CN105476111A - 具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲及防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲及防护方法，该安全马甲包括马甲本体，马甲本体上内嵌运动状态感知装置和安全气囊装置，所述的运动状态感知装置至少包括2个片上处理芯片、微控制器(MCU)模块以及电源模块，每个片上处理芯片中至少集成1个运动状态感知模块和1个片上处理电路，2个片上处理芯片均与微控制器模块通过集成电路间(I2C)总线相连，所述安全气囊装置包括点火充气电路和气囊本体，所述点火充气电路与微控制器模块及气囊相连，所述电源模块用于为其他各模块供电,本发明可以检测穿着者的运动状态，且当穿着者摔倒时马甲内嵌的气囊会主动展开，以避免摔倒者头部受伤和大腿骨折。

Description

具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲及防护方法

技术领域

本发明涉及一种安全马甲，特别是涉及一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲及其防护方法。

背景技术

日常生活和生产活动中人们因摔倒致伤致残的事故发生频繁，摔倒事故不仅严重影响人们的健康，甚至威胁到人们的生命。诸如在一些地面湿滑的环境中工作的人员很容易摔倒，导致工伤事故。同时由于当前社会老龄化，人口中老年人群的比重越来越高，因其运动机能明显退化，导致老年人群的摔倒事故发生率较高、后果严重，逐渐成为一个严重的社会问题。

现阶段安全气囊主要应用在汽车方面，旨在减轻汽车碰撞后驾驶员因为惯性发生碰撞的伤害程度。若能将其安全气囊引入到日常所穿的安全马甲中则能够避免和降低摔倒导致的伤害。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲及其防护方法，其具有运动状态感知和气囊主动防护的功能，能够实时检测穿着者的运动状态，且当穿着者摔倒时马甲内嵌的安全气囊会主动打开，以避免穿着者头部受伤和大腿骨折，同时本发明还可将穿着者的摔倒信息通过无线通信方式传送到监控中心的服务器，以便及时做出后续处理。

为达上述及其它目的，本发明提出一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲，包括马甲本体，该马甲本体上内嵌运动状态感知装置和安全气囊装置，所述运动状态感知装置至少包括2个片上处理芯片、微控制器(MCU)模块以及电源模块，每个片上处理芯片中至少集成了1个运动状态感知模块和1个片上处理电路，2个片上处理芯片均与微控制器(MCU)模块通过总线相连，所述安全气囊装置包括点火充气电路和气囊本体，所述点火充气电路与微控制器(MCU)模块及气囊本体相连，所述电源模块用于为其他各模块进行供电。

进一步地，该片上处理芯片包括信号预处理模块和信号调理模块，信号预处理模块对运动状态感知模块获取的信号进行预处理，其包括带宽处理电路和杂波滤波模块，带宽处理电路和杂波滤波模块的输入端与运动状态感知模块，带宽处理电路和杂波滤波模块的输出端与信号调理模块相连，信号调理模块包括依次相连的放大器、采样保持器和模数(A/D)转换器，放大器连接信息预处理模块，模数(A/D)转换器连接微控制器(MCU)模块。

进一步地，第1个上处理芯片上集成3轴加速度计及片上处理电路，第2个上处理芯片上集成3轴陀螺仪和片上处理电路，3轴加速度计和3轴陀螺仪分别用来感知人体在摔倒过程中上躯干的速度变化及偏离地面垂直方向的倾斜角度变化。

进一步地，安全气囊装置包括2个点火充气电路和2个气囊，该2个点火充气电路分别与微控制器模块相连，并分别与2个气囊相连。

进一步地，所述的2个气囊分别设于马甲靠近头部和靠近腰部的位置，其中靠近头部的气囊为主气囊，靠近腰部的气囊为从气囊。

进一步地，2个片上处理芯片与微控制器(MCU)模块通过集成电路间(I2C)总线相连。

进一步地，安全马甲还包括紫蜂(Zigbee)无线通信模块，Zigbee模块与微控制器(MCU)模块及天线相连，ZigBee模块连接天线，片上处理芯片所得摔倒信号进入微控制器模块并由微控制器模块处理后通过内部通信电路传输到ZigBee模块，经由天线发送到监控中心的服务器。

为达到上述目的，本发明还提供一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲的防护方法，包括如下步骤：

步骤一，通过运动状态感知模块获取穿着者当前的加速度值及身体与地面垂直方向的倾角变化，并将其与预设阈值进行比较；

步骤二，若检测加速度值大于预设加速度阈值且判断倾角偏向为正常时，则判断穿着者处于跌倒临界状态，则触发安全气囊装置打开气囊。

进一步地，于步骤二中，若检测加速度值大于预设加速度阈值且判断倾角偏向为正常时，则先给气囊装置的主气囊充气，延迟一段时间后，再给从气囊充气。

进一步地，于步骤二后，还包括通过Zigbee模块将穿着者的摔倒信息发送至监控中心的服务器，以便及时作出后续处理的步骤。

与现有技术相比，本发明一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲及其防护方法，其具有运动状态感知和气囊主动防护的功能，可以检测穿着者的运动状态，且当穿着者摔倒时马甲内嵌的安全气囊主动展开，以避免穿着者头部受伤和大腿骨折，同时本发明还可将穿着者的摔倒信息通过无线通信方式传送到监控中心的服务器，以便及时做出后续处理。

附图说明

图1为本发明一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲的结构示意图；

图2为本发明中的地面坐标系及人体加速度、躯干转角定义图；

图3为本发明中的电源模块的结构框图；

图4为本发明较佳实施例中多个安全马甲的工作拓扑图；

图5为本发明的一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲的防护方法的步骤流程图；

图6为本发明的较佳实施例的工作流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲的结构示意图。如图1所示，本发明一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲，包括马甲本体，所述的马甲本体上嵌有运动状态感知装置1和气囊装置2，所述的运动状态感知装置1包括第1个上处理芯片10、第2个上处理芯片11、微控制器(MCU)模块12、ZigBee模块13以及电源模块14。其中每个片上处理芯片中集成1个运动状态感知模块和1个片上处理电路，具体地说，第1个上处理芯片10上集成3轴加速度计及其片上处理电路，第2个上处理芯片11上集成3轴陀螺仪及其片上处理电路，片上处理电路包括信息预处理模块和信号调理模块；气囊装置2包括2个点火充气电路，以及主/从2个气囊，2个片上处理芯片与MCU模块12通过I2C总线相连，使用I2C总线连接是因为I2C总线具有简单性和有效性等优点，由于接口直接在组件之上，I2C总线占用的空间非常小，减少电路板的空间和芯片管脚的数量，降低互联成本。总线长度可高达25英尺，且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件，ZigBee模块13与MCU模块12相连，ZigBee模块13连接天线。电源模块14分别与片上处理芯片、ZigBee模块13、气囊装置2的点火充气电路、MCU模块12相连。气囊装置2的点火充气电路与MCU模块相连，2个点火充气电路分别与主/从2个气囊相连。

具体地，在本发明中，所述的运动状态感知模块1具备6个自由度(DoF)检测能力，包括3轴加速度计和3轴陀螺仪，3轴加速度计和3轴陀螺仪均与片上处理电路相连。所述的3轴加速度计和3轴陀螺仪分别用来感知人体在摔倒过程中上躯干的加速度及偏离地面垂直方向的倾斜角度变化，片上处理电路中的信号预处理模块包括带宽处理电路和杂波滤波模块，带宽处理电路和杂波滤波模块的输入端皆与运动状态感知模块(3轴加速度计或3轴陀螺仪)相连，带宽处理电路和杂波滤波模块的输出端与信号调理模块相连。信号预处理模块采用复合抗干扰技术实现最大程度的干扰抑制。此外，片上处理电路中的信号调理模块包括依次相连的放大器、采样保持器和A/D转换器，放大器连接信息预处理模块，A/D转换器连接MCU模块。

较佳地，电源模块14包括柔性薄膜电池组件、低电报警电路、电源管理电路，电源管理电路引出的多路电压信号分别与片上处理芯片、MCU模块、ZigBee模块以及气囊的点火充气电路连接。电源模块14用于为其它所有模块供电。因为所述的智能安全马甲本体在使用中不可避免的有弯曲、折叠等动作，因此采用柔性薄膜电池以适应安全马甲本体的动作。

优选地，所述的ZigBee模块13与MCU模块12相连，ZigBee模块连接天线。片上处理电路所得的摔倒信号，进入MCU再次由MCU处理后通过内部通信电路传输到ZigBee模块，经由天线发送到监控中心的服务器。

优选地，气囊的充气装置在接收到MCU的点火指令后通过点火充气电路对气囊充气。充入气体为二氧化碳和氮气混合气体，主要是为适应在寒冷场所安全气囊也能快速打开。

优选地，由于穿在人体身上的马甲需要轻便，所以气囊的底面材料以尼龙为基础，并且为隔热还做聚氨基甲酸乙酯涂抹处理。

优选地，所述的主/从2个气囊分别设于马甲靠近头部和靠近腰部的2个位置，其中靠近头部的气囊为主气囊，靠近腰部的气囊为从气囊。主/从气囊配合启用更好的保护穿着者的安全。

实施例

请再次参考图1，本发明一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲，包括安全马甲本体，所述的马甲本体上嵌有运动状态感知装置1和气囊装置2，所述的运动状态感知装置1包括两个片上处理芯片、微控制器(MCU)模块、ZigBee模块以及电源模块，其中每个片上处理芯片中集成1个运动状态感知模块和1个片上处理电路(其中包括信息预处理模块和信号调理模块)。该智能马甲的气囊装置部分包括2个点火充气电路，以及主/从2个安全气囊。

在本发明中，运动状态感知模块至少有2个，1个运动状态感知模块包括1个3轴加速度计，另1个运动状态感知模块包括1个3轴陀螺仪，以图2所示的地面坐标系及人体加速度为例。设在人体运动过程中躯干部位沿x轴方向的加速度为a_x，沿y轴方向的加速度为a_y，沿z轴方向的加速度为a_z，则其合加速度可以用公式(1)来计算：

$a=\sqrt{a_x+a_y+a_z}---\left(1\right)$

可根据计算出的合成加速度a与预设的摔倒阈值加速度值a_m进行比较来判断穿着者是否将要摔倒。若a≥a_m说明穿着马甲者将要摔倒，若a<a_m说明穿着者不会摔倒。但若仅如此，则当人们行走及落座等非摔倒动作也会产生同样的加速度，马甲有可能出现误操作。因此需要在加速度上组合使用检测身体的倾斜状态的陀螺仪来检测穿着者身体的姿势变化，从而消除误操作。

摔倒过程中通常伴随身体姿态的变化，一般来说，摔倒前躯干接近于地面垂直方向，摔倒后接近于地面水平方向，只是在少数情况下会出现不同点，所以可以不考虑，可以把躯干方向的改变可以作为识别摔倒行为的一个辅助判决依据。躯干方向的改变可用躯干转角来表示。如图2所示，定义身体躯干相对于地面坐标系OXYZ的转角为θ_x、θ_y、θ_z，θ_x为自旋角，绕x轴转动；θ_y为侧倾角，绕y轴转动；θ_z为俯仰角，绕z轴转动。在人体摔倒过程中，通常会出现侧倾角θ_y或俯仰角θ_z有较大变化，当向两侧倒时侧倾角θ_y有较大的变化，当向后倒时俯仰角θ_z有较大变化，自旋角θ_x在人体摔倒过程中并没有突出变化特点，故一般不作为摔倒过程的特征。然而，陀螺仪测量的是旋转的角速度，不是旋转角度，因此需要通过连续积分得到角度。假设3轴陀螺仪在某一时刻测得绕y轴的角速度为ω_y，绕z轴的角速度为ω_z，则t₁时刻到t₂时刻的倾仰角θ_y和俯仰角θ_z用公式(2)和公式(3)计算：

${\mathrm{\&theta;}}_y={\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{\mathrm{\&omega;}}_y\left(t\right)dt---\left(2\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_z={\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{\mathrm{\&omega;}}_z\left(t\right)dt---\left(3\right)$

由此在根据计算的加速度的基础上，再组合计算的倾仰角或俯仰角的变化就能很准确可靠的判断穿着者是否将要摔倒。

所述的信号预处理模块包括带宽处理电路和杂波滤波电路，带宽处理电路和杂波滤波电路的输入端皆与运动状态感知模块相连，带宽处理电路和杂波滤波模块的输出端皆与MCU相连。3轴加速度计和3轴陀螺仪检测到的信号，经过带宽处理电路和杂波滤波电路的作用，滤除电路中的干扰信号，得到所需的电压信号。此外，信号调理模块包括依次相连的放大器、采样保持器和A/D转换器，放大器分别连接信息预处理模块的带宽处理电路和杂波滤波电路，A/D转换器连接MCU。由于传感器获取的信号很微弱，必须经过放大器放大，然后经过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后，将数字信号送到MCU处理。

如图3所示，为本发明的电源模块的结构框图，所述的电源模块包括柔性薄膜电池组件、低电报警电路、电源管理电路，电源管理电路引出的多路电压信号分别与片上处理芯片、MCU模块、ZigBee模块以及气囊的点火充气电路连接。电源模块用于所有模块供电。因为所述的安全马甲本体在使用中不可避免的有弯曲、折叠等行为，采用柔性薄膜电池可以很好的适应安全马甲本体的行为动作。同时当电池电压过低时报警电路还会自动报警。

如图4所示为本发明的多个安全马甲的工作拓扑图。可以将多个智能安全马甲通过ZigBee模块连接起来，以无线通信方式将各个穿着者的摔倒信息通过发送出去，传输到监控中心的服务器。

图5为本发明的一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲的防护方法的步骤流程图，图6为本发明较佳实施例的工作流程图。如图5及图6所示，本发明一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲的防护方法，包括如下步骤：

步骤501，通过运动状态感知模块获取穿着者当前的加速度值及身体倾角变化，并将其与预设阈值进行比较；在本本发明较佳实施例中，运动状态感知模块至少包括2个，1个为3轴加速度计，另1个为3轴陀螺仪，将检测加速度值与预设加速度阈值进行比较，并判断倾角偏向是否正常；

步骤502，若检测加速度值大于或等于预设加速度阈值且判断倾角偏向为正常时，则判断穿着者处于临界跌倒状态，则触发气囊装置打开气囊。具体地说，先给气囊装置的主气囊充气，延迟一段时间后，再给从气囊充气。本发明中具有主/从2个气囊，分别设于马甲靠近头部和靠近腰部的2个位置，其中靠近头部的气囊为主气囊，靠近腰部的气囊为从气囊，主气囊比从气囊小。当传感器检测到穿着者将要摔倒时，MCU控制气囊点火充气电路先对靠近头部的主气囊进行充气，延迟一段时间后再对靠近腰部的从气囊进行充气。设计主/从两个气囊并分先后顺序充气，是因为若刚开始就对比较大的从气囊进行充气可能瞬间冲击较大，人体有时不一定能够承受，特别是老年人。除此之外2个气囊配合使用能够更好的保护穿着者的安全。

步骤503，通过Zigbee模块将马甲穿着者的摔倒信息发送至监控中心的服务器，以便其及时作出后续处理。

综上所述，本发明一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲及其防护方法，其具有运动状态感知和气囊主动防护的功能，可以检测穿着者的运动状态，且当穿着者摔倒时马甲中的气囊会主动展开，以避免摔倒者头部受伤和大腿骨折，同时本发明还可以将穿着者的摔倒信息通过无线通信方式传送到监控中心的服务器，以便及时做出后续处理。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲，包括马甲本体，其特征在于：该马甲本体上内嵌有运动状态感知装置和安全气囊装置，所述运动状态感知装置至少包括2个片上处理芯片、微控制器模块以及电源模块，每个片上处理芯片中至少集成1个运动状态感知模块和1个片上处理电路，2个片上处理芯片与微控制器模块通过集成电路间总线相连，所述安全气囊装置包括点火充气电路和气囊本体，所述点火充气电路与微控制器模块及气囊本体相连，所述电源模块用于为其他各模块供电。

2.如权利要求1所述的一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲，其特征在于：该片上处理芯片包括信号预处理模块和信号调理模块，信号预处理模块对运动状态感知模块获取的信号进行预处理，其包括带宽处理电路和杂波滤波模块，带宽处理电路和杂波滤波模块的输入端与该运动状态感知模块，带宽处理电路和杂波滤波模块的输出端与该信号调理模块相连，信号调理模块包括依次相连的放大器、采样保持器和模数转换器，放大器连接信息预处理模块，模数转换器连接微控制器模块。

3.如权利要求2所述的一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲，其特征在于：第1个上处理芯片上集成3轴加速度计及片上处理电路，第2个上处理芯片上集成3轴陀螺仪及片上处理电路，3轴加速度计和3轴陀螺仪分别感知人体在摔倒过程中上躯干加速度和偏离垂直地面方向的倾斜角度变化。

4.如权利要求2所述的一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲，其特征在于：气囊装置包括2个点火充气电路和主/从2个气囊，2个点火充气电路分别与微控制器模块相连，并分别与主/从2个气囊相连。

5.如权利要求4所述的一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲，其特征在于：所述的主/从2个气囊分别设于马甲靠近头部和靠近腰部的2个位置，其中靠近头部的气囊为主气囊，靠近腰部的气囊为从气囊。

6.如权利要求2所述的一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲，其特征在于：2个片上处理芯片与微控制器模块通过集成电路间总线相连。

7.如权利要求2所述的一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲，其特征在于：安全马甲还包括Zigbee模块，Zigbee模块与微控制器模块及天线相连，ZigBee模块连接天线，片上处理芯片所得信号进入微控制器模块并由微控制器模块处理后通过内部通信电路传输到ZigBee模块，经由天线发送到监控中心的服务器。

8.一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲的防护方法，包括如下步骤：

步骤一，通过运动状态感知模块获取穿着者当前的加速度值及身体倾角变化，并将其预设阈值进行比较；

步骤二，若检测加速度值大于或等于预设加速度阈值且判断倾角偏向为正常时，则判断穿着者处于临界跌倒状态，则控制安全气囊装置打开气囊。

9.如权利要求8所述的一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲的防护方法，其特征在于：于步骤二中，若检测加速度值大于或等于预设加速度阈值且判断倾角偏向为正常时，则先给气囊装置的主气囊充气，延迟一段时间后，再给从气囊充气。

10.如权利要求9所述的一种具备运动状态感知和气囊主动防护的安全马甲的防护方法，其特征在于：于步骤二后还包括通过Zigbee模块将穿着者的摔倒信息发送至监控中心的服务器，以便及时作出后续处理的步骤。