách đi được.......................... 49 Kết luận chương III ......................................................................................... 52 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 54
7. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Viết tắt Ý nghĩa AP Access point Điểm truy cập BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth năng lượng thấp BNs Beacon nodes Các nút dẫn đường IPS Indoor Positioning System Hệ thống định vị trong nhà MU Mobile unit Thiết bị di động NFC Near Field Communication Truyền thông trường gần PDR Pedestrian Dead Reckoning Ước lượng vị trí theo bước chân QR code Quick response code Mã phản hồi nhanh RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFID Radio-Frequency Identification Nhận dạng tần số sóng vô tuyến RPs Reference points Các điểm tham chiếu RSS Received signal strengths Cường độ tín hiệu thu được Wifi Wireless Fidelity Mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến i
8. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô tả đặc trưng hệ thống PDR [1] ............................................................. 4 Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống PDR........................................................................... 4 Hình 1.3: Con quay hồi chuyển [2] ............................................................................ 5 Hình 1.4: Dạng tín hiệu con quay hồi chuyển khi người đi chuyển hướng ............... 6 Hình 1.5: Cảm biến gia tốc [3] ................................................................................... 7 Hình 1.6: Hướng của cảm biến gia tốc trên điện thoại thông minh [4] ..................... 7 Hình 1.7: Các giai đoạn của hành vi đi bộ [6] ........................................................... 8 Hình 1.8: Chân của người đi [6] ................................................................................ 9 Hình 1.9: Giai đoạn bàn chân không tiếp xúc với mặt đất thứ nhất [6] ..................... 9 Hình 1.10: Giai đoạn bàn chân không tiếp xúc mặt đất thứ hai [6] ......................... 10 Hình 1.11: Mẫu tín hiệu tăng tốc theo phương dọc (a) và ngang (b) [6] ................. 11 Hình 1.12: Giai đoạn gót chân chạm đất [6] ............................................................ 12 Hình 1.13: Tín hiệu điển hình trong giai đoạn gót chân chạm đất [6] ..................... 12 Hình 1.14: Gia tốc theo phương dọc của hành vi đi bộ [6] ...................................... 13 Hình 1.15: Gia tốc theo phương ngang của hành vi đi bộ [6] .................................. 13 Hình 1.16: Mẫu tín hiệu thực trước lọc khi người dùng đi ...................................... 14 Hình 1.17: Mẫu tín hiệu thực sau lọc khi người dùng đi ......................................... 14 Hình 1.18: Loại tín hiệu và các cảm biến trên điện thoại thông minh ..................... 15 Hình 1.19: Đánh giá các tiêu chí và so sánh hiệu suất của tất cả các phương pháp tiếp cận dựa trên thiết bị gần đây [7] ............................................................................... 16 Hình 1.20: Sử dụng cường độ tín hiệu Wifi để định vị [9] ...................................... 19 Hình 1.21: Cường độ tín hiệu Wifi ở các điểm khác nhau ..................................... 19 Hình 1.22: Định vị sử dụng nút dẫn đường [12] ...................................................... 21 Hình 2.1: Các cách biểu diễn tín hiệu gia tốc [13] ................................................... 22 Hình 2.2: Tỷ lệ % xác định bước chân thành công của các phương pháp biểu diễn tín hiệu gia tốc trong trường hợp người dùng đi bộ [13] .............................................. 23 Hình 2.3: Tỷ lệ % xác định bước chân thành công của các phương pháp biểu diễn tín hiệu gia tốc trong trường hợp người dùng chạy [13] ............................................... 24 ii
9. Hình 2.4: Giao diện chương trình thu thập dữ liệu từ cảm biến gia tốc .................. 25 Hình 2.5: Tín hiệu cảm biến gia tốc thô (trước khi lọc) .......................................... 26 Hình 2.6: Phổ tín hiệu Acc ....................................................................................... 27 Hình 2.7: Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp ...................................................... 27 Hình 2.8: Tín hiệu cảm biến gia tốc sau khi lọc ...................................................... 28 Hình 2.9: Phát hiện dịch phương sai [4] .................................................................. 29 Hình 2.10: Phát hiện điểm không [4] ....................................................................... 30 Hình 2.11: Phát hiện bước sai khi người dùng dừng lại .......................................... 30 Hình 2.12: Đỉnh thật và đỉnh giả [14] ...................................................................... 31 Hình 2.13: Các thông số lựa chọn đỉnh .................................................................... 32 Hình 2.14: Mô tả tham số trong thuật toán phát hiện bước chân ............................. 32 Hình 2.15: Tín hiệu Acc thu được của bước 60 cm và 80 cm [6] ........................... 33 Hình 2.16: Accmax và Accmin trong một bước chân ............................................. 35 Hình 2.17: Chênh lệch giữa hai đỉnh Accmax và Accmin theo tần số bước [4] .... 35 Hình 2.18: Chênh lệch Accmax và Accmin tại mỗi bước ...................................... 36 Hình 2.19: Phương sai gia tốc và chiều dài sải chân đi [4] ...................................... 37 Hình 2.20: Phương sai của Acc với cửa sổ trượt bằng 10 mẫu ............................... 38 Hình 2.21: Phương sai của Acc với cửa sổ trượt bằng 20 mẫu ............................... 38 Hình 2.22: Phương sai của Acc với cửa sổ trượt bằng 40 mẫu ............................... 39 Hình 2.23: Phổ tần số của tín hiệu Acc [13] ............................................................ 40 Hình 2.24: Phổ tần số của tín hiệu Acc khi người dùng ở trạng thái đi bình thường và đi nhanh ............................................................................................................... 41 Hình 3.1: Giao diện phần mềm V_IPS..................................................................... 43 Hình 3.2: Biểu thị hướng đi trên phần mềm V_IPS ................................................. 44 Hình 3.3: Biểu thị phím chức năng của phần mềm .................................................. 45 Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán hệ thống V_IPS .......................................................... 46 iii
10. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các hệ thống IPS lai của PDR [8] ........................................................... 17 Bảng 2.1: Tổng hợp kết quả từ hình 2.2 và hình 2.3................................................ 24 Bảng 2.2: Giá trị trung bình của Acc ứng với độ dài bước [6] ................................ 34 Bảng 2.3: Thời gian trung bình của một bước chân [6] ........................................... 34 Bảng 2.4: Giá trị trung bình phương sai của Acc theo thời gian ............................. 39 Bảng 3.1: Thử nghiệm xác định hướng đi ............................................................... 47 Bảng 3.2: Sai số thử nghiệm đếm số bước chân ...................................................... 48 Bảng 3.3: Thử nghiệm xác định khoảng cách .......................................................... 50 Bảng 3.4: Thống kê phần trăm sai số xác định khoảng cách ................................... 52 iv