CN106610438B - 一种基于三轴加速度的高空坠落检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三轴加速度的高空坠落检测方法，其特征在于：采集加速度传感器在各方向上的特征量信息。判断加速度传感器输出的三轴合加速度同系统预设阈值g1的大小关系，以判断待测目标是否处于失重状态。在一段滑动时间窗内观测，如果三轴合加速度满足一直小于阈值g1，则计算出在该滑动时间窗内的平均三轴合加速度。判断滑动时间窗内的平均三轴合加速度同系统预设阈值g2的大小关系，如果所述的平均三轴合加速度小于阈值g2，则表明待测目标属于高空坠落状态，并向网络侧发送高空坠落报警指示。本发明应用灵活，能够按照使用方的具体要求而设计，确保高空作业人员的人身安全，方便工程施工队的管理，提高工作生产效率。

Description

一种基于三轴加速度的高空坠落检测方法

技术领域

本发明涉及一种三轴加速度传感器的高空坠落报警检测方法，属于人员安全、信息通信控制领域。

背景技术

随着社会经济的飞速发展，我国公路、桥梁、港口、码头、航道、铁路、隧道、市政等基础设施的勘察、设计、建设、监理、港口和航道的疏浚，海洋重型装备与港口机械、筑路机械的制造开发愈来愈多，同时，人员在施工时也越来越处在高空工作，因此人员安全是必须要考虑的因素。

目前，我国已成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家之一。由于新建交通所跨越地区的地质条件越来越复杂，修建隧道的长度越来越长，埋深也越来越大，洞径截面也越来越大，对施工技术的要求越来越高，这种“长、大、高、难”的发展趋向与特点必然带来隧道施工中的极大风险，对于安全施工、安全监控、安全管理就提出了更高的要求。假如人员从高空不慎坠落，首先是本身直接造成人体伤害，其次是如果不能得到及时的救助，可能会导致更加严重的后果。因此，如何预知高空坠落并最大限度地减少摔伤程度，往往是公司领导、员工家属最为关心的问题，能够随时检测高空坠落事件的发生，让人员能够及时获得救治就显得极为重要，这引起了高空坠落检测系统研制的重视，它能够有效检测施工人员是否发生意外并及时报警，保护了工作人员的健康与安全。

发明内容

本发明提出一种基于三轴加速度的高空坠落报警检测系统，主要适用于施工人员在达到一定高度的工作环境中，确保工作人员的人身安全，方便工程施工队的管理，提高工作生产效率。

为了实现上述目的，本发明的内容包括以下两个部分：

一、高空坠落报警算法流程

当施工人员处于自由落体时加速度计输出的三轴合加速度理论值应为0，静止状态输出合加速度为1g。设定从高于h1米处坠落就属于高空坠落范畴，也就是高于h1米漏报率必须为0，同时为了防止发生误报现象，设定低于h2米，误报率也必须为0。

高空坠落报警检测方法具体步骤如下：

步骤1：采集三轴加速度传感器的信息，并保存采样值。

步骤2：判断每个采样值是否小于阈值g1，如果小于阈值g1，则判为处于失重状态；否则继续判断采样值。

步骤3：判断小于阈值g1的采样值是否是连续的且个数能否达到滑动窗大小num。如果不满足滑动窗大小，说明人员高度没有达到设定值h1，返回步骤2，即判为不属于高空坠落范畴：若满足上述条件，则求滑动窗中采样值的平均值avg。

步骤4：判断滑动窗中的平均值avg是否小于阈值g2，如果小于阈值g2则判为高空坠落，产生报警指示。如果不满足，则跳转步骤2继续监测。

二、高空坠落报警检测系统

所述的高空坠落报警检测系统，由三轴加速度传感器、嵌入式单片机、无线通信模块、电源模块组成。利用三轴加速度传感器采集人体三维加速度值，采集信息传到中央处理器(单片机)进行分析，当检测到坠落现象发生时，通过无线通信模块将报警指示发送到服务器。电源模块主要是为其他模块提供能量支持。

本发明的有益效果：

本发明经过两次阈值判断能够大大提高报警率。系统应用灵活，能够按照使用方的具体要求而设计，这样就可以确保高空作业人员的人身安全，方便工程施工队的管理，提高工作生产效率。

附图说明

图1是高空坠落报警算法流程图

图2是高空坠落报警检测系统框图

具体实施方式

实施例1：

在隧道施工环境下进行使用，设定从高于1.8米处坠落就属于高空坠落，也就是高于h1＝1.8米漏报率必须为0，报警率为100％；同时为了防止发生误报现象，设定低于h2＝1.3米，误报率也必须为0。

芯片采样频率20Hz(0.05s采样一次数据)，滑动窗大小num＝11，11个采样数据所用时间是：t＝0.05×11＝0.55s，根据自由落体运动公式所以要想产生高空坠落报警指示高度必须大于1.5米。

具体工作原理：

(1)采集三轴加速度信息。

(2)若采样合加速度值小于阈值g1＝0.6g，即判为失重状态，保存采样值。

(3)判断小于阈值g1＝0.6g的采样值是否是连续的且个数是否达到滑动窗大小num＝11个，若是求滑动窗中11个采样值的平均值avg。

(4)判断滑动窗中采样值的平均值avg是否小于设定的阈值g2＝0.4g，若小于则系统产生报警指示。如果不满足上述条件，则不属于高空坠落情况。

实施例2：

在隧道施工环境下进行使用，设定从高于2米处坠落属于高空坠落，这时高度h₁＝2.0米，h₂＝1.6米。依据h₁＝2.0米，设定滑动窗大小num＝12，滑动窗大小num的设定是依据使用方要求h₁的高度而计算出的。

具体工作原理：

(1)采集三轴加速度信息。

(2)若采样合加速度值小于阈值g1＝0.55g，即判为失重状态，保存采样值。

(3)判断小于阈值g1＝0.55g的采样值是否是连续的且个数是否达到滑动窗大小num＝12个，若是求滑动窗中12个采样值的平均值avg。

(4)判断滑动窗中采样值的平均值avg是否小于设定的阈值g2＝0.4g，若小于则系统产生报警指示，否则为非高空坠落。

Claims (7)

1.一种基于三轴加速度的高空坠落检测方法，其特征在于：

采集加速度传感器在各方向上的特征量信息。

判断加速度传感器输出的三轴合加速度同系统预设阈值g1的大小关系，以判断待测目标是否处于失重状态；若三轴合加速度小于阈值g1，则表明待测目标处于失重状态。

在一段滑动时间窗内观测，判断三轴合加速度是否满足一直小于阈值g1，如果是，则计算出在该滑动时间窗内的平均三轴合加速度。

判断滑动时间窗内的平均三轴合加速度同系统预设阈值g2的大小关系，如果所述的平均三轴合加速度小于阈值g2，则表明待测目标属于高空坠落状态，并向网络侧发送高空坠落报警指示。

2.根据权利要求1所述的加速度传感器在各方向上的特征量，其特征在于：

采集的加速度数据包括x轴、y轴、z轴加速度值以及x/y/z三轴的合加速度值，加速度值单位是m/s²。本发明中主要用于判断失重状态和高空坠落状态的参数是三轴合加速度。

3.根据权利要求1所述的失重状态，其特征在于：

人体对支持物的压力小于物体所承受重力的现象即为失重。当人体从高空坠落时，处于空中自由落体的阶段就是所谓的失重状态。此时，通过加速度传感器输出的瞬时三轴合加速度的理论值为0。但限于设备测试精度，实际测试会稍有精度偏差。

4.根据权利要求1所述的系统预设阈值g1，其特征在于：

系统预设阈值g1用于判断待测目标是否处于失重状态。

通过加速度传感器输出的三轴合加速度同系统预设阈值g1的比较，若三轴合加速度小于系统预设阈值g1，则初步判断待测目标处于失重状态。并在一段观测时间内进行连续监测，若均满足失重状态的判断条件，则表明待测目标处于失重状态。

5.根据权利要求1所述的滑动时间窗，其特征在于：

所述滑动时间窗是系统判定高空坠落的重要因子，它同高空坠落的报警高度紧密相关，两者之间的物理关系如下所示：

其中，T_滑动是所述滑动时间窗的长度，T_s是所述加速度传感器的加速度信息采样周期，num是滑动时间窗中包含的加速度采样周期的个数，g是重力加速度，通常取值为g＝9.8m/s²，h是满足高空坠落报警的实际高度。

6.根据权利要求1所述的平均三轴合加速度，其特征在于：

所述平均三轴合加速度的物理意义在于体现了满足失重状态条件下，在滑动时间窗的一段时间之中，所述三轴合加速度的算术平均值。

7.根据权利要求1所述的系统预设阈值g2，其特征在于：

系统预设阈值g2用于判断待测目标是否处于高空坠落状态。

在本发明中，g1和g2的相对关系需满足：g1＞g2。

系统预设阈值g1和g2的设定有利于提高系统的报警灵敏度，同时降低高空坠落的误报率。