Luận văn Nghiên cứu phát triển phần mềm tích hợp gps và cảm biến trên điện thoại cho các phương tiện giao thông đường thủy

ns) và ba trạm ăng ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS. Bản đồ trong Hình 1.4 - cho biết vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS. Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặc tính và dữ liệu thời gian thực. Hình 1. 5: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 3 1.2.2.3. Phần người dùng (user segment) Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm:  Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách).  Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng).  Các quá trình điều hành. 15 1.3. guyên lý định vị GPS Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo. Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể của việc xác định toạ độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản: Định vị tuyệt đối và định vị tương đối. 1.3.1. Nguyên lý định vị tuyệt đối Nguyên lý định vị tuyệt đối của GPS là lấy tâm trái đất làm gốc tọa độ, xác định vị trí ăng ten của máy tiếp nhận ở trong hệ tọa độ WGS-84 [7]. Do trong quá trình định vị chỉ cần dùng đến một máy tiếp nhận, nên được gọi là cách khác là định vị đơn điểm. Nguyên lý cơ bản của phương pháp định vị tuyệt đối là lấy khoảng cách đo được giữa vệ tinh và ăng ten của máy tiếp nhận làm chuẩn, dựa vào tọa độ đã biết của vệ tinh ở ngay thời điểm đấy để xác định vị trí của máy thu ở trên mặt đất. Phương pháp định vị tuyệt đối của GPS thực chất là phương pháp không gian giao hội nghịch [8]. Do đó ở mỗi máy thu, chỉ cần lấy được ba khoảng cách từ máy thu đến ba vệ tinh khác nhau là được. Nói cách khác, máy thu sẽ giao của ba đường tròn có tâm là các vệ tinh và bán kính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Hình 1. 6: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 4 Để xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh, ta sử dụng công thức sau d = V. ∆ t (1) trong đó : 4 16 V: Vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng ∆t: Là thời gian sngs điện từ di từ vệ tinh đến máy thu. Tuy nhiên GPS được áp dụng nguyên tắc tính khoảng cách một chiều, vì thế có sự sai số giữa đồ hồ đo của máy thu và vệ tinh. Hơn nữa, khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu tương đối xa, dẫn đến sự sai lệch về thời gian gọi là khoảng cách giả (Pseudo range) [9]. Sai số của đồng hồ vệ tinh có thể được điều chỉnh bởi những bức điện dẫn đường (chứa các thông tin định vị như thông tin hành trình của vệ tinh, trạng thái hoạt động, thời gian đã sửa, khoảng cách bị chậm ở tầng điện li đã sửa, sự khúc xạ ở tầng khí quyển đã sửa vv..)”, tuy nhiên đối với đồng hồ của máy tiếp nhận rất khó để có thể dự báo trước và sửa thông số. Vì thế, coi thông số thời gian này như một tham số cùng với các tham số tọa độ của máy tiếp nhận là các ẩn phải tìm. Do đó ở bất kì một máy tiếp nhận tín hiệu GPS nào trên mặt đất nếu muốn xác định tọa độ của máy đó thì lúc nào c ng phải giải hệ phương trình bốn ẩn (ba ẩn là ba hệ tọa độ của máy và một ẩn là sai số thời gian), tức là ít nhất phải xác định bốn khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy tiếp nhận. Điều này có nghĩa là ở một điểm bất kì phải ít nhất có bốn vệ tinh cùng theo dõi 1.3.2. Nguyên lý Định vị tương đối Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt tại hai điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian ( ∆X, ∆Y, ∆Z ) hay hiệu tọa độ mặt cầu ( ∆B, ∆L, ∆H ) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS – 84. Nguyên lý đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm x t người ta đã tạo và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: Sai số đồng hồ vệ tinh c ng như trên máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số nguyên đa trị 17 Hình 1. 7: Phương pháp định vị tương đối Số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4, có khi lên tới 10 vệ tinh. Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo. Không những thế khi đo tương đối các vệ tinh lại được quan sát trong một khoảng thời gian tương đối dài, thường từ nửa giờ đến vài ba giờ. Do vậy trên thực tế số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ là rất lớn và khi đó số liệu đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất. Độ chính xác tương đối đạt cỡ cm, và chủ yếu áp dụng trong trắc địa. 1.3.3. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS C ng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống GPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau. - Sai số đo đồng hồ Đồng hồ của vệ tinh, đồng hồ máy thu luôn có sự sai số, thêm vào đó, có là do khoảng cách quá xa giữ máy thu và vệ tinh dẫn đến sự không đồng bộ của chúng. Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó nếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính cho máy thu GPS biết để xử lý [10]. Để làm giảm ảnh hưởng của sai số đồng hồ của cả vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh c ng như giữa các trạm quan sát. - Sai số quỹ đạo vệ tinh Tọa độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh. Người ta sử dụng phải dựa vào lịch thông báo tọa độ vệ tinh mà theo lịch tọa độ vệ tinh có thể bị sai số. 18 Do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt hơn. Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ đạo vệ tinh: + Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm những điểm chuẩn để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt. + Thu nhận lịch vệ tinh chính xác từ Dịch vụ địa học GPS Quốc tế (The International GPS Service for Geodynamics – IGS) [11]. - Ảnh hưởng của tầng ion Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 – 500 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó. Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion [11]. Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị đo giải trừ do đó việc định vị có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài. - Ảnh hưởng của tầng đối lưu Tầng đối lưu có độ cao đến 8km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi. Do vậy số cải chính mô hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số, chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt và khô, ảnh hưởng của chiết suất khô được tạo thành mô hình loại trừ nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo GPS [10]. - Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó. Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù, song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật cản che chắn. Do vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác đo GPS. Khi sử dụng trị đo pha cần phải đảm bảo thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu. Tuy nhiên có trường hợp ngay cả khi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu vẫn không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị. Do đó cần phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu 19 GPS. Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu. Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GPS có thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ. - Hiện tượng đa đường Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten mà bị khúc xạ hoặc phản xạ qua một vật nào dó xung quanh. Do vậy, dẫn đến kết quả đo bị sai lệch về khoảng cách và thời gian. Để khắc phục được hiện tượng này, anten phải có tầm nhìn vệ tinh thông thoáng một góc thích hợp để giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang khí quyển và hiện tượng đa truyền [13] Hình 1. 8: Hiện tượng đa truyền 5 Hầu hết anten GPS gắn bản dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từ dưới mặt đất lên. - Sự suy giảm độ chính xác ( OPs) do đồ hình các vệ tinh Việc định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào điểm gốc là vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu GPS. Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh cần phải có sự phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo. Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính xác - hệ số DOP (Delution of Precision). Chỉ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối tỷ diện tạo thành giữa các vệ tinh và máy thu. Chỉ số này chia ra thành các loại sau: + PDOP chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP). + TDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Teme DOP). + HDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP). + V DOP là chỉ số phân tán độ chính xác về độ cao (Vertical DOP). 5 Lawrence R. Weil, "Conquering Multipath: The GPS Accuracy Battle", 1997 GPS world 20 + G DOP là chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP). Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số PDOP đạt xấp xỉ 2,5 với xác xuất 90% thời gian. Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số P DOP < 6. [4] - Tâm pha của anten Tâm pha là một điểm nằm bên trong, ở nhà máy chế tạo anten đã được kiểm định sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó, tuy nhiên tâm pha thay đổi vị trí phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh, ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý. Quy định cần phải tuân theo là khi đặt anten cần dóng theo cùng một hướng và tốt nhất là sử dụng cùng một loại anten cho cùng một ca đo. Bảng 1: Thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục Nguồn lỗi Biện pháp xử lý 1. Phụ thuộc vệ tinh - Ephemeris Ephemeris chính xác - Đồng hồ vệ tinh Sai phân bậc một - Đồ hình vệ tinh Chọn thời gian đo có POP < 6 2. Phụ thuộc đường tín hiệu - Tầng ion Dùng máy hai tần số - Tầng đối lưu Lập mô hình - Số đa trị nguyên Xác điịnh đơn trị, sai phân bậc ba - Trượt chu kì Tránh vật cản, sai phân bậc ba - Đa tuyến Tránh phản xạ, ngưỡng góc cao 3. Phụ thuộc máy thu - Chiều cao Anten Do 2 lần khi đo độ cao Antten - Cấu hình máy thu Chú ý khi lắp đặt - Tâm pha Anten Anten chuẩn đặt quay về một hướng - Nhiễu điện từ Tránh bức xạ điện từ - Tọa độ quy chiếu Khống chế chính xác, tin cậy - Chiều dài cạnh Bố trí cạnh ngắn 21 Ơ . CÁC THÀNH PHẦ Đ ỢC SỬ DỤNG TRONG ỨNG DỤNG 2.1. Thành phần phần cứng 2.1.1 Cảm biến gia tốc (Accelerometer) trên điện thoại Tất cả các điện thoại thông minh đều có cảm biến gia tốc, cảm biến gia tốc giúp cho điện thoại có thể nhận diện được hướng xoay của máy. Cảm biến gia tốc bao gồm khoang chứa Housing (màu trắng) được gắn liền vào vật thể chuyển động Seismic Mass (màu xanh lam) và các chân cố định (màu xanh lá). Dọc theo Seismic Mass được phủ một lớp silicon. Chuyển động của SmartPhone được đo bằng cách đo chuyển động của lớp silicon dọc này. Hình 2. 1: Mô hình cảm biến gia tốc của SmartPhone 6 Khi điện thoại chuyển động, khối lượng vật thể c ng sẽ chuyển động theo. Hình 2.2 a minh họa chuyển động của cảm biến theo chiều X. Trong thiết kế Chip, với chỉ cùng một khối lượng vật thể chung, chuyển động theo chiều Y c ng được xác định tương tự nhờ vào các chân cố định vuông góc với các chân cố định mà dùng để đo chuyển động theo trục X. Tiếp đó, lật con Chip đi 1 góc 90 độ thì các chân cố định dùng để đo chuyển động theo trục Y này sẽ được dùng để đo chuyển động theo trục Z. Sau khi xuất hiện sự chuyển động của vật thể, một đầu chân của chiếc lược trung tâm và hai chân được gắn trên khoang chứa sẽ tạo nên 3 phần của một cặp tụ điện biến thiên như được chỉ ra ở hình 6 https://vnreview.vn/tu-van-di-dong/-/view_content/content/883011/cam-bien-gia-toc-la-gi Housing Seismic 22 2.2b. Khi đó khoảng cách ban đầu giữa chân lược và hai chân được coi như hai điện cực cố định sẽ thay đổi dẫn tới điện dung của hai tụ điện thay đổi (vì điện dung của tụ tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bản tụ). Điện dung thay đổi làm điện thế thay đổi theo. Vì thế mà việc nhận diện các dòng điện được sản sinh khi vật thể chuyển động sẽ chỉ ra được chuyển động của Smartphone [14]. a) Sự chuyển động của khối lượng vật thể b) Tụ điện biến thiên Hình 2. 2: Khối lượng vật thể chuyển động sinh ra dòng điện 7 Khi không có gia tốc khoảng cách giữa các điện cực bằng nhau. Khi có sự thay đổi gia tốc từ bên ngoài thì chênh lệch điện dung giữa hai tụ làm thay đổi tín hiệu đầu ra. Tuy nhiên, nếu chỉ có một cặp tụ điện như này thì sự thay đổi khá nhỏ của tụ điện khi vật chuyển động sẽ làm cho cảm biến khó phát hiện đúng. Cho nên bắt buộc phải sử dụng nhiều điện cực và khối lượng vật thể bằng cách tất cả được kết nối bằng một cấu hình song song. Cấu hình này cho phép thay đổi điện dung nhiều hơn dẫn tới cảm biến cảm nhận chuyển động chính xác và nhạy b n hơn. Khi thiết bị đặt trên bàn với mặt hình hướng lên trên thì máy đo gia tốc sẽ có giá trị là -1g theo chiều Z, và là 1g nếu ặt điện thoại úp xuống. Còn nếu chiếc điện thoại được giữ thẳng đứng thì giá trị sẽ là -1g theo trục Y và xoay ngược lại thì sẽ là 1g. Tương tự nếu để màn hình điện thoại trước mặt rồi xoay về phía bên trái 90 độ thì trục X có giá trị là 1g và ngược lại nếu quay về bên phải sẽ là -1g ( g là gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s2). Cảm biến gia tốc có phạm vi ứng dụng rất lớn nên thu hút được nhiều quan tâm nghiên cứu [27][28]. 7 https://techmaster.vn/posts/33998/su-dung-cam-bien-gia-tocaccelerometers-va-cam-bien-con-quay- hoi-chuyen-gyroscopes Sensor (Measures Capacitance Change) 23 Hình 2. 3: Ba trục cảm biến gia tốc 7 2.1.2. Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope) trên điện thoại Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Nó sẽ đo tốc độ thay đổi góc của điện thoại khi được tích hợp cảm biến. Cảm biến này sẽ nhận diện các chuyển động quay theo ba hướng nghiêng (Pitch), cuộn (Roll) và xoay (Yaw) như hình vẽ 2.4 dưới. Hoạt động của GyroScope dựa trên hiệu ứng Coriolis [15]. Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong các hệ qui chiếu quay so với các hệ qui chiếu quán tính. 24 Hình 2. 4: Ba hướng góc của cảm biến con quay hồi chuyển 8 Nó được thể hiện qua hiện tượng lệch quĩ đạo của những vật chuyển động trong hệ qui chiếu này. Sự lệch quỹ đạo do một lực quán tính gây ra, gọi là lực Coriolis. Lực này được tính bằng công thức 4 sau: ⃗ = m ⃗⃗⃗⃗⃗ = 2m ⃗ x ⃗⃗ (2) trong đó : m là khối lượng của vật ⃗ là v c tơ vận tốc của vật ⃗⃗ là v c tơ vận tóc góc của hệ Cảm biến MEMS Gyroscope sử dụng một khối “proff mass” dao động theo một phương được gọi là phương sơ cấp. Khối này đồng thời bị quay quanh một trục, làm xuất hiện lực Coriolis khiến nó có thêm dao động theo phương khác, gọi là phương thứ cấp. Trên phương chuyển động thứ cấp này có gắn bản cực tụ điện để nhận biết sự thay đổi điện dung gây bởi chuyển động này. Chuyển động sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện rất thấp sau đó được khuếch đại và đọc ra để xử lý. Cuối cùng ta sẽ thu thập được thông tin về tốc độ thay đổi góc của thiết bị gắn cảm biến con quay này. 2.1.3. Cảm biến la bàn (Compass): Cảm biến la bàn ngày một phổ biến hơn trên các thiết bị SmartPhone. Cảm biết này thực chất là một hệ thống MEMS (vi cơ điện tử) chuyên cảm nhận từ trường và nó giúp viêc định vị trên SmartPhone được chính xác hơn khi kết 8 https://www.geeky-gadgets.com/researchers-hack-smartphone-gyroscope-to-become-a-microphone- 15-08-2014/ 25 hợp cùng các loại dữ liệu địa lý khác nhau như GPS hay GLONASS. Một số ứng dụng di động hiện nay tận dụng la bàn số để hiển thị một mặt la bàn thực thụ cho chúng ta xem hướng đông tây nam bắc, thậm chí chúng còn đo được góc lệch so với hướng bắc [15]. Hình 2. 5: Cảm biến la bàn trên Android 9 2.2. Thành phần phần mềm 2.2.1. Hệ điều hành Android Android là hệ điều hành có mã nguồn mở dựa trên nền tảng Linux được thiết kế dành có các thiết bị di động có màn hình cảm ứng như điện thoại thông minh và máy tính bảng [4]. Ban đầu Android được phát triển bởi tổng công ty Android, với sự hỗ trợ tài chính từ Google, sau này được chính Google mua lại vào năm 2005 và hệ điều hành Android đã ra mắt vào năm 2007[16]. Sau đó, nhanh chóng trở thành hệ điều hành di động phổ biến nhất trên thế giới với 65.53 % thị phần điện thoại thông minh trên toàn cầu (số liệu vào thời điểm cuối năm 2017 [17] được chỉ ra ở hình 2.6) Chính vì có mã nguồn mở nên hệ điều hành có khả năng tùy biến cao, có thể chỉnh sửa mà không có sự can thiệp hay cấm cản từ Google. Khả năng đa nhiệm c ng là một ưu điểm nổi trội, hệ điều hành cho phép chạy cùng lúc nhiều ứng dụng cao với một kho ứng dụng Google Play Store đồ sộ. Những yếu tố này đã tạo ra một môi trường thuận lợi thu hút cộng đồng lớn các nhà phát triển thiết kế và triển khai ứng dụng di động c ng như nền tảng cho một số sản phầm thông minh như Android TV, Android Auto và Android VR. 9 https://www.appsapk.com/compass-for-android/ 26 2.2.2 Google APIs - Giao diện lập trình ứng dụng Google APIs (Application Programming Interfaces) được phát triển bởi Google, là một “giao diện” giữa phần mềm với phần mềm. API là cách để các phần mềm (hệ điều hành, ứng dụng, các module trong hệ thống doanh nghiệp, vv) giao tiếp với nhau và tận dụng năng lực của nhau. Mỗi hệ điều hành, ứng dụng đều có những bộ API khác nhau. Nó cung cấp cho người lập trình các hàm tương tác với cơ sở dữ liệu, lập trình thực hiện các thao tác với hệ điều hành hay phần mềm đó. Chính vì thế mà các dịch vụ của Google như Serch, Gmail, Translate, Google Maps hay rất nhiều các trang web, ứng dụng, vv có thể giao tiếp với nhau. 2.2.3 Google Location Service API – Lấy vị trí trên thiết bị Android Để có thể lấy được vị trí người dùng trên Android thì có 2 cách là sử dụng Location API hoặc Google Play Services API. Android Location API sử dụng 3 nguồn cung cấp để lấy vị trí bao gồm nguồn ác định vị trí dựa trên vệ tinh, nguồn xác định vị trí dựa trên cột thu phát sóng của mạng di động và các điểm truy cập WIFI hoặc nguồn xác định vị trí sinh ra bởi các nguồn khác. Google Play services location API (hình 2.7) là cách mới được phát triển bởi Google cho phép tự động chọn nguồn cung cấp vị trí để sử dụng dựa trên độ chính xác và mức tiêu thụ PIN. Do đó mà API này được Google khuyến khích sử dụng thay thế cho Android Location API c . Hiện nay trên thị trường có một số dòng Hình 2. 6: Thị phần các hệ điều hành điện thoại trên thế giới vào năm 2017 27 điện thoại không hỗ trợ Google Service như Blackberry 10 [5], vv nên trong đề tài này, để lấy được vị trí hiện tại của thiết bị thì cả hai cách đều được sử dụng. Trong trường hợp điện thoại không có Google Service, cách lấy vị trí bằng Location API c sẽ được sử dụng để lấy tọa độ hiện tại của người dùng. Còn trong đa phần các điện thoại khác có hỗ trợ Google Service thì phần mềm sẽ dùng Google Play Services API để nâng cao độ chính xác và giúp tiết kiệm năng lượng cho thiết bị. Hình 2. 7: Dịch vụ vị trí của Google “Google Location Serivices API” 2.3 Các thuật toán 2.3.1. Bộ lọc bù Trong bài luận văn, dữ liệu được lấy từ cảm biến con quay hồi chuyển và cảm biến la bàn. Hai cảm biến này rất dễ bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài và luôn luôn có nhiễu, kể cả khi điện thoại đứng yên ở một vị trí. Do đó, để lấy được tín hiệu mượt hơn và xác định được hướng góc của điện thoại, chúng ta sử dụng bộ lọc bù để làm tín hiệu được ổn định hơn và chính xác hơn. Bộ lọc bù cơ bản bao gồm bộ lọc thông thấp [18][19] và bộ lọc thông cao [20] gộp lại. Bộ lọc bù kết hợp ưu điểm của 2 loại cảm biến trên để đưa ra dữ liệu chính xác về vị trí. Các ph p đo dữ liệu từ con quay hồi chuyển không chịu tác dụng từ các lực bên ngoài, Tuy nhiên, nó thực hiện phép đo bằng cách tích 28 hợp các vận tốc góc theo thời gian. Do đó ph p đo có thể bị trôi và cảm biến con quay hồi chuyển không trở về vị trí 0 khi hệ thống trở lại ban đầu của nó. Dữ liệu từ cảm biến con quay hồi chuyển chỉ đáng tin cậy ở ngắn hạn, nó sẽ bị trôi sau một khoảng thời gian đủ dài [21]. Với ưu điểm lọc ra những dữ liệu ổn định theo thời gian và loại bỏ đi những thay đổi ngắn hạn, bộ lọc thông cao được sử dụng để xử lý dữ liệu từ con quay hồi chuyển. Phương trình của bộ lọc thông cao:  1 1n n n ny a y x x    (3) trong đó : yn , yn-1 : Giá trị đầu ra tại thời điểm n và n -1 xn, xn-1 : Giá trị đầu vào tại thời điểm n và n -1 a: Hệ số của bộ lọc Cảm biến la bàn có thể bị biến đổi khi có bất kì lực nào dù là nhỏ nhất tác động lên đối tượng, trong đó có cả trọng lực [22]. Các thành phần dữ liệu của cảm biến la bàn chỉ ổn định trong một thời gian dài. Do đó chúng ta sử dụng ưu điểm của bộ lọc thông thấp là lọc ra những thay đổi ngắn hạn, và loại bỏ đi những thay đổi dài hạn để xử lý dữ liệu của cảm biến la bàn. Phương trình của bộ lọc thông thấp:   11n n ny a y ax   (4) trong đó : yn, yn-1: Giá trị đầu ra tại thời điểm n và n -1 xn : Giá trị đầu vào tại thời điểm n a: Hệ số bộ lọc Hình 2.8 là mô hình của bộ lọc được sử dụng để ước lượng góc hướng dựa trên dữ liệu đọc từ cảm biến của la bàn và cảm biến con quay hồi chuyển. Bộ tích phân được dùng để tính góc quay của SmartPhone tại một thời điểm dựa trên sự thay đổi của vận tốc góc gyroData (o/s) trong một khoảng thời gian dt(s) nhất định. angle angle gyroData dt   (5) 29 Hình 2. 8: Mô hình bộ lọc bù Ta có phương trình đầu ra của bộ lọc bù: ( ) (1 )angle a angle gyroData dt a accData       (6) trong đó : angle: Góc hướng cần xác định gryoData: Vận tốc góc đo được từ cảm biến con quay hồi chuyển ( o /s) dt: chu kỳ lấy mẫu a : Hệ số bộ lọc Dưới đây là lưu đồ hoạt đông của bộ lọc bù 30 Hình 2. 9: Lưu đồ hoạt động của bộ lọc bù Để có kết quả tương đối chính xác thì việc chọn hằng số thời gian phải đảm bảo điểm gốc của cảm biến không bị lệch trong khoảng chấp nhận được và phải lớn hơn khoảng thời gian nhiễu điển hình trên cảm biến gia tốc 2.3.2. Xác định va chạm Gia tốc là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự thay đổi của vận tốc theo thời gian. Nó là một trong những đại lượng cơ bản dùng để mô tả chuyển động và có công thức tính như sau (7): ⃗ = ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ = (7) trong đó: ⃗ là vận tốc tức thời tại điểm t. ⃗⃗⃗⃗⃗ là vận tốc tức thời tại điểm . = là thời gian vận tốc thay đổi từ ⃗⃗⃗⃗⃗ sang ⃗. Đơn vị của gia tốc là m t trên giây bình phương (m/ ). 31 Gia tốc là một đại lượng véc – tơ, nghĩa là nó có cả độ lớn và hướng. Độ lớn là tổng lượng gia tốc, còn hướng là đường di chuyển của đối tượng. Vật chuyển động nhanh dần sẽ có gia tốc dương và vật chuyển động chậm dần sẽ có gia tốc âm. Thông tin thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại trên ba trục X, Y, Z bao gồm cả gia tốc gây ra bởi chuyển động và gia tốc trọng trường. Gia tốc trọng trường là gia tốc do lực hấp dẫn tác dụng lên một vật. Lực hấp dẫn được định nghĩa là lực hút giữa mọi vật chất, có độ lớn tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của hai vật. Trái đất được bao bọc bởi tầng khí quyển có khối lượng vô cùng lớn và có bán kính c ng lớn nhất trong các vật thể. Vì thế nên tất cả các vật thể trên bề mặt trái đất đều chịu sự tác động của lực hút trái đất là lớn nhất so với lực hấp dẫn giữa các vật thể với nhau. Lực này còn được gọi là lực rơi tự do. Ví dụ như điện thoại để yên trên bàn, nghĩa là không có sự chuyển động của vật thể nhưng vẫn sẽ có giá trị khác không. Một trong 3 trục gia tốc sẽ có giá trị là g = 9.8 m/ gây ra bởi gia tốc trọng trường và hai trục còn lại bằng 0. Hay trường hợp điện thoại rơi từ trên bàn hoặc trên cao xuống c ng được xác định tương tự. Trong đề tài này, thông tin từ cảm biến gia tốc trong điện thoại sẽ được thu thập và xử lý để xác định va chạm xảy ra khi so sánh với ngưỡng đặt trước. Gia tốc biểu hiện cho sự thay đổi vận tốc. Khi có va chạm, vận tốc sẽ thay đổi nhanh về không. Giá trị trung bình của cảm biến gia tốc được định nghĩa là căn bậc hai của tổng bình phương các giá trị gia tốc thành phần trên mỗi trục X, Y, Z: = √ (8) Giá trị được gọi là RSM (Root mean square). ( Với , , lần lượt là giá trị gia tốc trên ba trục X, Y, Z của cảm biến) Qua nh