XÂY DỰNG GIẢI THUẬT PHÂN LOẠI HOẠT ĐỘNG (NGHỈ, ĐI,CHẠY) DÙNG dữ LIỆU THU được từ cảm BIẾN GIA tốc

Các gia tốc hiện đại đều là các hệ thống vi cơđiện MEMS và là một thiết bị cơ điện được thiết kế để đo gia tốc do lực hấp dẫnhoặc chuyển động tương đối của cơ thể.. Việcsản xuất hàng loạ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018

cả thầy cô trong khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị những kiến thức cần thiết vàchỉ bảo cho em để em có kiến thức hoàn thành đề tài Do kiến thức và kinh nghiệmcủa em còn hạn chế nên khó tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sựđóng góp ý kiến của quý thầy cô để phát triển hơn những đề tài sau này.

Em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 01 năm 2018

Tác giả

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫnkhoa học của ThS Đặng Ngọc Hạnh Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này làtrung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong cácbảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ cácnguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệucủa các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nộidung luận văn của mình Trường đại học Tôn Đức Thắng không liên quan đến những viphạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 01 năm 2018

Tác giả(ký tên và ghi rõ họ tên)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VIII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 3

1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 6

CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN GIA TỐC MEMS VÀ MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 7

2.1 CẢM BIẾN GIA TỐC MEMS 7

2.1.1 Gia tốc là gì? 7

2.1.2 Công nghệ MEMS 8

2.1.3 Cảm biến MEMS 14

2.2 MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 18

2.2.1 Cảm biến gia tốc MPU6050 18

2.2.2 ESP8266 20

2.2.3 Nguồn cung cấp 22

2.3 GIA CÔNG THIẾT BỊ 22

2.4 CẤU HÌNH THU THẬP TRUYỀN DỮ LIỆU KHÔNG DÂY 23

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH GIẢI THUẬT 25

3.1 CÁC GIẢI THUẬT PHÂN LOẠI 25

3.1.1 Nhận dạng mẫu 25

3.1.2 Giải thuật mạng nơ ron 26

3.1.3 Giải thuật phân loại Binary tree 27

3.1.4 Giải thuật K-means 28

3.2 MÔ HÌNH GIẢI THUẬT 30

3.2.1 Giai đoạn tiền xử lý 32

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 43

4.1 KẾT QUẢ THI CÔNG THIẾT BỊ 43

4.2 THU THẬP CƠ SỞ DỮ LIỆU 43

4.3 TIỀN XỬ LÝ 44

4.4 TRÍCH ĐẶC TRƯNG 45

4.5 KẾT QUẢ PHÂN LOẠI 50

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51

5.1 KẾT LUẬN 51

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC A 54

HÌNH 2-2: CÁC THÀNH PHẦN CỦA THIẾT BỊ MEMS 9

HÌNH 2-3: QUY TRÌNH CỦA CÔNG NGHỆ VI CƠ KHỐI 11

HÌNH 2-4: QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO SỬ DỤNG KỸ THUẬT VI CƠ BỀ MẶT 12

HÌNH 2-5: CHẾ TẠO MEMS THEO CÔNG NGHỆ LIGA [4] 13

HÌNH 2-6: HỆ KHỐI LƯỢNG – LÒ XO ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ ĐO GIA TỐC 15

HÌNH 2-7: CÁC DIPOLE ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN 16

HÌNH 2-8: ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA SENSOR GIA TỐC KIỂU ÁP ĐIỆN 17

HÌNH 2-9: ÁP TRỞ LOẠI 1 17

HÌNH 2-10: ÁP TRỞ LOẠI 2 18

HÌNH 2-11: MÔ HÌNH HỆ THỐNG 18

HÌNH 2-12: HÌNH ẢNH THỰC TẾ CỦA MPU6050 19

HÌNH 2-13: SƠ ĐỒ CHÂN ESP8266-12 VÀ HÌNH ẢNH THỰC TẾ CỦA ESP826620 HÌNH 2-14: PIN SẠC THỰC TẾ 22

HÌNH 2-15: MẠCH LAYOUT 22

HÌNH 2-16: MÔ HÌNH 3D MẠCH 23

HÌNH 2-17: MẠCH SAU KHI HÀN LINH KIỆN 23

HÌNH 2-18: SƠ ĐỒ HỆ THỐNG 23

HÌNH 2-19: KẾT QUẢ KẾT NỐI THIẾT BỊ VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU BẰNG ESPLORER 24

HÌNH 3-1: MINH HOẠ VÍ DỤ GIẢI THUẬT BINARY 27

HÌNH 3-2: SƠ ĐỒ THUẬT THOÁN K-MEANS 29

HÌNH 3-3: THUẬT TOÁN K-MEANS TRƯỚC VÀ SAU XỬ LÝ 30

HÌNH 3-7: BIỂU THỊ CÁC HOẠT ĐỘNG CỦA NGƯỜI 34

HÌNH 3-8: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TƯ THẾ CỦA NGƯỜI SỬ DỤNG 37

HÌNH 3-9: BIỂU ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA THUẬT TOÁN K-MEANS 40

HÌNH 4-1: DỮ LIỆU 3 TRỤC GIA TỐC ĐƯỢC THỂ HIỆN TRÊN MATLAB 43

HÌNH 4-2: SỰ KHÁC NHAU VỀ TẦN SỐ GIỮA ĐỨNG, ĐI BỘ VÀ CHẠY BỘ .44 HÌNH 4-3: ĐỘ LỆCH CHUẨN GIA TỐC PHƯƠNG NGANG Y 46

HÌNH 4-4: TẦN SỐ CƠ BẢN CỦA GIA TỐC PHƯƠNG NGANG 46

HÌNH 4-5: ENTROPY TRONG 0.3-5HZ CỦA TỔNG GIA TỐC 3 TRỤC 46

HÌNH 4-6: BIÊN ĐỘ PHỔ CỦA GIA TỐC PHƯƠNG NGANG 47

HÌNH 4-7: NĂNG LƯỢNG PHỔ TRONG 0.3-5 HZ CỦA GIA TỐC PHƯƠNG NGANG 47

HÌNH 4-8: PHÂN BỐ CỦA CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỂ PHÂN LOẠI TỐC ĐỘ TRẠNG THÁI ĐI BỘ VÀ CHẠY BỘ 48

HÌNH 4-9: PHÂN BỐ CỦA CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỂ PHÂN LOẠI CÁC TRẠNG THÁI NGHỈ/ ĐI/ CHẠY 49

HÌNH 4-10: KẾT QUẢ PHÂN LOẠI 3 HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN TỪ MỘT DỮ LIỆU NHIỀU HOẠT ĐỘNG 50

BẢNG 2-2: CÁC LOẠI ESP8266 21

BẢNG 3-1: MÔ TẢ CÁC HOẠT ĐỘNG CỦA NGƯỜI 34

BẢNG 3-2: CÁC HOẠT ĐỘNG ĐƯỢC QUAN SÁT TRONG ĐỀ TÀI: 41

BẢNG 3-3: THÔNG SỐ 3 NGƯỜI THAM GIA XÂY DỰNG CSDL 41

BẢNG 4-1: SỐ LƯỢNG MẪU SỬ DỤNG 43

BẢNG 4-2: BẢNG 17 GIÁ TRỊ ĐẶC TRƯNG ĐƯỢC TRÍCH XUẤT CỦA MỘT NGƯỜI BÌNH THƯỜNG 45

BẢNG 4-3: KẾT QUẢ PHÂN LOẠI 3 HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN 50 Y

DSP Digital Signal Processing

VLSI

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Cuộc sống ngày càng phát triển, nhu cầu chăm sóc sức khỏe bản thân và người thânyêu đối với mỗi người đều được nâng cao Ngoài vấn đề ăn uống thì vận động cũng

là một yếu tố quan trọng giúp thúc đẩy quá trình chữa bệnh, cũng như phòng bệnh,

và chăm sóc sức khỏe tốt hơn Để có sức khỏe tốt, cần có chế độ chăm sóc tốt bằngviệc cũng cấp đầy đủ các khoáng chất như canxi, vitamin D, MK7 đồng thời cầnsong hành với chế độ sinh hoạt khoa học, chế độ luyện tập thể dục thể thao đều đặn

Đa số mọi người đều chọn hình thức là đi bộ, chạy bộ - hình thức thể dục thể thaomang lại nhiều lợi ích sức khỏe cho người tập luyện, có thể ngoài công viên, khuvực trống hay thậm chí là ngay trong nhà mình Một người có thể lực bình thường,một ngày chỉ nên duy trì vận động ở mức 4 km, nếu thể lực tốt có thể tăng lên 6 km.Chạy bộ nhiều hơn 6.4 km một ngày hoặc quá 45 km một tuần, đi bộ quá 70km/tuần hoặc 10 km/ngày, đưọc coi là vận động cường độ quá cao, duy trì lâu cóthể gây bất lợi cho tim mạch [1]

Vậy làm sao để chúng ta biết được một ngày ta vận động bao nhiêu, liệu có quá íthay là quá mức cần thiết đối với sức khỏe Đối với bệnh nhân, đặc biệt là bệnh nhântiểu đường, thì việc kiểm soát sự vận động lại rất cần thiết Bệnh nhân tiểu đườngphát sinh khi cơ thể không sản xuất đủ insullin (hoocmon điều chỉnh sự vận độngchuyển đường vào các tế bào), hoặc khi tế bào chống lại các tác động của insullindẫn đến tăng hoặc hạ huyết áp bất thường (BG-blood glucoso) Bệnh nhân tiểuđường loại 1 chiếm từ 5-10% số ca mắc bệnh tiểu đường và cứ 500 trẻ em dưới 18tuổi thì có 1 em bị mắc bệnh [2] Sự hủy hoại tự miễn dịch của tế bào β của tuyếntụy, dẫn đến insulin không được sản sinh Với bệnh tiểu đường loại 1 ta có thể theodõi mức đường huyết cũng như tiêm insulin hằng ngày Các chế độ trị liệu điều trịbệnh tiểu đường thường hướng đến việc duy trì mức đường huyết liên tục khoảng

90 mg/dl (5mM), mức đường huyết trung bình của người bình thường Việc điều trịđược thực hiện bằng cách đo lượng đường huyết trong máu thường xuyên ở người

tiểu đường bằng thiết bị đo mẫu máu được lấy ở đầu ngón tay Khi phát hiện lượngđường huyết vượt ngưỡng cho phép, insulin được bơm vào cơ thể để giảm lượngđường huyết Ngược lại khi lượng đường huyết giảm dưới mức bình thường, ngườitiểu đường cần bổ sung đường vào cơ thể để tăng lượng đường huyết

Còn đối với bệnh nhân tiểu đường loại 2, loại phổ biến chiếm khoảng 90-95% số catiểu đường Loại này được đặc trưng là bởi quá trình sản xuất insulin vẫn duy trì lâudài, nhưng ở đó hooc môn đã mất khả năng điều hòa đường huyết hoặc sản xuất của

nó đã trở nên quá thấp Sự gia tăng bệnh tiểu đường loại 2 ảnh hưởng bởi các yếu tố

di truyền, béo phì, chế độ dinh dưỡng, ít vận động và độ tuổi Bệnh có thể gâynhững biến chứng phức tạp như tổn thương mắt, thận và xơ cứng động mạch Việcdùng các phương pháp bổ sung insulin vào để giảm đường huyết đã dần không cònkhả thi

Các nhà khoa học đưa ra lời khuyên rằng nên vận động cơ thể, tập luyện các bài thểdục ở mức độ vừa phải có thể làm giảm đáng kể lượng mỡ ở bụng, gan và xungquanh tim, đây là những yếu tố được xem là làm tăng nguy cơ mắc bệnh tim mạch,hơn thế nữa điều này rất quan trọng đối với những bệnh nhân tiểu đường loại 2,hoặc những người bị thừa cân, béo phì Vì gan đóng vai trò chính trong việc điềuhòa lượng mỡ phân phối trong cơ thể Vì vậy, việc giảm mỡ ở gan và khối lượng

mỡ nội tạng bằng các bài vận động thể thao rất quan trọng để đảo ngược những tácđộng xấu của việc tích tụ mỡ ở những nơi khác như tim và thành động mạch

Từ đó ta nhận thấy tầm quan trọng của việc tập luyện thể thao, vận động đối với sứckhỏe của người bệnh nhân đái tháo đường, chính vì vậy cần có một thiết bị hỗ trợcho ta biết được, cường độ tập luyện, nhịp tim của bản thân trong khi tập thể thao vàtrong các hoạt động thông thường mỗi ngày sẽ giúp ta nắm được tình trạng sức khỏetương đối chính xác và đó cũng có thể là một căn cứ giúp ta điều chỉnh thời gian tậpluyện chạy bộ của mình

1.2 Tình hình nghiên cứu

Hiện nay đã có một số nghiên cứu giám sát hoạt động cơ thể bằng cách đo bướcchân, và có một số ứng dụng đã đưa vào thực tiễn, điển hình là các ứng dụng đo

khoảng cách di chuyển trên các smartphone Tuy nhiên, các cảm biến này có mặthạn chế là không thể phân biệt được các hoạt động như chạy, đi bộ với đi xe đạptrong cùng một khoảng cách Để phân biệt được các hoạt động khác nhau liên quanđến mức tiêu thụ năng lượng đòi hỏi thiết bị giám sát chuyển động tinh vi hơn Mặtkhác, tác dụng của thiết bị giám sát hoạt động chỉ phát huy tác dụng khi có sự kếthợp với các thiết bị theo dõi dinh dưỡng tiêu thụ và thiết bị đo đạc đường huyết Do

đó các thiết bị giám sát hoạt động phải siêu nhỏ gọn và có khả năng di động chophép tích hợp với các hệ thống khác Các cảm biến chuyển động vi cơ tiêu chuẩnhiện tại của ngành công nghiệp vi mạch silic có kích thước hạn chế trong khoảngvài mm có thể lựa chọn thích hợp với các yêu cầu trên Các hệ thống vi cơ điện tử -MEMS và vi cơ điện tử sinh học – BioMEMS có khả năng thu nhỏ và tự động hóađến mức có thể tích hợp trong các thiết bị đeo như đồng hồ hay các hệ thống cảmbiến cấy ghép

Cảm biến chuyển động đơn trục: Máy đo bước ban đầu được thiết kế dựa trên

cảm biến chuyển động 1 trục, cho phép giảm thiểu cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn

độ phức tạp của lập trình vi điều khiển trong máy đo bước Đây là thiết bị gắn trên

cơ thể thường là ở hông và có bảng điều khiển màn hình LCD tích hợp hiển thị sốbước thực hiện, hoặc tích hợp trong máy nghe nhạc MP3 hoặc điện thoại di động cóthể ước tính khoảng cách đi bộ cũng như xấp xỉ năng lượng tiêu thụ Mặc dù thiết bịnày nhỏ gọn và không đắt tiền, được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu y tế và thửnghiệm lâm sàng, chúng cũng có những hạn chế nhất định Chúng chỉ có thể ghi lạimột số hoạt động giới hạn (chỉ phân biệt hoạt động đi bộ so với nghỉ ngơi) Hầu hếtcác máy đo bước ước tính năng lượng cơ thể tiêu thụ bằng cách nhân số bước với hệ

số năng lượng Do đó các thiết bị này sẽ không thể ước tính được năng lượng tiêuthụ của nhiều hoạt động khác nhau

Gia tốc kế vi cơ là một giải pháp thay thế thích hợp các bộ đếm bước cho việc đánhgiá các hoạt động thể chất hằng ngày Các gia tốc hiện đại đều là các hệ thống vi cơđiện (MEMS) và là một thiết bị cơ điện được thiết kế để đo gia tốc do lực hấp dẫnhoặc chuyển động tương đối của cơ thể Chúng cho phép các cảm biến không chỉ

đếm số bước thực hiện, mà còn đo được lực gây ra chuyển động tương ứng Việcsản xuất hàng loạt vật liệu silicon làm giảm chi phí cho mỗi đơn vị, và cho phépphát triển các thiết bị nhỏ gọn, ít tốn kém và đáng tin cậy có thể áp dụng lâm sàng.

Cảm biến chuyển động 2 trục: Việc sử dụng gia tốc kế cho phép ghi lại một mô

hình phức tạp hơn và một số hệ thống nhận diện hoạt động của con người đã đượcphát triển để đo sự chuyển động của cơ thể và xác định loại hoạt động Các máy giatốc đơn trục đòi hỏi phải điều chỉnh chính xác vị trí mới có thể ghi nhận được chínhxác tín hiệu Trong khi đó các sản phẩm thương mại như Omron HJ 112 và HJ 720-ITC [3] sử dụng một máy gia tốc 2 trục cho phép phát hiện chuyển động theophương đứng lẫn phương ngang Các thiết bị này có thể được đặt trong túi hoặc ba

lô để ghi lại chuyển động Một số nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả của một hệthống theo dõi vị trí / hoạt động dựa trên một gia tốc hai trục Kết quả tốc độ phântích được tương quan tốt với tốc độ máy chạy bộ, sai số trung bình nhỏ hơn 3s khithay đổi vị trí và hoạt động

Cảm biến chuyển động 3 trục: Các hoạt động thể chất thường nhật có thể được

ghi nhận lại chỉ với gia tốc kế ba trục (hoặc 2 gia tốc 2 trục kết hợp lại) có thể đođược tín hiệu 3 trục đơn lẻ Điều này làm cho độ chính xác ít phụ thuộc vào hướngđặt thiết bị khi đeo trên người Một số nghiên cứu đã được tiến hành nhằm kiểmchứng việc sử dụng các tín hiệu gia tốc để phân tích và phân loại các tập con khácnhau của cùng một hoạt động thể chất (đi dọc hành lang cũng như lên xuống cầuthang) Một số thiết bị đã đưa vào ứng dụng nhận dạng một loạt các hoạt động thểchất hằng ngày như nằm, ngồi, đứng, đi bộ, và cũng như đi xe đạp Chúng được sửdụng để đánh giá gián tiếp năng lượng tiêu thụ của cơ thể Các thiết bị này cũng đãđược ứng dụng vào hệ thống báo động cá nhân thông minh cho người cao tuổi pháthiện té ngã

Đa cảm biến: Nhiều gia tốc kế có thể sử dụng song song ở các vị trí khác nhau trên

cơ thể người (cổ tay, mắt cá chân, đùi, đầu gối, khuỷu tay, hông) để mở rộng phạm

vi hoạt động thể dục được theo dõi Bộ cảm biến tay và cánh tay đã được sử dụng

để cải thiện phân loại các cử động trên của cơ thể như gõ văn bản và luyện võ, và

một số protype như UbiFit Garden của Consolvo, sử dụng kết hợp cảm biến thụcảm trên cơ thể, suy luận hoạt động và một màn hình di động để khuyến khích hoạtđộng thể chất Mặc dù 12,3% so với sử dụng 1 gia tốc kế đơn lẻ, nhưng nó khôngkhả thi trong sử dụng hằng ngày do có nhiều bộ cảm biến gắn trên cơ thể và các dâynối giữa các thiết bị có thể gây cản trở các hoạt động bình thường.

Có nhiều cách khác để nhận dạng hoạt động thê chất như máy đo nhịp tim, hệ thốngđịnh vị toàn cầu (GPS) và thị giác Theo dõi nhịp tim đòi hỏi người sử dụng phảiđeo thiết bị trước ngực để ghi lại nhịp tim trong khi luyện tập và chúng thường gâyphiền toái trong việc giám sát hằng ngày Trong khi GPS cung cấp một phương tiệnchính xác để theo dõi vị trí trong các hoạt động ngoài trời để cung cấp thông tin chitiết về cách mọi người tương tác với môi trường xung quanh, nó không thể hoạtđộng trong nhà do mất tín hiệu từ quỹ đạo vệ tinh Bên cạnh đó hệ thống GPS tiêuthụ nhiều điện năng, làm giảm thời gian hoạt động và đòi hỏi phải thường xuyên sạclại điện năng cho thiết bị, do đó GPS không thực tế cho hệ thống giám sát hoạtđộng Thị giác máy tính sử dụng nhiều bộ cảm biến thị giác, ví dụ như máy tính đểtheo dõi và nhận biết một hoạt động, thường hoạt động tốt trong phòng thí nghiệmnhưng trở nên khó khăn và thiếu chính xác khi sử dụng trong các hộ gia đình dokhông gian sống lộn xộn gây cản trở camera, ánh sáng thay đổi, và các đối tượngthường di chuyển giữa các phòng và tầng nhà

Ngoài ra, một số ứng dụng di động cho smartphone Android và Iphone (iOS) cũng

có chức năng đo lường các hoạt động đi bộ, tập thể dục, đạp xe hay bơi lội nhưCharity Miles (Androis, iOS), My Asics Run Training (Android, iOS),MyFitnessPal (Android, iOS), Runmeter (iOS), Runtastic (Android, iOS), StravaRunning & Cycling (Android, iOS),…Các ứng dụng này đa phần đều thể hiện sốbước chân người sử dụng vận động trong 1 ngày, dựa vào lượng thức ăn nạp vào dongười dùng cung cấp để tính toán sự tiêu hao năng lượng (calo), nhịp tim

1.3 Mục tiêu đề tài

Đề tài hướng tới xây dựng giải thuật có thể phân loại hoạt các hoạt động cơ bảngồm nghỉ ngơi, đi bộ, chạy bộ dùng dữ liệu thu được từ cảm biến gia tốc gắn trongthiết bị có thể đeo trên người phát hiện chuyển động có tích hợp module wifi để thuthập dữ liệu gia tốc 3 chiều Các mục tiêu thực hiện gồm:

 Tìm hiểu về cảm biến gia tốc MEMS, từ đó đưa ra mô hình thực nghiệm

 Tìm hiểu về các giải thuật phân loại hoạt động (binary tree, nhận dạng mẫu,

…) từ đó dựa trên giải thuật k-means để xây dựng giải thuật có thể phân loạicác trạng thái cơ bản của con người, sau đó mở rộng phạm vi ra phân biệt tốc

độ đi bộ, chạy bộ, và các tư thế khác nhau trong trạng thái nghỉ ngơi

 Thu thập cơ sở dữ liệu giá trị gia tốc của các hoạt động cơ bản dùng làm dữliệu mẫu để phân tích, so sánh và đánh giá giải thuật

 Đánh giá giải thuật dựa trên khả năng phân loại

- Thông qua lực gây ra gia tốc đó vì lực liên hệ với gia tốc theo công thức

F=ma

Trong đó: F là lực gây ra gia tốc [N], m là khối lượng [g], a là gia tốc [m/s2] Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian Vận tốc lại là đạo hàm của độ dịchchuyển theo thời gian

Hình 2-1: Mối liên hệ giữa gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển

Để máy có thể hiểu được thông số gia tốc và sử dụng nó trong các bài toán tự độnghóa, ta cần cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc là cảm biến chuyển từ tín hiệu gia tốcqua cảm biến điện

1.1.2 Công nghệ MEMS

Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hóa về công nghệmicro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp Hệthống vi cơ điện tử (Micro Electro Mechanical Systems) viết tắt là MEMS cũngđược ra đời và phát triển trong giai đoạn này

Hệ thống vi cơ điện tử MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấphành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (on chip) Các linh kiệnMEMS thường được cấu tạo từ silic Một thiết bị MEMS thông thường là một hệthống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển độngvới những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện Kết quả là các linh kiệnMEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vậntốc và gia tốc Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế vànhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến(sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống.Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ,cồng kềnh trước đây Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó vàcần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản hơn, sâu hơn

Tuy mới được phát triển trong một thời gian ngắn nhưng các sản phẩm MEMS đãmang lại cho xã hội những lợi ích to lớn, qua đó khẳng định được tầm quan trọngcủa mình MEMS đã và đang tạo ra những thay đổi mang tính cách mạng trongtruyền thông, đời sống, khoa học và trong lĩnh vực thiết bị, linh kiện nhờ nhiều đặcđiểm nổi bật của mình

Các thiết bị MEMS giao tiếp với cả tín hiệu điện và không điện bằng cách kết hợp

xử lý tín hiệu với các bộ cảm biến MEMS không chỉ bao gồm các thành phần điện

mà còn có các phần tử cơ học, một số có thể chuyển động được như: sensor áp suất,sensor gia tốc, con quay vi cơ… Các thiết bị MEMS thiết kế dựa trên các kỹ thuật

vi cơ và cơ điện tử Công nghệ MEMS tận dụng những đặc tính cơ học của vật liệusilic để tạo ra những cấu trúc cơ học chuyển động kết hợp với các yếu tố vi điện tử -điều này đã tạo ra những thế hệ sản phẩm công nghệ

Cùng với sự phát triển của công nghệ, công nghệ MEMS không chỉ bó hẹp trongcác loại biến cơ mà còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cảm biến khác: cảmbiến nhiệt, cảm biến từ, cảm biến quang, cảm biến hóa, cảm biến sinh học Ngoài ralinh kiện MEMS còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống chấp hành, các hệthống điều khiển tự động Cấu trúc cơ bản của MEMS bao gồm vi cấu trúc, vi mạchđiện tử, vi cảm biến và vi chấp hành được tích hợp trên cùng một chip (hình 2-2)

Hình 2-2: Các thành phần của thiết bị MEMS

Các thiết bị MEMS cho phép cảm nhận sự thay đổi tín hiệu ở phạm vi kích thước

µm và thông qua hệ vi cơ điện tử và hệ vi chấp hành sẽ tác động lại môi trườngxung quanh

Các thiết bị MEMS này được chế tạo bằng vật liệu silic và do đó có những ưu điểm

về tính chất điện và tính chất cơ sở với các loại vật liệu khác

Vật liệu silic là vật liệu đã được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi điện tử, giáthành của loại vật liệu này rẻ hơn các loại vật liệu khác do việc chế tạo các phiếnsilic được thực hiện trong quy mô công nghiệp, cho phép tích hợp các phần điện tử

và vi cấu trúc trên cùng một chip và làm tăng khả năng kích thước của các linh kiện.Đặc biệt vật liệu silic có các tính chất cơ rất tốt như:

 Độ bền kéo của silic là 6.109 N/m2 trong khi độ bền kéo của thép là 4,219N/m2

 Khối lượng riêng của silic là 2,3 g/cm3 trong khi khối lượng riêng của thép

là 7,9 g/cm3

MEMS được chế tạo bằng công nghệ vi cơ mà nó có thể được phân loại thành haicông nghệ chính là công nghệ vi cơ khối và công nghệ vi cơ bề mặt

Công nghệ vi cơ khối

Là công nghệ tạo vi cấu trúc bằng cách gia công cả khối vật liệu Phương pháp tạocấu trúc được sử dụng là phương pháp ăn mòn ướt (ăn mòn đẳng hướng, ăn mòn dịhướng) dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh Đây là quá trình dùngdung dịch hóa chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵn nhờ các mặt nạ (mask).Các hóa chất thường dùng đối với silic là các dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axitnhư HF, HNO3, CH3COOH, KOH hoặc phương pháp ăn mòn khô (ăn mòn nhờphản ứng ion, ăn mòn bằng plasma) bằng cách cho khí hoặc hơi hóa chất tác dụngthường là ở nhiệt độ cao Hình dạng, diện tích hố ăn mòn được xác định theo mặt nạ(mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăng cường tốc độ ăn mòn được xác địnhtheo mặt nạ từ (RF) kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để tăng tốc độ ion tức

là tăng tốc độ các viên đạn bắn phá

Tạo lớp vật liệu: SiO2, AL, Si, N4 phủ chất cảm quang

Định dạng cấu trúc: tạo mask, quang khắc

Ăn mòn: ướt (đẳng hướng, dị hướng), khô (ion hoạt hóa, plasma)

để tạo cấu trúc, vật liệu của lớp này là các đa tinh thể silic, silicon nitride Sau quátrình ăn mòn sẽ hình thành vi cấu trúc trên bề mặt đế ban đầu

Hình 2-4: Quá trình chế tạo sử dụng kỹ thuật vi cơ bề mặt

Ví dụ trên hình 2-4 “quá trình chế tạo MEMS sử dụng kỹ thuật vi cơ bề mặt” gồmcác bước từ A-F

A: Đế silic ban đầu

B: Phủ lớp silic nitride bảo vệ đế

C: Phủ tiếp một lớp oxide trên bề mặt silicon nitride

D: Tạo mẫu oxide bằng mặt nạ và ánh sáng cực tím

E: Phủ một lớp polysilicon lên trên bề mặt oxide

F: Loại bỏ lớp oxide (lớp hi sinh)

Gia công bằng tia laze

Có thể dùng tia laze để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lượt, điềukhiển trực tiếp Tuy nhiên cách gia công này rất chậm, không gia công đồng loạt

được Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng laze thường chỉ dùng để làmkhuôn Laze dùng là laze eximơ mới đủ mạnh và vật liệu để gia công thường là chấtdẻo, polymer.

Công nghê LIGA

LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) được hiểu là quy trình côngnghệ vi đúc (Micromolding) Thuật ngữ tiếng Đức này có nghĩa là quang khắc(lithography), mạ điện, và đúc Công nghệ này sử dụng các khuôn đúc hay dập vậtliệu với độ chính xác cao làm công cụ trong việc chế tạo các vi cấu trúc Quy trìnhnày có thể được sử dụng cho việc sản xuất các vi cấu trúc ba chiều, có tỷ lệ cạnhcao (high-aspect-ratio) với nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, polymers,gốm và thủy tinh Hạn chế chủ yếu của công nghệ LIGA là cần phải có một nguồnchuẩn trực sóng ngắn tia X giống như một máy synchrotron

Sử dụng các quy trình vi đúc có thể chế tạo các vi cấu trúc kim loại tỷ số cạnh cao

có nhiều ứng dụng như là bề mặt phản xạ cho các thành phần quang học, các vậtliệu từ cho các sensor/ cơ cấu chấp hành điện từ Ngoài ra, độ dày của các cấu trúc

có tỷ số cạnh cao càng lớn sẽ tạo ra độ cứng trục giao với đế càng lớn, cũng nhưlàm tăng momen xoắn trong các cơ cấu chấp hành tĩnh điện Cấu trúc mạ kẽm (Ni),

mạ đồng (Cu) hoặc cấu trúc hợp kim chứa ít nhất một trong các kim loại này lànhững cấu trúc kim loại được dùng phổ biến Crom, SiO2, polymide, photoresist vàtitan thường được dùng làm vật liệu hi sinh (sacrificial material)

Hình 2-5: Chế tạo MEMS theo công

nghệ LIGA [4]

1.1.3 Cảm biến MEMS

Cảm biến gia tốc là một thiết bị

dùng để đo gia tốc Cảm biến gia

tốc MEMS chế tạo theo công nghệ

vi cơ điện tử có hai loại là cảm biến

kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu

tụ hay kiểu áp trở là rất quan trọng Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệcấu tạo rất đơn giản Tuy nhiên nhược điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiềuvào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ Các cảm biếnkiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và mất nănglượng Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạp hơn Hiện nay cảmbiến gia tốc kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi hơn

Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thôngthường trước đây trong nhiều ứng dụng Một vài những ứng dụng điển hình củacảm biến gia tốc vi cơ

• Cảm biến góc Roll –Pitch

• Định hướng 3D trong không gian

• Phát hiện va chạm : những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển giúpphân biệt sự va chạm và việc không xảy ra va chạm: đo gia tốc của phương tiện,

đo dao động của ô tô, máy móc, nhà cửa, các hệ thống tự động hóa và lắp đặt antoàn

• Đo và điều khiển mức rung: đo các hoạt động địa chất, đo độ dốc, vị trí và tốc

độ động học với sự ảnh hưởng hoặc không ảnh hưởng của trọng lực, đo gia tốctrọng trường

• Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc, thiết bị: dùng nhiềutrong các thiết bị như tuabin, máy bơm, quạt, con lăn, máy nén giúp người sửdụng có thể theo dõi và phát hiện những lỗi này trước khi thiết bị quay bị hỏng

• Đo một số thông số sinh học trong cơ thể con người

a Nguyên lý hoạt động

Việc đo gia tốc thông qua cảm biến gia tốc MEMS có thể được mô tả nhờ một sơ đồnhư hình dưới đây, như một hệ gồm một khối lượng m và một lò xo

Hình 2-6: Hệ khối lượng – lò xo được sử dụng để đo gia tốc

Khi hệ quy chiếu được được đặt vào gia tốc, gia tốc này được truyền cho khối mthông qua lò xo Lò xo giãn ra và độ dịch chuyển này được xác định bởi một cảmbiến độ dịch chuyển

Theo định luật Hooke, lực kéo khối lượng m tỉ lệ với biên độ biến dạng của lò xo

F=kx, với k là hệ số tỉ lệ hay độ cứng của lò xo, x là khoảng dịch chuyển so với vịtrí cân bằng Theo định luật II Newton, trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên, lực

F này cung cấp cho khối lượng m một gia tốc a theo công thức F=ma Tại vị trí cânbằng ta có F=ma=kx

Hệ thống có thể được mô tả bởi phương trình vi phân sau:

m trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên Như vậy, để

đo gia tốc ta chỉ cần đo khoảng cách dịch chuyển x

Cảm biến gia tốc kiểu tụ

Vật liệu áp điện tạo ra một điện tích tức thời trên bề mặt tỉ lệ với biên độ của lựctác động Điện tích này có được là do sự phân cực của các dipole điện bên trong, vàsau đó đã bị trung hòa rất nhanh bởi các điện tích tự do trong môi trường Nguyênnhân gây ra sự biến dạng của cấu trúc dipole là bởi một lực bên ngoài tác động vàotinh thể, làm cho điện tích bề mặt thay đổi tạm thời cho đến khi nó bị trung hòa lại

Như vậy điện tích trên vật liệu áp điện là một hàm số của biên độ của sự biến dạng

và phụ thuộc vào việc sự biến dạng đó xuất hiện nhanh như thế nào

Hình 2-7: Các dipole điện trong vật liệu áp điện

Vật liệu áp điện có điện trở nội rất cao, vì thế hai mặt của vật liệu trông giốngnhư các bản cực của tụ điện Điện áp đi qua các bản cực là hàm của điện tích vàđiện dung:

V = Q force

Tinh thể thạch anh là vật liệu áp điện tự nhiên có độ nhạy thấp, vì thế người tatìm ra hỗn hợp sắt điện nhân tạo có độ nhạy tốt hơn và do đó dùng nhiều hơn trongloại cảm biến gia tốc kiểu tụ Sử dụng vật liệu áp điện là một cách có hiệu quả dùng

để đo gia tốc, tuy nhiên lại có nhược điểm là không ổn định khi đo gia tốc một chiều

và có mối quan hệ phức tạp giữa điện áp lối ra và biên độ gia tốc và tần số Cảmbiến gia tốc kiểu tụ là loại điển hình để đo gia tốc có biên độ và tần số cao nhưshock, các cú va chạm mạnh

Theo như hình vẽ ta thấy được dải đo của cảm biến gia tốc kiểu tụ có thể lên tới

50 kHz

Hình 2-8: Đáp ứng tần số của sensor gia tốc kiểu áp điện Cảm biến gia tốc kiểu áp trở

Vật liệu áp trở là điện trở trong trạng thái rắn, điện trở thay đổi khi có sức căng

cơ học tác động Độ dẫn của vật liệu áp trở tỷ lệ tuyến tính với lực tác dụng, điệntrở tỉ lệ nghịch với lực tác dụng Có hai loại áp trở thông dụng: loại thứ nhất là cácdây dẫn nằm trên lớp điện trở mỏng, điện trở giữa các dây dẫn sẽ thay đổi khi lớpđiện trở bị biến dạng Áp trở này được chế tạo trên bề mặt một phần tử đàn hồi, để

đo sự biến dạng của phần tử đàn hồi cũng như sự chuyển động của khối gia trọng

Hình 2-9: Áp trở loại 1

Loại thứ 2, sự biến dạng của vật dẫn là do sức căng cơ học Thông thường, áptrở được sắp xếp sao cho loại trừ căng hoặc sự nén cơ học, và khi đó điện trở củavật liệu áp trở là một hàm của độ rộng khe hở của cầu áp trở

ESP8266

Mạch nguồn

Xử lý và hiển thị

1.1.4 Cảm biến gia tốc MPU6050

MPU6050 tích hợp 6 trục là loại cảm biến gia tốc phổ biến nhất trên thị trường hiệnnay, là lựa chọn tối ưu để làm các ứng dụng liên quan đến con lắc, xe tự cân bằng,chuyển động Cảm biến bao gồm con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMSgyroscope) và cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer)

Ngoài ra, MPU6050 còn có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu(Digital Signal Processing - DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toáncần thiết Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển,cải thiện tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn Đây chính là 1 điểm khác biệtđáng kể của MPU6050 so với các cảm biến gia tốc khác MPU6050 có thể kết hợpvới cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thôngqua giao tiếp I2C Các cảm biến bên trong MPU6050 sử dụng bộ chuyển đổi tương

tự - số (Anolog to Digital Converter - ADC) 16-bit cho ra kết quả chi tiết về gócquay, tọa độ Với 16-bit sẽ có 2^16 = 65536 giá trị cho 1 cảm biến

Cảm biến MPU6050 có thể hoạt động ở chế độ tốc độ xử lý cao hoặc chế độ đo gócquay chính xác (chậm hơn) MPU6050 có khả năng đo ở phạm vi:

• con quay hồi chuyển: ± 250 500 1000 2000 dps

• gia tốc: ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g

Hơn nữa, MPU6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển phátlệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi MPU6050 tính toán xong

Hình 2-12: Hình ảnh thực tế của MPU6050

Các thông số kĩ thuật khác của module MPU6050 gồm:

• Nguồn: 3-5V, trên module MPU6050 đã có sẵn LDO chuyển nguồn 5V -> 3V

• Giao tiếp I2C ở mức 3V

• Khoảng cách chân cắm: 2.54mm

• Địa chỉ: 0x68, có thể cấp mức cao vào chân AD0 để chuyển địa chỉ thành 0x691.1.5 ESP8266

ESP8266 là Module wifi, nó có thể kết nối wifi, hoặc làm một điểm truy cập, làmmột webserver đơn giản, có thể dùng Module này để điều khiển các thiết bị khác từinternet.

Sơ đồ chân và hình ảnh như trên hình 2-11

Hình 2-13: Sơ đồ chân ESP8266-12 và hình ảnh thực tế của ESP8266

Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật ESP8266

Giao tiếp (phần cứng giao diện) UART, , I2C, PWM, GPIO, ADC, SPI

Chuẩn Wifi 802.11 b/g/n

Tích hợp giao thức TCP/IP Stack/ HTTP/ FTP/ UDP

Wi-Fi Direct (P2P) STA / AP / STA + AP(Soft-AP)

Firmware Upgrade UART hay OTA Upgrade từ xa

Encryption WEP64 / WEP128 / TKIP / AES

Bảng 2-2: Các loại ESP8266 Board

form factor LEDs Antenna Ant.Socket Shielded

Dimensions mm

ESP-01 8 0.1” 2x4DIL Yes

Etched-on

ESP-02 8 0.1” 2x4 notch No ? None Yes No 14.2x14.2 ESP-03 14 2mm 2x7 notch No Ceramic No No 17.3x12.1 ESP-04 14 2mm 2x4 notch No ? None No No 14.7x12.1

ESP-06 12+GND misc 4x3 dice No None No Yes 14.2x14.7

pinhole Yes Ceramic Yes Yes 20.0x16.0ESP-08 14 2mm 2x7 notch No None No Yes 17.0x16.0 ESP-09 12+GND misc 4x3 dice No None No No 10.0x10 0 ESP-10 5 2mmm? 1x5 notch No None No No 14.2x10.0 ESP-11 8 1.27mm 1x8

pinhole No ? Ceramic No No 17.3x12.1ESP-12 16 2mm 2x8 notch Yes Etched –

on PCB No Yes 24.0x16.0ESP-12-

E 22 2mm 2x8 notch Yes

Etched –

on PCB No Yes 24.0x16.0ESP-13 18 0.8mm ? notch No Etched –

Dựa vào những đặc điểm các loại ESP8266, ở đồ án này ta sử dụng ESP8266 V12,

vì có đầy đủ điều kiện để sử dụng kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóngwifi

1.1.6 Nguồn cung cấp

Mạch nguồn tạo ra điện áp khoảng 3 V cung cấp cho thiết bị hoạt động Điện ápđược lấy từ 2 nguồn, là pin hoặc cổng USB Khi cổng USB được kết nối, pin sẽđược sạc thông qua IC MCP76832T-2, pin được ngắt khỏi mạch và regulator sửdụng từ nguồn

Nguồn cấp sử dụng ở đây là pin sạc Nokia nhỏ gọn, với mức điện áp 3V đủ đáp ứngyêu cầu của đề tài, có chất lượng tốt, độ bền và dung lượng cao, giá thành phảichăng thích hợp cho các ứng dụng có tính di động.

Hình 2-14: Pin sạc thực tế

1.6 Gia công thiết bị

Sau khi đã xây dựng mô hình và đánh giá mô hình qua việc sử dụng các linh kiện cósẵn và mô phỏng kết nối trên máy tính, thiết bị được thi công đầy đủ qua các bước

vẽ layout, thực hiện gửi mạch in và thi công hàn linh kiện vào mạch

Hình 2-15: Mạch layout

Hình 2-16: Mô hình 3D mạch

Kết quả thiết bị được thi công sau khi hoàn thành được thể hiện trên hình 2-17

MPU6050 ESP8266 MATLAB SERVER

WIFI

Hình 2-17: Mạch sau khi hàn linh kiện

1.7 Cấu hình thu thập truyền dữ liệu không dây

Hình 2-18: Sơ đồ hệ thống

Hệ thống sử dụng một nguồn pin cung cấp điện áp 3 VDC cung cấp nguồn chomodule MPU6050 và ESP8266 hoạt động Cảm biến MPU6050 sẽ đóng vai trò làthiết bị tiên quyết cho phép ESP8266 lấy sữ liệu gia tốc thông qua giao tiếp I2C, tốc

độ truyền lên đến 400 KHz Sau đó ESP8266 sẽ đọc dữ liệu nhận được từ cảm biếngia tốc MPU6050 và xử lý sơ bộ rồi chuyển lên server thông qua giao tiếp khôngdây wifi với giao thức UDP Matlab trên máy tính sau khi nhận được dữ liệu truyền

từ ESP8266 qua, Matlab sẽ phân tích, xử lý nhận dạng và đưa ra kết quả cho ngườidùng

Ngôn ngữ được sử dụng trong đề tài này là ngôn ngữ LUA Đầu tiên ta thiết lập kếtnối tới wifi mong muốn bằng cách thiết lập wifi vối lệnh:

wifi.setmode(wifi.STATION)

conf.wifi.sta = {}

conf.wifi.sta.ssid = "wifi name"

conf.wifi.sta.pwd = "password"

Hình 2-19: Kết quả kết nối thiết bị và truyền dữ liệu bằng ESPLORER

Dữ liệu từ cảm biến được truyền và thể hiện trên ứng dụng giao diện Matlab giúpquan sát trực quan sự thay đổi của dữ liệu gia tốc ứng với các hoạt động khác nhau

để đánh giá độ tin cậy của dữ liệu gia tốc thu được

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH GIẢI THUẬT

1.8 Các giải thuật phân loại

Để giải quyết các bài toán trong thực tế người ta có thể sử dụng rất nhiều thuật toánkhác nhau sao cho phù hợp, đơn giản, tối ưu nhất đối với yêu cầu của bài toán đặt ranhư phương pháp phân loại Binary tree, K-means, mạng noron, nhận dạng mẫu,

1.1.7 Nhận dạng mẫu

Trong nhận dạng mẫu, các đặc trưng là các thuộc tính riêng rẽ mà ta có thể xác định

và đo đạc được khi quan sát một hiện tượng nào đó Việc lựa chọn các đặc trưngtách biệt và độc lập là điểm mấu chốt cho bất kì giải thuật nhận dạng mẫu nào cóthể thành công trong việc phân loại Nhận dạng mẫu nhằm mục đích phân loại dữliệu dựa trên kiến thức tiên nghiệm hoặc dựa vào thông tin thống kê được trích rút

từ các mẫu có sẵn Các mẫu cần phân loại thường được biểu diễn thành các nhómcủa dữ liệu đo đạc hay quan sát được, mỗi nhóm là một điểm ở trong một khoang đachiều phù hợp Đó là không gian của các đặc tính dựa vào đó ta có thể phân loại Một hệ thống nhận dạng mẫu hoàn thiện gồm một thiết bị cảm nhận để thu thập cácquan sát cần cho việc phân loại hay miêu tả; một cơ chế trích rút đặc trưng để tínhtoán các thông tin dưới dạng số hay dạng tượng trưng từ các dữ liệu quan sát được

và một bộ phân loại (hay lược đồ mô tả) nhằm thực hiện công việc phân loại thực sự(hay miêu tả các quan sát đó) dựa vào các đặc tính được trích rút Việc đó thườngdựa vào một tập hợp các mẫu mà được phân loại sẵn Việc phân loại (hay lược đồ

mô tả) thường dùng một trong các hướng tiếp cận sau: thống kê (hay lý thuyết quyếtđịnh), cú pháp (hay cấu trúc) Nhận dạng mẫu dùng thống kê là dựa vào các đặc tínhthống kê của các mẫu, chẳng hạn rằng các mẫu được tạo mởi một hệ thống xác suất.Nhận dạng dùng cấu trúc là dựa vào tương quan cấu trúc giữa các mẫu Các ứngdụng phổ biến là nhận dạng tiếng nói tự động, phân loại văn bản thành nhiều loạikhác nhau (ví dụ: những thư điện tử nào là spam/non-spam), nhận dạng tự động các

mã bưu điện viết tay trên các bao thư, hay hệ thống nhận dạng danh tính dựa vàomặt người

1.1.8 Giải thuật mạng nơ ron

Mạng nơ-ron là một mô hình toán học hay mô hình tính toán được xây dựng dựatrên các mạng nơ-ron sinh học Nó gồm có một nhóm các nơ-ron nhân tạo (nút) nốivới nhau, và xử lý thông tin bằng cách truyền theo các kết nối và tính giá trị mới tạicác nút (cách tiếp cận connectionism đối với tính toán) Trong nhiều trường hợp,mạng nơ-ron nhân tạo là một hệ thống thích ứng (adaptive system) tự thay đổi cấutrúc của mình dựa trên các thông tin bên ngoài hay bên trong chảy qua mạng trongquá trình học Trong thực tế sử dụng, nhiều mạng nơ-ron là các công cụ mô hìnhhóa dữ liệu thống kê phi tuyến Chúng có thể được dùng để mô hình hóa các mốiquan hệ phức tạp giữa dữ liệu vào và kết quả hoặc để tìm kiếm các dạng/mẫu trong

dữ liệu

Có lẽ lợi thế lớn nhất của ANNs là khả năng được sử dụng như một cơ chế xấp xỉhàm tùy ý mà 'học' được từ các dữ liệu quan sát Tuy nhiên, sử dụng chúng khôngđơn giản như vậy, và một sự hiểu biết tương đối tốt về các lý thuyết cơ bản là điềucần thiết

 Chọn mô hình: điều này sẽ phụ thuộc vào cách trình bày dữ liệu và các ứngdụng Mô hình quá phức tạp có xu hướng dẫn đến những thách thức trong việchọc

 Thuật toán học: có rất nhiều sự thỏa thận giữa các thuật toán học Hầu hếtcác thuật toán sẽ làm việc tốt với các siêu tham số (hyperparameter) đúng đểhuấn luyện trên một tập hợp dữ liệu cố định cụ thể Tuy nhiên, việc lựa chọn vàđiều chỉnh một thuật toán để huấn luyện trên dữ liệu không nhìn thấy yêu cầumột số lượng đáng kể các thử nghiệm

 Tính chính xác: Nếu các mô hình, hàm chi phí và thuật toán học được lựachọn một cách thích hợp, thì ANN sẽ cho kết quả có thể vô cùng chính xác.Với việc thực hiện chính xác, ANN có thể được sử dụng một cách tự nhiên học trựctuyến và các ứng dụng tập dữ liệu lớn Việc thực thi đơn giản của chúng và sự tồntại của chủ yếu là địa phương phụ thuộc được thể hiện trong cấu trúc cho phép triểnkhai nhanh chóng, song song trong phần cứng

Màu sắc

Đỏ

Vừa

1.1.9 Giải thuật phân loại Binary tree

Giải thuật phân loại Binary tree hay còn gọi là cây quyết định là đồ thị các trườnghợp có thể xảy ra (bao gồm rủi ro và hao phí tài nguyên) Cây quyết định mô tả mộtcấu trúc cây, trong đó, các lá đại diện cho các phân loại còn cành đại diện cho cáckết hợp của các thuộc tính dẫn tới phân loại đó[10] Một cây quyết định có thể đượchọc bằng cách chia tập hợp nguồn thành các tập con dựa theo một kiểm tra giá trịthuộc tính [10] Quá trình này được lặp lại một cách đệ quy cho mỗi tập con dẫnxuất Quá trình đệ quy hoàn thành khi không thể tiếp tục thực hiện việc chia táchđược nữa, hay khi một phân loại đơn có thể áp dụng cho từng phần tử của tập condẫn xuất Cây quyết định cũng là một phương tiện có tính mô tả dành cho việc tínhtoán các xác suất có điều kiện Cây quyết định được sử dụng để xây dựng một kếhoạch nhằm đạt được mục tiêu mong muốn, hỗ trợ quá trình ra quyết định

Ví dụ:

Hình 3-1: Minh hoạ ví dụ giải thuật binary

Theo như ví dụ, để phân loại một số trái cây có trong kho, người ta tiến hành phânloại theo màu sắc Nếu màu xanh có 3 khả năng xảy ra là dưa hấu, táo và nho, 3 loạinày có kích thước lớn nhỏ khác nhau, vậy nên người ta dựa vào đặc điểm đó đểphân loại Nếu là màu vàng có 3 khả năng xảy ra là chuối, bưởi và chanh Dựa vào

hình dạng tròn và dài ta biết được chuối cò hình dạng dài hơn chanh và bưởi Vìchanh và bưởi cùng hình tròn nên ta dùng 1 yếu tố nữa là kích thước để phân biệt, to

là bưởi, nhỏ hơn là chanh Tương tự vậy với những trái cây có màu vàng Có khảnăng màu vàng là táo, nho và cherry, ta dựa vào kích thước sẽ biết được táo là tráicây có kích thước lớn hơn 2 loại còn lại Để phân biệt 2 loại còn lại người ta dựavào vị, loại trái cây có vị ngọt sẽ là cherry còn lại là nho Như vậy khi ta dựa vàocây quyết định, ta sẽ phân cấp của đối tượng ta cần xử lý, ta dễ dàng quyết địnhđược những nghiệm chúng ta mong muốn Như ví dụ, ta sẽ biết bưởi là loại trái cây

có màu đỏ, hình tròn và lớn, cherry là loại trái cây có màu vàng, nhỏ và vị ngọt

Ưu điểm:

 Dễ hiểu, có thể thẩm định bằng mô hình các kiểm tra thống kê

 Xử lý dữ liệu trong thời gian ngắn, giúp các nhà nghiên cứu chiến lược đưa

ra quyết định dựa trên phân tích của cây quyết định

Nhược điểm:

 Khó giải quyết những vấn đề có dữ liệu phục thuộc thời gian liên tục

 Dễ gây ra lỗi khi có nhiều lớp

 Chi phí tính toán để xây dựng mô hình cây quyết định cao

 Cần một điểm giới hạn rõ ràng để phân các lớp

 Các dữ liệu sẵn có phải được xây dựng dựa trên lượng data lớn nếu muốn kếtquả thật sự có tính chính xác cao

1.1.10 Giải thuật K-means

K-Means là thuật toán rất quan trọng và được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật phâncụm Tư tưởng chính của thuật toán K-Means là tìm cách phân nhóm các đối tượng(objects) đã cho vào K cụm (K là số các cụm được xác đinh trước, K nguyêndương) sao cho tổng bình phương khoảng cách giữa các đối tượng đến tâm nhóm(centroid ) là nhỏ nhất

Hình 3-2: Sơ đồ thuật thoán K-means

Thuật toán K-Means thực hiện qua các bước chính sau:

1 Chọn ngẫu nhiên K tâm (centroid) cho K cụm (cluster) Mỗi cụm được đạidiện bằng các tâm của cụm

2 Tính khoảng cách giữa các đối tượng (objects) đến K tâm (thường dùngkhoảng cách Euclidean)

3 Nhóm các đối tượng vào nhóm gần nhất

4 Xác định lại tâm mới cho các nhóm

5 Thực hiện lại bước 2 cho đến khi không có sự thay đổi nhóm nào của cácđối tượng