Xác định vị trí người dùng bằng điện thoại di động

Tuy nhiên, các tín hiệu vệ tinh bị suy yếu và phân tán bởi nhiều vật cản như mái nhà, tường và các đối tượng khác, do đó, hệ thống đinh vị GPS không đủ chính xác khi tìm kiếm trong phòng

Trương Ánh Hồng

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NGƯỜI DÙNG

BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Văn Cường

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Thư viện Trường Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Định vị là một kỹ thuật được sử dụng để biết vị trí của đối tượng trong một hệ quy chiếu Trong đó hệ thống định vị toàn cầu (GPS) vệ tinh được sử dụng trong nhiều hệ thống định vị hiện nay Chẳng hạn, các ứng dụng định vị cho máy bay và tàu thủy thường sử dụng công nghệ GPS Trong những năm trở lại đây, điện thoại thông minh đã phát triển và được tích hợp dịch vụ GPS để định vị và định hướng di chuyển Hiện nay có khá nhiều nước trên thế giới cung cấp dịch vụ GPS cho điện thoại di động và được đông đảo người dùng đón nhận

Tuy nhiên, các tín hiệu vệ tinh bị suy yếu và phân tán bởi nhiều vật cản như mái nhà, tường và các đối tượng khác, do đó, hệ thống đinh vị GPS không đủ chính xác khi tìm kiếm trong phòng hay trong một tòa nhà hoặc người ở những địa điểm nào đó không thu được tín hiệu GPS Vì vậy, việc nghiên cứu một ứng dụng nhằm xác định được vị trí của đối tượng trong nhà là thực sự cần thiết

Định vị trong nhà có ý nghĩa quan trọng trong thực tế vì khi người sử dụng cần phải biết vị trí của mình trong một tòa nhà, chẳng hạn như một nhân viên cứu hỏa, những người cần biết về vị trí của họ cũng như nạn nhân trong một tòa nhà để từ đó đề ra phương án tìm kiếm cứu nạn và chữa cháy hiệu quả Một ứng dụng khác của hệ thống là có thể được sử dụng tại các sân bay để di chuyển hành khách lên máy bay nhanh và chính xác nhất

Xuất phát từ đòi hỏi của thực tế đã đặt ra là việc nghiên cứu một cách tổng thể và xây dựng một ứng dụng giúp xác định vị trí người sử dụng thiết bị điện thoại thông minh một cách

chính xác nhất trong nhà là đòi hỏi vô cùng cần thiết Do đó tôi đã chọn đề tài: “Xác định vị trí người dùng bằng điện thoại di động” để làm luận văn thạc sỹ cho mình, hy vọng luận

văn của tôi sẽ có đóng góp tích cực cả về mặt lý luận và thực tiễn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NGƯỜI DÙNG

BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

Chương này sẽ trình bày tổng quan về định vị, một số ứng dụng định vị vị trí người trong nhà, các nghiên cứu trước đây về bài toán xác định vị trí người dùng Phần cuối chương

là phạm vi nghiên cứu và một số giả định

1.1 Các ứng dụng sử dụng thông tin và vị trí người dùng

1.1.1 Giới thiệu về định vị

Định vị là một kỹ thuật được sử dụng để biết vị trí của đối tượng trong một hệ quy chiếu Đối tượng đó có thể là đối tượng đứng yên như tòa nhà, sân bóng… hoặc đối tượng di động như một chiếc xe máy, ô tô, con người… Tuy nhiên, trong phạm vi của luận văn này chúng tôi tập trung vào đối tượng cần định vị là con người di chuyển hoặc đứng yên trong một tòa nhà

Trong nhiều năm qua, hệ thống định vị được phát triển và ngày càng đạt đến độ chính xác cao Phạm vị xác định vị trí các đối tượng cũng đạt được những mức độ phát triển đáng

kể, từ cấp độ toàn cầu cho tới cấp độ địa phương nhỏ lẻ, thậm chí là trong một tòa nhà Hệ thống định vị giúp ích trong việc xác định vị trí, tính toán khoảng cách, tìm đường đi trong các phạm vi khác nhau Lợi ích đem lại từ hệ thống định vị là rất lớn và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống của chúng ta Hiện nay, có rất nhiều công nghệ định vị trong đó nổi bật nhất và được sử dụng nhiều nhất là hệ thống định vị toàn cầu (Global Postioning System – GPS) sử dụng vệ tinh để định vị Một ví dụ nổi bật về ứng dụng GPS là hệ thống tìm đường trên các thiết bị đặt trên ô tô Thiết bị GPS này giúp những người lái ô tô có khả năng tìm kiếm con đường đi ngắn nhất tới địa điểm đã định trước, giúp rút ngắn thời gian tìm kiếm cũng như giảm bớt sự hao phí về tài chính, môi trường Trong phạm vi hẹp, hệ thống định vị sẽ giúp robot có khả năng tìm đường trong một mô hình bóng đá robot Chúng ta có thể thấy rằng, lợi ích đem lại từ hệ thống định vị là rất lớn và càng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống con người

Bên cạnh đó các ứng dụng định vị trong các thiết bị cầm tay cũng nhận được sự quan tâm nghiên cứu và sử dụng của cộng đồng, ví dụ như các ứng dụng cung cấp dịch vụ tự động

cho người khiếm thị khi họ di chuyển trong nhà, theo dõi trẻ nhỏ, người già hoặc người trí nhớ kém…trong trường hợp người thân không có nhiều thời gian để trông nom, quản lý nhằm tránh được những trường hợp đáng tiếc xảy ra Các thiết bị định vị xe đạp điện giúp các vị phụ huynh theo dõi, giám sát, quản lý và bảo vệ con em mình khi gặp trường hợp khẩn cấp

1.1.2 Ứng dụng định vị trong nhà

Hệ thống định vị toàn cầu GPS hay các hệ thống định vị trên phạm vi rộng có những ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, trong những trường hợp cụ thể, ví dụ như trong một tòa nhà, trong các khu đông đúc dân cư khi các tín hiệu vệ tinh bị suy yếu và phân tán bởi nhiều vật cản như mái nhà, tường và các đối tượng khác thì hệ thống GPS không thể vận hành do chưa nhận được tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh Do đó, hệ thống GPS không đủ chính xác khi tìm kiếm trong phòng hoặc người ở một địa điểm nào đó không thu được tín hiệu GPS Vì vậy, việc nghiên cứu một ứng dụng nhằm xác định được vị trí của đối tượng trong nhà là thực sự cần thiết

 Hệ thống theo dõi bệnh nhân hoặc các thiết bị y tế trong bệnh viện

 Hệ thống hướng dẫn khách trong các bảo tàng, thư viện, trường đại học, hoặc các cửa hàng…

 Trong lĩnh vực người máy (robotic) [4], việc xác định vị trí của người máy là hết sức quan trọng, quyết định độ chuẩn xác của người máy khi thực hiện các nhiệm vụ đặt ra

 Các ứng dụng trong Kỹ thuật cơ khí

1.1.3 Định vị trong nhà bằng phương pháp Dead Reckoning

Theo nguyên tắc đo cơ bản khác nhau, phương pháp định vị có thể được chia thành bốn loại chính: tam giác, cảm biến trực tiếp, nhận dạng mẫu, và Dead Reckoning Sau khi tìm hiểu các kỹ thuật định vị trong nhà hiện nay, chúng ta có thể thấy các phương pháp trước đây đều có những kết quả nhất định Tuy nhiên trên thực tế ứng dụng vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như sau: một số tiếp cận có độ sai số rất lớn do ảnh hưởng của môi trường trong nhà chẳng hạn như siêu âm, cảnh báo Bluetooth hoặc là việc lắp đặt thêm cơ sở hạ tầng với chi phí khá cao như các ứng dụng định vị bằng phương pháp tam giác và cảm biến trực tiếp, hơn nữa độ chính xác của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào việc triển khai thiết bị tại các vị trí, ví

dụ, Wi-Fi hoặc những thiết bị định vị có kích thước cồng kềnh gây khó khăn cho người sử

dụng đặc biệt là các đối tượng rất cần hỗ trợ định vị như người khiếm thị, hay các bệnh nhân

bị giảm khả năng nhận thức hoặc là các hệ thống định vị sử dụng các công nghệ thẻ với chi phí đắt đỏ không phù hợp với số đông người sử dụng hiện nay, hoặc việc áp dụng kỹ thuật nhận dạng mẫu đòi hỏi các kỹ thuật phức tạp để tạo ra các mô hình nhận dạng, dung lượng lưu trữ cao, và thời gian tính toán lớn

Chính vì vậy yêu cầu đặt ra lựa chọn một phương pháp khắc phục những nhược điểm trên, và việc xây dựng một hệ thống định vị có độ chính xác cao, tiết kiệm chi phí, dễ sử dụng

là thực sự cần thiết Luận văn sử dụng kỹ thuật Dead Reckoning để định vị trong đó sử dụng các cảm biến để ước tính vị trí của một người đi bộ với chi phí triển khai thấp hơn và khả năng định hướng tốt hơn ba kỹ thuật còn lại Để tiết kiệm chi phí tác giả sử dụng cảm biến gia tốc có sẵn trên điện thoại di động thông minh để tiến hành thu thập các dữ liệu cảm biến

từ đó đưa ra vị trí nhằm hỗ trợ cho người sử dụng

Chính vì những lý do trên việc định vị trong nhà có những tầm quan trọng nhất định Hiện nay có nhiều các công trình nghiên cứu về công nghệ định vị nhằm thực hiện các yêu cầu của cuộc sống cũng như nghiên cứu khoa học Một vài lĩnh vực có thể sử dụng ứng dụng của định vị trong nhà có thể kể đến:

- Việc phát triển các ứng dụng định vị trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống như: theo dõi bệnh nhân, hay thậm chí là các thiết bị y tế đắt tiền tại các bệnh viện; trong bảo tàng hoặc trong các hội chợ, hệ thống định vị sẽ giúp người hướng dẫn hướng dẫn người xem từ xa, thậm chí người xem có thể tự xác định được vị trí của mình từ

đó xác định được hướng di chuyển phù hợp; trong các thư viện lớn, hệ thống có thể giúp người đọc tìm được sách mà họ mong muốn; hệ thống định vị trong các cửa hàng giúp người quản lý theo dõi khách hàng của mình đồng thời hướng dẫn họ, giúp họ tìm được những sản phẩm mong muốn hay cung cấp cho khách hàng các thông tin cần thiết khi họ đứng tại vị trí của một sản phẩm hoặc trong các trường đại học, hệ thống định vị giúp người khách có thể tìm được vị trí văn phòng cần đến hoặc giúp sinh viên xác định được vị trí giảng viên, giảng đường cần tìm

- Trong lĩnh vực người máy (robotic) [2], việc xác định vị trí của người máy là hết sức quan trọng, quyết định độ chuẩn xác của người máy khi thực hiện các nhiệm vụ đặt ra

Các nhà khoa học tiến hành cài đặt các thiết bị định vị vào người máy để xác định được hướng đi của chúng, hay xác định vị trí mà chúng cần phải đi

- Kỹ thuật cơ khí đang ngày càng phát triển theo hướng ứng dụng các hệ thống tự động thông minh Việc ứng dụng các ứng dụng định vị là thực sự cần thiết với các thiết bị trong công nghiệp, như hệ thống hỗ trợ công cụ tại dây truyền lắp ráp xe, hướng dẫn robot

di chuyển, giám sát tự động và kiểm soát chất lượng Khả năng định vị trong nhà còn có thể giúp đỡ việc tìm kiếm các công cụ cần bảo trì, các thiết bị này được gắn thẻ và được lắp đặt rải rác tên tất cả các cơ sở sản xuất trong nhà máy nên việc tìm kiếm khó khăn và mất nhiều thời gian Ngoài ra, việc cải thiện hệ thống an toàn tự động, bảo hộ lao động và tránh va chạm cũng đều có khả năng sử dụng định vị để nâng cao an toàn cho người lao động

1.2 Các nghiên cứu trước đây

Các công nghệ định vị sử dụng kỹ thuật cảm biến trực tiếp

Hệ thống xây dựng trong tài liệu [6] cung cấp cho người khiếm thị ứng dụng định vị

và dẫn đường giúp cho họ có thể hòa nhập hơn với cộng đồng, họ có thể di chuyển ở nhà, trong các tòa nhà công cộng hoặc không gian mở như các đường phố, công viên mà không cần sự hỗ trợ của người khác Hệ thống sử dụng các thẻ RFID được gắn sẵn vào môi trường

để phát tín hiệu, tín hiệu này được thiết bị thu gắn trên cây gậy của người khiếm thị, xử lý và đưa ra vị trí, điều hướng giúp người khiếm thị di chuyển

Vị trí của khách truy cập trong tài liệu [3] được xác định từ việc đọc hệ thống mã vạch

có chứa thông tin vị trí đã mã hóa được cài đặt tại khuôn viên trường Đại học Carnegie Mellon Ứng dụng Metronaut hướng dẫn cho người sử dụng lịch trình di chuyển trong khuôn viên trường, các hướng dẫn này được hiển thị trên màn hình LCD dưới dạng các tin nhắn thông báo Ngoài ra hệ thống còn có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác như giám sát bệnh nhân trong khuôn viên bệnh viện, kiểm tra hàng tồn kho trong các nhà máy,… Thiết bị đầu đọc mã vạch có trọng lượng khoảng 1 pound, điện năng tiêu thụ thấp, tuy nhiên kích thước của thiết bị cồng kềnh, việc mang theo bên mình khá bất tiện, việc đọc mã vạch và tin nhắn thông báo lộ trình di chuyển là không thể đối với đối tượng người khiếm thị hoặc các bệnh nhân mất nhận thức

Các công nghệ định vị sử dụng kỹ thuật nhận dạng mẫu

Nghiên cứu [22] áp dụng cho các tuyến đường trong một không gian phức tạp bao gồm

cả môi trường trong nhà và ngoài trời, kết quả thực nghiệm cho thấy ứng dụng cung cấp khả năng định vị và điều hướng khá chính xác Trong môi trường ngoài trời nơi có tín hiệu GPS,

hệ thống sử dụng công nghệ định vị GPS sẵn có Đối với môi trường tiếp nhận tín hiệu GPS không tốt (trong nhà, hoặc trong không gian ngoài trời nhưng bị hạn chế tầm nhìn lên bầu trời) hệ thống lựa chọn phương pháp nhận dạng mẫu với kỹ thuật thị giác máy tính để định vị

và điều hướng cho đối tượng Hệ thống bao gồm 04 máy ảnh, 02 máy chỉ về phía trước, hai máy chỉ về phía sau được gắn trên dây đeo vai của ba lô Các máy ảnh được kết nối với một máy tính xách tay để lưu lại các bức ảnh trong quá trình khám phá để xây dựng mô hình môi trường Người dùng tương tác với hệ thống thông qua một thiết bị cầm tay

Các công nghệ định vị sử dụng kỹ thuật tam giác

Trong dự án nghiên cứu Navio[23] là hệ thống định vị kết hợp ngoài trời và trong nhà tại trường Đại học công nghệ Vienna Chúng ta biết rằng điều hướng trong môi trường đô thị gồm các mỗi trường trong nhà và ngoài trời hỗn hợp là một nhiệm vụ hết sức khó khăn Hệ thống sử dụng công nghệ định vị dẫn đường toàn cầu (Navigation Satellite System- GNSS), tuy các tín hiệu từ các vệ tinh là không khả thi trong các tòa nhà hoặc giữa các tòa nhà cao tầng Chính vì vậy, để có thể định vị liền mạch cả trong nhà và ngoài trời, các hệ thống định

vị trong nhà sử dụng tín hiệu từ các BTS, hoặc các trạm phát sóng không dây sử dụng trong các tòa nhà như wifi, wlan… Tuy nhiên, việc thiết đặt thêm thiết bị khá tốn kém, hơn nữa hệ thống có chính xác hay không phụ thuộc vào việc thiết đặt vị trí các trạm phát sóng Vì thế trong một số trường hợp hệ thống cho kết quả không chính xác chưa đem lại hiệu quả định vị trong nhà

Các công nghệ định vị sử dụng kỹ thuật Dead Reckoning

Trong bài báo [21], tác giả sử dụng phương pháp Dead Reckoning với bộ cảm biến gồm sáu thiết bị cảm biến được gắn ở chân và một từ kế gắn ở eo của người sử dụng Tác giả tiến hành thử nghiệm hệ thống trong cả hai môi trường trong nhà và ngoài trời Việc thực hiện trong nhà được so sánh với một hệ thống tham chiếu dựa vào việc quan sát của con người, kết quả thử nghiệm cho thấy việc sử dụng tính toán phát hiện hướng đi không chính xác và

chệch hướng di chuyển Việc thực hiện ngoài trời đã được so sánh với ứng dụng định vị của Google, kết quả cho thấy sai số của hệ thống thấp nhất là 5m so với quãng đường 400m Dựa

và kết quả thử nghiệm chúng ta có thể thấy hệ thống định vị có sai số rất lớn, hơn nữa chi phí cài đặt hệ thống tốn kém, gồm nhiều thiết bị cảm biến riêng lẻ gây khó khăn cho người sử dụng

Hầu hết các kỹ thuật định vị trong nhà được xây dựng dựa trên cường độ tín hiệu nhận được của các tín hiệu không dây, ví dụ Wifi, siêu âm, Bluetooth hoặc nhận dạng tận số radio RFID, các cách tiếp cận này rất dễ bị can thiệp bởi môi trường như tường nhà, các thiết bị, muốn cho kết quả cần phải lắp đặt nhiều thiết bị rất tốn kém, đối với một tòa nhà chưa biết trước thì ứng dụng không thể sử dụng

Một trong những thuật toán đáng tin cậy và ổn định nhất trong số rất nhiều các nghiên cứu về vị trí của con người là Dead Reckoning, một loại định vị cá nhân Phương pháp này

sử dụng các dữ liệu cảm biến để thu được “thông tin bước” hoặc các đặc tính khác biệt của mỗi người đi bộ Sau khi phân tích hành động đi cụ thể của từng người hệ thống sẽ tính tổng

số khoảng cách đi bộ được Các bộ cảm biến có thể được gắn ở thắt lưng, gắn ở chân hoặc cầm tay thường dễ cài đặt, dễ sử dụng và tiết kiệm chi phí

Từ các đánh giá về các hệ thống nhận dạng hoạt động của người nêu trên tôi đề xuất một hệ thống đinh vị trong nhà bằng kỹ thuật Dead Reckoning (DR) xác định vị trí của người

sử dụng ở trong nhà bằng điện thoại di động có gắn cảm biến gia tốc ba chiều Thay vì trang

bị và cài đặt các module phần cứng chuyên dụng, thì hệ thống DR có thể được thực hiện đơn giản như tải một ứng dụng phần mềm trên các thiết bị di động như vậy cho người sử dụng

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn này tập trung nghiên cứu xác định vị trí của người sử dụng điện thoại trong một tầng nhà trong một khoảng thời gian thực trên thiết bị di động cài đặt hệ điều hành Android Luận văn lựa chọn phát triển các ứng dụng trên nền tảng Android do số lượng người

sử dụng Android trên toàn cầu khá phổ biến, 80% điện thoại thông minh hiện nay sử dụng hệ điều hành Android Hơn nữa đây là hệ điều hành mã nguồn mở, miễn phí, cung cấp các API cho phép dễ dàng sử dụng được dữ liệu cảm biến gia tốc trên thiết bị Hệ thống được thử nghiệm trên điện thoại Samsung Galaxy J3, phiên bản Android 5.5.1

1.4 Các giả định

Giả định rằng điện thoại mang trên người phải có pin để duy trì hoạt động Điện thoại phải được tích hợp cảm biến gia tốc ba chiều và điện thoại phải luôn được mang bên người

từ vị trí bắt đầu vào khu vực mô hình môi trường