Nâng cao độ chính xác ước lượng góc quay của đầu sử dụng phần tử đo vi cơ quán tính và bộ lọc số thích nghi
36 lượt xemDOI:
https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.104.2025.59-70Từ khóa:
Phản xạ tiền đình-mắt (VOR); Đơn vị đo lường quán tính (IMU); Bộ lọc số thích nghi; Bộ lọc Mahony; Tốc độ quay của đầu; Cảm biến vi cơ (MEMS).Tóm tắt
Bài báo đề xuất phương pháp nâng cao độ chính xác ước lượng góc quay của đầu bằng cách kết hợp các cảm biến vi cơ quán tính và bộ lọc số. Phương pháp được triển khai trong trạng thái mắt ổn định ánh nhìn. Kết quả thử nghiệm cho thấy, so với bộ lọc Mahony, Kalman, giải pháp đề xuất cải thiện đáng kể độ chính xác ước lượng góc quay của đầu với lượng sai số RMS nhỏ hơn 0,1 độ theo góc quay trên mặt phẳng nằm ngang, đồng thời giữ được đặc tính thời gian thực. Kết quả này phù hợp với các ứng dụng của nghiên cứu ghi nhận tín hiệu phản xạ tiền đình - mắt trong chẩn đoán bệnh tiền đình.
Tài liệu tham khảo
[1]. V. Bijalwan, V. B. Semwal, T. K. Mandal. “Fusion of Multi-Sensor Based Biomechanical Gait Anal-ysis Using Vision and Wearable Sensor”. IEEE Sensors Journal, vol. 21, no. 13, pp. 14213 - 14220, (2021). DOI: https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3066473
[2]. S. O. Madgwick. “An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays”. Report x-io and University of Bristol (UK), pp. 113-118, (2010).
[3]. S. Song, Y. Pei, & E. Hsiao-Wecksler. “Estimating Relative Angles Using Two Inertial Measurement Units Without Magnetometers”. IEEE Sensors Journal, 22, 19688-19699, (2022). DOI: https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3203346
[4]. S. A. Ludwig, & K. D. Burnham. “Comparison of Euler Estimate using Extended Kalman Filter, Madgwick and Mahony on Quadcopter Flight Data”. International Conference on Unmanned Air-craft Systems (ICUAS), pp. 1236-1240, (2018). DOI: https://doi.org/10.1109/ICUAS.2018.8453465
[5]. A. Jouybari, H. Amiri, A. Ardalan, & N. Zahraee. “Methods comparison for attitude determination of a lightweight buoy by raw data of IMU”. Measurement, 136, 490-500, (2019). DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2018.11.061
[6]. R.S. Jampel and D.C. Shi, “Primary position of the eye, reset speed, and horizontal visual head plane. Head movements around the cervical joint”, Investigative Ophthalmology & Visual Sciences 33, 2501–2510, (1992).
[7]. Mahony, R., Hamel, T., & Pflimlin, J. M. “Nonlinear complementary filters on the special orthogo-nal group”. IEEE Transactions on Automatic Control, 53(5), 1203–1218, (2008). DOI: https://doi.org/10.1109/TAC.2008.923738
[8]. R. Kumar, M. Bhargavapuri, A. M. Deshpande, S. Sridhar, K. Cohen, and M. Kumar, "Quaternion feedback based autonomous control of a quadcopter UAV with thrust vectoring rotors," 2020 Amer-ican Control Conference (ACC), Denver, CO, USA, pp. 1-6, (2020). DOI: 10.23919/ACC45564.2020.9147794. https://ieeexplore.ieee.org/document/9147794 DOI: https://doi.org/10.23919/ACC45564.2020.9147794
[9]. Q. Li, R. Li, K. Ji and W. Dai, "Kalman Filter and Its Application," 2015 8th International Confer-ence on Intelligent Networks and Intelligent Systems (ICINIS), Tianjin, China, pp. 74-77, (2015), doi: 10.1109/ICINIS.2015.35. DOI: https://doi.org/10.1109/ICINIS.2015.35
[10]. T. Seel, J. Raisch and T. Schauer, "IMU-based joint angle measurement for gait analysis", Sensors, vol. 14, no. 4, pp. 6891-6909, (2014). DOI: https://doi.org/10.3390/s140406891
[11]. A. Brennan, J. Zhang, K. Deluzio and Q. Li, "Quantification of inertial sensor-based 3D joint angle measurement accuracy using an instrumented gimbal", Gait Posture, vol. 34, no. 3, pp. 320-323, (2011). DOI: https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2011.05.018
[12]. S. Y. Song, Y. Pei, S. R. Tippett, D. Lamichhane, C. M. Zallek and E. T. Hsiao-Wecksler, "Validation of a wearable position velocity and resistance meter for assessing spasticity and rigidity", Proc. Frontiers Biomed. Devices, pp. 1-4, (2018). DOI: https://doi.org/10.1115/DMD2018-6906
[13]. P. Picerno, "25 years of lower limb joint kinematics by using inertial and magnetic sensors: A review of methodological approaches", Gait Posture, vol. 51, pp. 239-246, (2017). DOI: https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2016.11.008
[14]. S. Y. Song, Y. Pei, J. Liang and E. T. Hsiao-Wecksler, "Design of a portable position velocity and resistance meter (PVRM) for convenient clinical evaluation of spasticity or rigidity", Proc. Design Med. Devices Conf., pp. 1-2, (2017). DOI: https://doi.org/10.1115/DMD2017-3503
[15]. G. Ligorio and A. M. Sabatini, "A novel Kalman filter for human motion tracking with an inertial-based dynamic inclinometer", IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 62, no. 8, pp. 2033-2043, (2015). DOI: https://doi.org/10.1109/TBME.2015.2411431
